廣工傳感器實驗報告

..傳感器技術及應用實驗實驗一 金屬箔應變片及轉換電路性能實驗項目名稱：金屬箔應變片及轉換電路性能實驗項目性質：普通實驗所屬課程名稱：傳感器原理與設計實驗計劃學時：2學時實驗目的了解應變片的測試原理和應用領域；掌握應變片測試方法及典型轉換電路原理；通過實驗數(shù)據(jù)分析處理,掌握獲得傳感器靜態(tài)性能特性指標的過程和方法。實驗內(nèi)容和要求觀察金屬箔式應變片的結構,貼片方式以及橋接方式；測量應變梁形變的應變輸出；比較應變片不同橋接方式對電橋輸出結果的影響；進行實驗前,先預習附錄一"CYS型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀使用指南",了解該設備的基本結構與組成。實驗主要儀器設備和材料CYS型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀本次實驗所用模塊包括：①懸臂梁及金屬箔式應變片；②電橋模塊；③差動放大器；④直流穩(wěn)壓電源〔±4V檔；⑤測微頭；⑥毫伏表。導線若干萬用表實驗方法、步驟及結果測試一、實驗原理 應變片是最常用的測力傳感元件,當使用應變片進行測試時,首先要將應變片牢固地粘貼到測試體表面。當被測件受力發(fā)生形變,應變片敏感柵也同時變形,其阻值也隨之發(fā)生相應變化。之后,再通過測量轉換電路,將電阻值變化轉換成電壓輸出信號顯示。 直流電橋是最常用的一種電測轉換電路。當電橋的相對臂電阻阻止乘積相等時,電橋平衡,此時電橋輸出電壓為零。若設電橋橋臂四個電阻的初始值分別為：R1=R2=R3=R4=R,當測試體表面發(fā)生形變,則其電阻的相對變化率分別為△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4。當使用一個應變片時,可組成半橋單臂電橋,則有U0=U4△R 通過本次實驗,可以驗證說明箔式應變片組成半橋單臂,半橋雙臂電橋和全橋的原理及工作性能。電路圖;二實驗步驟及結果測試 1、儀表及電路調(diào)零 任何測試儀器或儀表,在使用前均需調(diào)零。本實驗需要調(diào)零的部件是毫伏表,直流電橋和差動放大器。①毫伏表調(diào)零。將綜合試驗儀上的毫伏表輸入端對地短接,調(diào)整"調(diào)零"電位器,使指針居"零"位,拔掉短接線指針有偏轉是有源指針式電壓表輸入端懸空時的正常情況。調(diào)零后關閉儀器電源。②差動放大器調(diào)零。開啟儀器電源,將差動放大器的"﹢、﹣"輸入端用實驗線對地短路,放大器輸出端接毫伏表或數(shù)字電壓表,用"調(diào)零"電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓至零,然后拔掉短接實驗線。 2、半橋半臂接橋方式測試①接橋。按圖1半橋單臂電橋測試接線原理圖,將實驗模擬塊用實驗線連接成測試電橋。橋路中R1、R2、R3和WD為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器,R為箔式應變片。直流激勵電源為±4V。②測微頭置位。測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上。初始時,測微頭一般位于懸臂梁上方,不與梁接觸。測微頭置位,即是調(diào)節(jié)測微頭旋轉,通過頂桿使應變梁處于基本水平狀態(tài)。此時可認為懸臂梁上的應變片不受力,其電阻為應變片的初始值。③直流電橋平衡調(diào)整 確定按圖1接線無誤后,開啟儀器電源,并預熱數(shù)分鐘。調(diào)整直流電橋WD電位器,使測試系統(tǒng)電壓輸出為零。此時可認為電橋處于平衡狀態(tài)。④加載測試旋動測微頭,帶動懸臂梁分別向上或向下移動,以水平狀態(tài)下輸出電壓為零。測微頭每轉一圈,對應垂直移動0.5mm,相應記錄差動放大器的一個輸出電壓值。向上或向下各移動5mm,記錄十組數(shù)據(jù),記錄下表：位移x<mm>0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0電壓U<mV>491216202429333640以與①相反的旋轉方向〔反向加載,用同樣的方法測試,記錄數(shù)據(jù),填入下表：位移x<mm>0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0電壓U<mV>-5-8-12-16-20-23-27-30-34-383、半橋雙臂橋接方式測試保持差動放大器增益不變,將R1換成為與應變片R工作狀態(tài)相反的另一應變片,形成半橋雙臂電橋,調(diào)好零點,用同樣方法測出數(shù)據(jù),填入下表：位移x<mm>0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0電壓U<mV>61218263240465461684、全橋接橋方式測試保持放大器增益不變,將R3,R2兩個電阻換成另兩片應變片,接成一個直流全橋電路,調(diào)好零點,將測出數(shù)據(jù)填入下表：位移x<mm>0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0電壓U<mV>-14-28-40-54-68-81-94-104-118-130實驗報告要求實驗報告格式嚴格按照XX工業(yè)大學有關規(guī)定要求執(zhí)行。在同一坐標紙上,繪出以上每種測試條件下的測量數(shù)據(jù)〔輸入——輸出x-U曲線,繪出數(shù)據(jù)表格要標明物理量和單位。認真分析實驗數(shù)據(jù),依此計算傳感器的靈敏度和線性度？并認真繪制出傳感器的性能曲線。比較三種橋接方法的靈敏度。答：結合上面數(shù)據(jù),可得到,靈敏度從小到大為：半橋半臂接橋方式<半橋雙臂橋接方式<全橋接橋方式。對實驗中存在的問題,進一步的想法等進行討論。答：實驗室的儀器不是很穩(wěn)定,調(diào)零完畢后一開始實驗的設備預熱總是穩(wěn)定不下來,后來換了設備來測試,建議設備有問題的機器收集做個標記以方便實驗的流暢性。思考題若要計算系統(tǒng)的回程誤差,測試數(shù)據(jù)該如何處理？答：如果要計算回程誤差,應該把第二次實驗數(shù)據(jù)的電壓值取負值進行數(shù)據(jù)對比。圖1中,若R和R1~R3均為應變片,接橋時未能接成差動形式,系統(tǒng)能否正常工作？為什么？答：系統(tǒng)無法正常工作,不接成差動形式,電橋橋臂電阻差值不能通過電壓輸出,無法表現(xiàn)出來。實驗中,在電橋的三種狀態(tài)下測試,為什么要求保持差動放大器增益不變？答：為了在三種測試狀態(tài)下測得數(shù)據(jù)有對比性,有同一個前提,控制變量。實驗二電容式傳感器靜特性測試與動測試觀測實驗項目名稱：電容式傳感器靜特性測試與動特性觀測實驗項目性質：普通實驗所屬課程名稱：傳感器原理與設計實驗計劃學時：2學時實驗目的掌握電容式傳感器的工作原理及結構類型。掌握電容式傳感器特性的實驗測試方法。了解電容式傳感器的工程應用。實驗內(nèi)容和要求觀察傳感器綜合試驗儀上電容式傳感器的結構形式。了解電容變換器的轉換原理。電容式傳感器靜態(tài)特性測試。電容式傳感器動態(tài)測試。進行實驗前,先預習附錄一"CYC型傳感器系統(tǒng)綜合試驗儀使用指南",了解該設備的基本結構組成。實驗主要儀器設備和材料CYS型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀本次實驗所用模塊包括：①電容式傳感器；②電容變換器；③差動放大器；④低通濾波器；⑤低頻振蕩器；⑥測微頭；⑦毫伏表或數(shù)字電壓表。雙線示波器及實驗連接導線若干。實驗方法、步驟和結果測試實驗原理及方法根據(jù)兩金屬板間電容的計算式C=k*S/d,其中k為電容的兩極板的介電常數(shù),可知電容式傳感器有三種類型。本實驗中的為差動變面積型,電容傳感器由兩組定片和一組動片組成。安裝于振動臺上的動片上下改變位置,與兩組定片之間的重疊面積發(fā)生變化,極間電容也相應發(fā)生變化,成為兩差動式電容。若將上層定片與動片形成的電容設為Cx1,下層定片與動片形成的電容為Cx2,當將Cx1與Cx2接入交流電橋作為相鄰兩臂〔或將兩差動電容接入其他轉換電路時,則電路的輸出電壓與電容量變化有關,即與振動臺的位置有關。電容式傳感器的實驗原理框圖如下：實驗步驟及結果測試相關儀表和電路調(diào)零差動放大器調(diào)零時請先將放大器的增益調(diào)至適中。電容傳感器靜態(tài)特性測試按圖2原理接線。將電容變換器的增益調(diào)至適中。電容變換器的轉換原理圖詳見附錄二。旋動測微頭,使測微頭與振動臺接觸,并帶動振動臺移動。當電容動片位于兩電容定片對稱位置時,此時差動放大器輸出應為零。以此為起點,向上或向下每次0.5mm移動動片,直至動片與一組定片全部重合位置,記錄數(shù)據(jù),并作出x-V曲線。位移x<mm>0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0電壓V<V>0.1540.3080.4640.6240.7800.9381.101.261.421.58相反方向轉動測微頭至初始位置,用與③相同的方法記下x<mm>和V<V>。位移x<mm>0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0電壓V<V>-1.71-1.52-1.33-1.15-0.972-0.802-0.636-0.474-0.313-0.157電容傳感器動態(tài)特性觀測①將測微頭退回到最高處,并斷開V/F表連線；②接通激振器I〔有些實驗儀是激振器II,用雙線示波器觀察低通和差放輸出波形,并記錄波形。③改變激振器I頻率,重復觀測,注意波形的變化。五、實驗報告要求1、實驗報告格式嚴格按XX工業(yè)大學有關規(guī)定要求；2、在理解基礎上簡單扼要地書寫實驗原理、實驗方法和步驟；3、根據(jù)實驗數(shù)據(jù),在坐標紙上繪出電容傳感器定度曲線。并按某一規(guī)則作出擬合直線,依此分析計算傳感器系統(tǒng)的靈敏度、線性度和回程誤差等特性指標。4、在動態(tài)測試過程中,觀察到的現(xiàn)象、變化的規(guī)律給出相應的解釋。答：在改變激振器的頻率時候〔1HZ-30HZ,低通輸出的波形隨著頻率增大,幅值增大,到了一定的頻率時候,幅值開始下降,甚至出現(xiàn)了失真的現(xiàn)象。5、對實驗中存在的問題、進一步的想法等進行討論。答：實驗過程中,發(fā)現(xiàn)有些設備的激振器的頻率無法調(diào)試,達不到預期的效果,總體電路還是可以根據(jù)電路圖接線,原理也易懂。六、思考題實驗原理圖2中,信號處理是先過濾再放大,能否先放大再濾波？觀察兩種狀態(tài)下的波形輸出。答：信號先放大,再濾波。因為信號太小本身就不適合濾波,而且放大器本身也有噪聲,這樣的話后濾波的同時還可以濾除放大器的噪聲,減少測量誤差。擬合直線的選取方法有幾種？不同擬合直線得出的傳感器靜態(tài)特性指標的數(shù)值會一致嗎？此時該如何合理評價傳感器的特性？答：擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線,。不同擬合直線得出傳感器靜態(tài)性能數(shù)值不一樣。實驗三 霍爾傳感器的應用實驗項目名稱：霍爾傳感器的應用——位移及振幅測量實驗項目性質：普通實驗所屬課程名稱：傳感器原理與設計試驗計劃學時：2學時一、實驗目的了解霍爾位移傳感器的工作原理和結構,學會用霍爾傳感器進行位移測試；了解霍爾傳感器在震動測量中的應用。二、實驗內(nèi)容和要求觀察傳感器綜合試驗儀上霍爾式位移傳感器的結構。直流激勵下,用霍爾位移傳感器進行靜態(tài)位移測試；直流激勵下,用霍爾位移傳感器進行震動測試；交流激勵下,用霍爾位移傳感器進行震動測試；進行試驗前,先預習信號幅值調(diào)制的原理。三、實驗主要儀器設備和材料CYS型傳感器系統(tǒng)綜合試驗儀；本次實驗所用模塊包括：①直流穩(wěn)壓電源；②霍爾傳感器；③電橋；④差動放大器；⑤毫伏表；⑥測微頭；⑦移相器；⑧相敏檢波器；⑨低通濾波器、音頻振蕩器雙蹤示波器；接插連接實驗導線若干。四、實驗方法、步驟和結果測試〔一、實驗原理及方法實驗臺上的霍爾傳感器,由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。當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輸出。霍爾元件在梯度磁場上下移動時,輸出的霍爾電勢U0取決于其在磁場中的位移量x,即U0=kx,所以測得電勢大小就可知道霍爾元件的位移量。〔二、實驗步驟及結果測試1、霍爾傳感器位移測試①相關儀表和電路調(diào)零 差動放大器調(diào)零時請先將放大器的增益調(diào)至適中。②按圖3直流激勵接線注意：部分設備霍爾元件的控制端接地,此時只能一端接+2V,另一端接地。否則會燒元器件?、坌D測微頭,使測微頭頂桿與振動圓盤接觸。調(diào)節(jié)振動圓盤上、下位置,使霍爾元件輸出為零,此時霍爾元件位于磁場梯度場。開啟電源,調(diào)節(jié)測微頭和電位器WD,使差放輸出為零。上下移動測微頭各3.5mm,每變化0.5mm讀取響應電壓值,并記入下表。位移x<mm>0.511.522.533.532.521.510.5電壓Uo<mv>1433094946798118628838628086764943121472、直流激勵下霍爾傳感器震動測試①仍按圖3直流激勵接線,使系統(tǒng)調(diào)零,并松開測微頭,使其脫離振動臺。②將低頻振蕩器接"激振I",保持適當振幅,用示波器觀察差動放大器輸出波形。③進一步提高低頻振蕩器的振幅,用示波器觀察差動放大器的輸出波形,當波形出現(xiàn)頂部削峰時,說明霍爾元件已進入均勻磁場,霍爾電壓已不再隨位移量的增加而線性增加。④改變激振器I的頻率,進行觀測,注意波形的變化。⑤記錄輸出波形。答：通過連接完低頻振蕩器,利用示波器觀察差動放大器輸出的波形,經(jīng)過調(diào)試波形得到的是接近正弦波的波形,隨著震動的頻率增大,波形也會增大慢慢飽和。3、交流激勵下霍爾傳感器震動測試①按圖4交流激勵接線。圖中180°為交流電源,從音頻振蕩器響應端取得。②調(diào)節(jié)電橋與移相器,提壓震動圓盤,使低通濾波器輸出電壓正負對稱。③接通低頻振蕩器,保持適當振幅,用示波器觀察差動放大器和低通濾波器的波形,并加以描述。④分別記錄差動放大器輸出、相敏檢波器輸出和低通濾波器波形。五、實驗報告要求1、實驗報告格式嚴格按XX工業(yè)大學有關規(guī)定要求；2、在理解基礎上扼要書寫實驗原理、實驗方法和步驟；3、根據(jù)直流激勵下靜態(tài)位移測試數(shù)據(jù),在坐標紙上繪出霍爾位移傳感器實驗曲線。并按某一規(guī)則作出擬合直線,依此分析計算傳感器系統(tǒng)的