傳感器各個實驗

1、實驗一 金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗一、 實驗?zāi)康牧私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。二、 基本原理金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬的電阻表達(dá)式為： （1） 當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長，橫截面積相應(yīng)減小，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對式（1）全微分，并用相對變化量來表示，則有： （2） 式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變，用表示，常用單位（1=1×）。若徑向應(yīng)變?yōu)?，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮的關(guān)系用泊松比表示為，因為=2（），則（2）式可以寫成： （3）式（3）為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式

2、。稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3）可見，受兩個因素影響，一個是（1+），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個是，是材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對于金屬材料而言，以前者為主，則，對半導(dǎo)體，值主要是由電阻率相對變化所決定。實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)=2左右。用應(yīng)變片測量受力時，將應(yīng)變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)（3）式，可以得到被測對象的應(yīng)變值，而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 （4）式中 測試的應(yīng)力；

3、E材料彈性模量?？梢詼y得應(yīng)力值。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測量上述各量，從而做成各種應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片可分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（二）中應(yīng)變式傳感器實驗單元、砝碼、智能直流電壓表（或虛擬儀表中直流電壓表）、±15V電源、±5V電源，傳感器調(diào)理電路掛件。四、實驗內(nèi)容與步驟1應(yīng)變片的安裝位置如圖（11）所示，應(yīng)變式傳感器已裝到應(yīng)變傳感器模塊上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4?？捎萌f用表進(jìn)行測量，R1=R2=R3=R4=350。圖1

4、-1 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2接入模板電源±15V（從面板上引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw3使之大致位于中間位置，再進(jìn)行差動放大器調(diào)零，方法為：將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控臺面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw4，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控臺電源。（注意：當(dāng)Rw3的位置一旦確定，就不能改變。）3按圖1-2將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片R1（即模板左上方的R1）接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋，（R5、R6、R7模塊內(nèi)已接好），接好電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源±5V

5、，如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。4在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，以后每次增加一個砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完，記下實驗結(jié)果填入表1-1，關(guān)閉電源。表1-1單臂電橋輸出電壓與所加負(fù)載重量值重量(g)電壓(mv)圖1-2 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒灲泳€圖5 根據(jù)表1-1計算系統(tǒng)靈敏度（輸出電壓的變化量，重量變化量）和非線性誤差f1=m/yFS ×100 式中（多次測量時為平均值）為輸出值與擬合直線的最大偏差：yFS 滿量程輸出平均值,此處為200g。五、實驗注意事項1不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易

6、損壞傳感器。2電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。六、思考題1單臂電橋時，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：（1）正（受拉）應(yīng)變片（2）負(fù)（受壓）應(yīng)變片（3）正、負(fù)應(yīng)變片均可以。 七、實驗報告要求1記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出單臂電橋時傳感器的特性曲線。2從理論上分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。實驗二 金屬箔式應(yīng)變片半橋性能實驗一、實驗?zāi)康?了解半橋的工作原理。2比較半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。二、基本原理把不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓UO2。式中E為電橋供電電壓。三

7、、需用器件與單元傳感器實驗箱（二）中應(yīng)變式傳感器實驗單元，傳感器調(diào)理電路掛件中應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０濉㈨来a、智能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、±15V電源、±5V電源。四、實驗內(nèi)容與步驟1接入模板電源±15V（從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，進(jìn)行差動放大器調(diào)零，方法為：將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw4，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。2根據(jù)圖2-1接線。R1、R2為實驗?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反

8、（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰圖2-1 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖邊。接入橋路電源±5V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零，重復(fù)實驗一中的步驟4、5，將實驗數(shù)據(jù)記入表2-1，計算靈敏度，非線性誤差。若實驗時顯示數(shù)值不變化說明R1與R2兩應(yīng)變片受力狀態(tài)相同。則應(yīng)更換應(yīng)變片。 表2-1半橋測量時，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）電壓（mV）五、實驗注意事項1不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。六、思考題1半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)放在：（

9、1）對邊（2）鄰邊。2橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為：（1）電橋測量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。七、實驗報告要求1記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出單臂電橋時傳感器的特性曲線。2分析為什么半橋的輸出靈敏度為什么比半橋時高了一倍，而且非線性誤差也得到改善。實驗三 金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實驗一、實驗?zāi)康牧私馊珮驕y量電路的原理及優(yōu)點。二、基本原理全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩個應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓U03。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到明顯改善。三

10、、需用器件和單元傳感器實驗箱（二）中應(yīng)變式傳感器實驗單元，傳感器調(diào)理電路掛件、砝碼、智能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、±15V電源、±5V電源。四、實驗內(nèi)容與步驟1根據(jù)3-1接線，實驗方法與實驗二相同。將實驗結(jié)果填入表3-1；進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計算。表3-1全橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）電壓（mV）圖3-1 應(yīng)變式傳感器全橋?qū)嶒灲泳€圖五、實驗注意事項 1不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V。六、思考題1全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R1、R3為對邊）值R相同時，即R1R3，R2R4，而R

11、1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。2某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如何利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖3-2 應(yīng)變式傳感器受拉時傳感器周面展開圖七、實驗報告要求： 1根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)繪制出全橋時傳感器的特性曲線。2比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，并從理論上加以分析比較，得出相應(yīng)的結(jié)論。實驗四 直流全橋的應(yīng)用電子秤實驗一、實驗?zāi)康牧私鈶?yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。二、基本原理電子秤實驗原理與實驗三相同，利用全橋測量原理，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始的電子

12、秤。三、需用器件和單元傳感器實驗箱（二）中應(yīng)變式傳感器實驗單元，應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、砝碼、智能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、±15V電源、±5V電源。四、實驗內(nèi)容與步驟1按實驗一中2的步驟，將差動放大器調(diào)零，按圖3-1全橋接線，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位器Rw1，使數(shù)顯表顯示0.000V（2V檔）。2將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rw3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V或-0.200V。3拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器Rw1（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。4重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量量綱

13、g，就可以稱重，成為一臺原始的電子秤。5把砝碼依次放在托盤上，填入下表4-1。表4-1電橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）電壓(mv)6 根據(jù)上表，計算誤差與非線性誤差。五、實驗注意事項1不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V。六、實驗報告要求1記錄實驗數(shù)據(jù)，繪制傳感器的特性曲線。2分析什么因素會導(dǎo)致電子秤的非線性誤差增大，怎么消除，若要增加輸出靈敏度，應(yīng)采取哪些措施。實驗五 交流全橋的應(yīng)用振動的測量一、實驗?zāi)康?了解利用交流電橋測量動態(tài)應(yīng)變參數(shù)的原理與方法。二、基本原理 對于交流應(yīng)變信號用交流電橋測量時，橋路輸出

14、的波形為一調(diào)制波，不能直接顯示其應(yīng)變值，只有通過移相檢波和濾波后才能得到變化的應(yīng)變信號，此信號可以從示波器或用交流電壓表讀得。三、需用器件與單元： 傳感器實驗箱（二）中應(yīng)變式傳感器實驗單元，信號發(fā)生器，傳感器調(diào)理電路掛件，相敏檢波，移相器，低通濾波單元，振動源。四、實驗步驟1按照實驗一中的步驟（二）進(jìn)行差動放大器調(diào)零。2用應(yīng)變輸出專用連接線將傳感器實驗箱（二）上的應(yīng)變輸出插座和應(yīng)變傳感器實驗單元上的插座連接起來。3將面板上的電源接入傳感器調(diào)理電路的電源端。4按圖5-1將各單元連接好線，檢查無誤后，合上電源開關(guān)。5將信號源的頻率調(diào)節(jié)到1KHz左右，幅度調(diào)節(jié)到10VP-P（頻率可用頻率計檢測，幅度

15、用虛擬示波器檢測）。6調(diào)節(jié)RW1、RW2，使低通濾波器的輸出波形為一條水平線。7用手按住振動平臺（讓傳感器產(chǎn)生一個大位移）仔細(xì)調(diào)節(jié)移相器和相敏檢波器的電位器，使示波器顯示的波形為一個接近全波整流的波形。 圖51電阻應(yīng)變式傳感器振動測量接線圖8松手，整流波形消失變?yōu)橐粭l接近零點線。（否則調(diào)節(jié)RW1、RW2），將低頻振蕩器輸出接入振動源的低頻輸入端，調(diào)節(jié)低頻振蕩器幅度和頻率（約為10HZ），使振動平臺振動較為明顯。9用虛擬示波器觀察低通濾波器VO的波形.10固定低頻振蕩器的幅度不變，調(diào)節(jié)其頻率，用示波器讀出頻率改變時低通濾波器輸出Vo的電壓峰峰值，填入下表5-1重量（g）電壓(mv)從實驗數(shù)據(jù)得振

16、動梁的自振頻率為（）HZ五、實驗注意事項1不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V。六、思考題1、在交流電橋測量中，對音頻振蕩器和被測梁振動頻率之間有什么要求？2、請歸納直流電橋和交流電橋的特點。實驗六 差動變壓器的性能測定一、 實驗?zāi)康?了解差動變壓器的工作原理和特性。2了解三段式差動變壓器的結(jié)構(gòu)。二、 基本原理差動變壓器由一只初級線圈和二只次級線圈及鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器隨著被測物體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化

17、，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只次級反向串接，即同名端接在一起，就引出差動輸出，其輸出電勢則反映出被測體的位移量。三、 需用器件與單元傳感器實驗箱（一）、傳感器調(diào)理電路掛件、測微頭、差動變壓器、信號源。四、 實驗內(nèi)容與步驟1將差動變壓器及測微頭安裝在傳感器支架上。2將傳感器引線插頭插入實驗?zāi)０宓牟遄?，在模塊上按圖6-1接線，音頻振蕩器信號必須從主控臺中的音頻振蕩器的端子（正相或反相）輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，使輸出頻率為4-5KHz（可用主控臺的頻率計來監(jiān)測）。調(diào)節(jié)輸出幅度為峰峰值Vp-p=2V（可用虛擬示波器監(jiān)測）。3旋動測微頭，使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為最

18、小，這時可以左右位移，假設(shè)其中一個方向為正位移，另一個方向為負(fù)位移，從Vp-p最小開始旋動測微頭，每0.2mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表6-1，再從Vp-p最小處反向位移做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關(guān)系。 圖6-1差動變壓器連接示意圖表6-1差動變壓器位移X值與輸出電壓數(shù)據(jù)表V(mv) X(mm)4實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓的大小，根據(jù)表6-1畫出Vop-pX曲線，作出量程為±1mm、±3mm靈敏度和非線性誤差。五、實驗注意事項1在做實驗前，應(yīng)先用示波器監(jiān)測差動變壓器激勵信號的幅度，使之為V

19、p-p值為2V，不能太大，否則差動變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2模塊上L2、L3線圈旁邊的“*”表示兩線圈的同名端。六、思考題1用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？ 2試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？七、實驗報告要求1根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，繪制出測微頭左移和右移時傳感器的特性曲線。2分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。實驗七 差動變壓器零點殘余電壓測定及補(bǔ)償一、實驗?zāi)康牧私獠顒幼儔毫泓c殘余電壓組成及其補(bǔ)償方法。二、基本原理由于差動變壓器阻抗是一個復(fù)數(shù)阻抗，有感抗也有阻抗，為了達(dá)到電橋平衡，就要求線圈的電阻R相等，兩線圈的

20、電感L相等。實際上，這種情況是難以精確達(dá)到的，就是說不易達(dá)到電橋的絕對平衡。在零點有一個最小的輸出電壓，一般把這個最小的輸出電壓稱為零點殘余電壓，如果零點殘余電壓過大，會使靈敏度下降，非線性誤差增大，甚至造成放大器末級趨于飽和，致使儀器電路不能正常工作。造成零殘電壓的原因，總的來說，是兩電感線圈的等效參數(shù)不對稱造成的。包括差動變壓器二只次級線圈的等效參數(shù)不對稱，初級線圈的縱向排列的不均勻性，二次級的不均勻、不一致，鐵芯BH特性的非線性等。三、需用器件與單元信號源、測微頭、差動變壓器、傳感器調(diào)理電路掛件、虛擬示波器、傳感器實驗箱（一）。四、實驗內(nèi)容與步驟1按圖71接線，音頻信號源從主控箱輸出，實

21、驗?zāi)０迳蟁1 、C1 、RW1 、RW2為電橋單元中調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。 圖7-1 零點殘余電壓補(bǔ)償電路之一2 利用虛擬示波器調(diào)整音頻振蕩器輸出為2V峰-峰值。3 調(diào)整測微頭，使差動放大器輸出電壓最小。4 依次調(diào)整Rw1、Rw2，使輸出電壓降至最小。5 將第二通道的靈敏度提高，觀察零點殘余電壓的波形，注意與激勵電壓相比較。6 從虛擬示波器上觀察，差動變壓器的零點殘余電壓值（峰-峰值）。（注：這時的零點殘余電壓是經(jīng)放大后的零點殘余電壓）。五、實驗注意事項1在做實驗前，應(yīng)先用示波器監(jiān)測差動變壓器激勵信號的幅度，使之為Vp-p值為2V，不能太大，否則差動變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2模塊上L2

22、、L3線圈旁邊的“*”表示兩線圈的同名端。圖7-2 零點殘余電壓補(bǔ)償電路之二六、思考題1請分析經(jīng)過補(bǔ)償后的零點殘余電壓波形。2本實驗也可用圖7-2所示的電路，請分析原理。七、實驗報告要求 1分析產(chǎn)生零點殘余電壓的原因，對差動變壓器的性能有哪些不利影響。用哪些方法可以減小零點殘余電壓。2歸納總結(jié)前兩種補(bǔ)償電路的優(yōu)缺點。實驗八 激勵頻率對差動變壓器特性的影響一、實驗?zāi)康牧私饧铑l率對差動變壓器輸出的影響。二、基本原理差動變壓器的輸出電壓的有效值可以近似用關(guān)系式： 表示，式中LP、RP為初級線圈電感和損耗電阻，Ui、為激勵電壓和頻率，M1、M2為初級與兩次級間互感系數(shù)，由關(guān)系式可以看出，當(dāng)初級線圈激

23、勵頻率太低時，若RP22LP2，則輸出電壓Uo受頻率變動影響較大，且靈敏度較低，只有當(dāng)2LP2RP2時輸出Uo與無關(guān)，當(dāng)然過高會使線圈寄生電容增大，對性能穩(wěn)定不利。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（一）、傳感器調(diào)理電路掛件、測微頭、虛擬示波器、差動變壓器、信號源、±15V直流電源。四、實驗步驟1將差動變壓器安裝在差動變壓器實驗?zāi)０迳稀?按圖7-1連接好線。3選擇音頻信號輸出頻率為1KHz輸出，（可用主控臺的頻率計顯示頻率）移動鐵芯至中間位置即輸出信號最小時的位置，調(diào)節(jié)Rw1 、Rw2使輸出變得更小。4用示波器監(jiān)視第二通道，旋動測微頭，向左（或右）旋到離中心位置2.50mm處，有較大的輸

24、出。將測試結(jié)果記入表8-1。5分別改變激勵頻率為1KHZ9KHZ，幅值不變將測試結(jié)果記入下表8-1中。表8-1不同激勵頻率時輸出電壓（峰峰值）的關(guān)系。f(Hz)1KHz2KHz3KHz4KHz5KHz6KHz7KHz8KHz9KHzVop-p(V)6作出幅頻特性曲線。五、實驗注意事項1在做實驗前，應(yīng)先用示波器監(jiān)測差動變壓器激勵信號的幅度，使Vp-p值為2V，不能太大，否則差動變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2模塊上L2、L3線圈旁邊的“*”表示兩線圈的同名端。 3傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。六、思考題1提高激勵頻率有哪些優(yōu)點？但是過高的激勵頻率又會帶來哪些不利因素？應(yīng)怎樣確定激

25、勵頻率。2若用差動變壓器式傳感器測量振動，測量的頻率受什么限制？七、實驗報告要求1根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)作出傳感器的幅頻特性曲線。2歸納總結(jié)正確選擇激勵信號的幅度和頻率的特點。實驗九 壓電式傳感器測振動實驗一、實驗?zāi)康牧私鈮弘娛絺鞲衅鳒y量振動的原理和方法。二、基本原理 壓電式傳感器由慣性質(zhì)量塊和壓電片等組成（觀察實驗用壓電式加速度計結(jié)構(gòu)）工作時傳感器感受與試件相同頻率的震動，質(zhì)量塊便有正比與加速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應(yīng)，壓電晶片產(chǎn)生正比于運(yùn)動加速度的表面電荷。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（二）、傳感器調(diào)理電路掛件、虛擬示波器。四、實驗步驟1壓電式傳感器已安裝于傳感器實驗箱（二）的振動

26、臺面上。2將信號源（約10Hz）接入到傳感器實驗箱（二）的低頻輸入處。3將壓電式傳感器的輸出接入到傳感器調(diào)理電路中的壓電式傳感器實驗單元的兩輸入端，將壓電傳感器的兩輸出端接入后面的放大電路。再將放大電路的輸出接入低通濾波器的輸入。4合上電源開關(guān)，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率和幅度使振動臺有明顯的振動，觀察示波器波形。5用虛擬示波器監(jiān)測低通濾波器的輸出。6調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形的變化。7用虛擬示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端的波形。五、注意事項1、振動板的幅度不能太大，否則容易壓碎里面的壓電式傳感器。2、本振動板的共振頻率大約為10Hz左右，所以應(yīng)該在10Hz頻率的附近做實驗

27、，振動板才能有比較明顯的振動。六，思考題壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點，為什么電壓靈敏度與電纜長度有關(guān)？而電荷靈敏度卻與電纜長度無關(guān)實驗十 電容式傳感器的位移特性實驗一、實驗?zāi)康牧私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。二、基本原理利用平板電容C和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇、S、d中三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（變）測微小位移（變d）和測量液位（變S）等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對極距特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系，（但實際由于邊緣效應(yīng)的影響，會引起極板

28、間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。）成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為： （1）式中 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度； 外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對移動時，電容變化量為： （2） 于是，可得其靜態(tài)靈敏度為： （3） 可見靈敏度與有關(guān)，越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。本實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對測量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。三、需用器件與單元電容傳感器、傳感器實

29、驗箱（一）、傳感器調(diào)理電路掛件、測微頭、直流穩(wěn)壓源。智能直流電壓表（或虛擬儀表中直流電壓表）四、實驗步驟1將電容式傳感器裝于傳感器實驗箱（一）的黑色支架上，將傳感器引線插頭插入傳感器調(diào)理電路中電容式傳感器實驗單元的插孔中。2Rw調(diào)節(jié)到大概中間位置。將電容傳感器實驗?zāi)０宓妮敵龆薞o與智能直流電壓表（或虛擬儀表中直流電壓表）。3接入±15V電源，旋動測微頭改變電容傳感器動極板的位置，每隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表8-1。表8-1 電容傳感器位移與輸出電壓值X(mm) V(mv)4根據(jù)表8-1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差。五、實驗注意事項1傳感器要輕拿輕放，絕

30、不可掉到地上。2做實驗時，不要用手或其它物體接觸傳感器，否則將會使線性變差。六、思考題1簡述什么是電容式傳感器的邊緣效應(yīng)，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。2電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優(yōu)缺點？圖8-1電容傳感器位移實驗接線圖七、實驗報告要求1整理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)所得的實驗數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線，并利用最小二乘法做出擬合直線，計算該傳感器的非線性誤差。2根據(jù)實驗結(jié)果，分析引起這些非線性的原因，并說明怎樣提高傳感器的線性度。實驗十一 熱敏電阻的特性研究一、 實驗?zāi)康牧私鉄崦綦娮璧奶匦耘c應(yīng)用。二、基本原理熱敏電阻是一種對熱敏感的電阻元件，一般用半導(dǎo)體材料做成，可以分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

31、NTC（Negative Temperature coefficient Thermistor）和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient Thermistor），臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR（Critical Temperature Resistor）三種，本實驗主要研究前兩種，半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理一般用量子躍遷觀點進(jìn)行分析。由于熱運(yùn)動（譬如溫度升高），越來越多的載流子克服禁帶（或電離能）引起導(dǎo)電，這種熱躍遷使半導(dǎo)體載流子濃度和遷移發(fā)生變化，根據(jù)電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。NTC通常是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，特別適合于之間的溫度測量，

32、它的電阻值隨著溫度的升高而減小，其經(jīng)驗公式為：，式中，R0是在25時或其他參考溫度時的電阻，T0是熱力學(xué)溫度（K）B稱為材料的特征溫度，其值與溫度有關(guān)，主要用于溫度測量。PTC是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特征曲線是隨溫度升高而阻值增大，開關(guān)型的PTC在居里點附近阻值發(fā)生突變，有斜率最大的區(qū)段，即電阻值突然迅速升高。PTC適用的溫度范圍為，主要用于過熱保護(hù)及作溫度開關(guān)。NTC和PTC的特征曲線如圖所示： 三、需用器件與單元 NTC、PTC電阻溫度曲線圖1A恒流源、傳感器實驗箱（一）、萬用表。四、實驗內(nèi)容與步驟1將傳感器實驗箱（一）中的恒

33、流輸入和主控臺上的01A恒流輸出連接好。2將溫度控制器的SV窗口設(shè)置在，設(shè)置方法見附錄2。然后每隔設(shè)置一次。3將溫度控制器下面的Pt100輸入和溫控Pt100相連。4用萬用表測量溫度模塊上的NTC和PTC的輸出，記下每次設(shè)置溫度下的電阻值，將結(jié)果填入下表： NTC：t()Rt()RPTC：t()RT()R五、實驗注意事項加熱器溫度不能加熱到120以上，否則將可能損壞加熱器。六、思考題若要用NTC測量溫度，怎樣將其線性化？畫出它的線性化電路。七、實驗報告要求1根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)繪制出NTC、PTC的特性曲線。2歸納總結(jié)NTC用作溫度測量時應(yīng)注意哪些問題，主要應(yīng)用在什么場合，有哪些優(yōu)缺點。實驗十二

34、 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗一、實驗?zāi)康牧私饣魻栟D(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用。二、基本原理 利用霍爾效應(yīng)表達(dá)式：UH=KHIB，當(dāng)被測圓盤上裝有N只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場就變化N次。每轉(zhuǎn)一周霍爾電勢就同頻率相應(yīng)變化，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。 本實驗采用3144E開關(guān)型霍爾傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼轉(zhuǎn)到傳感器正下方時，傳感器輸出低電平，反之輸出高電平。三、需用器件與單元 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、直流電源+5V，轉(zhuǎn)動源224V、轉(zhuǎn)動源電源、轉(zhuǎn)速測量部分。四、實驗步驟1、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)動源已經(jīng)安裝于傳感器實驗箱（二）上，其中霍爾轉(zhuǎn)速傳感器位于轉(zhuǎn)動源的右邊。2、將+5V直流源加于霍爾轉(zhuǎn)

35、速傳感器的電源端。03、將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出接入面板上的智能轉(zhuǎn)速表。4、將面板上的030V穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)到5V，接入傳感器實驗箱（二）上的轉(zhuǎn)動電源處。5、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動源的輸入電壓，使轉(zhuǎn)盤的速度發(fā)生變化，觀察轉(zhuǎn)速表上轉(zhuǎn)速的變化。6、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動源的輸入電壓，使轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，把界面切換到示波器狀態(tài)，觀察傳感器輸出波形的變化。五、注意事項1、轉(zhuǎn)動源的正負(fù)輸入端不能接反，否則可能擊穿電機(jī)里面的晶體管。2、轉(zhuǎn)動源的輸入電壓不可超過24V，否則容易燒毀電機(jī)。3、轉(zhuǎn)動源的輸入電壓不可低于2V，否則由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩不夠大，不能帶動轉(zhuǎn)盤，長時間也可能燒壞電機(jī)。六、思考題根據(jù)上面實驗觀察到的波形，分析為什么方波的高電平

36、比低電平要寬。實驗十三 光電轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗一、實驗?zāi)康?了解光電轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理及方法。二、基本原理 光電式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型兩種，本實驗裝置是透射型的，傳感器端部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源通過轉(zhuǎn)盤上開的孔透射后由光電二極管接受轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有相間的6個孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速及孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈沖計數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。三、需用器件與單元光電轉(zhuǎn)速傳感器、直流電源5V、轉(zhuǎn)動源及224V直流電源、智能轉(zhuǎn)速表。四、實驗步驟1、光電轉(zhuǎn)速傳感器已經(jīng)安裝在傳感器實驗箱（二）上。2、將+5V直流源加于光電轉(zhuǎn)速傳感器的電源端。3、將光電轉(zhuǎn)速傳感器的輸出接到面板上的

37、智能轉(zhuǎn)速表。4、將面板上的030V穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)到5V，接入傳感器實驗箱（二）上的轉(zhuǎn)動電源處。5、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動源的輸入電壓，使轉(zhuǎn)盤的速度發(fā)生變化，觀察轉(zhuǎn)速表上轉(zhuǎn)速的變化。6、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動源的輸入電壓，使轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，把界面切換到示波器狀態(tài)，觀察傳感器輸出波形的變化。五、注意事項1、轉(zhuǎn)動源的正負(fù)輸入端不能接反，否則可能擊穿電機(jī)里面的晶體管。2、轉(zhuǎn)動源的輸入電壓不可超過24V，否則容易燒毀電機(jī)。3、轉(zhuǎn)動源的輸入電壓不可低于2V，否則由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩不夠大，不能帶動轉(zhuǎn)盤，長時間也可能燒壞電機(jī)。六、思考題 根據(jù)上面實驗觀察到的波形，分析為什么方波的高電平比低電平要寬。實驗十四 光柵位移傳感器實驗一、實驗?zāi)康?

38、了解光柵傳感器測量位移的原理和方法。二、基本原理 在玻璃（或金屬）上進(jìn)行刻劃，得到一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。按其用途分可分為長光柵和圓光柵兩種。長光柵用于長度或直線位移的測量，它的刻線相互平行，長光柵有振幅光柵和相位光柵兩種形式。圓光柵是把細(xì)條紋刻在玻璃圓盤上，也稱光柵盤，用來測量角度或角位移，根據(jù)刻劃的方向，可分為兩種，一種是向徑光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心。另一種是切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點幾到幾個毫米的小圓相切，適用于精度要求較高的場合。莫爾條紋： （一）形成莫爾條紋的光學(xué)原理莫爾條紋通常是兩塊光柵疊加形成的，為了避

39、免摩擦，光柵之間留有間隙，對于柵距較大的光柵，可忽略光的衍射。在a-a線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透光部分形成亮帶；在b-b線上，兩光柵透光部分分別與另一光柵的不透光部分疊加，互相遮擋，光線透不過形成暗帶，這種由光柵重疊形成的光學(xué)圖案稱為莫爾條紋。長光柵莫爾條紋的周期為： （1）式中 標(biāo)尺光柵（也稱主光柵）1的光柵常數(shù)； 指示光柵2的光柵常數(shù)； 兩光柵柵線的夾角。莫爾條紋有如下重要特性： 1運(yùn)動對應(yīng)關(guān)系 莫爾條紋的移動量和移動方向與兩光柵的相對位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。在圖中，當(dāng)主光柵向右運(yùn)動一個柵距時，莫爾條紋向下移動一個條紋間距；如果主光柵1向左移動，莫爾條紋則

40、向上移動。光柵傳感器在測量時，可以根據(jù)莫爾條紋的移動量和移動方向判定光柵的位移量和位移的方向。2位移放大作用 由于兩光柵的夾角很小，若它們的光柵常數(shù)相等，設(shè)為，從式（1）可得到如下近似關(guān)系 （2）明顯看出，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為1/。所以盡管柵距很小，難以觀察到，但莫爾條紋卻清晰可見。3誤差平均效應(yīng) 莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響，個別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測量精度。對于柵距很?。ɡ?lt;0.005mm）的光柵，特別是有的相位光柵處

41、處透光，這時莫爾條紋的形成必須用光的衍射理論加以解釋。根據(jù)物理光學(xué)理論，平行光束透過光柵后，將發(fā)生衍射現(xiàn)象，如圖（2）所示。設(shè)光柵產(chǎn)生了等級衍射光，光柵的衍射光束到達(dá)光柵時將進(jìn)一步被衍射，的級衍射光，其中每一級的衍射光束對光柵來說都是一組入射光束，并由光柵又衍射成級衍射光（因為兩光柵的相同，又是單色光），所以從光柵副出射的衍射光束的數(shù)目為個。每支衍射光束都用它在兩個光柵上衍射的級次序號來表示，例如經(jīng)光柵衍射的0級光束，經(jīng)過光柵后衍射成0級、±1級、等衍射光束就用（0，0）、（0，1）、（0，-1）、表示。因此，由光柵產(chǎn)生的第級衍射光又經(jīng)光柵產(chǎn)生的第級衍射光束就可以用（、）表示。相等的

42、光束，用其值來稱作該組光束為某級組，如0級組，-1級組，。理論推導(dǎo)可以證明，每一級組中的光束是相互平行的，即光束方向相同。每一級組中的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋。其中和級組光束強(qiáng)度變化幅度最大，它們形成莫爾條紋的基波條紋。其它各光束級組形成莫爾條紋的高次諧波。 圖2 雙光柵的衍射三、需用器件與單元 光柵傳感器測量裝置，光柵傳感器，+5V，+15V直流電源。四、實驗步驟 1、把圓光柵和長光柵的插頭分別插到光柵傳感器測量裝置中對應(yīng)的插座中 2、把+5V電源接入光柵傳感器測量裝置，+15V電源接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元的插孔中（注意+5V和+15V的地要短接）。 3、按照附錄3中步進(jìn)電機(jī)的操作說明驅(qū)

43、動步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行實驗。附錄1 實驗箱溫度控制簡要原理當(dāng)總電源開關(guān)合上，并且溫度控制器的開關(guān)也閉合時，如果溫度控制器測得的溫度低于設(shè)定的溫度值，那么溫度控制器面板上ALM2燈亮（ALM2為一繼電器的常開觸點，恒流源是與這個常開觸點串聯(lián)的），內(nèi)部繼電器閉合，溫度模塊開始加熱，加熱電源為1A恒流源，當(dāng)溫度加熱到略高與設(shè)定溫度值時，ALM2燈滅，內(nèi)部繼電器斷開，溫度模塊停止加熱，但由于溫度的慣性比較大，因此當(dāng)溫度模塊停止加熱后，仍有一定的向上的沖量。附錄2 溫度控制器使用說明1儀表通電顯示窗先顯示PV窗輸出代碼、SV窗輸入代碼，后顯示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型顯示PV窗Jd05、SV窗200

44、3），隨后即進(jìn)入工作狀態(tài)，其中PV顯示的為測量的溫度值，SV顯示的為設(shè)定的溫度值，當(dāng)SV的值大于PV的值時ALM2燈亮，恒流源有輸出，當(dāng)PV的值大于SV的值時，ALM1燈亮，恒流源無輸出，按SET鍵0.5秒SV顯示窗閃爍，此時可改變設(shè)定值，再按SET鍵0.5秒確認(rèn)，如需要修改其他參數(shù)，必須按住SET鍵大于3秒，即進(jìn)入B菜單，可按要求逐一修改內(nèi)容（見操作流程表），修改完畢再按SET鍵0.5秒若干下，退出菜單，如15秒內(nèi)無鍵按下（該窗內(nèi)新設(shè)置的數(shù)據(jù)無效）自動進(jìn)入新的工作狀態(tài)。2當(dāng)輸入信號大于量程上限時，儀表顯示，當(dāng)輸入信號小于超出量程下限10%以上時，儀表仍顯示，并切斷主控輸出；當(dāng)輸入信號略小于量程下限時，儀表顯示。3當(dāng)溫度控制效果不夠理想時，可以通過人工后自整定來改變PID參數(shù)。操作方法如下：人工修正：將儀表進(jìn)入B菜單至P窗，再用溫度控制器下面的三個箭號鍵來修正P值，再按SET0.5S進(jìn)入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET鍵0.5S若干下返回正常工作狀態(tài)，即開始新的PID參數(shù)。自整定修正：先把主控設(shè)定再實際使用值后實用值的80%左右，再將儀表進(jìn)入B菜單至ATU窗后選擇（1）