傳感器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書機(jī)械與汽車工程學(xué)院 機(jī)械電子工程系二零一六 年 五 月實(shí)驗(yàn)的基本要求和安全操作規(guī)程一、實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介：CSY2001/2001B型實(shí)驗(yàn)臺(tái)分主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K二部分。1) 2001型主機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：裝有氣敏、電容、PSD光電位置、熱釋電紅外、光電（光斷續(xù)器）、光電阻、集成溫度、半導(dǎo)體熱敏、鉑熱電阻、PN結(jié)溫敏、熱電偶、電渦流、磁電、壓電加速度、霍爾、濕敏（RH、CH）、電感、雙孔懸臂梁稱重、半導(dǎo)體應(yīng)變、金屬箔式應(yīng)變、MPX擴(kuò)散硅壓阻、光纖位移、光柵等二十余種經(jīng)典和新型的傳感器（傳感器的種類可根據(jù)用戶的需要增減）

2、。以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的兩副雙平行懸臂梁和螺旋測(cè)微儀、位移平臺(tái)、溫控電加熱爐、支架、平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)測(cè)速電機(jī)等，傳感器接口位于儀器面板下側(cè)排列。主機(jī)內(nèi)裝有：n 直流穩(wěn)壓電源：l +2V+10V分五檔輸出，最大輸出電流1.5Al +15V 、+ 9V（12V）、激光電源，最大輸出電流1.5An 音頻信號(hào)源：l 0.4KHz-10KHz輸出連續(xù)可調(diào)，最大Vp-p值20Vl 00、1800端口反相輸出l 00、LV端口功率輸出，最大輸出電流1.5Al 1800端口電壓輸出，最大輸出功率300mwn 低頻信號(hào)源：1Hz30Hz輸出，連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I、II的信號(hào)頻率源。

3、n 轉(zhuǎn)換開關(guān)：當(dāng)?shù)瓜騐0側(cè)時(shí)，低頻信號(hào)源正常使用，V0端輸出低頻信號(hào)，倒向Vi側(cè)時(shí)，斷開低頻信號(hào)電路，Vi作為電流放大器輸入端，輸出端仍為V0端。n 電壓/頻率表：3 1/2位數(shù)字表、電壓顯示02V、020V兩檔，頻率顯示02KHz、020KHz兩檔，靈敏度50mv。n 溫控電加熱器：由熱電偶控溫的300W電加熱爐，最高爐溫400，實(shí)驗(yàn)控溫200。提供溫度傳感器熱源及熱電偶測(cè)溫、標(biāo)定及應(yīng)變傳感器加熱等功能。n 通信接口：標(biāo)準(zhǔn)RS232口，提供實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)通信接口。n 數(shù)據(jù)采集卡：12位A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)輸入端為電壓/頻率表的“IN”端。n 氣壓源：電動(dòng)氣泵，氣壓輸出20KP； 氣壓表：滿量程4

4、0KP。n 整套儀器共有實(shí)驗(yàn)?zāi)K14個(gè)，實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源統(tǒng)一為四芯標(biāo)準(zhǔn)接口。 2) 2001B型主機(jī)n 裝有磁電、壓電加速度、半導(dǎo)體應(yīng)變、金屬箔式應(yīng)變、衍射光柵等傳感器,信號(hào)源、溫控電加熱器、顯示儀表、電動(dòng)氣壓源、數(shù)據(jù)采集及通信接口。n 分別安裝在十余個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K面板上二十種傳感器與2001型主機(jī)工作臺(tái)上安裝的傳感器性能相同，其中電感、電容、霍爾、光纖、電渦流等傳感器可在模塊上做靜態(tài)位移實(shí)驗(yàn)，也可安裝在主機(jī)的振動(dòng)臺(tái)上做動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。n 主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接線采用高可靠性的防脫落插座及插頭。連接線均用燈籠狀的插頭及配套的插座，接觸可靠，防旋防松脫，并可在使用日久斷線后重新修復(fù)。二、CSY2001/20

5、01B型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳感器性能、參數(shù)指標(biāo)：氣敏傳感器（MO3），對(duì)酒精敏感，測(cè)量范圍10-2000ppm 靈敏度RO/R>5電容式傳感器：2001型:平行變面積差動(dòng)式電容，線性范圍3mm。2001B型:圓筒變面積差動(dòng)式電容, 線性范圍3mm。熱釋電紅外傳感器：光譜范圍715m,光頻響應(yīng)0.510HZ。光電傳感器：紅外發(fā)光管、光敏三極管及施密特整形電路組成的光斷續(xù)器。光電阻：半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器，阻值范圍10MnK。集成溫度傳感器：電流型集成溫度傳感器，測(cè)量范圍-55-200。熱電偶：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鎳鉻鎳硅（K分度），溫控?zé)犭娕兼囥t銅鎳（E分度）。半導(dǎo)體熱敏電阻：MF51，負(fù)溫度系數(shù)，測(cè)

6、溫范圍-50-300。鉑熱電阻：Pt100 測(cè)溫范圍650。PN結(jié)溫敏二極管：測(cè)溫范圍-40-150，精度1%。光纖位移傳感器：雙支Y型導(dǎo)光型光纖傳感器，線性范圍1.5mm。電渦流傳感器：量程0-3mm,由扁平線圈和多種金屬渦流片組成。磁電傳感器：靈敏度0.4V/m/S，動(dòng)鐵與線圈組成?；魻杺鞲衅鳎禾荻却艌?chǎng)與銻化銦線性霍爾元件組成，測(cè)量范圍+2.5mm。壓電加速度傳感器：PZT雙壓電晶片、質(zhì)量塊及壓簧組成，頻響>5Hz 。濕敏電容：測(cè)量范圍：0-99%RH，線性度+2%。濕敏電阻：測(cè)量范圍：0-99%RH，阻值范圍10M-nk。差動(dòng)變動(dòng)器：一組初級(jí)線圈、兩組次級(jí)線圈及軟磁鐵心組成，測(cè)量范

7、圍+5mm。稱重傳感器：商用雙孔懸臂梁結(jié)構(gòu)，稱重范圍500克，精度1%。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)：BY型，靈敏系數(shù)120。金屬箔式應(yīng)變計(jì)（貼于雙平行懸臂梁上）：BHF環(huán)氧基底防蠕變，工作片×4，溫度補(bǔ)償片×2，靈敏度系數(shù)2.06。壓阻式傳感器：MPX壓阻式差壓傳感器,量程0-50KP，精度1%。光柵莫爾條紋位移傳感器:測(cè)試精度1%mm。（僅2001B型有）CCD圖象傳感器：光敏面尺寸：1/3英寸。工作電壓12V。三、實(shí)驗(yàn)操作須知：1、 使用本儀器前，請(qǐng)先熟悉儀器的基本狀況，對(duì)各傳感器激勵(lì)信號(hào)的大小、信號(hào)源、顯示儀表、位移及振動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作范圍做到心中有數(shù)。2、 了解測(cè)試系統(tǒng)的基本組成：合

8、適的信號(hào)激勵(lì)源傳感器處理電路（傳感器狀態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）儀表顯示（數(shù)據(jù)采集或圖象顯示）3、 實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，在用實(shí)驗(yàn)連接線接好各系統(tǒng)并確認(rèn)無誤后方可打開電源，各信號(hào)源之間嚴(yán)禁用連接線短路，2001型主機(jī)與模塊的電源連接線插頭與插座連接時(shí)尤要注意標(biāo)志端對(duì)準(zhǔn)后插入，如開機(jī)后發(fā)現(xiàn)信號(hào)燈、數(shù)字表有異常狀況，應(yīng)立即關(guān)機(jī)，查清原因后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、 實(shí)驗(yàn)連接線插頭為燈籠狀簧片結(jié)構(gòu)，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉(zhuǎn)鎖緊，為延長(zhǎng)使用壽命，請(qǐng)捏住插頭連接。5、 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中的“注意事項(xiàng)”不可忽略。傳感器的激勵(lì)信號(hào)不準(zhǔn)隨意加大，否則會(huì)造成傳感器永久性的損壞。6、 本實(shí)驗(yàn)儀為教學(xué)實(shí)驗(yàn)用儀器，而非測(cè)量用儀器，各傳感器在其工作范

9、圍內(nèi)有一定的線性和精度，但不能保證在整個(gè)信號(hào)變化范圍都是呈線性變化。限于實(shí)驗(yàn)條件，有些實(shí)驗(yàn)只能做為定性演示（如濕敏、氣敏傳感器），能完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，則整臺(tái)儀器正常。7、 本儀器的工作環(huán)境溫度40，需防塵。實(shí)驗(yàn)一 金屬箔式應(yīng)變計(jì)性能應(yīng)變電橋?qū)嶒?yàn)?zāi)康模?、觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。 2、測(cè)試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。3、比較各橋路間的輸出關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原理： 本實(shí)驗(yàn)說明箔式應(yīng)變片及直流電橋的原理和工作情況。應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測(cè)試體表面，測(cè)件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測(cè)量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸

10、出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測(cè)電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路對(duì)臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對(duì)變化率分別為R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，；當(dāng)二個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)狀態(tài)工作，則有；用四個(gè)應(yīng)變片組成二個(gè)差動(dòng)對(duì)工作，且R1= R2= R3= R4=R，。實(shí)驗(yàn)所需部件： 直流穩(wěn)壓電源+4V、公共電路模塊、貼于主機(jī)工作臺(tái)懸臂梁上的箔式應(yīng)變計(jì)、螺旋測(cè)微儀、數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)步驟：1、連接主機(jī)與模塊電路電源連接線，差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針方向旋到底），差動(dòng)放大器“+”“”輸入端對(duì)地用實(shí)驗(yàn)線短路。輸出端接

11、電壓表2V檔，注意主機(jī)和模塊之間必須共地。開啟主機(jī)電源，用調(diào)零電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零。然后關(guān)閉主機(jī)電源，拔掉實(shí)驗(yàn)線，調(diào)零后模塊上的“增益、調(diào)零”電位器均不應(yīng)再變動(dòng)。2、觀察貼于懸臂梁根部的應(yīng)變計(jì)的位置與方向，按圖（1）將所需實(shí)驗(yàn)部件連接成測(cè)試橋路，圖中R1、R2、R3分別為固定標(biāo)準(zhǔn)電阻，R為應(yīng)變計(jì)（可任選上梁或下梁中的一個(gè)工作片），圖中每?jī)蓚€(gè)節(jié)之間可理解為一根實(shí)驗(yàn)連接線，注意連接方式，勿使直流激勵(lì)電源短路。將螺旋測(cè)微儀裝于應(yīng)變懸臂梁前端永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)測(cè)微儀使懸臂梁基本處于水平位置。（圖1）3、確認(rèn)接線無誤后開啟主機(jī)，并預(yù)熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。調(diào)節(jié)模塊上的WD電位器，使橋路

12、輸出為零。4、用螺旋測(cè)微儀帶動(dòng)懸臂梁分別向上和向下位移各5mm ,每位移1mm記錄一個(gè)輸出電壓值，并記入下表：位移mm 電壓V根據(jù)表中所測(cè)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖上做出VX曲線，計(jì)算靈敏度S：S=。注意事項(xiàng)：1、實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)連接線是否完好，學(xué)會(huì)正確插拔連接線，這是順利完成實(shí)驗(yàn)的基本保證。2、由于懸臂梁彈性恢復(fù)的滯后及應(yīng)變片本身的機(jī)械滯后，所以當(dāng)螺旋測(cè)微儀回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零，此時(shí)可一次或幾次將螺旋測(cè)微儀反方向旋動(dòng)一個(gè)較大位移，使電壓值回到零后再進(jìn)行反向采集實(shí)驗(yàn)。3、實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者用螺旋測(cè)微儀進(jìn)行位移后應(yīng)將手離開儀器后方能讀取測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓數(shù)，否則雖然沒有改變刻度值也會(huì)造成微小位

13、移或人體感應(yīng)使電壓信號(hào)出現(xiàn)偏差。4、因?yàn)槭切⌒盘?hào)測(cè)試，所以調(diào)零后電壓表應(yīng)置2V檔，用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)選用200mv量程。實(shí)驗(yàn)二 金屬箔式應(yīng)變計(jì)三種橋路性能比較實(shí)驗(yàn)原理：已知單臂、半橋和全橋電路的R分別為R/ R、2R/ R、4R/ R。根據(jù)戴維南定理可以得出測(cè)試電橋近似等于·E··R，電橋靈敏度Ku=V/R/R，于是對(duì)于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度分別為1/4E、1/2E和E。由此可知，當(dāng)E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。實(shí)驗(yàn)所需部件：直流穩(wěn)壓電源（+4V）、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、箔式應(yīng)變計(jì)、螺旋測(cè)微儀、數(shù)字電壓表。實(shí)驗(yàn)步驟：1、在完成

14、實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，依次將圖（1）中的固定電阻R1，換接應(yīng)變計(jì)組成半橋、將固定電阻R2 、R3，換接應(yīng)變計(jì)組成全橋。2、重復(fù)實(shí)驗(yàn)一中實(shí)驗(yàn)3-4步驟，完成半橋與全橋測(cè)試實(shí)驗(yàn)。3、在同一坐標(biāo)上描出V-X曲線，比較三種橋路的靈敏度，并做出定性的結(jié)論。注意事項(xiàng)：應(yīng)變計(jì)接入橋路時(shí)，要注意應(yīng)變計(jì)的受力方向，一定要接成差動(dòng)形式，即鄰臂受力方向相反，對(duì)臂受力方向相同，如接反則電路無輸出或輸出很小。實(shí)驗(yàn)三 雙孔應(yīng)變傳感器稱重實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)選用的是標(biāo)準(zhǔn)商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，四個(gè)特性相同的應(yīng)變片貼在如圖所示位置，彈性體的結(jié)構(gòu)決定了R1和R3、R2 和R4的受力方向分別相同，因此將它們串接就形成差動(dòng)電橋。當(dāng)彈

15、性體受力時(shí)，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：實(shí)驗(yàn)所需部件：直流穩(wěn)壓電源、雙孔懸臂梁稱重傳感器、公共電路模塊（一）公共電路模塊，稱重砝碼（20克/個(gè)）、數(shù)字電壓表。（圖2）雙孔懸臂梁稱重傳感器實(shí)驗(yàn)步驟：1、觀察稱重傳感器彈性體結(jié)構(gòu)及貼片位置，連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源連接線，開啟主機(jī)電源，調(diào)節(jié)放大器調(diào)零電位器使無負(fù)載時(shí)的稱重傳感器輸出為零。2、接好傳感器測(cè)試系統(tǒng)線路，稱重傳感器工作電壓選用+4V，差動(dòng)放大器增益為最大（100倍），輸出端接電壓表。調(diào)節(jié)電橋WD調(diào)零電位器使無負(fù)載時(shí)稱重傳感器輸出為零。3、逐步將砝碼放上稱重平臺(tái)，調(diào)節(jié)增益電位器，使V0端輸出電壓與所稱重量成一比例關(guān)系，記錄W（克）與V（

16、mv）的對(duì)應(yīng)值，并填入下表：W(克)V（mv）4、記錄W與V值，并做出W-V曲線，進(jìn)行靈敏度、線性度與重復(fù)性的比較。5、與雙平行懸臂梁組成的全橋進(jìn)行性能比較。注意事項(xiàng)：稱重傳感器的激勵(lì)電壓請(qǐng)勿隨意提高。注意保護(hù)傳感器的引線及應(yīng)變片使之不受損傷。實(shí)驗(yàn)四 光柵傳感器衍射演示實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理：激光照射光柵時(shí)光柵的衍射特性可用公式：表示，根據(jù)這一公式可進(jìn)行光柵距的測(cè)定，光柵至投射屏距離的測(cè)試，圖（3）為光柵衍射示意圖。實(shí)驗(yàn)所需部件：固體激光器、光柵、投射屏（自備）、直尺（自備） （圖3）實(shí)驗(yàn)步驟：1、觀察光柵，衍射光柵上每片有兩組柵線相差90°的光柵，調(diào)整激光器位置，與其中的一組光柵中心對(duì)準(zhǔn)。2

17、、打開主機(jī)電源，接通激光器，經(jīng)一束激光照射后的光柵在前方投射屏上出現(xiàn)一行衍射光斑，正中為中央光斑，從中央光斑兩側(cè)向外依次為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)衍射光斑，觀察與分析光斑的大小及光強(qiáng)變化規(guī)律。3、根據(jù)光柵衍射公式，用直尺量得一級(jí)光斑與中央光斑的距離S，光柵至投射屏的距離L，就可得得光柵距d。反之如果已知實(shí)驗(yàn)所用的光柵的光柵距，則量得S后就可求得距離L。注意事項(xiàng)：激光照射光柵時(shí)注意光路勿受阻擋，實(shí)驗(yàn)儀上所配的衍射光柵為50線/mm。實(shí)驗(yàn)五 微機(jī)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集處理實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簜鞲衅鲗?shí)驗(yàn)課程中，數(shù)據(jù)采集和分析處理是最為主要的部分，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，微機(jī)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換也成為必然的趨勢(shì)，通過使用實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)置的數(shù)據(jù)

18、采集卡和配套的實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)傳感器測(cè)試系統(tǒng)采集到的電信號(hào)進(jìn)行分析處理，可以為以后測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用建立基礎(chǔ)。使用說明：數(shù)據(jù)采集卡采用內(nèi)置形式，與計(jì)算機(jī)通信采用串行工作方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)用通信線與計(jì)算機(jī)串口RS232口相連。通訊約定：波特率2400，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集卡采用十二位A/D轉(zhuǎn)換，容錯(cuò)率為1/2048，量程分200mv、1V、10V三檔，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀的輸出信號(hào)電壓范圍較寬，為滿足精度要求，所以應(yīng)根據(jù)具體情況選擇量程，采集模式分為單次采集與連續(xù)采集，對(duì)靜態(tài)信號(hào)采用單次采集方式，動(dòng)態(tài)信號(hào)則用連續(xù)采集方式，速度選擇為17檔（20000次/秒100次/秒）。通信口選擇：從COM1COM4，

19、如不選擇，默認(rèn)為COM1口。配套數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)軟件：實(shí)驗(yàn)軟件為一份光盤，為安裝盤形式，點(diǎn)擊安裝圖標(biāo)，即進(jìn)入自動(dòng)安裝程序，待安裝完成后，執(zhí)行程序EXP已以快捷方式置于桌面。CCD圖象傳感器測(cè)徑及莫爾條紋記數(shù)軟件安裝辦法與數(shù)據(jù)采集軟件安裝方法相同。實(shí)驗(yàn)軟件使用說明：點(diǎn)擊EXP圖標(biāo)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)軟件。首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置的項(xiàng)目：姓名、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)名稱、采集方式，采集速度，X軸坐標(biāo)單位選擇，（坐標(biāo)間隔和坐標(biāo)單位），串口選擇，采集曲線色彩選擇等等，選定項(xiàng)目后按“確認(rèn)”鍵。進(jìn)入主界面：每幀坐標(biāo)均能容納四條曲線，每條曲線最高容納100點(diǎn)數(shù)據(jù)，可選擇是否要小圓點(diǎn)作為標(biāo)記。采集時(shí)請(qǐng)按曲線順序從上至下的圖標(biāo)進(jìn)行操作，單次采集須先進(jìn)行正向采集，然后進(jìn)行反向采集，反向采集后則不能再進(jìn)行正向