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传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 1 前前 言言 传感器是机电一体化中各种设备和装置的 感觉器官 它将各种各 样形态各异的信息量转换成能够被直接检测的信号 在当今信息社会的 时代 如果没有传感器 现代科学技术将无法发展 传感器在机电一体 化系统乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位 为了适应这一 时代发展的需要 全国各大中专院校及各类职业技术学校都相继将传感 器教学纳入教学任务 作为电子 电器 测控以及工业自动化类专业的 一门必修课 ZY13Sens12SB 型传感器技术实验台是根据传感器的教学大纲 综合 多所院校老师的教学意见开发的传感器系列实验系统 主要用于各大 中专院校及职业院校开设的 传感器原理及技术 自动化检测技术 非电量电测技术 工业自动化仪表及控制 机械量电测 等课程 的实验教学 ZY13Sens12SB 型传感器技术实验台采用的大部分传感器虽然是教学 传感器 透明结构便于教学 但其结构与线路是工业应用的基础 希望 通过实验帮助广大学生加强对书本知识及实验原理的理解 并在实验进 行的过程中通过信号的拾取 转换 分析 掌握作为一个科技工作者应 具备的基本的操作技能与动手能力 ZY13Sens12SB 型传感器技术实验台内含 18 种传感器 基本涵盖了高 校教学大纲中要求掌握的所有传感器 各单元部件及变换处理电路的多 种组合可以进行几十种传感器的实验 在外配双线示波器的情况下可以 进行多种动态演示实验 实验编排的层次从易到难 从静态到动态 从 验证型到应用型 力求做到通俗易懂 贴近人的认知过程 学生在实验 之前应对相应实验内容进行预习 实验完成后根据原始记录进一步加深 对实验原理的理解 力求完成实验后对所有的传感器能有全面的认识 由于编者水平的有限 本实验指导书难免存在错误和不足之处 热 切希望广大师生多提宝贵意见 我们一定会再接再厉 尽我们所能的不 断完善实验设备 希望能得到广大师生的支持与批评指正 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 2 目目 录录 前前 言言 1 1 目目 录录 2 2 第一章第一章 传感器实验台介绍传感器实验台介绍 4 4 第二章第二章 传感器实验台实验指导传感器实验台实验指导 6 6 实验一 金属箔式应变片 单臂电桥性能实验 6 6 实验二 金属箔式应变片 半桥性能实验 9 9 实验三 金属箔式应变片 全桥性能实验 1212 实验四 压阻式压力传感器的压力测量实验 1515 实验五 差动变压器的性能实验 1818 实验六 电容式传感器的位移实验 2020 实验七 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 2222 实验八 交流激励时霍尔式传感器的位移实验 2424 实验九 霍尔测速实验 2626 实验十 电涡流传感器位移实验 2828 实验十一 被测体材质对电涡流传感器特性影响 3131 实验十二 光纤传感器的位移特性实验 3434 实验十三 光电转速传感器的转速测量实验 3636 实验十四 集成温度传感器的特性实验 3737 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 3 第一章第一章 传感器实验台介绍传感器实验台介绍 ZY13Sens12SB 传感器技术实验台由主控台 三源板 温度源 转动源 振动 源 18 个传感器 相应的实验模板 数据采集卡及处理软件 实验桌等六部分组 成 一 实验台的组成一 实验台的组成 1 主控台部分 主控台部分 提供高稳定的 15V 5V 2V 4V 6V 8V 10V 可调及 2V 24V 可调四种直流稳压电源 主控台面板上还装有测电压 气压 频率 转速的数显表及计时表 音频信号源 音频振荡器 1kHz 10kHz 可调 低频 信号源 低频振荡器 1Hz 30Hz 可调 气压源 0 20kpa 可调 高精度温度转速 两用仪表 控制精度 0 5 RS232 计算机串行接口 流量计 漏电保护器 其 中电源 音频 低频 均具有断电保护功能 2V 4V 6V 8V 10V 电源与其它电 源 信号 Fin Vin 部分不共地 如果与其它电源同时使用时 应将其共地 因断 路无输出重新开机即恢复正常 调节仪置内为温度调节 置外为转速调节 2 三源板 三源板 装有振动源 1Hz 30Hz 可调 旋转源 0 2400 转 分 可调 加热源常温 150 可调 3 传感器 传感器 包括 电阻应变式传感器 扩散硅压力传感器 差动变压器 电容式 传感器 霍尔式传感器 霍尔转速传感器 磁电转速传感器 压电式传感器 电涡 流传感器 光纤传感器 光电转速传感器 集成温度传感器 K 型热电偶 E 型热 电偶 Pt100 铂电阻 Cu50 铜电阻 湿敏传感器 气敏传感器共十八种 4 实验模块部分 实验模块部分 应变式 压力 差动变压器 电容式 霍尔式 压电式 电涡 流 光纤位移 温度 移相 相敏检波 滤波十个模块 5 数据采集卡及处理软件 数据采集卡及处理软件 数据采集卡采用 12 位 A D 转换 采样速度 1500 点 秒 采样速度可以选择 既可单独采样亦能连续采样 标准 RS232 接口 与计 算机串行工作 具有网络监控功能和用户认证功能 提供的处理软件有良好的计算 机显示界面 可以进行实验项目选择与编辑 数据采集 特性曲线的分析 比较 文件存取 打印等 二 电路原理二 电路原理 传感器模块电路原理图见模块正面 三 使用方法三 使用方法 1 开机前将转速调节旋钮调到中间位置 显示选择旋钮打到 2V 档 电压选 择打到 2V 档 其余旋钮均打到中间位置 2 将 220V 的电源线插头插入市电插座 接通开关 电源指示灯亮 计时器 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 4 指示为 4 个零 数字显示 0 000 或 0 000 电压指示灯亮 表示实验台电源工作正 常 3 每个实验前应先阅读实验指导书 每个实验均应在断开电源的状态下按实 验线路接好连接线 实验中用到直流电源时 应将该电源调到实验值时在接到实验 线路中 检查无误后方可接通主电源 4 数据采集卡及处理软件的使用方法详见 软件使用说明书 5 打开调节仪电源开关 调节仪表头 PV 显示测量值 SV 显示设定值 6 打开气源开关 气源口有声响 说明气压泵工作正常 四 仪器维护及故障排除四 仪器维护及故障排除 1 维护 维护 1 防止硬物撞击划伤实验台面及防止模块线路跌落 2 做完实验后要将模块 传感器 配件及连线全部整理好 3 搭接线路时应断开电源 以防误操作损坏器件 4 避免在过潮或温度过高的环境中使用本仪器 2 故障排除 故障排除 1 开机无指示 无数显 应检查电源是否接通 保险丝是否烧断 2 转动源不转 应检查转速调节是否有输出 如有输出更换转动电机 如无输 出更换电源板 3 振动源如无振动 先检查低频振荡器是否有输出 如无输出应更换低频振荡 器信号板 如有输出更换振荡线圈 五 注意事项五 注意事项 1 在更换连接线时 应断开电源 只有在确保接线无误后方可接通电源 2 严禁将电源 信号源输出插座和地短接 时间长易造成电路元件损坏 3 严禁将主控台上 15V 电源引入模块时接错 4 严禁用酒精或其它具有腐蚀性物质擦洗面板 以防示意图擦掉 5 本实验台的各个部分都是相配套使用的 请勿调换 6 实验完毕后 请将传感器以及电路模块放回原位 7 如果本实验长期未通电使用 在使用前应先预热 建议做实验前按一次漏电 保护按钮 8 做实验前务必仔细阅读实验指导书 尤其仔细阅读每个实验指导中的实验注 意事项 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 5 第二章第二章 传感器实验台实验指导传感器实验台实验指导 实验一实验一 金属箔式应变片金属箔式应变片 单臂电桥性能实验单臂电桥性能实验 一 实验目的一 实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应 单臂电桥的工作原理和性能 二 实验内容二 实验内容 了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作情况 三 实验仪器三 实验仪器 应变式传感器实验模板 应变式传感器 砝码 数显表 15V 电源 4V 电源 万用表 自备 四 实验原理四 实验原理 电阻丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值发生变化 这就是电阻应变效 应 描述电阻应变效应的关系式为 式中为电阻丝电阻相对变化 R Ku R R R K 为应变灵敏系数 为电阻丝长度相对变化 金属箔式应变片就是通过光刻 l u l 腐蚀等工艺制成的应变敏感元件 通过它转换被测部位受力状态变化 电桥的作用 完成电阻到电压的比例变化 电桥的输出电压反映了相应的受力状态 对单臂电桥 输出电压 1 4 O EKu U 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 差放调零完成后 应将差放的线拆掉 再按图 1 2 接线做实验 六 实验步骤六 实验步骤 1 了解所需单元 部件在模块所在的位置 观察梁上的应变片 应变片为棕 色衬底箔式结构小方薄片 上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片 2 如图 1 1 应变式传感器已装于应变传感器模板上 传感器中各应变片 已接入模板的左上方的 R1 R2 R3 R4 加热丝也接于模板上 可用万用表进行 测量判别 R1 R2 R3 R4 350 加热丝阻值为 50 左右 3 接入模板电源 15V 从主控台引入 检查无误后 合上主控台电源开关 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 6 将实验模板调节增益电位器 RW3 逆时针旋到底 预热五分钟 再进行差动放大器 调零 方法为将差放的正 负输入端与地短接 输出端与主控台面板上数显表输入 端 Vin 相连 调节实验模板上调零电位器 RW4 使数显表显示为零 数显表的切 换开关打到 2V 档 关闭主控台电源 图 1 1 应变式传感器安装示意图 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 7 图 1 2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 4 拆掉差放调零的连接线 即将差放正 负输入对地短接的线拆掉 5 将应变式传感器的其中一个应变片 R1 即模板左上方的 R1 接入电桥作为 一个桥臂与 R5 R6 R7 接成直流电桥 R5 R6 R7 模块内已接好 接好电桥调 零电位器 RW1 接上桥路电源 4V 从主控台引入 如图 1 2 所示 检查接线无 误后 合上主控台电源开关 调节 RW1 数显表的切换开关打到 2V 档 6 在应变托盘上放置一只砝码 读取数显表数值 逐个增加砝码个数 每增 加一个砝码读取相应的数显表值 直到十个砝码全部加完 记下实验结果并填入下 表 关闭电源 重量 g 20g40g60g80g100g120g140g160g180g200g 电压 v 7 根据上表计算系统灵敏度 S U W U 输出电压变化量 W 重量变 化量 和非线性误差 f1 m yF S 100 式中 m 为输出值 多次测量时 为平均值 与拟合直线的最大偏差 yF S 满量程输出平均值 此处为 200g 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告一 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 1 单臂电桥时 作为桥臂电阻应变片应选用 1 正 受拉 应变片 2 负 受压 应变片 3 正 负应变片均可以 2 本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 8 实验二实验二 金属箔式应变片金属箔式应变片 半桥性能实验半桥性能实验 一 实验目的一 实验目的 1 验证半桥的的特点和性能 2 比较单臂 半桥输出时灵敏度的关系并得出相应的结论 二 实验内容二 实验内容 金属箔式应变片 半桥的特点和性能 三 实验仪器三 实验仪器 应变式传感器实验模板 应变式传感器 砝码 数显表 15V 电源 4V 电源 万用表 自备 四 实验原理四 实验原理 已知半桥的 R 分别为 根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近 R R 似等于 于是对应半桥的电压灵敏度分别为 1 4 O EKu U 2 EKu 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 应变片 R2 应和 R1 受力状态相反 即一片受拉 一片受压 2 若实验时无数值显示说明 R2与 R1为相同受力状态应变片 应更换另一个应 变片 3 差放调零完成后 应将差放的线拆掉 再按图 2 2 接线做实验 六 实验步骤六 实验步骤 1 了解所需单元 部件在模块所在的位置 观察梁上的应变片 应变片为棕 色衬底箔式结构小方薄片 上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片 2 如图 2 1 应变式传感器已装于应变传感器模板上 传感器中各应变片 已接入模板的左上方的 R1 R2 R3 R4 加热丝也接于模板上 可用万用表进行 测量判别 R1 R2 R3 R4 350 加热丝阻值为 50 左右 3 接入模板电源 15V 从主控台引入 检查无误后 合上主控台电源开关 将实验模板调节增益电位器 RW3 逆时针调到最大 预热五分钟 再进行差动放大 器调零 方法为将差放的正 负输入端与地短接 输出端与主控台面板上数显表输 入端 Vin 相连 调节实验模板上调零电位器 RW4 使数显表显示为零 数显表的 切换开关打到 2V 档 关闭主控台电源 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 9 4 拆掉差放调零的连接线 即将差放正 负输入对地短接的线拆掉 5 根据图 2 2 接线 R1 R2为实验模板左上方的应变片 注意 R2应和 R1受 力状态相反 即将传感器中两片受力相反 一片受拉 一片受压 的电阻应变片作 为电桥的相邻边 接入桥路电源 4V 调节电桥电位器 RW1 使数显表显示为 0 000 数显表的切换开关打到 2V 档 图 2 1 应变式传感器安装示意图 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 10 图 2 2 应变式传感器半桥实验接线图 6 在应变托盘上放置一只砝码 读取数显表数值 逐个增加砝码个数 每增 加一个砝码读取相应的数显表值 直到十个砝码全部加完 记下实验结果并填入下 表 关闭电源 重量 g 20g40g60g80g100g120g140g160g180g200g 电压 v 7 根据上表计算系统灵敏度 S2 U W U 输出电压变化量 W 重量 变化量 和非线性误差 f1 m yF S 100 式中 m 为输出值 多次测量 时为平均值 与拟合直线的最大偏差 yF S 满量程输出平均值 此处为 200g 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告二 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 1 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时 应放在 1 对 边 2 邻边 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 11 实验三实验三 金属箔式应变片金属箔式应变片 全桥性能实验全桥性能实验 一 实验目的一 实验目的 1 验证全桥的的特点和性能 2 比较单臂 半桥 全桥输出时灵敏度的关系并得出相应的结论 3 了解全桥测量电路的优点 二 实验内容二 实验内容 金属箔式应变片 全桥的特点和性能 三 实验仪器三 实验仪器 应变式传感器实验模板 应变式传感器 砝码 数显表 15V 电源 4V 电源 万用表 自备 四 实验原理四 实验原理 全桥测量电路中 将受力性质相同的两应变片接入电桥对边 不同的接入邻边 已知单全桥电路的 R 分别为 根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电4 R R 压近似等于 于是对应全桥的电压灵敏度为 由此可知 当 E 和 1 4 O EKu U EKu 电阻相对变化一定时 电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关 由此可见 其 输出灵敏度比半桥又提高了一倍 非线性误差和温度误差均得到改善 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 遵循将受力性质相同的两应变片接入电桥对边 相反的接入邻边的原则 2 差放调零完成后 应将差放的线拆掉 再按图 3 2 接线做实验 六 实验步骤六 实验步骤 1 了解所需单元 部件在模块所在的位置 观察梁上的应变片 应变片为棕 色衬底箔式结构小方薄片 上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片 2 如图 3 1 应变式传感器已装于应变传感器模板上 传感器中各应变片 已接入模板的左上方的 R1 R2 R3 R4 加热丝也接于模板上 可用万用表进行 测量判别 R1 R2 R3 R4 350 加热丝阻值为 50 左右 3 接入模板电源 15V 从主控台引入 检查无误后 合上主控台电源开关 将实验模板调节增益电位器 RW3 逆时针调到最大 预热五分钟 再进行差动放大 器调零 方法为将差放的正 负输入端与地短接 输出端与主控台面板上数显表输 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 12 入端 Vin 相连 调节实验模板上调零电位器 RW4 使数显表显示为零 数显表的 切换开关打到 2V 档 关闭主控台电源 4 拆掉差放调零的连接线 即将差放正 负输入对地短接的线拆掉 图 3 1 应变式传感器安装示意图 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 13 图 3 2 全桥性能实验接线图 5 根据图 3 2 接线 R1 R2 R3 R4为实验模板左上方的应变片 注意将受 力性质相同的两应变片接入电桥对边 不同的接入邻边 接入桥路电源 4V 调 节电桥调零电位器 RW1 使数显表显示为 0 000 数显表的切换开关打到 2V 档 6 在应变托盘上放置一只砝码 读取数显表数值 逐个增加砝码个数 每增 加一个砝码读取相应的数显表值 直到十个砝码全部加完 记下实验结果并填入下 表 关闭电源 重量 g 20g40g60g80g100g120g140g160g180g200g 电压 v 7 根据上表计算系统灵敏度 S3 U W U 输出电压变化量 W 重量变 化量 和非线性误差 f1 m yF S 100 式中 m 为输出值 多次测量时 为平均值 与拟合直线的最大偏差 yF S 满量程输出平均值 此处为 200g 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告三 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 如果不考虑应变片的受力方向 结果会怎样 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 14 实验四实验四 压阻式压力传感器的压力测量实验压阻式压力传感器的压力测量实验 一 实验目的一 实验目的 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法 二 实验内容二 实验内容 扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法 三 实验仪器三 实验仪器 压力源 已在主控台 压力表 压阻式压力传感器 压力传感器实验模板 流量计 三通连接导管 数显单元 直流稳压源 4V 15V 四 实验原理四 实验原理 扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出 P 型或 N 型电阻条 接成电 桥 在压力作用下根据半导体的压阻效应 基片产生应力 电阻条的电阻率产生很 大变化 引起电阻的变化 我们把这一变化引入测量电路 则其输出电压的变化反 映了所受到的压力变化 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 气源平时应关闭 以免影响其它电路工作 胶管尽量避免油污 以免造成 老化破损 2 注意压力传感器的接法 红色引线接 Vs 黑色引线接地线 黄色引线接 Vo 蓝色引线接 Vo 六 实验步骤六 实验步骤 1 根据图 4 2 连接管路和电路 主控台内的气源部分 压缩泵 贮气箱 流 量计在主控台内部已经接好 实验时只需将白色气压软管一端插入主控台面板的隔 板接头中 另一端插入压力传感器的气嘴中 本实验模板连接见图 4 2 压力传 感器有 4 端 红色引线接 Vs 黑色引线接地线 黄色引线接 Vo 蓝色引线接 Vo 2 实验模板上 RW2 用于调节零位 RW1 可调放大倍数 按图 4 1 接线 模板 的放大器输出 Vo2 引到主控台数显表的 Vin 插座 将显示选择开关拨到 2V 档 反 复调节 RW2 RW1 旋到满度的 1 3 使数显表显示为零 3 先松开流量计上端出气口调气阀的旋钮 开通流量计 4 合上主控台上的气源开关 启动压缩泵 此时可看到流量计中的滚珠浮子 在向上浮起悬于玻璃管中 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 15 5 逐步关小流量计旋钮 使标准压力表指示某一刻度 观察数显表显示电压 的正 负 若为负值则对调传感器差放的正负输入接法互换 6 仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮 使压力显示在 6 15KP 之间每上升 1KP 分别读取压力表读数 记下相应的数显表值列于下表 P KPa 6789101112131415 V v 7 计算本系统的灵敏度和非线性误差 图 4 1 压阻式压力传感器测量系统 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 16 图 4 2 压力传感器压力实验接线图 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告四 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 如何将本实验装置作为一个压力计 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 17 实验五实验五 差动变压器的性能实验差动变压器的性能实验 一 实验目的一 实验目的 了解差动变压器原理及工作特性 二 实验内容二 实验内容 验证变压器式电感传感器的原理和工作特性 三 实验仪器三 实验仪器 差动变压器实验模板 测微头 双线示波器 差动变压器 音频信号源 音频 振荡器 直流电源 万用表 四 实验原理四 实验原理 差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成 根据内外层排列 不同 有二段式和三段式 本实验采用三段式结构 当传感器随着被测体移动时 由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化 一 只次级感应电势增加 另一只感应电势则减少 将两只次级反向串接 同名端连接 就引出差动输出 其输出电势反映出被测体的移动量 五 实验注意事项五 实验注意事项 注意传感器引线的接法 红线接 1 号端子 黑线接 2 号端子 蓝线接 3 号端子 绿线接 4 号端子 黄线接 5 6 号端子 六 实验步骤六 实验步骤 1 根据图 5 1 将差动变压器装在差动变压器实验模板上 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 18 图 5 1 差动变压器安装示意图 2 将传感器引线插头插入实验模板的插座中 在模块上按 5 2 接线 1 2 接示波器第一通道 3 4 接示波器第二通道 音频振荡器信号必须从主控台中 Lv 端子输出 调节音频振荡器的频率 输出频率为 4 5KHz 可用主控台的频率表 Fin 来监测 调节输出幅度 为峰 峰值 Vp p 4V 可用示波器监测 图 5 2 双线示波器与差动变压器连线示意图 3 旋动测微头 使示波器第二通道显示的波形峰 峰值 Vp p 为最小 这时可 以左右位移 假设其中一个方向为正位移 另一个方向位称为负 从 Vp p 最小开 始旋动测微头 每隔 0 5mm 从示波器上读出输出电压 Vp p 值 填入下表 再由 Vp p 最小处反向位移做实验 在实验过程中 注意左 右位移时 初 次级波形 的相位关系 X mm V mv p p 4 实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压 大小 根据表中数据画出 Vop p X 曲线 作出量程为 1mm 3mm 灵敏度和非线性 误差 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告五 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 试分析差动变压器与一般电源变压器的异同 1 2 3 4 5 6 音频振荡器 4 5KHZ VP P4V 接 示 波 器 第 一 通 道 接 示 波 器 第 二 通 道 L2 L3 L1 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 19 实验六实验六 电容式传感器的位移实验电容式传感器的位移实验 一 实验目的一 实验目的 了解电容式传感器结构及其特点 二 实验内容二 实验内容 电容传感器用于位移测量 三 实验仪器三 实验仪器 电容传感器 电容传感器实验模板 测微头 数显单元 直流稳压源 四 实验原理四 实验原理 利用平板电容 C A d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以 选择 A d 中三个参数中 保持二个参数不变 而只改变其中一个参数 则可 以有测谷物干燥度 变 测微小位移 变 d 和测量液位 变 A 等多种电容传 感器 五 实验注意事项五 实验注意事项 电容传感器两根黄色引线接电容模块插孔 1 插孔 2 黑色引线接插孔 3 六 实验步骤六 实验步骤 1 按图 6 1 将电容传感器装于电容传感器实验模板上 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 20 图图 6 16 1 电容传感器安装示意图电容传感器安装示意图 2 按图 6 2 将电容传感器引线插头插入实验模板的插座中 电容传感器两根 黄色引线接电容模块插孔 1 插孔 2 黑色引线接插孔 3 图 6 2 电容传感器实验接线图 3 将电容传感器实验模板的输出端 Vo1 与数显表单元 Vin 相接 插入主控台 Vin 孔 RW 调节到中间位置 显示选择置于 2V 档 4 电容模块接入 15V 电源 旋动测微头推进电容传感器动极板至中间位置 使电压数显表显示为最小值 5 旋动测微头 每间隔 0 5mm 记下位移 X 与输出电压值 填入下表 X mm 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 V v 6 根据上表数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差 f 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告六 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 本实验中的电容传感器是什么结构 该结构有什么特点 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 21 实验七实验七 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 一 实验目的一 实验目的 了解霍尔式传感器的原理与特性 二 实验内容二 实验内容 利用霍尔式传感器的特性在直流激励下测量静态位移 三 实验仪器三 实验仪器 霍尔传感器实验模板 霍尔传感器 直流源 测微头 数显单元 四 实验原理四 实验原理 根据霍尔效应 霍尔电势 UH KHIB 当霍尔元件处在梯度磁场中运动时 它 就可以进行位移测量 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 请务必断电连线 否则极易烧坏霍尔传感器 2 注意霍尔传感器引线的接法 红线插入插孔 1 黑线插入插孔 3 蓝线插入 插孔 2 黄线插入插孔 4 六 实验步骤六 实验步骤 1 将霍尔传感器按图 7 1 安装 霍尔传感器与实验模板的连接按图 7 2 进 行 将模块右上角 15V 15V 地和主控台上的 15V 15V 地用导线相连 2 将主控台上的电压选择置于 4V 档 并将 4V 引入到模块中 连线图如 7 2 所示 将传感器的引线插入插孔中 红线插入插孔 1 黑线插入插孔 3 蓝线 插入插孔 2 黄线插入插孔 4 3 开启电源 电压表选择置于 2V 档 调节 RW1 使数显表显示最小 进一步 调节测微头使数显表显示为最小值 此值为最小不等位电势 约为几百个毫伏 约为几百个毫伏 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 22 图 7 1 霍尔传感器安装示意图 图 7 2 霍尔传感器位移 直流激励实验接线图 4 旋转测微头 使其偏离最小不等位电势 直到电压表的值有明显变化开始 计数 即旋转测微头 每转动 0 2mm 记下一个读数 直到读数近似不变 将读数填 入下表 X mm 0 20 40 60 81 01 21 41 61 82 0 V v 5 根据上表作出 V X 曲线 计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告七 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 霍尔传感器的特点 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 23 实验八实验八 交流激励时霍尔式传感器的位移实验交流激励时霍尔式传感器的位移实验 一 实验目的一 实验目的 了解交流激励下霍尔片的特性 二 实验内容二 实验内容 利用霍尔式传感器的特性在交流激励下测量静态位移 三 实验仪器三 实验仪器 霍尔传感器实验模板 霍尔传感器 相敏 检波 滤波模块 双线示波器 直流 源 测微头 数显单元 四 实验原理四 实验原理 交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样 基本工作原理相同 不同之处是测 量电路 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 请务必断电连线 否则极易烧坏霍尔传感器 2 音频振荡器的信号必须从 LV 输出端输出 3 传感器引线接法 红线插入插孔 1 黑线插入插孔 3 蓝线插入插孔 2 黄 线插入插孔 4 六 实验步骤六 实验步骤 1 将霍尔传感器按图 8 1 安装 实验模板上连线见图 8 2 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 24 图图 8 8 1 1 霍尔传感器安装示意图霍尔传感器安装示意图 图图 8 2 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图交流激励时霍尔传感器位移实验接线图 2 将传感器引线插入对应的插孔中 红线插入插孔 1 黑线插入插孔 3 蓝线 插入插孔 2 黄线插入插孔 4 注意插孔 3 还要接地 3 调节音频振动器频率和幅度旋钮 从 Lv 输出 用示波器测量使电压输出频 率为 1KHz 在 1KHz 左右即可 并不要求严格的 1KHz 电压峰 峰为 4V 注意 电压过大会烧坏霍尔元件 将该音频信号引入电路中 4 利用示波器观察相敏检波器输出 旋转移相单元电位器 RW 和相敏检波电 位器 RW 使示波器显示全波整流波形 且数显表显示相对的电压值 将 RW2 逆 时针旋到底 来回调节测微头使电压表显示的值最小 该值即为霍尔传感器的最小 不等位电势 约为几百个毫伏 5 调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移 使其偏离最小不等位电势 然后旋动测微头记下每转动 0 2mm 时读数 填入下表 X mm 0 20 40 60 81 01 21 41 61 82 0 V v 7 根据上表作出 V X 曲线 计算不同量程时的非线性误差 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告八 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 1 从本实验中如何判断不等位电势 2 霍尔元件的测量误差的补偿方法有哪几种 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 25 实验九实验九 霍尔测速实验霍尔测速实验 一 实验目的一 实验目的 了解霍尔转速传感器的应用 二 实验内容二 实验内容 用霍尔传感器测量电机转速 三 实验仪器三 实验仪器 霍尔转速传感器 直流源 5V 转动源 2 24V 转动源单元 数显单元的转 速显示部分 四 实验原理四 实验原理 利用霍尔效应表达式 UH KHIB 当被测圆盘上装上 N 只磁性体时 圆盘每 转一周磁场就变化 N 次 每转一周霍尔电势就同频率相应变化 输出电势通过放 大 整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 一定要将霍尔传感器的探头对准磁钢反射面 2 由于转速表内部结构的问题 电机实际转速 转速表显示值 6 六 实验步骤六 实验步骤 1 根据图 9 1 将霍尔转速传感器装于传感器支架上 探头对准反射面内的 磁钢 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 26 图 9 1 霍尔转速传感器安装图 2 将霍尔转速传感器的电源端 红色接线端 接主控台的 5V 电源 3 将霍尔转速传感器输出端 黄色接线端 插入数显单元 Fin 端 蓝色接线 端接地 4 将转速调节中的 2V 24V 转速电源接入三源板的转动电源插孔中 5 将数显单元上的开关拨到转速档 6 调节 2V 24V 电压使转动速度变化 观察数显表转速显示的变化 7 由于转速表内部结构的问题 电机实际转速 转速表显示值 6 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告九 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 如果实验装置上用了 12 只磁钢 则电机的转速和频率之间有和关系 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 27 实验十实验十 电涡流传感器位移实验电涡流传感器位移实验 一 实验目的一 实验目的 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性 二 实验内容二 实验内容 用铁圆片检测电涡流传感器的位移特性 三 实验仪器三 实验仪器 电涡流传感器实验模板 电涡流传感器 直流电源 数显单元 测微头 铁圆 片 四 实验原理四 实验原理 电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成 当线圈中通以高频交变电流后 与其平行的金属片上感应产生电涡流 电涡流的大小影响线圈的阻抗 Z 而涡流的 大小与金属涡流片的电阻率 导磁率 厚度 温度以及与线圈的距离 X 有关 当平 面线圈 被测体 涡流片 激励源已确定 并保持环境温度不变 阻抗 Z 只与 X 距离有关 将阻抗变化经涡流变换器变换成电压 V 输出 则输出电压是距离 X 的单 值函数 五 实验注意事项五 实验注意事项 被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行 并将探头尽量对准被测体中间 以减少涡流损失 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 28 六 实验步骤六 实验步骤 1 根据图 10 1 安装电涡流传感器 2 观察传感器结构 这是一个平绕线圈 3 将涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L 的两端插孔中 作为振荡器的 一个元件 图 10 1 电涡流传感器安装示意图 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 29 图 10 2 电涡流传感器位移实验接线图 4 在测微头端部装上铁质金属圆片 作为电涡流传感器的被测体 5 将实验模板输出端 Vo 与数显单元输入端 Vin 相接 数显表量程切换到选 择电压 20V 档 6 用连结导线从主控台接入 15V 直流电源接到模板上标有 15V 的插孔中 7 使测微头与传感器线圈端部接触 开启主控台电源开关 此时数显表读数 为最小 然后每隔 0 1mm 读一个数 直到输出几乎不变为止 将结果列入下表 X mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0 V v 8 根据上表数据画出 V X 曲线 根据曲线找出线性区域及进行正 负位移 测量时的最佳工作点 试计算量程为 1mm 3 mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度 可以用端基法或其它拟合直线 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告十 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 如何提高电涡流传感器的线性范围 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 30 实验十一实验十一 被测体材质对电涡流传感器特性影响被测体材质对电涡流传感器特性影响 一 实验目的一 实验目的 了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响 二 实验内容二 实验内容 用铝测体和铜测体验证不同电导率的被测材料对电涡流传感器的特性影响 三 实验仪器三 实验仪器 电涡流传感器实验模板 电涡流传感器 直流电源 数显单元 测微头 铝测 片 铜测片 四 实验原理四 实验原理 涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关 因此不同的材料就会有不同 的性能 五 实验注意事项五 实验注意事项 传感器在初始时可能会出现一段死区 六 实验步骤六 实验步骤 1 根据图 11 1 安装电涡流传感器 2 观察传感器结构 这是一个平绕线圈 3 将涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L 的两端插孔中 作为振荡器的 一个元件 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 31 图 11 1 电涡流传感器安装示意图 图 11 2 电涡流传感器接线图 4 在测微头端部装上铝质金属圆片 作为电涡流传感器的被测体 5 将实验模板输出端 Vo 与数显单元输入端 Vin 相接 数显表量程切换到选 择电压 20V 档 6 用连结导线从主控台接入 15V 直流电源接到模板上标有 15V 的插孔中 7 使测微头与传感器线圈端部接触 开启主控台电源开关 此时数显表读数 为最小 然后每隔 0 1mm 读一个数 直到输出几乎不变为止 将结果列入下表 X mm 0 10 20 30 40 5 1 61 71 81 92 0 V v 8 卸下铝质金属圆片 换上铜质金属铝片 作为电涡流传感器的被测体 9 使测微头与传感器线圈端部接触 开启主控台电源开关 此时数显表读数 为最小 然后每隔 0 1mm 读一个数 直到输出几乎不变为止 将结果列入下表 X mm 0 10 20 30 40 5 1 61 71 81 92 0 V v 10 根据表 11 1 和表 11 2 分别计算量程为 1mm 和 2mm 时的灵敏度和非线 性误差 线性度 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 32 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告十一 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 分析铁测片 铝测片 铜测片哪一个的灵敏度高 为什么 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 33 实验十二实验十二 光纤传感器的位移特性实验光纤传感器的位移特性实验 一 实验目的一 实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能 二 实验内容二 实验内容 用传光型光纤测位移 三 实验仪器三 实验仪器 光纤传感器 光纤传感器实验模板 数显单元 测微头 直流源 反射面 用 电涡流传感器的铁测片做反射面 四 实验原理四 实验原理 本实验采用的是传光型光纤 它由两束光纤混合后 组成 Y 型光纤 半园分 布即双 D 型一束光纤端部与光源相接发射光束 另一束端部与光电转换器相接接 收光束 两光束混合后的端部是工作端亦称探头 它与被测体相距 X 由光源发出 的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来 另一束光纤接收光信号由光电转换器 转换成电量 而光电转换器转换的电量大小与间距 X 有关 因此可用于测量位移 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 实验时注意光纤探头与反射面保持平行 调整光纤探头使其位于反射面的 圆心上 2 实验前应用纸巾擦拭反射面 以保证反射效果 六 实验步骤六 实验步骤 1 根据图 12 1 安装光纤位移传感器 二束光纤插入实验板上的座孔上 其 内部已和发光管 D 及光电转换管 T 相接 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 34 图 12 1 光纤传感器安装示意图 图 12 2 光纤传感器位移实验接线图 2 将光纤实验模板输出端 VO1 与数显单元相连 见图 12 2 3 调节测微头 使探头与反射面圆平板接触 4 实验模板接入 15V 电源 合上主控台电源开关 调 RW 使数显表显示值 最小 然后微调测微头使数显表显示为 0 000 电压选择置 2V 档 5 旋转测微头 被测体离开探头 每隔 0 05mm 读出数显表值 将其填入下表 X mm V v 6 根据上表数据 作光纤位移传感器的位移 输出曲线图 计算在量程 1mm 时灵敏度和非线性误差 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告十二 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 根据实验步骤 6 中的光纤位移传感器的位移 输出曲线图 分析其原理 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 35 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 36 实验十三实验十三 光电转速传感器的转速测量实验光电转速传感器的转速测量实验 一 实验目的一 实验目的 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法 二 实验内容二 实验内容 用透射型光电转速传感器测电机转速 三 实验仪器三 实验仪器 光电转速传感器 直流电源 5V 转动源及 2 24V 直流源 数显单元 四 实验原理四 实验原理 光电式转速传感器有反射型和透射型二种 本实验装置是透射型的 传感器端 部有发光管和光电池 发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信 号 由于转盘上有相间的 6 个间隔 转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲 将电脉计数处理即可得到转速值 五 实验注意事项五 实验注意事项 由于转速表内部结构的问题 电机实际转速 转速表显示值 6 六 实验步骤六 实验步骤 1 光电转速传感器已安装在三源板上 把三源板上的 5V 接地 V0 与主控 台上的 5V 地 数显表的 Fin 相连 数显表转换开关打到转速档 2 将转速源 2 24V 输出旋到最小 接到转动源 24V 插孔上 3 合上主控台电源开关 使电机转动并从数显表上观察电机转速 4 由于转速表内部结构的问题 电机实际转速 转速表显示值 6 七 实验报告七 实验报告 在实验报告中填写 实验报告十三 详细记录实验过程中的原始记录 数据 图表 波形等 并结合原始记录进一步理解实验原理 八 实验思考题八 实验思考题 分析光电转速传感器的构成 传感器与工程测试技术实验指导书传感器与工程测试技术实验指导书 37 实验十四实验十四 集成温度传感器的特性实验集成温度传感器的特性实验 一 实验目的一 实验目的 了解常用的集成温度传感器基本原理 性能与应用 二 实验内容二 实验内容 AD590 集成温度传感器测量电压和温度的关系 三 实验仪器三 实验仪器 温度控制单元 温度源 集成温度传感器 温度传感器实验模板 数显单元 万用表 自备 四 实验原理四 实验原理 集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上 它能直接给 出正比于绝对温度的理想线性输出 一般用于 50 150 之间温度测量 温 敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时 晶体管的基极 发射极电压与温度成 线性关系 为克服温敏晶体管 Ub电压生产时的离散性 均采用了特殊的差分电路 集成温度传感器有电压型和电流型二种 电流输出型集成温度传感器 在一定温度 下 它相当于一个恒流源 因此它具有不易受接触电阻 引线电阻 电压噪声的干 扰 具有很好的线性特性 本实验采用的是国产的 AD590 它只需要一种电源 4V 30V 即可实现温度到电流的线性变换 然后在终端使用一只取样电 阻 本实验中为 R2见图 14 1 即可实现电流到电压的转换 它使用方便且电流型 比电压型的测量精度更高 五 实验注意事项五 实验注意事项 先按下述方法调节好仪表 1 1 仪表面板说明 仪表面板说明 PV 测量值显示窗 红 SV 给定值显