傳感器與檢測技術(shù)實驗報告(共16頁)

1、準考證號：100214101370 姓名(xngmng)：倪帥彪 院校：河南科技(kj)大學專業(yè)名稱：080302機械制造(j xi zh zo)及自動化（獨立本科段）傳感器與檢測技術(shù)實驗報告實驗一常用傳感器（電感式、電阻式或電容式）靜態(tài)性能測試一、實驗?zāi)康?1進一步認識電阻式、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以差動變壓器式位移傳感器（屬于互感型電感傳感器）的測量電路為典型，了解調(diào)幅-調(diào)解電路的基本構(gòu)成與特點。3掌握測試差動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. 了解差動變壓器式位移傳感器與電路的靈敏度、線性度數(shù)

2、據(jù)處理的方法。二、實驗原理與裝置1實驗裝置與儀器（1）WJ-1型小位移特性實驗儀一套。差動變壓器式位移傳感器實驗裝置一臺。電感檢測線路板一臺。頻率4005KHz可調(diào)，電壓15V可調(diào)，電感實驗激勵振蕩源一臺。（2）數(shù)字電壓表一只。（3）雙蹤電子示波器一臺。2實驗原理 實驗裝置的龍門框架上固定精密螺旋測微儀，精度達0.01mm?？蚣芟鹿潭ú顒幼儔浩鹘M件。調(diào)螺旋測微儀，可使其端部聯(lián)接的差動變壓器的可動鐵心發(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線路（見圖1-1）轉(zhuǎn)化為電壓的變化輸出。由于差動變壓器式傳感器直接輸出的信號為調(diào)幅波，雖然含有位移量大小和方向的信息，

3、但不易讀出。所以應(yīng)經(jīng)過相敏檢波電路（由四個二極管組成的環(huán)形相敏解調(diào)器）處理后，方可輸出與輸入位移信號波形相同的電壓(diny)波形。變壓器的激磁電源由電感振蕩源提供。數(shù)字電壓表用于測量輸出電壓。示波器用于觀察傳感器的交流輸出信號（調(diào)幅波）與輸入位移量大小、方向的對應(yīng)關(guān)系。a)b)圖1-1 差動變壓器式傳感器及其測量(cling)電路a)差動變壓器原理(yunl) b)測量電路三、實驗內(nèi)容1測量差動變壓器式位移傳感器的直流輸出特性(txng)，即靜態(tài)特性曲線。計算靈敏度與線性度。2用雙蹤示波器觀察傳感器的交流輸出信號(xnho)，即調(diào)幅波與位移大小、方向的對應(yīng)關(guān)系和與激磁電源頻率、電壓大小的關(guān)系

4、。四、實驗(shyn)步驟1在實驗裝置框架下，固定差動變壓器組件，螺旋測微儀端部固定差動變壓器鐵心，面板上固定電感檢測線路板。2在轉(zhuǎn)換機箱上插入電感實驗用激勵振蕩源插件。圖1-1B為電感檢測線路板，振蕩源的輸出與檢測線路板上的孔7聯(lián)接。3差動變壓器的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，檢測線路板上的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變壓器的激勵電廠作為參考信號，以觀察調(diào)幅波的相位與鐵心位移方向的對應(yīng)關(guān)系。5做直流輸出特性實驗

5、時，將檢測線路板的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），接入檢測儀器指示單元的插入插孔usr。若用數(shù)字表指示輸出時，可將插孔17與數(shù)字表聯(lián)接。6打開轉(zhuǎn)換器電源預熱15分鐘左右，將指示單元測量選擇開關(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。再將測量選擇開關(guān)撥向A處，準備測量。7調(diào)節(jié)螺旋測微儀到中間位置約12（mm）處，再以此為零點。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

6、螺旋測微儀12(mm)刻度為零點，在10（mm）范圍內(nèi)每變化2毫米為一點(y din)，逐點測量差動變壓器的輸出，并重復三次，記入表1-1。表1-1 差動變壓器位移(wiy)傳感器的輸出特性數(shù)據(jù)距離 項目鐵心位移（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取三次各測量點的平均值，以鐵心位移為橫坐標，輸出(shch)值為縱坐標，繪圖。10用平均法求線性擬合直線(zhxin)，并以此為理論值，求該差動變壓器的非線性。五、實驗報告要求(yoqi)1繪出實驗系統(tǒng)框圖，并加以說明。2用平均法確定由實驗數(shù)據(jù)所得

7、平均值的擬合方程，計算傳感器的非線性度，并填入表1-1中。3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制傳感器的輸出電壓yi與鐵心位移x的對應(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），定性繪制傳感器輸出交流波形與輸入位移大小、方向的對應(yīng)關(guān)系圖。5思考題（1）差動電感式傳感器與差動變壓器在結(jié)構(gòu)(jigu)、原理上有何異同？.差動電感是基于電橋工作(gngzu)原理；差動變壓器直接輸出信號。對電感式傳感器的激勵振蕩(zhndng)源應(yīng)有哪些要求？1、檢測距離的衰減性；2、現(xiàn)場抗干擾能力；3、安裝方面；4、穩(wěn)定運行的保障。實驗(shyn)二濾波器的頻率特性實驗(shyn)一、實驗(shyn)目的1.了解無源和

8、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。2.通過對濾波器頻率響應(yīng)特性的測試，掌握對元件或系統(tǒng)做頻率特性測試的方法。二、實驗原理、裝置和儀器實驗裝置及儀器見圖2-1，其中濾波器實驗板上可根據(jù)實驗內(nèi)容的不同接插組成不同濾波器。信號發(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ui,由雙蹤示波器監(jiān)測其幅值。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算放大器提供12V電源。三、實驗內(nèi)容及步驟圖2-1濾波器頻率特性測試系統(tǒng)框圖1實驗內(nèi)容（1）RC無源一階低通濾波器的頻率特性測試 RC無源低通濾波器如圖2-

9、2A所示。如果負載電阻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 。無源濾波器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)(jigu)簡單，缺點是帶負載能力差。 a) b) c)圖2-1 濾波器電路圖a) RC無源(w yun)低通 b) 有源低通RC c) 多路有源反饋(fnku)帶通（2）RC有源一階低通濾波器頻率特性測試(csh) 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無源一階低通濾波器相似，但增益(zngy)不同，所以帶負載能力強。（3）多路負反饋有源帶通濾波器頻率特性測試(csh) 電路原理如圖2

10、-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(k),R2=20(k),R3=16(k),C1=C2=C=0.01F2.實驗步驟三個實驗對象雖然不同，但均是測試濾波器的幅頻、相頻特性。因而，實驗方法及步驟相同。其實驗結(jié)果可填入表2-1中。按圖S-3A選擇R、C元件，測試參數(shù)R=1(k)，C=0.02F，RL=1(k)，計算截止頻率。在濾波器實驗板上，按圖S-3A接線，插入R、C元件，但先不接入RL（即RL=）按圖S-2聯(lián)接測試系統(tǒng)，由信號發(fā)生器輸出幅值恒定的正弦信號（約1（V），用雙蹤示波器監(jiān)測波形，不斷改變信號頻率f，使，0.1,0.2,并從示波

11、器上讀出濾波器輸出正弦電壓的幅值，記入表2-1中。將信號源電壓(diny)及濾波器輸出(shch)電壓同時送入雙蹤示波器（或其它測試相位差的儀器(yq)），觀察并計算相位差，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（4）在濾波器的輸出端并聯(lián)接入負載RL=1(k)，重復上述實驗，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。（5）按圖2-2B選擇運算放大器，取R=R1=1(k)，C=0.027F，(k)，RL=1(k)，計算截止頻率及增益K，在濾波器實驗板上按圖2-2B接線，并插入相應(yīng)元件。重復（2），（3），（4）操作，記錄數(shù)據(jù)，填入表2-

12、1中。（6）按圖2-2C選擇運算放大器（如）、阻容元件值，在實驗板上聯(lián)接。計算中心頻率及品質(zhì)因數(shù)Q，此時，。（7）按（2），（3），（4）順序測試、記錄數(shù)據(jù)，填入表2-1中。四、實驗報告要求（除一般要求外）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表繪制RC無源一階低通、RC有源一階低通濾波器的幅頻特性。從中找出實際曲線上的截止頻率，與理論計算值相比較，并分析誤差。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表繪制多路負反饋有源帶通濾波器的幅頻特性、相頻特性，與理論計算值相比較，并分析誤差。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)(fnyng)越靈敏,延遲小 但不是越高越好2階數(shù)對濾波器的那些性能(xngnng)有影響?階數(shù),通俗的理解

13、,就是諧波(xi b)過濾的次數(shù),階數(shù)越高,諧波濾除率就會越高,但是,成本增加也會越厲害,所以,不能一味的追求階數(shù),還要考慮成本要求實驗(shyn)三 壓力傳感器的靜態(tài)(jngti)標定一、實驗(shyn)目的1通過實驗，掌握傳感器的靜態(tài)標定方法及標定數(shù)據(jù)的處理方法。2學會根據(jù)靜態(tài)標定曲線，計算傳感器的靜態(tài)性能指標。3掌握傳感器靜態(tài)標定系統(tǒng)的組成。4進一步認識應(yīng)變式力傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及相匹配的測量電路。5了解動態(tài)電阻應(yīng)變儀的使用方法。二、實驗裝置及儀器1.應(yīng)變電阻式壓力傳感器一臺PBR-2型，0.175(MPa)。2活塞式壓力計一臺 量程0110(MPa)。3標準壓力表一只 量程0110

14、(MPa)，精度05級以上。4Y6D-3A型動態(tài)應(yīng)變儀。5數(shù)字萬用表(電壓表)。6溫度計 050()。三、實驗原理1靜態(tài)標定系統(tǒng)靜態(tài)塞標定是給傳感器輸入已知不變的標準非電量(本實驗為標準壓力)，測出其輸出，給定標定曲線、標定方程，從而計算靈敏度、線性度、滯差、重復性等傳感器的靜態(tài)指標。對傳感器進行靜態(tài)標定時，首先，要建立靜態(tài)標定系統(tǒng)。圖3-1為壓力傳感器靜態(tài)標定系統(tǒng)的框圖，其系統(tǒng)的關(guān)鍵是標準壓力發(fā)生器及標準測試系統(tǒng)，即圖中的活塞式壓力計及標準壓力表?；钊綁毫τ嬋藶榈貙Ρ粯说膲毫鞲衅魇┘訕藴蕢毫?，其值由彈簧管式標準壓力表顯示。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)動態(tài)應(yīng)變儀

15、處理、放大后，輸出的電壓由數(shù)字萬用表讀出?；钊綁毫τ嬅慨a(chǎn)生一個標準壓力值，系統(tǒng)相應(yīng)輸出電壓值。在傳感器量程范圍內(nèi)，至少要標定510個點。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)，可得到一條標定曲線。圖3-1 壓力傳感器的靜態(tài)(jngti)標定系統(tǒng)圖活塞式壓力計是一種較精密(jngm)的測量儀器，工作時應(yīng)水平放在無振動的工作臺上。由于介質(zhì)(實驗中為液壓傳動(chundng)油)的粘度與溫度有關(guān)，實驗應(yīng)在環(huán)境溫度，t=203()、相對濕度不大于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?；钊綁毫τ嫯a(chǎn)

16、生的標準壓力作用在感壓膜片4上，膜片變形推壓感測薄壁圓筒 (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，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，也實現(xiàn)了溫度補償?shù)墓δ堋y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由動態(tài)電阻應(yīng)變儀的電橋盒提供。圖3-2 PBR-2 型壓力傳感器1-引線(ynxin) 2-應(yīng)變片 3-應(yīng)變管 4-感壓膜片圖3-3 測量(cling)電橋及應(yīng)變儀框圖1-電橋(din qio)盒 2-調(diào)幅波放大器 3-相敏檢波器 4-濾波器5

17、-振蕩器 6-緩沖器（放大器） 7-電源(dinyun)3動態(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量儀器，主要由測量電橋、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))和電標定裝置。當活塞壓力計給出的標準壓力為零時，理論上電橋平衡，無信號輸出。但實際上由于各種原因(如橋臂電阻阻值誤差、放大器零漂等)，可能有信號輸出，此時應(yīng)微調(diào)應(yīng)變儀的平衡裝置，使輸出信號為零。四

18、、實驗步驟1將被標定的壓力傳感器和標準壓力表安裝在活塞式壓力計上。2給活塞式壓力計充油、排氣，并排除標定壓力下的漏油現(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)字萬用表上。 4檢查接線無誤后即可接通應(yīng)變儀電源，預熱1020(min)過機箱上配置的電阻調(diào)零、電容調(diào)零，調(diào)節(jié)應(yīng)變儀零點。5旋轉(zhuǎn)活塞式壓力計手柄，給出標準壓力。由傳感器的零負荷到滿量程逐級給傳感器加壓，每級為20滿量程；再逐級按20滿量程降壓直至零。同時，從數(shù)字電壓表記錄各加壓、降壓點的傳感器輸出值(指應(yīng)變儀輸出的電壓值)，：應(yīng)包括零壓力輸出值。實驗時要特別注意：加壓時，不得超過預定值再降下來；降壓時，不得超過預定值再向上加。 6.步驟5重復三次，共加壓、降壓三個循環(huán)，所有輸出電壓值填入表3-1中。記錄實驗環(huán)境的溫度(wnd)和相對濕度；表3-1 標定數(shù)據(jù)(shj)與