電氣測(cè)量技術(shù)-實(shí)驗(yàn)課案

1、使用說明csy系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀是用于檢測(cè)儀表類課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的多功能教學(xué)儀器。其特點(diǎn)是集被測(cè)體、各種傳感器、信號(hào)激勵(lì)激、處理電路和顯示器于一體，可以組成一個(gè) 完整的測(cè)試系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所提供的數(shù)十種實(shí)驗(yàn)舉例，能完成包含光、磁、電、 溫度、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者可對(duì)各種不同的傳 感器及測(cè)量電路原理和組成有直觀的感性認(rèn)識(shí)，并可在本儀器上舉一反三開發(fā)出新的實(shí) 驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)儀主要由實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)、處理電路、信號(hào)與顯示電路三部分組成。一、位于儀器頂部的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)部分，左邊是一副平行式懸臂梁，梁上裝有應(yīng)變式、 熱敏式、p-n結(jié)溫度式、熱電式和壓電加速度五種傳感器。平行梁上

2、梁的上表面和下梁的下表面對(duì)應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別用符號(hào)和*表示。其中六片為金屬箔式片（bhf-350 ）。橫向所貼的兩片為溫度補(bǔ)償片，用符號(hào) 一和 t-表示。片上標(biāo)有“ by”字樣的為半導(dǎo)體式應(yīng)變片，靈敏系數(shù)130。熱電式（熱電偶）：串接工作的兩個(gè)銅一康銅熱電偶分別裝在上、下梁表面，冷端溫 度為環(huán)境溫度。分度表見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。熱敏式：上梁表面裝有玻璃珠狀的半導(dǎo)體熱敏電阻mf-51 ,負(fù)溫度系數(shù)，25c時(shí)阻值為810k。p-n結(jié)溫度式：根據(jù)半導(dǎo)體p-n結(jié)溫度特性所制成的具有良好線性范圍的溫度傳感 器。壓電加速度式：位于懸臂梁右部，由 pzt-5雙壓電晶片，銅質(zhì)量塊和壓簧組成，裝 在透明

3、外殼中。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)左邊是由裝于機(jī)內(nèi)的另一副平行梁帶動(dòng)的圓盤式工作臺(tái)。圓盤周圍一圈所安裝有（依逆時(shí)針方向）電感式（差動(dòng)變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式五種傳感器。電感式（差動(dòng)變壓器）：由初級(jí)線圈 li和兩個(gè)次級(jí)線圈 l。繞制而成的空心線圈， 圓柱形鐵氧體鐵芯置于線圈中間，測(cè)量范圍>10mm。電容式：由裝于圓盤上的一組動(dòng)片和裝于支架上的兩組定片組成平行變面積式差動(dòng) 電容，線性范圍3mm。磁電式：由一組線圈和動(dòng)鐵（永久磁鋼）組成，靈敏度 0.4v/m/s?；魻柺剑篽z-1半導(dǎo)體霍爾片置于兩個(gè)半環(huán)形永久磁鋼形成的梯度磁場(chǎng)中，線性范 圍3mm。電渦流式：多股漆包線繞制的扁平線圈與金屬渦流

4、片組成的傳感器，線性范 圍 >1mm。光電式傳感器裝于電機(jī)側(cè)旁。兩副平行式懸臂梁頂端均裝有置于激振線圈內(nèi)的永久磁鋼，右邊圓盤式工作臺(tái)由“激振i”帶動(dòng)，左邊平行式懸臂梁由“激振 ii”帶動(dòng)。為進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)， 左邊懸臂梁之間裝有電加熱器一組，加熱電源取自15v直流電源，工作時(shí)能獲得高于溫度30 c左右的升溫。以上傳感器以及加熱器、激振線圈的引線端均位于儀器下部面板最上端一排。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上還裝有測(cè)速電機(jī)一組及控制、調(diào)速開關(guān)。兩只測(cè)微頭分別裝在左、右兩邊的支架上。二、信號(hào)及顯示部分：位于儀器上部面板低頻振蕩器:130hz輸出連續(xù)可調(diào)，vp-p值20v,最大輸出電流 0.5a, vi端插口 可提供

5、用作電流放大器。音頻振蕩器:0.4khz10khz 輸出連續(xù)可調(diào)，vp-p值20v, 180°、0°為反相輸出，lv端最大功率輸出 0.5a。直流穩(wěn)壓電源：土 15v,提供儀器電路工作電源和溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)的加熱電源，最大輸出1.5a。±2v±10v,檔距2v,分五檔輸出，提供直流信號(hào)源，最大輸出電流 1.5a。數(shù)字式電壓/頻率表：3 缶顯示，分2v、20v、2khz、20khz四檔，靈敏度50mv ,2頻率顯示5hz20khz 。指針式直流毫伏表：測(cè)量范圍500mv、50mv、5mv三檔，精度 2.5%。三、處理電路：位于儀器下部面板電橋：用于組成應(yīng)變電橋，

6、面板上虛線所示電阻為虛設(shè)，僅為組橋提供插座。ri、r2、r3為350標(biāo)準(zhǔn)電阻， wd為直流調(diào)節(jié)電位器，wa為交流調(diào)節(jié)電位器。差動(dòng)放大器：增益可調(diào)比例直流放大器，可接成同相、反相、差動(dòng)結(jié)構(gòu)，增益1-100倍。光電變換器：提供紅外發(fā)射、接收、穩(wěn)幅、變換，輸出模擬信號(hào)電壓與頻率變換方 波信號(hào)。四芯航空插座上裝有光電轉(zhuǎn)換裝置和兩根多模光纖（一根接收，一根發(fā)射）組 成的光強(qiáng)型光纖傳感器。電容變換器：由高頻振蕩、放大和雙t電橋組成。移相器：允許輸入電壓20vp-p ,移相范圍土 40° （隨頻率有所變化）。相敏檢波器：極性反轉(zhuǎn)電路構(gòu)成，所需最小參考電壓0.5vp-p ,允許最大輸入電壓20vp-

7、p 。電荷放大器：電容反饋式放大器，用于放大壓電加速度傳感器輸出的電荷信號(hào)。電壓放大器：增益 5倍的高阻放大器。渦流變換器：變頻式調(diào)幅變換電路，傳感器線圈是三點(diǎn)式振蕩電路中的一個(gè)元件。溫度變換器：根據(jù)輸入端熱敏電阻值及p- n結(jié)溫度傳感器信號(hào)變化輸出電壓信號(hào)相應(yīng)變化的變換電路。低通濾波器：由 50hz 陷波器和 rc 濾波器組成，轉(zhuǎn)折頻率35hz 左右。使用儀器時(shí)打開電源開關(guān)，檢查交、直流信號(hào)源及顯示儀表是否正常。儀器下部面板左下角處的開關(guān)控制處理電路的± 15v 工作電源，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)勿關(guān)掉。指針式毫伏表工作前需對(duì)地短路調(diào)零，取掉短路線后指針有所偏轉(zhuǎn)是正?，F(xiàn)象，不影響測(cè)試。請(qǐng)用戶注

8、意，本儀器是實(shí)驗(yàn)性儀器，各電路完成的實(shí)驗(yàn)主要目的是對(duì)各傳感器測(cè)試電路做定性的驗(yàn)證，而非工程應(yīng)用型的傳感器定量測(cè)試。各電路和傳感器性能建議通過以下實(shí)驗(yàn)檢查是否正常：1 應(yīng)變片及差動(dòng)放大器，參考附圖 2 進(jìn)行單臂、半橋和全橋?qū)嶒?yàn)，各應(yīng)變片是否正?？捎萌f用表電阻檔在應(yīng)變片兩端測(cè)量。各接線圖兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間即為一實(shí)驗(yàn)接插線，接插線可多根迭插，為保證接觸良好插入插孔后請(qǐng)將插頭稍許旋轉(zhuǎn)。2半導(dǎo)體應(yīng)變片，進(jìn)行半導(dǎo)體應(yīng)變片直流半橋?qū)嶒?yàn)。3 熱電偶，按附圖4 接線，加熱器接 15v 電源，另一端接地，觀察隨溫度升高熱電勢(shì)的變化。4 熱敏式，按附圖 5 接線，進(jìn)行“熱敏傳感器實(shí)驗(yàn)” ，電熱器加熱升溫，觀察隨溫度升高“v

9、 0”端輸出電壓變化情況，注意熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)。5 p- n 結(jié)溫度式，進(jìn)行p- n 結(jié)溫度傳感器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，注意電壓表2v 檔顯示值為絕對(duì)溫度t 。6 進(jìn)行“移相器實(shí)驗(yàn)”，用雙蹤示波器觀察兩通道波形。7 進(jìn)行“相敏檢波器實(shí)驗(yàn)” ，相敏檢波端口序數(shù)請(qǐng)參照附圖 6 ，其中 4 端為參考電 壓輸入端。8 進(jìn)行“電容式傳感器特性”實(shí)驗(yàn)，接線參照附圖7。當(dāng)振動(dòng)圓盤帶動(dòng)動(dòng)片上下移動(dòng)時(shí)，電容變換器v 0端電壓應(yīng)正負(fù)過零變化。9 進(jìn)行“光纖傳感器 位移測(cè)量” ，光纖探頭可安裝在原電渦流線圈的橫支架上固定，端面垂直于鍍鉻反射片，旋動(dòng)測(cè)微頭帶動(dòng)反射片位置變化，從“v 0”端讀出電壓變化值。光電變換器“f 0”

10、端輸出頻率變化方波信號(hào)。測(cè)頻率變化時(shí)可參照“光纖傳感器 轉(zhuǎn)速測(cè)試”步驟進(jìn)行。10進(jìn)行光電式傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)， v f 端輸出的是頻率信號(hào)。11將低頻振蕩器輸出信號(hào)送入低通濾波器輸入端、輸出端用示波器觀察，注意根據(jù)低通輸出幅值調(diào)節(jié)輸入信號(hào)大小。12進(jìn)行“差動(dòng)變壓器性能”實(shí)驗(yàn)，檢查電感式傳感器性能，實(shí)驗(yàn)前要找出次級(jí)線圈同名端，次級(jí)所接示波器為懸浮工作狀態(tài)。13進(jìn)行“霍爾式傳感器直流激勵(lì)特性”實(shí)驗(yàn)，接線參照附圖9，直流激勵(lì)信號(hào)絕對(duì)不能大于± 2v ，否則一定會(huì)造成霍爾元件燒壞。14進(jìn)行“磁電式傳感器”實(shí)驗(yàn)，磁電傳感器兩端接差動(dòng)放大器輸入端，用示波器觀察輸出波形，參見附圖 12 。15進(jìn)行“壓

11、電加速度傳感器”實(shí)驗(yàn)，接線參見附圖13。此實(shí)驗(yàn)與上述第12 項(xiàng)內(nèi)容均無定量要求。16進(jìn)行“電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)，接線參照?qǐng)D11，其中示波器觀察波形端口應(yīng)在渦流變換器的左上方，即接電渦流線圈處，右上端端口為輸出經(jīng)整流后的直流電壓。17如果儀器是帶微機(jī)接口和實(shí)驗(yàn)軟件的，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)采集及處理說明。數(shù)據(jù)采集卡已裝入儀器中，其中 a/d 轉(zhuǎn)換是 12 位轉(zhuǎn)換器，無漏碼最大分辨率1/2048（即 0.05% ） ，在此范圍內(nèi)的電壓值可視為容許誤差。所以建議在做小信號(hào)實(shí)驗(yàn)（如應(yīng)變電橋單臂實(shí)驗(yàn)）時(shí)選用合適的量程，以正確選取信號(hào)。儀器后部的 rs232 接口請(qǐng)接計(jì)算機(jī)com2 口串行工作。否則計(jì)算機(jī)將收

12、不到信號(hào)。儀器工作時(shí)需良好的接地，以減小干擾信號(hào)，并盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源。儀器的型號(hào)不同，傳感器種類不同，則檢查項(xiàng)目也會(huì)有所不同。上述檢查及實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿蓜t整臺(tái)儀器各部分均為正常。實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)非常注意實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后的 “注意事項(xiàng)” ， 要在確認(rèn)接線無誤的情況下開啟電源，要盡量避免電源短路情況的發(fā)生，加熱時(shí)“ 15v ”電源不能直接接入應(yīng)變片、熱敏電阻和熱電偶。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上各傳感器部分如位置不太正確可松動(dòng)調(diào)節(jié)螺絲稍作調(diào)整，以按下振動(dòng)梁松手，各部分能隨梁上下振動(dòng)而無碰擦為宜。附件中的稱重平臺(tái)是在實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)左邊的懸臂梁旁的測(cè)微頭取開后裝于頂端的永久磁鋼上方，環(huán)形圓片代替砝碼做稱重實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始前請(qǐng)檢

13、查實(shí)驗(yàn)連接線是否完好，以保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)儀需防塵，以保證實(shí)驗(yàn)接觸良好，儀器正常工作溫度0 40 。實(shí)驗(yàn)一霍爾傳感器的應(yīng)用一一位移與振幅測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解霍爾位移傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)用霍爾傳感器進(jìn)行位移測(cè)試；2、了解霍爾傳感器在震動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求1、觀察傳感器綜合試驗(yàn)儀上霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)；2、直流激勵(lì)下，用霍爾位移傳感器進(jìn)行靜態(tài)位移測(cè)試；3、直流激勵(lì)下，用霍爾位移傳感器進(jìn)行震動(dòng)測(cè)試；三、實(shí)驗(yàn)所需部件：1、cy訓(xùn)傳感器系統(tǒng)綜合試驗(yàn)儀；本次實(shí)驗(yàn)所用模塊包括： 直流穩(wěn)壓電源；霍爾傳感器；電橋；差動(dòng)放大器;毫伏表；測(cè)微頭；低通濾波器2、雙蹤示波器；3、接插

14、連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線若干。四、實(shí)驗(yàn)方法、步驟與結(jié)果測(cè)試：圖1（一）、實(shí)驗(yàn)原理及方法實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的霍爾傳感器，由兩個(gè)環(huán)形磁鋼組成梯度磁場(chǎng)和位于梯度磁場(chǎng)中的霍爾元件組成。當(dāng)保持霍爾元件的控制電流 i恒定，在與霍爾元件控制電流相垂直的方向上就有霍爾電勢(shì)輸出。霍爾元件在梯度磁場(chǎng)上下移動(dòng)時(shí)，輸出的霍爾電勢(shì)u0取決于其在磁場(chǎng)中的位移量x,即uo=kx,所以測(cè)得電勢(shì)大小就可知道霍爾元件的位移量。（二）、實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果測(cè)試1、霍爾傳感器位移測(cè)試相關(guān)儀表和電路調(diào)零差動(dòng)放大器調(diào)零時(shí)請(qǐng)先將放大器的增益調(diào)至適中。按圖1直流激勵(lì)接線旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，使測(cè)微頭頂桿與振動(dòng)盤接觸。調(diào)節(jié)振動(dòng)盤上下位置， 使霍爾元件基本位于梯度磁場(chǎng)的中間位置。開

15、啟電源，調(diào)節(jié)測(cè)微頭和電位器wd,使差放輸出為零。 上下移動(dòng)測(cè)微頭各 3.5mm,每變化0.5mm讀取響應(yīng)電壓值，并記入下表。 上移：位移x(mm)00.511.522.533.544.5電壓uo（mv）下移:位移x(mm)4.543.532.521.510.50電壓uo(mv)2、直流激勵(lì)下霍爾傳感器震動(dòng)測(cè)試仍按圖1直流激勵(lì)接線，使系統(tǒng)調(diào)零，并松開測(cè)微頭，使其脫離振動(dòng)臺(tái)。將低頻振蕩器接“激振i”，保持適當(dāng)振幅，用示波器觀察差動(dòng)放大器輸出波形。進(jìn)一步提高低頻振蕩器的振幅，用示波器觀察差動(dòng)放大器的輸出波形。改變?t振器i的頻率，進(jìn)行觀測(cè)，注意波形的變化。記錄輸出波形。五、思考題1、用霍爾元件做位移

16、測(cè)量時(shí)，為什么只允許工作在梯度磁場(chǎng)范圍？2、振幅測(cè)量時(shí)，輸出波形出現(xiàn)頂部或底部削峰現(xiàn)象，說明什么？六、注意事項(xiàng)直流激勵(lì)電壓只能是 2v,否則霍爾元件會(huì)燒壞；務(wù)必認(rèn)清楚霍爾元件的激勵(lì)端和輸出端，不能接錯(cuò)，否則霍爾元件會(huì)燒壞；實(shí)驗(yàn)二電渦流傳感器電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆姕u流式傳感器的實(shí)際應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)平面線圈與金屬被測(cè)體的相對(duì)位置發(fā)生周期性變化時(shí)，渦流量及線圈阻抗的變化 經(jīng)渦流變換器轉(zhuǎn)換為周期性的電壓信號(hào)變化。三、實(shí)驗(yàn)所需部件電渦流傳感器、電渦流變換器、測(cè)速電機(jī)及轉(zhuǎn)盤、電壓/頻率表、示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .電渦流線圈支架轉(zhuǎn)一角度，安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)盤上方，線圈與轉(zhuǎn)盤面平行，在不碰擦 的情況下

17、相距越近越好。2 .電渦流線圈與渦流變換器相接，渦流變換器輸出端接示波器，開啟電機(jī)開關(guān)，調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)整平面線圈在轉(zhuǎn)盤上方的位置，用示波器觀察，使變換器輸出的脈動(dòng)波較為 對(duì)稱。3 .仔細(xì)觀察示波器中兩相鄰波形的峰值是否一樣。4 .將電壓/頻率表2khz檔接入渦流變換器輸出端讀取得脈動(dòng)波形值，并與示波器讀 取的頻率作比較。（轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速二脈動(dòng)波形數(shù)+ 2） 五、思考題1 .若示波器中兩相鄰波形的峰值不一樣，則說明什么？2 .轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速與脈動(dòng)波形數(shù)滿足什么關(guān)系式？實(shí)驗(yàn)三 光電傳感器的應(yīng)用一光電轉(zhuǎn)速測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤怆婇_關(guān)的原理和應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：光電開關(guān)由紅外發(fā)射、接收及整形電路組成，為遮斷

18、式工作方式。三、實(shí)驗(yàn)所需部件：光電傳感器、光電變換器、測(cè)速電機(jī)及轉(zhuǎn)盤、電壓/頻率表2khz檔、示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1 .光電傳感器“光電”端接光電變換器 術(shù)端，vf端接示波器和電壓/頻率表2khz。2 .安裝好光電傳感器位置，勿與轉(zhuǎn)盤盤面相擦。3 .開啟電源，打開電機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用示波器觀察光電轉(zhuǎn)換器vf端，并讀出波形頻率，與頻率表所示頻率比較。4 .電機(jī)轉(zhuǎn)速=方波頻率+ 25 .將一較強(qiáng)光源照射儀器轉(zhuǎn)盤上方，觀察測(cè)試方波是否正常。6 .由此可以得出結(jié)論，光電開關(guān)受外界影響較小，工作可靠性較高。實(shí)驗(yàn)四電容式傳感器特性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针娙菔絺鞲衅鞯墓ぷ髟砗蜏y(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種型式，本儀器中是差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng) 片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變 化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為cxi,下層定片與動(dòng)片形成的電容定為cx2,當(dāng)將cxi和cx2接入橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)的位移有關(guān)。三、實(shí)驗(yàn)所需部件電容傳感器、電容變換器、差動(dòng)放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測(cè)微頭。圖（21）四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .按圖（21）接線，電容變換