傳感器技術(shù)實驗指導(dǎo)書41333

1、傳感器技術(shù)實驗指導(dǎo)書權(quán)義萍 南京工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院目 錄實驗一 金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較實驗3實驗二 直流全橋的應(yīng)用電子秤實驗7實驗三 電容式傳感器的位移特性實驗9實驗四 壓電式傳感器振動實驗11實驗五 直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗13實驗六 電渦流傳感器綜合實驗15實驗七 光纖傳感器的位移特性實驗18實驗一 金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋性能比較實驗一、 實驗?zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，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(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： RRK式中RR為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏

2、系數(shù),=l/l為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化 、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。，對單臂電橋輸出電壓 Uo1= EK/4。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UO2EK2。三、 需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、?yīng)變式傳感器電子秤、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表（自備）。四、實驗步驟：1、 根據(jù)圖（11）應(yīng)變式傳感器（電子秤）已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感

3、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)行測量判別，R1R2R3R4350，加熱絲阻值為50左右 圖11 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2、 接入模板電源±15V（從主控臺引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，將實驗?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器RW3順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置，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（注意：當(dāng)Rw3、Rw4的位置一旦確定，就不能改變。一直到做完實驗三為止）。3、 將應(yīng)變式傳感器的其中一個電阻

4、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±4V（從主控臺引入）如圖12所示。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關(guān)。調(diào)節(jié)RW1，使數(shù)顯表顯示為零。圖12應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒灲泳€圖4、 在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g（或500 g）砝碼加完。記下實驗結(jié)果填入表11，關(guān)閉電源。重量(g)電壓(mv)5、 根據(jù)表11計算系統(tǒng)靈敏度SU/W（U輸出電壓變化量，W重量變化量）和非線性誤差f1=m/yF.S ×100式

5、中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yF·S滿量程輸出平均值，此處為200g（或500g）。6、 更改電橋接法，重復(fù)以上步驟。圖13應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖表12半橋測量時，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量電壓根據(jù)表12計算系統(tǒng)靈敏度SU/W和非線性誤差f2=m/yF.S ×100五、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。 2、 半橋?qū)嶒灂r，如果對于一定的輸入，輸出值很小或沒有輸出，為何？3、 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：（1）對邊（2）鄰邊。實

6、驗二 直流全橋的應(yīng)用電子秤實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。二、基本原理：電子秤實驗原理為實驗一，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）改為重量綱（g）即成為一臺原始電子秤。三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、砝碼四、實驗步驟：1、 按實驗一中2的步驟，將差動放大器調(diào)零，應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０灏慈珮蚪泳€，合上主控臺電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RW1，使數(shù)顯表顯示0.00V。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(2V檔測量)或0.200V。3、 拿去托盤上的

7、所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器R W4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.0000V。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改為重量綱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21。 重量（g）電壓(mv)6、 根據(jù)上表，計算誤差與非線性誤差。五、思考題1、 全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1R3，R2R4，而R1R2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。FFR1R3R2R1R2R3R4R4FF圖21應(yīng)變

8、式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖實驗三 電容式傳感器的位移實驗一、 實驗?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。二、 基本原理：利用平板電容CAd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、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(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A）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?zāi)０濉y微頭、相敏檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、 實驗步驟：1、 按圖31安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗?zāi)０迳?，判別CX1和CX2時，注意動極板接地，接法正確則動極板左右移動時，有正、負(fù)輸出。不然

9、得調(diào)換接頭。一般接線：二個靜片分別是1號和2號引線，動極板為3號引線。2、 將電容傳感器電容C1和C2的靜片接線分別插入電容傳感器實驗?zāi)０錍x1、Cx2插孔上，動極板連接地插孔（見圖31）。圖31電容傳感器位移實驗接線圖3、 將電容傳感器實驗?zāi)０宓妮敵龆薞o1與數(shù)顯表單元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw調(diào)節(jié)到中間位置。4、 接入±15V電源，旋動測微頭推進(jìn)電容器傳感器動極板位置，每間隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表31。表31 電容傳感器位移與輸出電壓值X(mm) V(mv)5、 根據(jù)表31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f。五、 思考題：試設(shè)計利用的變化測谷

10、物濕度的傳感器原理及結(jié)構(gòu)？敘述一下在設(shè)計中應(yīng)考慮哪些因素？實驗四 壓電式傳感器測振動實驗一、 實驗?zāi)康模毫私鈮弘妭鞲衅鞯臏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)量塊和受壓的壓電片等組成。（觀察實驗用壓電加速度計結(jié)構(gòu)）工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應(yīng)，壓電晶片上產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷。三、 需用器件與單元：振動臺、壓電傳感器、檢波、移相、低通濾波器模板、壓電式傳感器實驗?zāi)０濉ｋp蹤示波器。四、實驗步驟：1、 壓電傳感器已裝在振動臺面上。2、 將低頻振蕩器信號接入到臺面三源板振動源的激勵源插孔。圖41壓電式傳感器

11、性能實驗接線圖3、 將壓電傳感器輸出兩端插入到壓電傳感器實驗?zāi)０鍍奢斎攵耍妶D41，與傳感器外殼相連的接線端接地，另一端接R1。將壓電傳感器實驗?zāi)０咫娐份敵龆薞o1，接R6。將壓電傳感器實驗?zāi)０咫娐份敵龆薞02，接入低通濾波器輸入端Vi，低通濾波器輸出V0與示波器相連。4、 合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率和幅度旋鈕使振動臺振動，觀察示波器波形。5、 改變低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形變化。6、 用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形。實驗五 直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗一、 驗?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。二、基本原理：根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UHKHIB，當(dāng)

12、霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進(jìn)行位移測量。三、需用器件與單元：霍爾傳感器實驗?zāi)０濉⒒魻杺鞲衅?、直流源、測微頭、數(shù)顯單元。四、實驗步驟：1、 將霍爾傳感器按圖51安裝?；魻杺鞲衅髋c實驗?zāi)０宓倪B接按圖52進(jìn)行。1、3為電源±4V，2、4為輸出。2、 開啟電源，調(diào)節(jié)測微頭使霍爾片在磁鋼中間位置再調(diào)節(jié)RW1使數(shù)顯表指示為零。圖51 霍爾傳感器安裝示意圖 3、圖55-2霍爾傳感器位移直流激勵實驗接線圖3、 向軸向方向推進(jìn)，每轉(zhuǎn)動0.2mm記下一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入表51。表51X（mm）V(mv)作出VX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

13、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 電渦流傳感器綜合實驗一、 實驗?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器的工作原理和特性；不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響；實際應(yīng)用中其位移特性與被測體的形狀和尺寸有關(guān)。二、 基本原理：通過高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時，因?qū)щ婓w渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進(jìn)行位移測量。不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響。實際應(yīng)用中，由于被測體的形狀，大小不同會導(dǎo)致被測體上渦流效應(yīng)的不充分，會減弱甚至不產(chǎn)生渦流效應(yīng)，因此影響電渦流傳感器的靜態(tài)特性。三、 需用器件與單元：電渦流傳感器實驗?zāi)０?、電渦流傳感器、直流

14、電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片，銅的被測體圓盤，不同形狀鋁被測體二個。四、 實驗步驟：1、 根據(jù)圖61安裝電渦流傳感器。圖81電渦流傳感器安裝示意圖圖6-1 電渦流傳感器安裝示意圖圖62電渦流傳感器位移實驗接線圖2、 觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個平繞線圈。3、 將電渦流傳感器輸出線接入實驗?zāi)０迳蠘?biāo)有L的兩端插孔中，作為振蕩器的一個元件。4、 在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。5、 將實驗?zāi)０遢敵龆薞o與數(shù)顯單元輸入端Vi相接。數(shù)顯表量程切換開關(guān)選擇電壓20V檔。6、 用連結(jié)導(dǎo)線從主控臺接入15V直流電源接到模板上標(biāo)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

15、箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結(jié)果列入表61。表61電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)X（mm）V(v)8、 根據(jù)表61數(shù)據(jù)，畫出VX曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進(jìn)行正、負(fù)位移測量時的最佳工作點，試計算量程為1mm、3 mm及5mm時的靈敏度和線性度（可以用端基法或其它擬合直線）。9、 將原鐵圓片換成鋁和銅圓片，重復(fù)實驗二十五步驟，進(jìn)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62和表63。表62被測體為鋁圓片時的位移為輸出電壓數(shù)據(jù)X（mm）V(v)表63被測體為銅圓片時的位移與輸出電在數(shù)據(jù)X（mm）V(v)10、 在測微頭上分別用三種不

16、同的被測鋁圓盤進(jìn)行電渦位移特性測定，分別記入表6-4。表64不同尺寸時的被測體特性數(shù)據(jù)X（mm）被測體1被測體2根據(jù)表64數(shù)據(jù)計算目前范圍內(nèi)三種被測體1號、2號的靈敏度、并說明理由。五、 思考題：1、 電渦流傳感器的量程與哪些因素有關(guān)，如果需要測量±5mm的量程應(yīng)如何設(shè)計傳感器？2、 當(dāng)被測體為非金屬材料如何利用電渦流傳感器進(jìn)行測試？3、 目前現(xiàn)有一個直徑為10mm的電渦流傳感器，需對一個軸直徑為8mm的振動進(jìn)行測量？試說明具體的測試方法與操作步驟。實驗七 光纖傳感器的位移特性實驗一、 實驗?zāi)康模毫私夤饫w位移傳感器的工作原理和性能。二、 基本原理：本實驗采用的是傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成Y型光纖，半園分布即雙D型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(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距X，由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經(jīng)被測體反射回來，另一束光纖接收光信號由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，而光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電量大小與間距X有關(guān)，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?zāi)０濉?shù)顯單元、測微頭、直流源、反射面。四、 實驗步驟：1、 根據(jù)圖71安裝光纖位移傳感器，二束光纖插入實驗板上的座孔上。其內(nèi)部已和發(fā)光管D及光電轉(zhuǎn)換管T 相接。圖7