传感器验指导书

传感器与检测技术 实验指导书 张秀峰 大连民族学院 机电信息工程学院 2014 年年 10 月月 20 日日 实验基本要求实验基本要求 1 每位学生必须按规定完成实验课 因故不能参加实验者 应课前向指导教师请假 必须经有关领导批准 对所缺实验要在期末考试规定时间内补齐 缺实验者不得参加期 末考试 2 每次实验课前 必须作到预习 弄清实验题目 目的 内容 步骤和操作过程 及需记录的参数等 认真做好预习报告 在实验前 指导教师要检查预习结果并接受进行 提问 对不写预习报告 又回答不出问题者 不准做实验 3 每次实验课前 学生须提前 5 分钟进入实验室 找好坐位 检查所需实验设备 做好实验前的准备工作 4 做实验前 了解设备的原理和正确使用方法 在没有弄懂仪器设备的使用方法前 不得贸然使用 否则因使用不当造成仪器设备损坏的 根据大连民族学院 仪器设备损坏 丢失处理暂行办法 规定进行处理 5 实验室内设备在实验过程中不准任意搬动和调换 非本次实验所用仪器设备 未 经指导教师允许不得动用 6 要求每位学生在实验过程中 要具有严谨的学习态度 认真 踏实 一丝不苟的 科学作风 坚持每次实验都要亲自动手 不可 坐车 实验小组内要轮流接线 操作和记 录等工作 无特殊原因 中途不得退出实验 否则本次实验无效 7 实验中若接线 改接 拆线都必须在切断电源的情况下进行 包括安全电压 线 路连接完毕再送电 实验中 特别是设备刚投入运行时 要随时注意仪器设备的运行情况 如发现有超量程 过热 异味 冒烟 火花等 应立即断电 并请指导老师检查 处理 8 实验过程中 如出现事故 就马上拉开电源开关 然后找指导教师和实验技术人 员 如实反映事故情况 并分析原因和处理事故 如有损坏仪表和设备时 应马上提出 按有关规定处理 9 每次实验结束 指导教师要对实验数据和结果进行 要经检查并签字 在教师确 认正确无误后 学生方可拆线 整理好实验台和周围卫生 填写实验登记簿后方可离开 10 实验课后 每位学生必须按实验指导书的要求 独立完成实验报告 不得抄袭 实验说明实验说明 1 本实验对应的课程为传感器与检测技术 对应的专业为自动化 测控技术与仪器 本实验是学生的专业基础课程 对于培养学生的接触实践起非常重要的作用 本课程的实 验教学目的是通过本课程的学习 使学生更好地掌握在自动控制系统中广泛使用的传感器 变送器和各类检测仪表 进一步加强学生独立分析 解决问题的能力 同时注意培养学生 实事求是 严肃认真的科学作风和良好的实验习惯 为今后工作打下良好的基础 2 实验类别 专业必修课 3 实验特点 理论和实践紧密联系 CSY 2000CSY 2000 型传感器与检测技术试验台型传感器与检测技术试验台 说 明 书 一 实验台的组成一 实验台的组成 CSY 2000 型传感器与检测技术实验台由主机箱 传感器 实验电路 实验模板 转 动源 振动源 温度源 数据采集卡及处理软件 实验桌组成 1 主机箱 提供高稳定的15V 5V 5V 2V 10V 步进可调 2V 24V 连续可调 直流稳压源 音频信号源 音频振荡器 1KHz 10KHz 连续可调 低频信号源 低频振荡器 1Hz 30Hz 连续可调 传感器信号调理电路 智能调节仪 计算机通信口 主机箱上装有电压 气压等相关数据表 其中 直流稳压电源 音频振荡 器 低频振荡器都具有过载保护功能 在排除接线错误后重新开机恢复正常工作 主机箱 右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关 2 振动源 动态应变振动梁与振动台 振动频率 3Hz 30Hz 可调 谐振频率 9Hz 12Hz 左右 3 转动源 手动控制 0 转 分 2400 转 分 自动控制 300 2200 转 分 4 温度源 常温 200 5 气压源 0 20Kpa 连续可调 6 传感器 基本型 有箔式应变片 350 传感器 称重 200g 扩散硅压力传感器 20Kpa 差动变压器 4mm 电容式位移传感器 2 5mm 霍尔式传感器 1mm 霍尔式转速传感器 2400 转 分 磁电转速传感器 250 转 分 2400 转 分 压电式传 感器 电涡流传感器 1mm 光纤位移传感器 1mm 光电转速传感器 2400 转 分 集 成温度 AD590 传感器 室温 120 K 热电偶 室温 150 E 热电偶 室 温 150 Pt100 铂电阻 室温 150 Cu50 铜电阻 室温 100 湿度传感器 10 95 RH 气敏传感器 50 2000PPm 等 增强型 基本型基础上可选配扭矩传感器 25N m 超声位移传感器 200 1500mm PSD 位置传感器 2mm CCD 传感器 光栅位移传感器 25mm 红外 热释电传感器 指纹传感器 演示 等 7 调理电路 实验模板 基本型有电桥及调平衡网络 差动放大器 电压放大器 电荷放大器 电容变换器 电涡流变换器 光电传感器 温度变换器 移相器 相敏检波 器 低通滤波器 增强型增加相应的配套实验模板 8 数据采集处理软件 另附 9 实验台 尺寸为 1600800750mm 验台桌上预留了计算机及示波器安放位置 2 2 电路原理电路原理 实验电路原理已印刷在面板上 实验模板上 实验接线图参见文中的具体实验内容 3 3 使用方法使用方法 1 开机前将电压表显示选择旋钮打到 2V 档 电流表显示选择旋钮打到 200mA 档 步 进可调直流稳压电源旋钮打到2V 档 其余旋钮都打到中间位置 2 将 AC 220V 电源线插头插入电插座中 合上电源开关 数显表显示 0000 表示试 验台已接通电源 3 做每个实验前应先阅读实验指南 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 实验中用到可调直流电源时 应在该电源调到实验值后再接到实验线路中 检查无误后方可接通电源 4 合上调节仪 器 电源开关 设置调节仪 器 参数 调节仪 器 的 PV 窗显示 测量值 SV 窗显示设定值 具体内容参见实验 5 数据采集卡及处理软件使用方法另附说明 四 仪器维护及故障排除四 仪器维护及故障排除 1 维护 1 防止硬物撞击 划伤实验台面 防止传感器跌落地面 2 实验完毕要将传感器 配件及连线全部整理放置好 2 故障排除 1 开机后数显表都无显示 应查 AC 220V 电源有否接通 主机箱侧面 AC 220V 插座 中的保险丝是否烧断 如都正常 则更换主机箱中主机电源 2 转动源不工作 则手动输入 12V 电压 如不工作 更换转动源 如工作正常 应 查调节仪设置是否正确 控制输出 Uo有无电压 如无电压 更换主机箱中的转速控制板 3 振动源不工作 检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出 如无输出 更换信号 板 如有输出 更换振动源的振荡线圈 4 温度源不工作 检查温度源开关有否打开 温度源的保险丝是否烧断 调节仪设 置是否准确 如都正常 则更换温度源 5 5 注意事项注意事项 1 在实验前务必详细阅读用户手册 2 严禁用酒精 有机溶剂或其它腐蚀性溶液擦洗主机箱及面板 3 请勿将主机箱的电源 信号源输出端与地 短接 因短接时间长易造成电路故 障 4 请勿将主机箱的电源引入实验电路时接错 5 在更换接线时 应断开电源 只有在确保接线无误后方可接通电源 6 实验完毕后 请将传感器及附件放回原处 7 如果实验台长期未通电使用 在实验前先通电十分钟预热 再检查按一次漏电按钮 是否有效 8 实验接线时 要握住手柄插拔试验线 不能拉扯实验线 实验一实验一 应变传感器的性能研究应变传感器的性能研究 一 实验类型 一 实验类型 验证性实验 二 实验目的二 实验目的 1 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式 2 测试应变梁变形的应变输出 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 三 实验内容三 实验内容 1 设计并实现应变传感器的测试桥路 2 测量单臂 半桥 全桥测量电桥的输出 记录数据 绘制关系曲线 并分析之 四 实验原理四 实验原理 1 本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况 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 当测件受力发生形变 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 当使用一个应变片时 当二个应变 R R R 片组成差动状态工作 则有 用四个应变片组成二个差动对工作 且 R1 R2 2 R R R R3 R4 R 4 R R R 由此可知 单臂 半桥 全桥电路的灵敏度依次增大 2 已知单臂 半桥和全桥的分别为 R R 2 R R 4 R R 根据戴维南定理可R 以得出测试电桥的输出电压近似等于 电桥灵敏度 于是对1 4 ER KuVR R 应于单臂 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 五 实验要求五 实验要求 熟悉 CSY 系统传感器实验系统 能自行设计实现应变式传感器的测量桥路 掌握应变 式传感器的各种测量电路的性能 六 实验仪器设备六 实验仪器设备 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 预习要求七 预习要求 实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理 明确实验内容及实验目的 须持实验预习报告后 方可进入实验室进行实验 八 实验步骤八 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 按图 1 1 接线 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 R1 为工作应变片 WD为可调电位器 r 为调平衡电阻 电 源由直流稳压电源提供 4 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 按图 1 2 接线 逐次在托盘上添加砝码 以水平状态下输出电压为零 每次增加一 个砝码 记录一个差动放大器输出电压值 将测得数值填入下表 1 1 6 按图 1 3 接线 保持放大器增益不变 形成半桥 调整电桥平衡电位器 使表头指 零 然后重复第 5 步操作 同样测出读数 填入下表 1 2 图 1 2 单臂电桥实验电路图 图 1 1 调零实验电路图 7 按图 1 4 接线 保持差动放大器增益不变 接成一个直流全桥 通过电桥平衡电位 器调好零点 重复第 5 步操作 将读出数据填入下表 1 3 8 在同一坐标纸上描出 W V 曲线 比较三种接法的灵敏度 X V S 重 量 X g 电压 V mV 重 量 X g 电压 V mV 图 1 3 差动电桥实验电路图 图 1 4 全桥电路实验电路图 表 1 1 单臂电桥实验数据 表 1 2 差动电桥实验数据 表 1 3 全桥电路实验数据 九 实验报告要求九 实验报告要求 1 按表格要求记录实验数据 并进行数据处理 绘制关系曲线 2 根据实验数据处理结果和关系曲线 对传感器的性能进行分析 十 思考题十 思考题 1 根据实际测试的数据与理论上推导的公式相比较 结论如何 2 对桥路测量线路有何特别的要求 为什么 注意事项 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 工作状态相同 R2 与 R4 工作状态相同 5 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 重 量 X g 电压 V mV 实验二实验二 差动变送器性能测试差动变送器性能测试 一 实验类型 一 实验类型 验证性实验 二 实验目的二 实验目的 1 了解差动变压器的原理及工作情况 2 通过实验验证差动变压器的基本特性 3 了解如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿 三 实验内容三 实验内容 1 从音频振荡器输出频率信号送给差动变压器 用示波器读出次级输出电压 2 设计减少零残电压的电路并实现 2 绘制关系曲线 并分析结果 四 实验原理四 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 初级线圈作为差动变压 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向串接而 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 2 1 图1 音频振 荡器 4KHz 接 第 一 通 道 接 第 二 通 道 零残电压中主要包含两种波形成分 1 基波分量 这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数 M L R 不同 线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损 线圈中线间电容的存在 都使 得激励电流与所产生的磁通不同相 2 高次谐波 主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起 由于磁滞损耗和铁磁饱和的影 响 是激励电流与磁通波形不一致 产生了非正弦波 主要是三次谐波 磁通 从而在二 次绕组中感应出非正弦波的电动势 减少零残电压的办法有 从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称 采用 相敏检波电路 选用补偿电路 五 实验要求五 实验要求 熟悉 CSY 系统传感器实验系统 建立差动变压器性能测试电路 零残电压补偿电路 记录数据 绘制相关曲线 并分析之 图 2 1 差动变压器实验原理图 六 实验仪器设备六 实验仪器设备 差动变压器 音频振荡器 测微头 示波器 电桥 差动放大器 七 预习要求七 预习要求 实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理 明确实验内容及实验目的 须持实验预习报告后 方可进入实验室进行实验 八 实验步骤八 实验步骤 1 设定有关旋钮初始位置 音频振荡器 4KHz 双线示波器第一通道灵敏度 500mV cm 第二通道灵敏度 20mV cm 触发选择打到第一通道 2 按图 2 2 接线 音频振荡器必须从 LV 接出 3 调整音频振荡器幅度旋钮 使音频 LV 信号输入到初级线圈的电压为 2Vp p 4 旋动测微头 从示波器上读出次级输出电压 Vp p 值填入下表 2 1 读出过程中应注意初 次级波形的相位关系 当铁芯从上至下时 相位由 相 变为 相 5 仔细调节测微头使次级的差动输出电压为最小 必要时应将通道二的灵敏度打到较 高档 如 0 2V cm 这个最小电压叫做 6 根据所得结果 画出 Vop p X 曲线 指出线线工作范围 求出灵敏度 V S X 位 移 X mm 正行程 电 压 V mV 位 移 X mm 反行程 电 压 V mV 图 2 2 差动变压器实验接线图 表 2 1 实验数据纪录 九 实验报告要求九 实验报告要求 1 记录差动变压器位移值和次级线圈输出的电压值 绘制关系曲线 并分析之 2 分析零残电压的产生原因及补偿办法 分析补偿效果产生的原因 十 思考题十 思考题 如果用直流电压表来读数 需增加哪些测量单元 测量线路该如何 注意事项 注意事项 1 差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口 LV 插口 输出 2 差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式 即同名端相连 这可通过信号相 位有否变化判别之 3 差动变压器与示波器的连线应尽量短一些 以免引入干扰 实验三实验三 电容式传感器性能测试电容式传感器性能测试 一 实验类型 一 实验类型 验证性实验 二 实验目的二 实验目的 掌握电容式传感器的工作原理和测量方法 三 实验内容三 实验内容 建立电容式传感器性能测试电路 并移动电容动片 记录差动电容检测电路输出的电 压值 作出关系曲线 并分析之 四 实验原理四 实验原理 电容式传感器有多种形式 本仪器中是差动变面积式 传感器由两组定片和一组动片 组成 当安装于振动台上的动片上 下改变位置 与两组静片之间的重叠面积发生变化 极间电容也发生相应变化 成为差动电容 如将上层定片与动片形成的电容定为 下 1X C 层定片与动片形成的电容定为 当将和接入电桥作为相邻两臂时 桥路的输 2X C 1X C 2X C 出电压与电容量的变化有关 即与振动台的位移有关 如图 3 1 所示 图图1 1 V V 电容 放大器 V V0 0 五 实验要求五 实验要求 了解差动变面积式电容传感器的原理及特性 六 实验仪器设备六 实验仪器设备 电容传感器 电容变换器 差动放大器 低通滤波器 低频振荡器 测微仪 七 预习要求七 预习要求 实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理 明确实验内容及实验目的 须持实验预习报告后 方可进入实验室进行实验 八 实验步骤八 实验步骤 1 按图 3 2 接线 电容变换器和差动放大器的增益适中 图 3 1 电容式传感器实验原理图 2 装上测微仪 带动振动台位移 使电容动片位于两静片中 此时差动放大器输出为 零 3 以此为起点 向上和向下位移动片 每次 0 5mm 直至动片与一组静片全部重合为 止 记录数据 值填入下表 3 1 中 并做出 V X 曲线 求得灵敏度 4 低频振荡器输出接 激振 I 端 移开测微头 适当调节频率和振幅 使差放输出波 形较大但不失真 用示波器观察波形 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 九 实验报告要求九 实验报告要求 1 记录电容动片上下移动时电压表的读数 并作出 V X 曲线 2 根据实验数据和曲线进行结果分析 十 思考题十 思考题 分析示波器输出曲线的产生原因 注意事项注意事项 1 电容动片与两定片之间的距离必须相等 必要时可稍作调整 位移和振动时均不可 有擦片现象 否则会造成输出信号突变 2 如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波 请将电容变换器增益进一步 减小 3 由于悬臂梁弹性恢复滞后 虽然测微仪回到开始刻度 但差放输出电压并不回零 此时可反方向旋动测微仪 使输出电压过零后再回到初始位置 反复几次 差放电压即到 零 然后进行负方向实验 位 移 X mm 正行程 电 压 V mV 位 移 X mm 反行程 电 压 V mV 图 3 2 电容式传感器实验接线图 表 3 1 实验数据记录 实验四实验四 霍尔式传感器与应用霍尔式传感器与应用 一 实验类型 一 实验类型 验证性实验 二 实验目的二 实验目的 了解霍尔式传感器的结构 工作原理 工作特性 学会用霍尔传感器做静态位移测试 三 实验内容三 实验内容 建立霍尔式传感器性能测试电路 使霍尔元件位于梯度磁场中 进行上下移动 记录 测试电路输出电压 并求出灵敏度及线性 四 实验原理四 实验原理 霍尔传感器是由两个半圆形永久磁钢组成梯度磁场 位于梯度磁场中的霍尔元件 霍 尔片通过底座连结在振动台上 当霍尔片通以恒定的电流时 霍尔元件就有电压输出 改 变振动台的位置 霍尔片就在梯度磁场中上 下移动 输出的霍尔电势V值取决于其在磁 场中的位移量Y 所以由霍尔电势的大小便可获得振动台的静位移 原理如图4 1所示 五 实验要求五 实验要求 熟悉霍尔传感器的性能 搭建测试电路 并对结果进行分析 六 实验仪器设备六 实验仪器设备 霍尔片 磁路系统 电桥 差动放大器 电压表 直流稳压表 测微头 七 预习要求七 预习要求 实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理 明确实验内容及实验目的 须持实验预习报告后 方可进入实验室进行实验 八 实验步骤八 实验步骤 1 设定旋钮初始位置 差动放大器增益旋钮打到最小 电压表置 2V 档 直流稳压电 源置 2V 档 注意 激励电压必须 2V 否则霍尔片易损坏 2 开启电源 按实验一的方法对差动放大器调零 3 WD r 为直流平衡网络中的电桥单元 按图 4 2 接线 差动增益适中 4 装好测微头 即将测微头与振动台面连在一起 图 4 1 霍尔式传感器实验原理图 5 调整 WD使电压表指示为零 6 上下旋动测微头 记下电压表的读数 建议每 mm 读一个数 上下各移动适当范围 将读数填入表 4 1 中 作出 V X 曲线指出线性范围 求出灵敏度 可见 本实验测出的实际上是磁场的分布情况 它的线性越好 位移测量的线性度 也越好 它们的变化越陡 位移测量的灵敏度也就越大 九 实验报告要求九 实验报告要求 记录实验数据 绘制关系曲线 分析结果 十 思考题十 思考题 霍尔传感器在应用中要注意哪些问题 注