傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、準(zhǔn)考證號(hào)：100214101370 姓名：倪帥彪 院校：河南科技大學(xué)專業(yè)名稱：080302機(jī)械制造及自動(dòng)化（獨(dú)立本科段）傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一常用傳感器（電感式、電阻式或電容式）靜態(tài)性能測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1進(jìn)一步認(rèn)識(shí)電阻式、電感式、電容式傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用。2以差動(dòng)變壓器式位移傳感器（屬于互感型電感傳感器）的測(cè)量電路為典型，了解調(diào)幅-調(diào)解電路的基本構(gòu)成與特點(diǎn)。3掌握測(cè)試差動(dòng)變壓器式位移傳感器變換特性的基本方法，比較電感式傳感器的交流輸出特性和解調(diào)后的直流輸出特性。4. 了解差動(dòng)變壓器式位移傳感器與電路的靈敏度、線性度數(shù)據(jù)處理的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理與裝置1實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

2、（1）WJ-1型小位移特性實(shí)驗(yàn)儀一套。差動(dòng)變壓器式位移傳感器實(shí)驗(yàn)裝置一臺(tái)。電感檢測(cè)線路板一臺(tái)。頻率4005KHz可調(diào)，電壓15V可調(diào)，電感實(shí)驗(yàn)激勵(lì)振蕩源一臺(tái)。（2）數(shù)字電壓表一只。（3）雙蹤電子示波器一臺(tái)。2實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)裝置的龍門框架上固定精密螺旋測(cè)微儀，精度達(dá)0.01mm。框架下固定差動(dòng)變壓器組件。調(diào)螺旋測(cè)微儀，可使其端部聯(lián)接的差動(dòng)變壓器的可動(dòng)鐵心發(fā)生位移，從而使互感發(fā)生變化。鐵心的位移量由螺旋千分尺讀出。電感量的變化通過檢測(cè)線路（見圖1-1）轉(zhuǎn)化為電壓的變化輸出。由于差動(dòng)變壓器式傳感器直接輸出的信號(hào)為調(diào)幅波，雖然含有位移量大小和方向的信息，但不易讀出。所以應(yīng)經(jīng)過相敏檢波電路（由四個(gè)二極管

3、組成的環(huán)形相敏解調(diào)器）處理后，方可輸出與輸入位移信號(hào)波形相同的電壓波形。變壓器的激磁電源由電感振蕩源提供。數(shù)字電壓表用于測(cè)量輸出電壓。示波器用于觀察傳感器的交流輸出信號(hào)（調(diào)幅波）與輸入位移量大小、方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系。a)b)圖1-1 差動(dòng)變壓器式傳感器及其測(cè)量電路a)差動(dòng)變壓器原理 b)測(cè)量電路三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1測(cè)量差動(dòng)變壓器式位移傳感器的直流輸出特性，即靜態(tài)特性曲線。計(jì)算靈敏度與線性度。2用雙蹤示波器觀察傳感器的交流輸出信號(hào)，即調(diào)幅波與位移大小、方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系和與激磁電源頻率、電壓大小的關(guān)系。四、實(shí)驗(yàn)步驟1在實(shí)驗(yàn)裝置框架下，固定差動(dòng)變壓器組件，螺旋測(cè)微儀端部固定差動(dòng)變壓器鐵心，面板上固定電感檢測(cè)線路

4、板。2在轉(zhuǎn)換機(jī)箱上插入電感實(shí)驗(yàn)用激勵(lì)振蕩源插件。圖1-1B為電感檢測(cè)線路板，振蕩源的輸出與檢測(cè)線路板上的孔7聯(lián)接。3差動(dòng)變壓器的1、4、5、8（圖1-1A）與線路板上的1、2、3、4聯(lián)接。差動(dòng)變壓器的9、10與線路板的5、6聯(lián)接。4用雙蹤示波器觀察交流輸出波形時(shí)，檢測(cè)線路板上的1與9、3與10聯(lián)接，從孔16輸出的調(diào)幅波接入雙蹤示波器，以觀察輸出波形。雙蹤示波器的另一輸入口可接入差動(dòng)變壓器的激勵(lì)電廠作為參考信號(hào)，以觀察調(diào)幅波的相位與鐵心位移方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系。5做直流輸出特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，將檢測(cè)線路板的1與14、3、與13、9與15、10與12聯(lián)接，從孔17輸出直流電壓（mV），接入檢測(cè)儀器指示單元的插入

5、插孔u(yù)sr。若用數(shù)字表指示輸出時(shí)，可將插孔17與數(shù)字表聯(lián)接。6打開轉(zhuǎn)換器電源預(yù)熱15分鐘左右，將指示單元測(cè)量選擇開關(guān)撥向V處，電感振蕩源頻率調(diào)節(jié)到1KHz左右，輸出電壓為5V。再將測(cè)量選擇開關(guān)撥向A處，準(zhǔn)備測(cè)量。7調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀到中間位置約12（mm）處，再以此為零點(diǎn)。再調(diào)節(jié)龍門框架上下滾花螺母，使鐵心調(diào)節(jié)到差動(dòng)變壓器的中間位置，毫安表指示為零；否則，調(diào)節(jié)零電位器使之為零。之后，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器向上或向下位移10（mm），毫安表指示應(yīng)為10（mA）；否則，調(diào)節(jié)調(diào)滿電位器。8以螺旋測(cè)微儀12(mm)刻度為零點(diǎn)，在±10（mm）范圍內(nèi)每變化2毫米為一點(diǎn)，逐點(diǎn)測(cè)量差動(dòng)變壓器的輸出，并重復(fù)三次

6、，記入表1-1。表1-1 差動(dòng)變壓器位移傳感器的輸出特性數(shù)據(jù)距離 項(xiàng)目鐵心位移（mm）-10-8-6-4-20246810輸出（mV）第一次第二次第三次平均值Y1擬合方程理論值Y1非線性差值L= Y1-Y1非線性LN9取三次各測(cè)量點(diǎn)的平均值，以鐵心位移為橫坐標(biāo)，輸出值為縱坐標(biāo)，繪圖。10用平均法求線性擬合直線，并以此為理論值，求該差動(dòng)變壓器的非線性。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1繪出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖，并加以說明。2用平均法確定由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得平均值的擬合方程，計(jì)算傳感器的非線性度，并填入表1-1中。3根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制傳感器的輸出電壓yi與鐵心位移x的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，即輸出特性曲線。4根據(jù)雙蹤示波器的波形（調(diào)幅波）

7、，定性繪制傳感器輸出交流波形與輸入位移大小、方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。5思考題（1）差動(dòng)電感式傳感器與差動(dòng)變壓器在結(jié)構(gòu)、原理上有何異同？.差動(dòng)電感是基于電橋工作原理；差動(dòng)變壓器直接輸出信號(hào)。（2） 對(duì)電感式傳感器的激勵(lì)振蕩源應(yīng)有哪些要求？1、檢測(cè)距離的衰減性；2、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力；3、安裝方面；4、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。實(shí)驗(yàn)二濾波器的頻率特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解無(wú)源和有源濾波器的類型、電路構(gòu)成、工作原理、特性和應(yīng)用，比較其性能的不同點(diǎn)。2.通過對(duì)濾波器頻率響應(yīng)特性的測(cè)試，掌握對(duì)元件或系統(tǒng)做頻率特性測(cè)試的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理、裝置和儀器實(shí)驗(yàn)裝置及儀器見圖2-1，其中濾波器實(shí)驗(yàn)板上可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同接插組成不

8、同濾波器。信號(hào)發(fā)生器輸出幅值恒定、頻率可調(diào)的正弦波電壓作為濾波器的輸入信號(hào)ui,由雙蹤示波器監(jiān)測(cè)其幅值。在每一給定頻率下，從雙蹤示波器讀出輸出電壓u0及u0與ui的相位差 。直流穩(wěn)壓電源為有源濾波器的運(yùn)算放大器提供±12V電源。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟圖2-1濾波器頻率特性測(cè)試系統(tǒng)框圖1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）RC無(wú)源一階低通濾波器的頻率特性測(cè)試 RC無(wú)源低通濾波器如圖2-2A所示。如果負(fù)載電阻RL=，其幅頻特性 和相頻特性 為 式中 此為一階低通濾波器，其選擇性較差，截止頻率 。無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是帶負(fù)載能力差。 a) b) c)圖2-1 濾波器電路圖a) RC無(wú)源低通 b) 有源低

9、通RC c) 多路有源反饋帶通（2）RC有源一階低通濾波器頻率特性測(cè)試 RC有源一階低通濾波器如圖2-2B所示，其幅頻特性和相頻特性為式中 由式可見，RC有源一階低通濾波器的頻率特性和RC無(wú)源一階低通濾波器相似，但增益不同，所以帶負(fù)載能力強(qiáng)。（3）多路負(fù)反饋有源帶通濾波器頻率特性測(cè)試 電路原理如圖2-2C所示。其幅頻特性和相頻特性為 式中 ： 中心頻率 ：品質(zhì)因素 ：可取參數(shù)為R1=7.5(kW),R2=20(kW),R3=16(kW),C1=C2=C=0.01mF2.實(shí)驗(yàn)步驟三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象雖然不同，但均是測(cè)試濾波器的幅頻、相頻特性。因而，實(shí)驗(yàn)方法及步驟相同。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可填入表2-1中。（1）

10、按圖S-3A選擇R、C元件，測(cè)試參數(shù)R=1(kW)，C=0.02mF，RL=1(kW)，計(jì)算截止頻率。在濾波器實(shí)驗(yàn)板上，按圖S-3A接線，插入R、C元件，但先不接入RL（即RL=）（2） 按圖S-2聯(lián)接測(cè)試系統(tǒng)，由信號(hào)發(fā)生器輸出幅值恒定的正弦信號(hào)（約1（V），用雙蹤示波器監(jiān)測(cè)波形，不斷改變信號(hào)頻率f，使，0.1,0.2,并從示波器上讀出濾波器輸出正弦電壓的幅值，記入表2-1中。將信號(hào)源電壓及濾波器輸出電壓同時(shí)送入雙蹤示波器（或其它測(cè)試相位差的儀器），觀察并計(jì)算相位差，記入表S-2中。表2-1f(Hz)0.010.10.20.30.40.50.60.70.80.91.02.03.04.05.0（

11、4）在濾波器的輸出端并聯(lián)接入負(fù)載RL=1(kW)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。（5）按圖2-2B選擇運(yùn)算放大器，取R=R1=1(kW)，C=0.027mF，(kW)，RL=1(kW)，計(jì)算截止頻率及增益K，在濾波器實(shí)驗(yàn)板上按圖2-2B接線，并插入相應(yīng)元件。重復(fù)（2），（3），（4）操作，記錄數(shù)據(jù)，填入表2-1中。（6）按圖2-2C選擇運(yùn)算放大器（如）、阻容元件值，在實(shí)驗(yàn)板上聯(lián)接。計(jì)算中心頻率及品質(zhì)因數(shù)Q，此時(shí)，。（7）按（2），（3），（4）順序測(cè)試、記錄數(shù)據(jù)，填入表2-1中。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（除一般要求外）1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表繪制RC無(wú)源一階低通、RC有源一階低通濾波器的幅頻特性。從中找出實(shí)際

12、曲線上的截止頻率，與理論計(jì)算值相比較，并分析誤差。2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表繪制多路負(fù)反饋有源帶通濾波器的幅頻特性、相頻特性，與理論計(jì)算值相比較，并分析誤差。3 思考題1濾波器的階數(shù)與其性能有什么關(guān)系？階數(shù)越高,濾波反應(yīng)越靈敏,延遲小 但不是越高越好2階數(shù)對(duì)濾波器的那些性能有影響?階數(shù),通俗的理解,就是諧波過濾的次數(shù),階數(shù)越高,諧波濾除率就會(huì)越高,但是,成本增加也會(huì)越厲害,所以,不能一味的追求階數(shù),還要考慮成本要求實(shí)驗(yàn)三 壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)，掌握傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法及標(biāo)定數(shù)據(jù)的處理方法。2學(xué)會(huì)根據(jù)靜態(tài)標(biāo)定曲線，計(jì)算傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)。3掌握傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的組成。4進(jìn)一步認(rèn)

13、識(shí)應(yīng)變式力傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及相匹配的測(cè)量電路。5了解動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置及儀器1.應(yīng)變電阻式壓力傳感器一臺(tái)PBR-2型，0.175(MPa)。2活塞式壓力計(jì)一臺(tái) 量程0110(MPa)。3標(biāo)準(zhǔn)壓力表一只 量程0110(MPa)，精度05級(jí)以上。4Y6D-3A型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。5數(shù)字萬(wàn)用表(電壓表)。6溫度計(jì) 050()。三、實(shí)驗(yàn)原理1靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)靜態(tài)塞標(biāo)定是給傳感器輸入已知不變的標(biāo)準(zhǔn)非電量(本實(shí)驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)壓力)，測(cè)出其輸出，給定標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程，從而計(jì)算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)指標(biāo)。對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，首先，要建立靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。圖3-1為壓力傳感器靜態(tài)

14、標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，其系統(tǒng)的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，即圖中的活塞式壓力計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)壓力表?；钊綁毫τ?jì)人為地對(duì)被標(biāo)的壓力傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)壓力，其值由彈簧管式標(biāo)準(zhǔn)壓力表顯示。應(yīng)變電阻式壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電橋橋臂的電阻變化，再經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀處理、放大后，輸出的電壓由數(shù)字萬(wàn)用表讀出。活塞式壓力計(jì)每產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值，系統(tǒng)相應(yīng)輸出電壓值。在傳感器量程范圍內(nèi)，至少要標(biāo)定510個(gè)點(diǎn)。通過由零上升到最大量程值，再由最大值逐漸下降到零的工作循環(huán)，可得到一條標(biāo)定曲線。圖3-1 壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)圖活塞式壓力計(jì)是一種較精密的測(cè)量?jī)x器，工作時(shí)應(yīng)水平放在無(wú)振動(dòng)的工作臺(tái)上。由于介質(zhì)(實(shí)驗(yàn)中為液壓傳動(dòng)油)的粘度

15、與溫度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在環(huán)境溫度，t=20±3()、相對(duì)濕度不大于80的條件下工作。2PBR-2型應(yīng)變電阻式壓力傳感器及測(cè)量電橋圖3-2所示為PBR-2型應(yīng)變電阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力作用在感壓膜片4上，膜片變形推壓感測(cè)薄壁圓筒 (或稱應(yīng)變管)3，在壁筒沿軸線方向貼一應(yīng)變片R1，沿圓周方向貼一相同阻值的應(yīng)變片R2。受壓時(shí)，軸向壓縮，橫向膨脹，而使R1阻值降低、R2阻值增加。如此布片不僅提高了靈敏度，也實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。測(cè)量電橋如圖3-3所示。R1、R2為電橋的兩相鄰臂，另外兩臂是阻值與Rl、R2相同的固定電阻R3、R4由動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的電橋盒提供。圖3-

16、2 PBR-2 型壓力傳感器1-引線 2-應(yīng)變片 3-應(yīng)變管 4-感壓膜片圖3-3 測(cè)量電橋及應(yīng)變儀框圖1-電橋盒 2-調(diào)幅波放大器 3-相敏檢波器 4-濾波器5-振蕩器 6-緩沖器（放大器） 7-電源3動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理該儀器是與應(yīng)變式傳感器配套的測(cè)量?jī)x器，主要由測(cè)量電橋、交流放大器、相敏檢波器、濾波器和電源供給器組成。交流測(cè)量電橋的電源由振蕩器供給10(kHz)的正弦波電壓。應(yīng)變儀將電橋輸出的調(diào)幅波經(jīng)過交流放大一相敏檢波一低通濾波后輸出電壓(或電流)，由數(shù)字電壓表顯示電壓值。在應(yīng)變儀的主機(jī)中裝有電橋的微調(diào)平衡裝置(包括電阻、電容微調(diào))和電標(biāo)定裝置。當(dāng)活塞壓力計(jì)給出的標(biāo)準(zhǔn)壓力為零時(shí)，理

17、論上電橋平衡，無(wú)信號(hào)輸出。但實(shí)際上由于各種原因(如橋臂電阻阻值誤差、放大器零漂等)，可能有信號(hào)輸出，此時(shí)應(yīng)微調(diào)應(yīng)變儀的平衡裝置，使輸出信號(hào)為零。四、實(shí)驗(yàn)步驟1將被標(biāo)定的壓力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓力表安裝在活塞式壓力計(jì)上。2給活塞式壓力計(jì)充油、排氣，并排除標(biāo)定壓力下的漏油現(xiàn)象。3通過傳輸電纜將傳感器的R1、R2聯(lián)接到動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀電橋上。應(yīng)變儀由自配的電源箱供電。將應(yīng)變儀電壓輸出口接到數(shù)字萬(wàn)用表上。 4檢查接線無(wú)誤后即可接通應(yīng)變儀電源，預(yù)熱1020(min)過機(jī)箱上配置的電阻調(diào)零、電容調(diào)零，調(diào)節(jié)應(yīng)變儀零點(diǎn)。5旋轉(zhuǎn)活塞式壓力計(jì)手柄，給出標(biāo)準(zhǔn)壓力。由傳感器的零負(fù)荷到滿量程逐級(jí)給傳感器加壓，每級(jí)為20滿量程；再逐級(jí)按20滿量程降壓直至零。同時(shí)，從數(shù)字電壓表記錄各加壓、降壓點(diǎn)的傳感器輸出值(指應(yīng)變儀輸出的電壓值)，：應(yīng)包括零壓力輸出值。實(shí)驗(yàn)時(shí)要特別注意：加壓時(shí)，不得超過預(yù)定值再降下來(lái)；降壓時(shí)，不得超過預(yù)定值再向上加。 6.步驟5重復(fù)三次，共加壓、降壓三個(gè)循環(huán)，所有輸出電壓值填入表3-1中。記錄實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度；表3-1 標(biāo)定數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)表 輸入（MPa）輸出（mV）051015201正行程反行程2正行程反行程3正行程反行程正行程輸出平均值反行程輸出平均值總輸出平均值7實(shí)驗(yàn)完畢，經(jīng)指導(dǎo)教師審閱實(shí)驗(yàn)記錄后，方可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1根據(jù)上述三個(gè)加壓、降壓所得標(biāo)定