電氣測(cè)試技術(shù)

電氣測(cè)試技術(shù)實(shí)

驗(yàn)

指

導(dǎo)

書河北科技師范學(xué)院機(jī)械電子系電氣工程教研室二00六年十月實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成及技術(shù)指標(biāo)CSY2000系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由主控臺(tái)、三源板（溫度源、轉(zhuǎn)動(dòng)源、振動(dòng)源）、15個(gè)（基本型）傳感器和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shù)據(jù)采集卡及處理軟件、實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌六部分組成。1、 主控臺(tái)部分：提供高穩(wěn)定的±15V、+5V、±2V?土10V可調(diào)、+2V?+24V可調(diào)四種直流穩(wěn)壓電源；主控臺(tái)面板上還裝有電壓、頻率、轉(zhuǎn)速的3位半數(shù)顯表。音頻信號(hào)源（音頻振蕩器）0.4KHz?10KHz可調(diào)）；低頻信號(hào)源（低頻振蕩器）1Hz?3OHz（可調(diào)）；氣壓源0?15kpa可調(diào)；高精度溫度控制儀表（控制精度土0.5°C）；RS232計(jì)算機(jī)串行接口；流量計(jì)。2、 三源板：裝有振動(dòng)臺(tái)1Hz?3OHz（可調(diào)）；旋轉(zhuǎn)源0?2400轉(zhuǎn)/分（可調(diào)）；加熱源V200C（可調(diào)）。3、 傳感器：基本型傳感器包括：電阻應(yīng)變式傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、差動(dòng)變壓器、電容式傳感器、霍爾式位移傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、磁電轉(zhuǎn)速傳感器、壓電式傳感器、電渦流位移傳感器、光纖位移傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、集成溫度傳感器、K型熱電偶、E型熱電偶、Pt100鉑電阻，共十五個(gè)。4、 實(shí)驗(yàn)?zāi)K部分：普通型有應(yīng)變式、壓力、差動(dòng)變壓器、電容式、霍爾式、壓電式、電渦流、光纖位移、溫度、移相/相敏檢波/濾波十個(gè)模塊。5、 數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件：數(shù)據(jù)采集卡采用12位A/D轉(zhuǎn)換、采樣速度1500點(diǎn)/秒，采樣速度可以選擇，既可單采樣亦能連續(xù)采樣。標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，與計(jì)算機(jī)串行工作。提供的處理軟件有良好的計(jì)算機(jī)顯示界面，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇與編輯，數(shù)據(jù)采集，特性曲線的分析、比較、文件存取、打印等。6、 實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌尺寸為1600X800X280（mm），實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌上預(yù)留計(jì)算機(jī)及示波器安放位置。注意事項(xiàng)：1、 迭插式接線應(yīng)盡量避免拉扯，以防折斷。2、 注意不要將從各電源、信號(hào)發(fā)生器引出的線對(duì)地（丄）短路。3、 梁的振幅不要過大，以免引起損壞。4、 各處理電路雖有短路保護(hù)，但避免長(zhǎng)時(shí)間短路。5、 最好為本儀器配備一臺(tái)超低頻雙線示波器，最高頻率三1MHz,靈敏度不低于2mV/cm。6、 0.4?10KHZ信號(hào)發(fā)生器接低阻負(fù)載（小于100Q），必須從LV接口引出。實(shí)驗(yàn)一重量測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂、半橋、全橋工作原理和性能。2．比較單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度。二、 基本原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，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： △R/R=K￡式中△R/R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，￡=Al/1為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)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(cè)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)。單臂測(cè)量：其橋路輸出電壓 U=EKs/4。01半橋測(cè)量：將不同受力方向的兩片應(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)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓 U=EKs/2。02全橋測(cè)量：將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：Ri=R2=R3=R4，其變化值仝=空=竺=*時(shí)，其橋路輸出電壓U03=EKs。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。電橋輸出電壓 U=EKs。01三、 需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、琺碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：（一）單臂測(cè)量1、根據(jù)圖1-1應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的器R，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。W4

3、將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R（即模板左上方的R）接入電橋作為一個(gè)橋臂與R、R、R11567接上橋路電源土4V（從主控箱引接成直流電橋（R、R、R模塊內(nèi)已連接好），接好電橋凋零電位器接上橋路電源土4V（從主控箱引5 6 7 wl使數(shù)顯表顯示為零。應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)O入）如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rwi，電煤枸出電涵輸出Viila使數(shù)顯表顯示為零。應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)O入）如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rwi，電煤枸出電涵輸出ViilaR4oORJCa3ORlQffid接主控箱按敦顯表應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖4、在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加硅碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到500g（或200g）琺碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表1-1，關(guān)閉電源。重量（g）電壓（mv）5、根據(jù)表1-1計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S，S=Au/^W（Au輸出電壓變化量；△重量變化量）計(jì)算線性誤差：5二Am/yx100%式中厶皿為輸出值（多次測(cè)量時(shí)為平均值）與擬合直線的最大偏差：y滿f1 F-s F-S量程輸出平均值，此處為500g或200g。（二）半橋測(cè)量1、 傳感器安裝同實(shí)驗(yàn)一。做（一）2的步驟，實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒?dòng)放大器調(diào)零，放大器增益必須與（一）相同。2、 根據(jù)圖1-3接線。R、R為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R應(yīng)和R受力狀態(tài)相反，即將傳感1 2 2 l器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源土4V,調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器R進(jìn)行橋路調(diào)零，實(shí)驗(yàn)步驟3、4同（一）中4、5的步驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1-2,計(jì)W1算靈敏度S=Au/^W，非線性誤差5。若實(shí)驗(yàn)時(shí)無數(shù)值顯示說明R與R為相同受力狀態(tài)應(yīng)變片，應(yīng)更f2 2 1換另一個(gè)應(yīng)變片。

表1-2半橋測(cè)量時(shí)，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）電壓（mv）三）全橋測(cè)量圖1-3 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖§OOO圖1-3 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖§OOO貼o旨0耿RzoO力RJQ-a±^o接主悴卷 搖主控箱接數(shù)顯表電源輸出 電源輜出Vi地1、傳感器安裝同（一），放大器增益必須與（一）、（二）相同。2、根據(jù)圖1-4接線，實(shí)驗(yàn)方法（二）相同。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-3；進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。表1-3全橋輸出電壓與加也曲輔出V,表1-3全橋輸出電壓與加也曲輔出V,她載重量值重量（g）電壓（mv）五、思考題：1、單臂電橋時(shí)，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、 半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在:（1）對(duì)邊（2）鄰邊。3、 橋路（差動(dòng)電橋）測(cè)量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)?（1）電橋測(cè)量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)二差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解差動(dòng)變壓器的工作原理和特性。二、 基本原理：差動(dòng)變壓器由一只初級(jí)線圈和二只次級(jí)線圈及一個(gè)鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實(shí)驗(yàn)采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器隨著被測(cè)體移動(dòng)時(shí)，由于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化，一只次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)增加，另一只感應(yīng)電勢(shì)則減少將兩只次級(jí)反向串接（同名端連接），就引出差動(dòng)輸出。其輸出電勢(shì)反映出被測(cè)體的移動(dòng)量。三、 需用器件與單元:差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、雙蹤示波器、差動(dòng)變壓器、音頻信號(hào)源（音頻振蕩器）、直流電源、萬用表。四、 實(shí)驗(yàn)步驟:

1、根據(jù)圖3-1，將差動(dòng)變壓器裝在差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀２顒?dòng)-變壓器、一模極r ,——測(cè)雖架 ——測(cè)徹頭電容橫感甜 ：, '~i]LI u［廠圖3-1差動(dòng)變壓器、電容傳感器安裝示意圖2、在模塊上按圖3-2接線，音頻振蕩器信號(hào)必須從主控箱中的Lv端子輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為4一5KHz（可用主控箱的數(shù)顯表的頻率檔Fin輸入來監(jiān)測(cè)）。調(diào)節(jié)幅度使輸出幅度為峰一峰值V=2V（可用示波器監(jiān)測(cè):X軸為0.2ms/Div、Y軸CH為lV/div、CH為20mv/div）。圖中1、2、p-pl23、 4、5、6為連接線插座的插孔管腳編號(hào)。當(dāng)然不看插座插孔號(hào)碼，也可以判別初次級(jí)線圈及次級(jí)同名端。判別初次級(jí)線圈及次級(jí)線圈同名端方法如下:設(shè)任一線圈為初級(jí)線圈，并設(shè)另外兩個(gè)線圈的任一端為同名端，按圖3-2接線。當(dāng)鐵芯左、右移動(dòng)時(shí)，觀察示波器中顯示的初級(jí)線圈波形，次級(jí)線圈波形，當(dāng)次級(jí)波形輸出幅值變化很大，基本上能過零點(diǎn)，而且相位與初級(jí)線圈波形（Lv音頻信號(hào)Vp-p=2V波形）比較能同相和反相變化，說明已連接的初、次級(jí)線圈及同名端是正確的，否則繼續(xù)改變連接再判別直到3-1。再?gòu)腣最小處反向位移做實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，注意左、右位移時(shí)，初、次級(jí)波形的相位關(guān)系。P-P表3-1 差動(dòng)變壓器位移AX值與輸出電壓V數(shù)據(jù)表P-PV(mv)—<—0mm—+X(mm)Vp-p最小4、實(shí)驗(yàn)過程中注意差動(dòng)變壓器輸出的最小值即為差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓大小，根據(jù)表3-1畫

出V0P-P一X曲線，作出量程為±lmm、±3mm靈敏度和非線性誤差。五、思考題:1、 用差動(dòng)變壓器測(cè)量較高頻率的振幅，例如lKHz的振動(dòng)幅值，可以嗎?差動(dòng)變壓器測(cè)量頻率的上限受什么影響?2、 試分析差動(dòng)變壓器與一般電源變壓器的異同?實(shí)驗(yàn)三霍爾測(cè)速實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用。二、 基本原理:利用霍爾效應(yīng)表達(dá)式：U=KIB，當(dāng)被測(cè)圓盤上裝上N只磁性體時(shí)，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)就HH變化N次。每轉(zhuǎn)一周霍爾電勢(shì)就同頻率相應(yīng)變化，輸出電勢(shì)通過放大、整形和計(jì)數(shù)電路就可以測(cè)量被測(cè)旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。三、 需用器件與單元:霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、直流源+5V、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)2-24V、轉(zhuǎn)動(dòng)源單元、數(shù)顯單元的轉(zhuǎn)速顯示部分。四、實(shí)驗(yàn)步驟：圖5-4霍爾、光電、磁電轉(zhuǎn)速傳

感器安裝示意圖1、 根據(jù)圖5-4圖5-4霍爾、光電、磁電轉(zhuǎn)速傳

感器安裝示意圖2、 將5V直流源加于霍爾元件電源輸入端。3、 將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出端插入數(shù)顯單元Fin端。4、 將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中的2V-24V轉(zhuǎn)速電源引入到臺(tái)面上轉(zhuǎn)動(dòng)單元中轉(zhuǎn)動(dòng)電源2-24V插孔。5、 將數(shù)顯單元上的波段開關(guān)撥到轉(zhuǎn)速檔，此時(shí)數(shù)顯表旁轉(zhuǎn)速指示燈亮。6、 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電壓使轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化。觀察數(shù)顯表轉(zhuǎn)速顯示的變化。五、思考題：1、 利用霍爾元件測(cè)轉(zhuǎn)速，在測(cè)量上有否限制?2、 本實(shí)驗(yàn)裝置上用了十二只磁鋼，能否用一只磁鋼?實(shí)驗(yàn)四電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器測(cè)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(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時(shí)，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(cè)量。三、 需用器件與單元：電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、電渦流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測(cè)微頭、鐵圓片四、 實(shí)驗(yàn)步驟：3、 將電渦流傳感器輸出線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蠘?biāo)有L的兩端插孔中，作為振蕩器的一個(gè)元件（傳感器屏蔽層接地）。4、 在測(cè)微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測(cè)體。5、 將實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆薞與數(shù)顯單元輸入端V相接。數(shù)顯表量程切換開關(guān)選擇電壓20V檔。0i6、 用連接導(dǎo)線從主控臺(tái)接入15V直流電源接到模板上，標(biāo)有+15V的插孔中。7、 使測(cè)微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.2mm讀一個(gè)數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹埂⒔Y(jié)果列入表6-1。表6-1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6-1數(shù)據(jù)，畫出V-X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進(jìn)行正、負(fù)位移測(cè)量時(shí)的最佳工作點(diǎn)，試計(jì)算量程為1mm、3mm及5mm時(shí)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(guān)，如果需要測(cè)量±5mm的量程應(yīng)如何設(shè)計(jì)傳感器？2、 用電渦流傳感器進(jìn)行非接觸位移測(cè)量時(shí)，如何根據(jù)量程使用選用傳感器。實(shí)驗(yàn)五電渦流轉(zhuǎn)速傳感器一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的原理與組成。二、 基本原理:利用電渦流的位移傳感器及其位移特性，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸的端面或徑向有明顯的位移變化（齒輪，凸臺(tái)）時(shí)，就可以得到相應(yīng)的電壓變化量，再配上相應(yīng)電路測(cè)量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。本實(shí)驗(yàn)請(qǐng)同學(xué)自已利用電渦流傳感器和轉(zhuǎn)動(dòng)源、數(shù)顯單元組建。實(shí)驗(yàn)六磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獯烹娛綔y(cè)量轉(zhuǎn)速的原理。二、 基本原理：基于電磁感應(yīng)原理，N匝線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中感應(yīng)電勢(shì)：d?e二—N—廠發(fā)生變化，因此當(dāng)轉(zhuǎn)盤上嵌入N個(gè)磁棒時(shí)，每轉(zhuǎn)一周線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生N次的變化，通過dt放大、整形和計(jì)數(shù)等電路即可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。三、