检测与传感技术实验指导书

检测与传感技术 周志刚 湖南文理学院电气与信息工程学院 2012 年 9 月 检测与传感技术实验指导书 2 CSY 998 型传感器系统实验仪使用说明 一 实验仪简介 CSY 998 型传感器系统实验仪是由浙江大学杭州高联传感技术有限公 司研制生产的一种专门用于检测与传感技术课程实验教学的仪器 该实验 仪如图一所示 它主要由各类传感器 包括应变式 压电式 磁电式 电 容式 霍尔式 热电偶 热敏电阻 差动变压器 涡流式 气敏 湿敏 光纤传感器等 测量电路 包括电桥 差动放大器 电容放大器 电压放 大器 电荷放大器 涡流变换器 移相器 相敏检波器 低通滤波器等 及其接口插孔组成 该系统还提供了直流稳压电源 音频振荡器 低频振 荡器 F V 表 电机控制等 图一 CSY 998 型传感器系统实验仪 检测与传感技术实验指导书 3 实验一实验一 金属应变片性能 单臂 半桥 全桥功能比较金属应变片性能 单臂 半桥 全桥功能比较 实验学时 2 实验类型 验证 实验要求 必做 一 实验目的一 实验目的 1 观察了解金属应用片的结构和粘贴方式 2 测试悬臂梁变形的应变输出 3 验证单臂 半桥 全桥测量电桥的输出关系 比较不同桥路 的功能 二 实验原理二 实验原理 应变片是最常用的测力传感元件 当用应变片测试时 应变 片要牢固地粘贴在测试体表面 测件受力发生形变 应变片的敏 感栅随同变形 其电阻值也随之发生相应的变化 通过测量电路 转换成电信号输出显示 电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种 当电桥平衡 时 桥路对臂电阻乘积相等 电桥输出为零 在桥臂四个电阻 R1 R2 R3 R4中 电阻的相对变化率分别为 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4 桥路的输出与 成正比 当使用一个应变片时 1234 1234 R RRRR RRRR 当使用二个应变片时 若二个应变 R R R 12 12 R RR RR 片组成差动状态工作 则有 用四个应变片组成二个差 2 R R R 动对工作 且 R1 R2 R3 R4 R 4 R R R 检测与传感技术实验指导书 4 根据戴维南定理可以得出电桥的输出电压近似等于 1 4 R E 电桥的电压灵敏度 Ku V R R 于是对于单臂 半桥和全桥的电 压灵敏度分别为 和 E 由此可知 单臂 半桥 全 1 4 E 1 2 E 桥电路的灵敏度依次增大 当 E 和电阻相对变化一定时 电桥的 输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关 三 实验内容三 实验内容 1 验证单臂电桥的输出关系 2 验证差动半桥的输出关系 3 验证差动全桥的输出关系 4 比较单臂 半桥 全桥的灵敏度 四 实验步骤 四 实验步骤 1 设定旋钮的初始位置 直流稳压电源打到 2V 档 电压表打 到 2V 档 差动放大器增益打到最大 2 将差动放大器调零 方法 用实验线将差放的正负输入端与 地端连接在一起 增益设置在最大位置 然后将输出端接到电压 表的输入插口 打开主 副电源 调整差放的调零旋钮使表头指 示为 0 3 根据图 1 的电路结构 利用电桥单元上的接线插孔和调零网 络连接好测量线路 差动放大器接成同相或反相均可 图中 R4 为工作应变片 W1 为可调电位器 r 为调平衡电阻 电源由直流 稳压电源提供 检测与传感技术实验指导书 5 图图 1 金属应变片桥式测量电路金属应变片桥式测量电路 4 调整测微头使双平行梁处于水平位置 目测 将直流稳压电源 打到 4V 档 选择适当的放大增益 然后调整电桥平衡电位器 使表头指零 需预热几分钟表头才能稳定下来 5 旋转测微头 使梁移动 每隔 0 5mm 读一个数 将测得数值填入下表 然后关闭主 副电源 位移 mm 电压 mV 6 保持放大器增益不变 将 R3 换为与 R4 工作状态相反的另一 应变片 形成半桥 调节测微头使梁到水平位置 目测 调节 电桥 W1 使 F V 表显示表显示为零 然后旋转测微头 使梁移 动 同样每隔 0 5mm 读一个数 填入下表 位移 mm 电压 mV 7 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 检测与传感技术实验指导书 6 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 调节测微头使梁到 水平位置 调节电桥 W1 同样使 F V 表显示零 然后旋转测微头 使梁移动 同样每隔 0 5mm 读一个数 填入下表 8 在同一坐标纸上描出 W V 曲线 比较三种接法的灵敏度 S 位移 mm 电压 mV 五 实验组织运行要求五 实验组织运行要求 本实验做为 检测与传感技术 这门课程的第一次实验 应 采用集中授课的方式 对 CSY 998 型传感器综合实验仪的使用 方法进行讲授 然后在指导老师的监督下 由学生自己动手 按 实验要求完成任务 最后由指导老师检查实验结果后方可离开 六 实验条件六 实验条件 直流稳压电源 差动放大器 电桥 应变式传感器 电阻应变片 电压表 七 实验注意事项七 实验注意事项 1 在更换应变片时应将电源关闭 以免损坏应变片 2 在实验过程中如果发现电压表发生过载 应将量程扩大或将 差放增益减小 3 直流稳压电源不能打的过大 以免损坏应变片或造成严重自 热效应 4 接全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向 保证 R1 与 R3 检测与传感技术实验指导书 7 工作状态相同 R2 与 R4 工作状态相同 八 思考题八 思考题 1 本实验对直流稳压电源和差动放大器有何要求 2 应变片桥路 差动电桥 连接应注意哪些问题 3 桥路 差动电桥 测量时存在非线性误差的主要原因是 什么 4 箔式应变片和半导体应变片在工作原理和性能上有什么 区别 5 用交流和直流作为激励电源时 传感器的性能有何变化 九 实验报告要求九 实验报告要求 实验结束后 学生应根据做实验情况 认真完成实验报告的 书写 实验报告应包括实验目的 实验内容 仪器设备 实验原 理 实验电路 实验步骤 实验结果及分析和实验过程中出现的 问题及解决方法等 检测与传感技术实验指导书 8 实验三实验三 差动变面积式电容传感器特性测试差动变面积式电容传感器特性测试 实验学时 2 实验类型 验证 实验要求 必做 一 实验目的一 实验目的 1 了解差动变面积式电容传感器的原理 2 了解差动变面积式电容传感器的特性 二 实验原理二 实验原理 三 实验内容三 实验内容 电容式传感器的测量和标定 四 实验步骤四 实验步骤 1 差动放大器调零 按图 9 接线 图 9 差动变面积示电容传感器接线 2 差动放大器增益旋钮置中间 V F 表打到 2V 调节测微头 使输出为零 3 旋动测微头 每次 0 5mm 记下此时测微头的读数及电压表的 读数 直至电容动片与上 或下 静片覆盖面积最大为止 X mm V mV 退回测微头至初始位置 并开始以相反方向旋动 同上法 记下 X mm 及 V mV 值 检测与传感技术实验指导书 9 4 计算系统灵敏度并作出 V X 曲线 V S X X mm V mV 5 断开测微头 断开电压表 接通激振器 用示波器观察输出 波形 五 实验组织运行要求五 实验组织运行要求 采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学 然后在指导 老师的监督下 由学生自己动手 按实验要求完成任务 最后由 指导老师检查实验结果后方可离开 六 实验条件六 实验条件 低频振荡器 电压放大器 低通滤波器 电容传感器 双线示波 器 七 实验注意事项七 实验注意事项 1 双平行梁振动时应无碰撞现象 否则将严重影响输出波形 必要时可松开梁的固定端 小心调整一个位置 2 低频振荡器的幅度应适当 避免失真 3 屏蔽线的屏蔽层应接地 4 由于压电式传感器制作困难 动态范围可能与电涡流式传感 器不统一 可由其它传感器如电容式传感器来观察相位差 电容 式传感器的输出波形不经过低通虽然不太光滑 但不影响观察效 果 八 思考问题八 思考问题 为什么电压放大器与压电加速度计的接线必须用屏蔽线 否则会 产生什么问题 检测与传感技术实验指导书 10 九 实验报告要求九 实验报告要求 实验结束后 学生应根据做实验情况 认真完成实验报告的书写 实验报告应包括实验目的 实验内容 仪器设备 实验原理 实 验电路 实验步骤 实验结果及分析和实验过程中出现的问题及 解决方法等 检测与传感技术实验指导书 11 实验四实验四 电涡流式传感器的静态标定 实验学时 2 实验类型 验证 实验要求 限选 一 实验目的一 实验目的 1 了解电涡流式传感器的原理 2 熟悉电涡流传感器的工作特性 二 实验原理二 实验原理 电涡流式传感器如图 7 所示 根据法拉第定律 当传感器 线圈通以正弦交变电流 时 线圈周围空间必然产生正弦交变 1I 磁场H1 使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2 I2又产 生新的交变磁场H2 根据愣次定律 H2的作用将反抗原磁场 H1 由于磁场H2的作用 涡流要消耗一部分能量 导致传感器 线圈的等效阻抗发生变化 由上可知 线圈阻抗的变化完全取 决于被测金属导体的电涡流效应 电涡流效应既与被测体的电阻 率 磁导率 以及几何形状有关 还与线圈的几何参数 线 圈中激磁电流频率f有关 同时还与线圈与导体间的距离x有关 因此 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关系式为 Z F r f x 如果保持上式中其它参数不变 而只改变其中一个参数 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数 通过与传感器 配用的测量电路测出阻抗Z的变化量 即可实现对该参数的测量 传 1 I 1 H 传传传传传传传 a b 2 H 2 I 传传传传传传 传传传传传传传 图 7 电涡流式传感器的原理图 a 传感器激励线圈 b 被测金属导体 检测与传感技术实验指导书 12 三 实验内容三 实验内容 1 观察电涡流传感器的波形 2 对电涡流传感器进行线性标定 四 实验步骤四 实验步骤 1 装好传感器 传感器对准铁测片安装 和测微头 2 观察传感器的结构 它是一个扁平线圈 3 用导线将传感器接入涡流变换器输入端 将输出端接至 F V 表 电压表置于 档 见图 8 开启主 副电源 4 4 用示波器观察涡流变换器输入端的波形 如发现没有振荡波 形出现 再将被测体移开一些 可见 波形为 波形 示波器的时基为 us cm 故振荡频率约为 5 适当调节传感器的高度 使其与被测铁片接触 从此开始读 数 记下示波器及电压表的数值 填入下表 建议每隔 0 10mm 读数 到线性严重变坏为止 根据实验数据 在座标纸上画出 曲线 指出大致的线性范围 求出系统灵 图 8 电涡流示传感器接线图 检测与传感技术实验指导书 13 敏度 最好能用误差理论的方法求出线性范围内的线性度 灵 敏度 可见 涡流传感器最大的特点是 传感器 与被测体间有一个最佳初始工作点 这里采用的变换电路是一种 实验完毕关闭主 副电源 Vp p v V v 五 实验组织运行要求五 实验组织运行要求 为了提高学生独立设计的能力 应采用以学生自主训练为主 的开放模式组织教学 然后在指导老师的监督下 由学生自己动 手 按实验要求完成任务 最后由指导老师检查实验结果后方可 离开 六 实验条件六 实验条件 涡流变换器 F V 表 测微头 铁测片 涡流传感器 示波器 振动平台 主 副电源 七 实验注意事项七 实验注意事项 1 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 八 思考题八 思考题 电涡流传感器的量程与哪些因素有关 如果需要测量 5mm 的量 程应如何设计传感器 九 实验报告要求九 实验报告要求 实验结束后 学生应根据做实验情况 认真完成实验报告的书写 实验报告应包括实验目的 实验内容 仪器设备 实验原理 实 验电路 实验步骤 实验结果及分析和实验过程中出现的问题及 解决方法等 检测与传感技术实验指导书 14 实验五实验五 压电加速度传感器特性及应用压电加速度传感器特性及应用 实验学时 2 实验类型 综合 实验要求 限选 一 实验目的一 实验目的 1 了解压电加速度传感器的原理 2 了解压电加速度传感器的机构 3 了解压电加速度传感器的应用 二 实验原理二 实验原理 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时 压电元件受 质量块惯性力的作用 根据牛顿第二定律 此惯性力是加速度的 函数 即 F ma 此时惯性力F作用于压电元件上 因而产生电荷q 当传感器选 定后 m为常数 则传感器输出电荷为 q d11F d11ma 与加速度a成正比 因此 测得加速度传感器输出的电荷便可知 加速度的大小 三 实验内容三 实验内容 1 观察加速度传感器的波形 四 实验步骤四 实验步骤 1 观察装于双平行梁上的压电加速度计的结构 它主要由压电 陶瓷片及惯性质量块组成 2 将压电加速度计的输出屏蔽线引到电压放大器的输入端 然 后将电压放大器输出接到低通滤波器的输入端 3 接通激振器 4 开启电源 适当调节低频振荡器的幅度 不宜过大 5 用示波器的两个通道同时观察电压放大器与低通滤波器的输 检测与传感技术实验指导书 15 出波形 6 改变频率 观察输出波形的变化 7 用手轻击试验台 观察输出波形的变化 可见敲击时输出波 形会产生 毛刺 试解释原因 8 关闭电源 按图 10 安装好电涡流传感器 将原接于电压放大 器输出端的示波器通道接到涡流变换器的输出端 将低频振 荡器的频率打到 5 20Hz 范围内 图 10 电涡流示传感器接线 9 开启电源 同时观察压电加速度计的输出和涡流传感器的输 出 注意它们的相位关系 可见两者相位差约为 为什么 五 实验组织运行要求五 实验组织运行要求 采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学 然后在指导 老师的监督下 由学生自己动手 按实验要求完成任务 最后由 指导老师检查实验结果后方可离开 六 实验条件六 实验条件 低频振荡器 电压放大器 低通滤波器 涡流传感器 涡流变换 器 单芯屏蔽线 加速度计 双线示波器 七 实验注意事项七 实验注意事项 1 双平行梁振动时应无碰撞现象 否则将严重影响输出波形 必要时可松开梁的固定端 小心调整一个位置 检测与传感技术实验指导书 16 2 低频振荡器的幅度应适当 避免失真 3 屏蔽线的屏蔽层应接地 4 由于压电式传感器制作困难 动态范围可能与电涡流式传感 器不统一 可由其它传感器如电容式传感器来观察相位差 电容 式传感器的输出波形不经过低通虽然不太光滑 但不影响观察效 果 八 思考问题八 思考问题 为什么电压放大器与压电加速度计的接线必须用屏蔽线 否则会 产生什么问题 九 实验报告要求九 实验报告要求 实验结束后 学生应根据做实验情况 认真完成实验报告的 书写 实验报告应包括实验目的 实验内容 仪器设备 实验原 理 实验电路 实验步骤 实验结果及分析和实验过程中出现的 问题及解决方法等 检测与传感技术实验指导书 17 实验六实验六 磁电式传感器特性测试磁电式传感器特性测试 实验学时 2 实验类型 验证 实验要求 限选 一 实验目的一 实验目的 了解磁电式传感器的原理及性能 二 实验原理二 实验原理 磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量 如振动 位移 转速等 转换成电信号的一种传感器 它不需要辅助电源 就