《傳感器與自動檢測技術實驗指導書》(1新設備)

1、傳感器與自動檢測技術實驗指導書傳感器與自動檢測技術實驗指導書紅河學院工學院自動化系目 錄實驗一 金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗實驗二 金屬箔式應變片半橋性能實驗實驗三 金屬箔式應變片全橋性能實驗實驗四 電容式傳感器的位移特性實驗實驗五 直流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗實驗六 霍爾式傳感器的應用電子秤實驗實驗七 電渦流傳感器位移特性實驗實驗八 被測體材質對電渦流傳感器的特性影響實驗實驗九 光纖傳感器的位移特性實驗實驗十 Cu50溫度傳感器的溫度特性實驗實驗十一 熱電阻Pt100測溫特性實驗實驗十二 熱電偶測溫性能實驗附錄一 溫控儀表操作說明附錄二 微機數據采集系統軟件使用說明附錄三 附部分實

2、驗接線圖實驗一 金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：式中為電阻絲電阻的相對變化，為應變靈敏系數，為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位的受力狀態(tài)變化，電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。單臂電橋輸出電壓O1。三、需用器件與單元：應變式傳感器實驗模塊、應變式傳感器、砝碼、數顯表、±15V電源、±4V電源、萬

3、用表（自備）。四、實驗步驟：應變片 引出線 固定墊圈 固定螺絲 限程螺絲 模塊 彈性體 托盤 加熱絲 應變片 圖1-1 應變式傳感器安裝示意圖 1、根據圖1-1應變式傳感器已裝于應變傳感器模塊上。傳感器中各應變片已接入模塊的左上方的R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模塊上，可用萬用表進行測量判別，R1= R2= R3= R4=350，加熱絲阻值為50左右。2、接入模塊電源±15V（從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控箱電源開關，將實驗模塊調節(jié)增益電位器Rw3順時針調節(jié)大致到中間位置，再進行差動放大器調零，方法為將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端Vo2與主控箱面板上的數顯表電壓輸入

4、端Vi相連，調節(jié)實驗模塊上調零電位器Rw4，使數顯表顯示為零（數顯表的切換開關打到2V檔）。關閉主控箱電源。+4V -4V 接主控箱 電源輸出 接主控箱 電源輸出 接主控箱 電源輸出 圖1-2 應變式傳感器單臂電橋實驗接線圖 接數顯表 Vi 地 加熱 3、將應變式傳感器的其中一個應變片R1（即模塊左上方的R1）接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋（R5、R6、R7模塊內已連接好），接好電橋調零電位器Rw1，接上橋路電源±4V（從主控箱引入）如圖1-2所示。在電子秤上放上托盤，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關。調節(jié)Rw1，使數顯表顯示為零。4、在電子秤上放置一只砝碼，讀

5、取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，直到200g砝碼加完。記下實驗結果填入表一，關閉電源。表一 單臂電橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）電壓（mv） 5、根據表一計算系統靈敏度S，S=（輸出電壓變化量；重量變化量）計算線性誤差：f1=F S×100%，式中為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：F S滿量程輸出平均值，此處為200g。五、思考題：單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可。實驗二 金屬箔式應變片半橋性能實驗一、實驗目的：比較半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點。二、基本原理：不同受力

6、方向的兩片應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。當兩片應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出電壓Uo2=。三、需要器件與單元：同實驗一。四、實驗步驟：接主控箱電源輸出 接主控箱電源輸出 接數顯表Vi 地 圖2-1 應變式傳感器半橋實驗接線圖 1、 傳感器安裝同實驗一。做實驗（一）2的步驟，實驗模塊差動放大器調零。2、根據圖2-1接線。R1、R2為實驗模塊左上方的應變片，注意R2應和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±4V，調節(jié)電橋調零電位器Rw1進行橋路調零，實驗步驟3、4同實驗一中4、5的步

7、驟，將實驗數據記入表二，計算靈敏度S=，非線性誤差f2。若實驗時無數值顯示說明R2與R1為相同受力狀態(tài)應變片，應更換另一個應變片。表二 半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值重量（g）電壓（mv）五、思考題：1、半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在：（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）應變片應變效應是非線性的（3）調零值不是真正為零。實驗三 金屬箔式應變片全橋性能實驗一、實驗目的：了解全橋測量電路的優(yōu)點。二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始阻值：R

8、1= R2= R3= R4，其變化值R1=R2=R3=R4時，其橋路輸出電壓Uo3=。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改善。三、需用器件和單元：同實驗一。四、實驗步驟：1、傳感器安裝同實驗一。2、根據圖3-1實驗方法與實驗二相同。將實驗結果填入表三；進行靈敏度和非線性誤差計算。表三全橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）電壓（mv）圖3-1五、思考題：1、全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1= R3， R2= R4，而R1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以 （2）不可以。R1 R2 R3 R4 F F R1 R2 R3 R4 F F 圖3-2

9、 應變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖 2、某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如何利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻?實驗四 電容式傳感器的位移特性實驗一、實驗目的：了解電容式傳感器結構及其特點。二、基本原理：利用平板電容和其他結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇、A、d三個參數中，保持兩個參數不變，而只改變其中一個參數，則可以有測谷物干燥度（變）、測微小位移（d變）和測量也為（A變）等多種電容傳感器。三、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實驗模塊、測微頭、相敏檢波、濾波模塊、數顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、實驗步驟：1、按圖3-1安裝示意圖將電容傳感

10、器裝于電容傳感器實驗模塊上。2、將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗模塊，實驗線路見圖4-1。3、將電容傳感器實驗模塊的輸出端Vo1與數顯表單元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw調節(jié)到中間位置。接主控箱電源輸出 接主控箱數顯表 Vi 地 圖4-1 電容傳感器位移實驗接線圖 4、接入±15V電源，旋動測微頭推進電容傳感器動極板位置，每隔0.2mm（參考測量間隔）記下位移X與輸出電壓值，填入表4-1。表4-1 電容傳感器位移與輸出電壓值X（mm）V（mv）5、根據表4-1數據計算電容傳感器的系統靈敏度S和非線性誤差f。五、思考題：試設計利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結構。能否敘述一下在

11、設計中應考慮哪些因素？實驗五 直流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗一、實驗目的：了解霍爾式傳感器原理與應用。二、基本原理：根據霍爾效應、霍爾電勢UH = KHIB，當霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測量。三、需用器件與單元：霍爾傳感器實驗模塊、霍爾傳感器、直流源±4V、±15V、測微頭、數顯單元。四、實驗步驟：1、將霍爾傳感器按圖5-1安裝?；魻杺鞲衅髋c實驗模塊的連接按圖5-2進行。1、3為電源±4V，2、4為輸出。 主控箱 數顯表 3 1 2 4 圖5-2 霍爾傳感器位移直流激勵接線圖 1 2 3 4 連線插座編號 1、3為電源線 2、4為信號輸出

12、Vi 圖5-1 霍爾傳感器安裝示意圖 霍爾元件 模塊 測量架 測微頭 磁鋼 2、開啟電源，調節(jié)測微頭使霍爾片在磁鋼中間位置，Rw3旋到滿度的中間位置,再調節(jié)Rw1使數顯表指示為零。3、旋轉測微頭向軸向方向推進，每轉動0.2mm（參考測量間隔）記下一個讀數，直到讀數近似不變，將讀數填入表5-1。表5-1X（mm）V（mv）作出V-X曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。五、思考題：本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？實驗六 霍爾傳感器應用電子秤實驗一、實驗目的：了解霍爾傳感器用于稱重實驗的方法。二、基本原理：利用霍爾式位移傳感器和振動臺加載時懸臂梁產生位移，通過測位移

13、來稱重。三、需用器件與單元：霍爾傳感器實驗模塊、振動臺、直流電源、砝碼、數顯單元。四、實驗步驟：1、傳感器安裝、線路接法與實驗五相同。2、在霍爾元件上加直流電壓±4V，數顯表為2V檔。3、調節(jié)傳感器連接支架高度，使傳感器在磁鋼中點位置（要求當振動臺無重物時，調節(jié)傳感器高度使它在線性段起點），調節(jié)Rw2使數顯表輸出為零。4、在振動臺面上中間部分分別加砝碼：20g、40g、60g、80g、100g，讀出數顯表上的相應值，依次填入表5-2。表5-2W（g）V（mv）5、根據表5-2計算該稱重系統的靈敏度。6、放上未知重物，讀出數顯表電壓值。7、計算出未知重物為 g。五、思考題：1、該電子秤

14、系統所加重量受到什么限制？2、試分析本稱重系統的誤差。實驗七 電渦流傳感器位移特性實驗一、實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、基本原理：通以高頻電流的線圈產生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，因此可以進行位移測量。三、需用器件與單元：電渦流傳感器實驗模塊、電渦流傳感器、直流電源、數顯單元、測微頭、鐵圓片。四、實驗步驟：接主控箱數顯表 地 Vi 接主控箱電源輸出 圖8-2 電渦流傳感器位移實驗接線圖 +15V 1、根據圖8-1安裝電渦流傳感器。圖8-1 電渦流傳感器安裝示意圖 電渦流傳感器 模塊 測量架 測微頭 被測體

15、2、觀察傳感器結構，這是一個扁平繞線圈。3、將電渦流傳感器輸出線接入實驗模塊上標有Ti的插孔中，作為振蕩器的一個元件（傳感器屏蔽層接地）。4、在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。5、將實驗模塊輸出端Vo與數顯單元輸入端Vi相接。數顯表量程切換開關選擇電壓20V檔。6、用連接導線從主控臺接入+15V直流電源到模塊上標有+15V的插孔中。7、使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關，記下數顯表讀數，然后每隔0.2mm（參考測量間隔）讀一個數，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結果列入表8-1。 表8-1 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數據X（mm）V（v）8、根據表8-1數據，畫出

16、V-X曲線，根據曲線找出線性區(qū)域及進行正、負位移測量時的最佳工作點，試計算量程為1mm、3mm、5mm時的靈敏度和線性度（可以用端基法或其它擬合直線）。五、思考題：1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關，如果需要測量±5mm的量程應如何設計傳感器？2、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據使用量程選用傳感器？實驗八 被測體材質對電渦流傳感器的特性影響實驗一、實驗目的：了解不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響。二、基本原理：渦流效應與金屬導體本身的電阻率和磁導率有關，因此不同的材料就會有不同的性能。三、需用器件與單元：除與實驗七相同外，另加銅和鋁的被測體小圓片。四、實驗步驟：1

17、、傳感器安裝與實驗七相同。2、將原鐵圓片換成鋁和銅圓片。3、重復實驗七步驟，進行被測體為鋁圓片和銅圓片時的位移特性測試，分別記入表8-2和表8-3。表8-2 被測體為鋁圓片時的位移與輸出電壓數據X（mm）V（v）表8-3 被測體為銅圓片時的位移與輸出電壓數據X（mm）V（v）4、根據表8-2和表8-3分別計算量程為1mm和3mm時的靈敏度和非線性誤差（線性度）。5、比較實驗七和本實驗所得的結果，并進行小結。五、思考題：當被測體為非金屬材料時，如何利用電渦流傳感器進行測試？實驗九 光纖傳感器的位移特性實驗一、實驗目的：了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。二、基本原理：本實驗采用的是導光型多模光纖

18、，它由兩束光纖混合組成Y型光纖，探頭為半圓分布，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端，即探頭，它與被測體相距X，由光源發(fā)出的光通過光纖傳到端部射出后再經被測體反射回來，由另一束光纖接收反射光信號再由光電轉換器轉換成電壓量，而光電轉換器轉換的電壓量大小與間距X有關，因此可用于測量位移。三、需用器件與單元：光纖傳感器、光纖傳感器實驗模塊、數顯單元、測微頭、±15V直流源、反射面。四、實驗步驟：1、根據圖9-1安裝光纖位移傳感器，兩束光纖插入實驗板上的光電變換座孔上。其內部已和發(fā)光管D及光電轉換管T相接。圖9-1 光纖傳感器安裝示意

19、圖 模塊 測量架 測微頭 光電變換座 光纖位移傳感器 反射面 2、將光纖實驗模塊輸出端Vo1與數顯單元相連，見圖9-2。接主控箱電源輸出 接主控箱數顯表 Vi 地 圖9-2 光纖傳感器位移實驗模塊 3、調節(jié)測微頭，使探頭與反射平板輕微接觸。4、實驗模塊接入±15V電源，合上主控箱電源開關，將Rw1旋轉到中間位置，調節(jié)Rw2使數顯表顯示為零。5、旋轉測微頭，被測體離開探頭，每隔0.1mm(參考測量間隔)讀出數顯表值，將其填入表9-1。表9-1 光纖位移傳感器輸出電壓與位移數據X（mm）V（v）6、根據表9-1的數據，分析光纖位移傳感器的位移特性，計算在量程1mm時的靈敏度和非線性誤差。

20、五、思考題：光纖位移傳感器測位移時對被測體的表面有些什么要求？實驗十 Cu50溫度傳感器的溫度特性實驗一、實驗目的：了解Cu50溫度傳感器的特性與應用。二、基本原理：在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，一般采用銅電阻，可用來測量-50ºC+150ºC的溫度。銅電阻有下列優(yōu)點：1） 在上述溫度范圍內，銅的電阻與溫度呈線性關系 Rt = R0(1+at)2） 電阻溫度系數高，a = 4.254.28×10-3/ ºC3） 容易提純，價格便宜三、需用器件與單元：加熱源、K型熱電偶、Cu50熱電阻、溫度源、溫度傳感器實驗模塊、數顯單元、萬用表。四、實驗步驟：

21、1、將溫度源模塊上的220V電源插頭插入主控箱面板溫度控制系統中的加熱輸出插座上。2、同時溫度源中“冷卻輸入”與主控箱中“冷卻開關”連接，同時“風機電源”和主控箱中“+2-+24V”電源輸出連接（此時電源旋鈕打到最大值位置），同時打開溫度源開關。3、注意：首先根據溫控儀表型號，仔細閱讀“溫控儀表操作說明”，（見附錄一）學會基本參數設定（出廠時已設定完畢）。接主控箱電源輸出 接主控箱數顯表 Vi 地 2V Cu50圖11-1 熱電阻測溫特性實驗 4、選擇控制方式為內控方式，將熱電偶插入溫度加熱源的一個傳感器安置孔中。再將K型（對應溫度控制儀表中參數Sn為0，或E型Sn為4）熱電偶自由端引線插入主

22、控箱上的傳感器插孔中，紅線為正極。它們的熱電勢值不同，從熱電偶分度表中可以判別K性和E型（E型熱電勢大）熱電偶。5、從主控箱上將±15V電壓，地接到溫度模塊上，并將R5,R6兩端短接接地，打開主控箱電源開關，將模塊上的Vo2與主控箱數顯表單元上的Vi相接，調節(jié)Rw3使數顯表顯示為零。6、Cu50熱電阻加熱端插入加熱源的另一個插孔中，尾部紅色線為正端，插入實驗模塊的a端，見圖11-1，藍黑兩端短接插入b孔上，a端接電源+2V，b端與差動運算放大器的一端相接，橋路的另一端和差動運算放大器的另一端相接。此時，打開主控箱電源開關，調Rw1使電橋平衡，即橋路輸出端b和中心活動點之間在室溫下輸出

23、為零。7、合上主控箱上溫度儀表電源開關，設定溫度控制值為40ºC，當溫度控制在40ºC時開始記錄電壓表讀數，重新設定溫度值為40ºC+n·t，建議t=5ºC，n=110，每隔1n讀出數顯表輸出電壓與溫度值。記下數顯表上的讀數，填入表11-1。表11-1：T（ºC）V（mv）五、思考題：大家知道在一定的電流模式下，PN結的正向電壓與溫度之間具有較好的線性關系，因此就有溫敏二極管，你若有興趣可以利用開關二極管或其它溫敏二極管在40ºC100ºC之間，作溫度特性，然后與集成溫度傳感器相同區(qū)間的溫度特性進行比較，從線性看溫

24、度傳感器線性優(yōu)于溫敏二極管，請闡述理由。實驗十一 熱電阻Pt100測溫特性實驗一、實驗目的：了解熱電阻的特性與應用。二、基本原理：利用導體電阻隨溫度變化的特性。熱電阻用于測量時，要求其材料電阻溫度系數大，穩(wěn)定性好，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關系。常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0-630.74ºC以內，電阻Rt與溫度t的關系為：Rt = R0(1+At+Bt2)R0系溫度為0ºC時的鉑熱電阻的電阻值。本實驗R0=100ºC，A=3.90802×10-3 ºC-1B=-5.080195×10-7 ºC-2,鉑電阻現是三線連

25、接，其中一端接兩根引線主要是為了消除引線電阻對測量的影響。三、需用器件與單元：溫度源、K型熱電偶、Pt100熱電阻、溫度控制單元、溫度傳感器實驗模塊、數顯單元、萬用表。四、實驗步驟：1、同實驗十、步操作。2、將Pt100鉑電阻三根引線引入“Rt”輸入的a、b上：用萬用表歐姆檔測出Pt100三根接主控箱電源輸出 接主控箱數顯表 Vi 地 2V 圖11-2 熱電阻測溫特性實驗 引線中短接的兩根線接b端（即藍黑兩端）。這樣Rt與R3、R1、Rw1、R4組成直流電橋，是一種單臂電橋工作形式。Rw1中心活動點與R6相接，見圖11-2。3、在端點a與地之間加直流源2V，合上主控箱電源開關，調Rw1使電橋平

26、衡，即橋路輸出端b和中心活動點之間在室溫下輸出為零。4、合上主控箱上溫度儀表電源開關。設定溫度值40ºC，將Pt100探頭插入溫控模塊的一個插孔中，待溫度控制在40ºC時記錄下電壓表讀數值，重新設定溫度值為40ºC+n·t，建議t=5ºC，n=110，每隔1n讀出數顯表輸出電壓與溫度值。將結果填入表11-2。 表11-2t（ºC）V（mv）5、根據表11-2值計算其非線性誤差。五、思考題：如何根據測溫范圍和精度要求選用熱電阻？實驗十二 熱電偶測溫性能實驗一、實驗目的：了解熱電偶測量溫度的性能與應用范圍。二、基本原理：當兩種不同的金屬組

27、成回路，如兩個接點有溫度差，就會產生熱電勢，這就是熱電效應。溫度高的接點稱工作端，將其置于被測溫度場，以相應電路就可間接測得被測溫度值，溫度低的接點就稱冷端（也稱自由端），冷端可以是室溫值或經補償后的0ºC、25ºC。三、需用器件與單元：熱電偶K型、E型、溫度源、數顯單元。四、實驗步驟：1、重復實驗十的、步操作。2、將E型熱電偶加熱端插到溫度源的另一個插孔中，另一端的紅端接到溫度模塊的R6端，黑端接到溫度模塊的R5端并與地相連。3、合上溫度儀表電源開關。設定溫控模塊儀表控制溫度值T=40ºC。觀察溫控儀表的溫度值，當溫度控制在40時，調節(jié)Rw2，對照分度表將Vo1

28、輸出調至和分度表10倍數值相當，并記錄下讀數4、重新設定溫度值為40ºC+n·t，建議t=5ºC，n=110，每隔1n讀出數顯表輸出電壓與溫度值，并記入表11-3。表11-3 E型熱電偶電勢（經放大）與溫度數據T+n·tV（mv）6、根據表11-3計算非線性誤差。五、思考題：1、同樣實驗方法，完成K型熱電偶電勢（經放大）與溫度數據1、通過溫度傳感器的三個實驗你對各類溫度傳感器的使用范圍有何認識？2、能否用Pt100設計一個直接顯示攝氏溫度-50ºC-50ºC的數字式溫度計，并利用本實驗臺進行實驗。附：分度表E型熱電偶分度表          E