《传感技术实验》PPT课件.ppt

刘嘉新 传感技术实验 目录 1 实验须知 3 实验原理 2 实验仪器简介 1实验须知1 1实验的基本态度进行任何科学实验 实验人员均应具备一种最基本的态度 实事求是的态度 实事求是 就是说要把实验中所得到的现象 数据及其规律性忠实地记录下来 记录下来的是实际观测的情况 而不能以任何理由进行编造 修改或歪曲 实验中直接观察到的现象和数字 也可能不够准确 或是错误的 此时就需要反复多次测量 并加以核对 或通过数据处理 或改进实验方法来改善其准确性 只有遵循 实事求是 的态度 才能从实验中获得知识 并提高科学实验的能力 1 2实验的基本知识1 实验准备 1 实验前必须认真预习实验内容 明确实验的目的和要求 2 根据实验的要求 拟定实验方案并熟悉实验线路及其原理 3 熟悉实验中所使用的仪器 设备的基本原理及使用方法 4 根据实验的具体任务及理论根据 研究实验的方法 并估计实验数据的变化规律 2 实验组织一般实验可能由几个人合作进行 因此实验时必须做好组织工作 实验方案的拟定应在组内讨论 实验时应明确分工 并且做到既分工又合作 这样既能保证实验质量 又能使实验人员受到全面训练 3 实验数据的记录 1 事先拟好实验数据记录表格 在表格中应记下有关物理量的名称 符号和单位 并要保证数据完整 实验数据位数的取值是以实验仪器所能达到的精度为依据的 同一条件下至少读取两次数据 研究不稳定过程或动态过程的实验除外 而且只有当两次读数比较接近时 才能改变操作条件 在另一条件下进行观测 2 记录实验中使用的仪器 设备等的型号 规格及使用的条件等 3 凡影响实验效果或数据整理过程中必须的数据都需测取并记录 如天气条件 环境温度 湿度等 4 实验中的记录数据应以实际读数为准 但因客观条件的原因 如由于测量条件的意外改变 如电源电压及环境温度的突然变化 机械冲击 外界振动等 数据出现不正常的情况或有粗大误差时 应在备注栏中加以说明 4 实验过程的注意事项 1 在进行实验线路的接线 改接线或拆线之前 必须断开电源 严禁带电操作 避免在接线或拆线过程中 造成电源设备或部分实验线路短路 进而损坏设备或实验线路中的元器件 2 密切注意整个实验系统的变化 应使整个操作过程均在规定条件下进行 3 实验过程中应观察现象 特别是发现不正常现象时更应抓紧时机进行处理 并分析 研究产生不正常现象的原因 5 整理实验数据 1 同一条件下测得一组数据时 应舍去含有粗大误差的数据 然后进行数据处理 2 整理数据时应根据有效数字的运算法则 确定测量结果的数据位数 3 数据整理时可采用列表法 图解法 这视其具体情况而定 以尽可能准确描述实验结果或实验结论为最终目的 6 实验报告的内容及要求一份好的实验报告 必须写得简单 明了 数据完整 交待清楚 结论明确 有讨论 有分析 得出的公式或图线有明确的使用条件 实验报告的格式虽不必强求一致 但一般应包括下列各项 1 实验题目 实验者及共同实验人员 班级 日期 2 实验目的及要求 3 实验设备及环境条件 4 实验的基本原理 实验线路 接线图或流程图 5 实验内容及主要操作简述 6 整理原始实验数据 作出便于处理和分析的表格 曲线或波形 7 根据实验数据 对传感器的原理 性能特性 技术指标 实验现象等进行分析 对实验中发现的问题进行讨论 提出新的设想及研究的方法 2实验仪器简介2 1CSY 910型传感器实验仪简介图2 1为CSY 910型传感器实验仪的外形图 整个仪器由三部分组成 即激励源 电源和信号源 试验台和信号调理电路单元 三部分之间没有内部连接 各个传感器实验可用专用连接线或迭插式导线将所需单元在面板上进行连接 在实验仪上可进行不同传感器的静态实验 动态实验和传感器系统应用实验 通过实验即可对各种不同传感器及其测量线路原理有一个从理性到感性的认识 对如何组成测量系统有一个直观而具体的实践过程 图2 1CSY 910型传感器实验仪的外形 箔式应变片 双平行悬梁 电涡流传感器 差动变压器 压电加速度传感器 霍尔传感器 电容传感器 振动平台 激振线圈 热电偶传感器 螺旋测微器 2 1 1传感器安装台 1 二套悬臂梁 激振电路 测微头 双平行式悬臂梁的自由端及振动圆盘下面各装有永久磁钢 激振线圈和可拆卸式螺旋测微头 通过各自的测微头或激振线圈 可进行静态或动态测量 应变梁采用不锈钢片 双梁结构 端部有良好的线性位移 2 传感器 1 电阻应变传感器 由BHF泊式应变片构成 6片工作片 2片补偿片 2 热电式 热电偶 传感器 由两个铜一康铜热电偶串接而成冷端温度为环境温度 加热器由电热丝组成 加热时可获得高于环境温度30 左右的升温 3 压电加速度传感器 PZT 5双压电晶片和铜质量块构成 f 1OKHZ Q电荷 20pc g4 电感式 差动变压器 传感器 由一个初级 二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈 铁芯为软磁铁氧体 测量范围 12mm 5 电涡流传感器 多股漆包线绕制的扁平线圈与多种被测金属涡流片组成 线性范围3mm 6 霍尔式传感器 HZ型日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片 置于环形磁钢构成的梯度磁场中 霍尔信号线性范围 3mm 7 电容式传感器 由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容 线性范围 3mm 传感器安装示意图1 传感器安装示意图2 2 1 2信号调理电路 1 电桥 用于组成应变电桥 提供组桥插座 标准电阻和交 直流调平衡网络 2 差动放大器 可接成同相 反相 差动结构 增益为1 100倍的直流放大器 3 电容变换器 由高频振荡 放大和双T电桥组成的处理电路 4 移相器 增益为1 移相范围 400 与fi有关 5 相敏检波器 极性反转电路构成的检波电路o6 电荷放大器 电容反馈型放大器 用于放大压电式传感器的输出信号 7 涡流变换器 变频式调幅变换电路 传感器线圈是振荡电路中的电感元件 传感器面板示意图 2 1 3振荡器 音频音频信号发生器0 4KHz 10KHz输出连续可调 Vp p值20V 1800 00反相输出 Lv端最大功率输出电流0 5A 输出作为交流激励信号 2 低频振荡器1 30Hz输出连续可调 Vp p值20V 最大输出电流0 5A 输出作为振动平台的振动信号 2 1 4稳压电源 1 直流 15V主要提供温度实验时的加热电源 最大输出1 5A 2 2V 10V 分五档输出 提供传感器直流信号源 最大输出电流1 5A 2 1 5显示仪表 数字式电压 频率表3位半显示 电压范围O 2V O 20V 频率范围10Hz 20KHz 灵敏度 50mV 2 指针式毫伏表分500mV 50mV 5mV三档 精度25 3传感器实验 实验一金属箔式应变片传感器单臂 半桥 全桥比较及电子秤应用 一 实验目的 观察了解箔式的结构及粘贴方式 测试应变梁变形的应变输出 验证单臂 半桥 全桥的性能及相互之间关系 掌握电子秤的标定方法 二 实验设备 直流稳压电源 差动放大器 电桥 F V表 测微头 双平行梁 应变片 主 副电源 三 实验原理 1 应变电桥的性能和原理 1 电阻应变式传感器静态性能实验原理电阻应变式传感器静态性能实验的基本原理是调整螺旋测微器以改变双平行悬梁的应变 此时粘贴在悬梁上的应变片将应变转换成电阻值的变化 再通过转换电路 测量电桥 将电阻的变化转换成电压的变化 在数字电压表上显示出与应变对应的电压值 实验原理框图如图3 1所示 3 1电阻应变式传感器静态性能实验原理框图 图3 2为电阻应变式传感器静态性能实验原理电路图 测量电桥为直流电桥 R1 R2 R3 R4为四个桥臂电阻 可以接成单臂电桥 半桥差动电桥和全桥差动电桥的形式 RW1为电桥平衡调节电位器 UCC和USS为电桥电源 差动放大器为由集成运算放大器组成的增益可调的交直流差动放大器 可接成同相 反相及差动状态 增益在1 100倍可调 输出由直流电压表显示 图3 2实验接线图 图3 3电桥平衡网络原理图 2 应变电桥的性能比较 已知单臂 半桥和全桥电路的 R分别为 R R 2 R R 4 R R 在的条件下 根据戴维定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于U 1 4 E R 电桥灵敏度Ku U R R 于是对应单臂 半桥和全桥的电压灵敏度分别为1 4E 1 2E和E 由此可知 当E和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 图3 4差动放大器电路原理图 A if i2 i1 ii Ri R1 Rf R3 根据 虚短 和 虚断 的原则 由A点节点电流方程的 差动放大器增益为 采用该电路 实现选取小Rf电阻值 获得高的Au的目的 箔式应变片电阻值 350 应变系数 2 平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有4片应变片 受力工作片分别用符号 和 表示 在910型仪器中 横向所贴的两片为温度补偿片 用符号 表示 2 应变式传感器 四 实验步骤 1 单臂电桥静态特性 1 了解所需单元 部件在实验仪上的所在位置 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和一片补偿应变片 测微头在双平行梁前面的支座上 可以上 下 前 后 左 右调节 2 差动放大器调零 用连线将差动放大器的正 负 地短接 将差动放大器的输出端与F V表的输入插口Vi相连 开启主 副电源 调节差动放大器的增益到最大位置 顺时针方向旋到底 然后调整差动放大器的调零旋钮使F V表显示为零 关闭主 副电源 3 根据图1接线 R1 R2 R3为电桥单元的固定电阻 Rx R4为应变片 r及W1为电桥平衡网络 将稳压电源的切换开关置 4V档 F V表置20V档 调节测微头脱离双平行梁 开启主 副电源 调节电桥平衡网络中的W1 使F V表显示为零 然后将F V表置2V档 再调电桥W1 慢慢地调 使F V表显示为零 需预热几分钟表头才能稳定下来 4 将测微头转动到10mm刻度附近 安装到双平等梁的自由端 与自由端磁钢吸合 调节测微头支柱的高度 梁的自由端跟随变化 使F V表显示最小 再旋动动测微头 使F V表显示为零 细调零 这时的测微头刻度为零位的相应刻度 5 旋转测微头 使梁移动 每隔0 5mm 1圈 读一个数 将测得数值填入下表 然后关闭主 副电源 表1 1单臂电桥应变输出 2 半桥静态特性 1 保持放大器增益不变 将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片 形成半桥 调节测微头使测微头刻度为零位的相应刻度 调节电桥W1使F V表显示表显示为零 2 旋转测微头 使梁移动 每隔0 5mm 1圈 读一个数 将测得数值填入下表 然后关闭主 副电源 表1 2半桥应变输出 3 全桥静态特性 1 保持差动放大器增益不变 将R1 R2两个固定电阻换成另两片受力应变片 即R1换成 R2换成 组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同 邻臂应变片的受力方向相反即可 否则相互抵消没有输出 接成一个直流全桥 调节测微头使测微头刻度为零位的相应刻度 调节电桥W1使F V表显示表显示为零 2 旋转测微头 使梁移动 每隔0 5mm 1圈 读一个数 将测得数值填入下表 然后关闭主 副电源 表1 3全桥应变输出 4 电阻应变式传感器的应用 电子秤 1 电子秤实验电路如图3 2所示 桥臂电阻接成全桥差动电桥形式 卸掉螺旋测微器 对差动放大器调零 电桥调平衡 2 在振动台中心加上电子秤最大量程砝码 调节放大器增益 使电压表显示最大值 卸下全部砝码 再进行系统调零 反复进行调试直到系统零点 量程准确为止 对电子秤标定 根据在零点和满量程之间加的砝码和相应的输出电压关系作出U W曲线 3 对电子秤标定 每增加一只砝码 记下一个数值并将这些数值 填入表1 4中 表1 4电子秤标定 4 卸下全部砝码 放上一未知重物 读出电压表的值 根据U W曲线推算出未知重物的重量 五 实验数据处理与讨论 1 在同一坐标纸上描出X U曲线 2 根据所得结果计算灵敏度 比较三种接法的灵敏度 3 根据以上计算结果与X U曲线 比较三种桥路的电压灵敏度 做出定性结论 并进行误差分析 六 注意事项 连接电路时 应尽量使用短的接插线 以避免引入干扰 接插线插入插孔时 轻轻地做小角度的转动 以保证接触良好 拔出时也轻轻地转动一下拔出 切忌用力拉扯插线尾部 以避免造成内部导线断裂 实验前 应确认接线无误后开启仪器电源 并预热数分钟 在更换应变片时应将电源关闭 在实验过程中如有发现电压表发生过载 应将电压量程扩大 在本实验中只能将放大器接成差动形式 否则系统不能正常工作 直流稳压电源 4V不能打的过大 以免损坏应变片或造成严重自热效应 接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向 实验二热电偶原理及分度表的应用 一 实验目的 了解热电偶的原理及分度表的应用 二 实验设备 15V不可调直流稳压电源 差动放大器 F V表 加热器 热电偶 温度计 自备 主副电源 三 实验原理 热电偶的基本工作原理是热电效应 二种不同的导体互相焊接成闭合回路时 当两个接点温度不同时回路中就会产生电流 这一现象称为热电效应 产生电流的电动势叫做热电势 通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶 具体热电偶原理参考教课书 即热端和冷端的温度不同时 通过测量此电动势即可知道两端温差 如固定某一端温度 一般固定冷端为室温或零摄氏度 则另一端的温度就可知 从而实现温度的测量 本仪器中热电偶为铜 康铜热电偶 直流电阻 10 左右 由两个铜一康铜热电偶串接而成 分度号为T 冷端温度为环境温度 铜一康热电偶分度表如表3 5所示 图3 5实验接线图 表2 1铜一康热电偶分度 自由端温度OoC 四 实验步骤 旋钮初始位置 F V表切换开关置2V档 差动放大器增益最大 1 了解热电偶在实验仪上的位置及符号 实验仪所配的热电偶是由铜 康铜组成的简易热电偶 分度号为T 实验仪有二个热电偶 它封装在双平行梁的上片梁的上表面 在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点 就是热电偶 和下片梁的下表面 二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和 2 按图2 1接线 开启主 副电源 调节差动放大器调零旋钮 使F V表显示零 记录下自备温度计的室温 3 将 15V直流电源接入加热器的一端 加热器的另一端接地 观察F V表显示值的变化 待显示值稳定不变时记录下F V表显示的读数E 4 用自备温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来 注意 温度计的测温探头不要触到应变片 只要触及热电偶处附近的梁体即可 5 用自备室内温度计测出室温tn 6 实验完毕关闭主 副电源 尤其是加热器 15V电源 自备温度计测出温度后马上拆去 15V电源连接线 其它旋钮置原始位置 五 实验数据处理与讨论 1 根据热电偶的的中间温度定律 热电势与温度之间的关系式 Eab t to Eab t tn Eab tn to 其中 t 热电偶的热端 工作端或称测温端 温度 tn 热电偶的冷端 自由端 温度也就是室温 to 0 tn to 1 热端温度为t 冷端温度为室温时热电势 Eab t tn f v显示表E 100 2 100为差动放大器的放大倍数 2为二个热电偶串联 2 热端温度为室温 冷端温度为0 铜 康铜的热电势 Eab tn to 查以下所附的热电偶自由端为0 时的热电势和温度的关系即铜 康铜热电偶分度表 得到室温 温度计测得 时热电势 3 计算 热端温度为t 冷端温度为0 时的热电势 Eab t to 根据计算结果 查分度表 表2 1 得到温度t 2 热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较 注意 本实验仪所配的热电偶为简易热电偶 并非标准热电偶 只是了解热电势现象 并分析产生误差的原因 为什么差动放大器接入热电偶后需再调差放零点 实验三差动变压器 互感式 的输出特性 一 实验目的 了解差动变压器原理及工作情况 二 实验设备 1 音频振荡器 2 测微头 3 示波器 4 主 副电源 5 差动变压器 6 振动平台 三 实验原理 差动变压器由衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈骨架等组成 初级线圈做为差动变压器激励用 相当于变压器的原边 次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成 相当于变压器的副边 差动变压器是开磁路 工作是建立在互感基础上的 其原理及输出特性见图3 1 差动变压器 电感式 量程 5mm直流电阻 5 10 由一个初级 二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈 铁芯为软磁铁氧体 差动变压器输出电势u0与衔铁位移x的关系 其中x表示衔铁偏离中心位置的距离 图3 1差动变压器输出电压的特性曲线 图3 2实验接线图 注意 示波器第二通道为悬浮工作状态 四 实验步骤 1 有关旋钮室始位置 音频振荡器4KHz 8KHz之间 双踪示波器第一通道灵敏度500mv div 第二通道灵敏度10mv div 触发选择打到第一通道 主 副电源关闭 根据图 接线 将差动变压器 音频振荡器 必须LV输出 双踪示波器连接起来 组成一个测量线路 开启主 副电源 将示波器探头分别接至差动变压器的输入和输出端 调节差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V 用手提压变压器磁芯 观察示波器第二通道波形是否能过零翻转 如不能则改变两个次级线圈的串接端 转动测微头使测微头与振动平台吸合 再向上转动测微头5mm 使振动平台往上位移 向下旋钮测微头 使振动平台产生位移 每位移0 mm 1圈 用示波器读出差动变压器输出端峰峰值填入下表 根据所得数据计算灵敏度S S V X 式中 V为电压变化 X为相应振动平台的位移变化 作出V X关系曲线 读数过程中应注意初 次级波形的相应关系 表 1差动变压器输出端峰峰值 并记录X为2 0mm和 2 0mm处的激励信号和输出信号的波形 画在同一坐标系 便于比较两者的相位 五 实验数据处理与讨论 根据实验结果 指出线性范围 当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时 双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化 用测微头调节振动平台位置 使示波器上观察到的差动变压器的输出阻抗端信号为最小 这个最小电压是什么 由于什么原因造成 实验四差动变压器 互感式 的静态标定 一 实验目的 了解差动变压器测量系统的组成和静态标定方法 二 实验设备 1 音频振荡器 2 差动放大器 3 差动变压器 4 移相器 5 相敏检波器 6 低通滤波器 7 测微头 8 电桥 9 F V表 10 示波器 11 主 副电源 图 实验接线图 三 实验原理 1 实验电路 4 6相敏检波后的输出特性 2 相敏检波器的功能与原理 1 什么是相敏检波电路 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路 即一种能判别相位的检波电路 不但可以反映位移的大小 的幅值 还可以反映位移的方向 的相位 这种检波电路称为相敏检波电路 电路结构 设计的开关式全波相敏检波电路如图1所示 其中 A1为零电压比较器 D为检波二极管 3DJ7J为场效应管电子开关 A2为差动放大器 对信号进行放大与合成 A1 A2均采用具有高阻抗 用于弱信号放大的双运放的集成芯片LF353N 图4 2开关式全波相敏检波电路 u1 u2 u3 ur us u0 3 工作原理 相敏检波器工作时要求参考信号和被测信号频率相同 在实际的测量系统中 两信号采用同一信号源激励 保证同频 频率为低频至十万赫 对其频率稳定度要求不高 且 同相或反相 相敏检波器可获最大输出 便于测量 1 与同相 参考信号经A1和D组成的整形电路后的输出是与被测信号同频 反相 占空比1 1的方波 此方波信号是控制电路电流流通的开关 为场效应管3DJ7J提供栅源偏置电压 控制电子开关的动作 决定场效应管漏极信号 由场效应管工作原理知 当时 V截止 当时 V导通 差放A2对信号和进行合成 得到相敏检波器输出信号 其表达式为 2 当时 当时 由式 3 知 从相敏检波器输出信号中得到了被测信号 当场效应管截止时 运放A2工作在跟随状态 当场效应管导通时 A2工作在反相放大状态 验证测量时取Rf R4 把式 1 代入式 2 中 得 对上述相敏检波器电路进行性能测试 通过调整Rf可以改变运放A2对信号放大的幅度 测试波形如图2所示 对应图1 再对进行滤波 即可取其直流分量 从而得到被测信号幅值 2 与反相 分析原理同 1 若与反相时检波输出 如图3 b 所示 图4 3开关式全波相敏检波电路波形图 a 同相波形 b 反相波形 图4 4 相位不同时波形图 衔铁在零位以上 t t u0 t u0 u0 衔铁在零位以下 衔铁在零位 4 5全波整流波形图 波形图 被测位移变化波形图 差动变压器激磁电压波形 差动变压器输出电压波形 相敏检波解调电压波形 相敏检波输出电压波形 相敏检波器参考信号波形 X 0 且u2 us均为正半周时 X 0 且u2 us均为负半周时 X 0时 u2 us同频反相 四 实验步骤 有关旋钮初始位置 音频振荡4KHz 8KHz 差动放大器的增益打到最大 F V表置2V档 主 副电源关闭 按图 接好线路 3 开启主 副电源 利用示波器 调整音频振荡器