传感器与检测技术实验指导书.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除传感器与检测技术实验指导书 一、实验台组成CSY-2000（HM152型）系列传感器与检测技术实验台由主控台、三源板(温度源、转动源、振动源)、15个(基本型)或22个(增强型)传感器和相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌六部分组成。1、主控台部分，提供高稳定的15V、+5V、2V10V可调、+2V+24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、频率、转速的3位半数显表。音频信号源(音频振荡器)0.4KHz10KHz(可调)；低频信号源(低频振荡器)1Hz30Hz(可调)；气压源015kpa可调；高精度温度控制仪表(控制精度0.5)；RS232计算机串行接口；流量计。2、三源板：装有振动台1Hz30Hz(可调)；旋转源0-2400转/分(可调)；加热源2L2P，则输出电压U0受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2L2P Rp2时输出U0与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。三、需用器件与单元：与实验十相同。四、实验步骤：1、差动变压器安装同实验十。接线图同实验十。2、选择音频信号输出频率为1KHz从Lv输出，(可用主控台的频率表显示频率)移动铁芯至中间位置（即输出信号最小时的位置）。3、旋动测微头，每间隔0.2mm在示波器上读取一数据Vp-p。4、分别改变激励频率为3KHz、5KHz、7KHz 、9KHz，重复实验步骤1、2将测试结果记入表11-1表11-1不同激励频率时输出电压(峰-峰值)与位移X关系。XV0f(khz)13579作出每一频率时的U-X曲线，并计算其灵敏度Si，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验一、实验目的：了解差动变压器零点残余电压补偿方法。二、基本原理：由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B-H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。称其为零点残余电压。三、需用器件与单元：音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。四、实验步骤：1、按图12-1接线，音频信号源从Lv插口输出，实验模板R1、C1 Rw1、Rw2为电桥单元中调平衡网络。图12-1 零点残余电压补偿电路2、利用示波器调整音频振荡器输出为2V5V峰-峰值，频率为45KHz之间。3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。4、依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值(峰-峰值)。(注：这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压=V零点p-p/K，K为放大倍数)五、思考题：1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。2、本实验也可用图12-2所示线路，请分析原理。图3-4 零点残余电压补偿电路之二实验十三 差动变压器的应用振动测量实验一、实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。二、基本原理：利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。三、需用器件与单元：音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波模板、数显单元、低频振荡器、示波器、直流稳压电源、振动源。四、实验步骤：1、将差动变压器按图13-1，安装在振动源。并用手按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死现象，否则必须调整安装位置。图13-1 差动变压器振动测量安装图2、按图13-2接线，并调整好有关部分，调整如下：(1)检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察Lv峰-峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=4V，频率调整在5KHz。(2)利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。(3)仔细调节Rw1和Rw2使示波器(相敏检波输出)显示的波形幅值更小，基本为零点。(4)用手按住振动平台(让传感器产生一个大位移)仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。(5)松手，整流波形消失变为一条接近零点线(否则再调节Rw1和Rw2)。低频振荡器输出引入振动源的低频输入，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示波器观察放大器V0相敏检波器的V0及低通滤波器的V0波形。图13-2 差动变压器振动测量实验接线图3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据，填入下表13-1(频率与输电压Vp-p的监测方法与实验十相同)。表13-1F(Hz)Vp-p(V)4、根据实验结果作出梁的f-Vp-p特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验，可得到振幅Vp-p曲线(定性)。注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。五、思考题：1、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？2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？实验十四 电容式传感器的位移实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。二、基本原理：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三个参数中的某一个，即如果保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测量谷物干燥度(变)、测量微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、直流电压表、直流稳压源。四、实验步骤：1、按图10-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图4-1。图14-1 电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端V01与直流电压表Vi相接(插入主控箱Vi孔)，Rw调节到中间位置。4、接入15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表显示最小，并将测量支架顶部的螺钉拧紧，旋转测微头，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表14-1。将测微头旋回到10mm处，反复试验内容。X(mm)10mmV(mv)最小5、根据表14-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。五、思考题：试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？实验十五 电容传感器动态特性实验一、实验目的：了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。二、基本原理：利用电容传感器动态响应好，可以非接触测量等特点。进行动态位移测量。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、低通滤波模板、数显单元、直流稳压电源、振动源、双线示波器。四、实验步骤：1、传感器安装图同实验十三图13-1，按图14-1接线。实验模板输出端V01接滤波器输入端、滤波器输出端o3接示波器一个通道（示波器轴为20ms/div、Y轴示输出大小而变）。调节传感器连接支架高度，使01输出在零点附近。2、主控台低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选612Hz之间，幅度旋钮初始置最小（）。3、输入15V电源到实验模板，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。4、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用频率表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。从示波器测出传感器输出的01峰峰值。保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的01峰峰值。五、思考题：1、为了进一步提高电容传器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计？如何设计成所谓容栅传感器？2、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量CO和移动0.5mm时的变化量，（本实验外圆半径R=8mm，内圆柱外半径r=7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度1=16mm。 电容传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨力高（可达0.01mm甚至更高）、动态响应好、可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移，高频振动振幅，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水份）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。实验十六 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：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。三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源4V、15、测微头、直流电压表。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器按图16-1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图16-2进行。1、3为电源4，2、4为输出，R1与4之间的连线可暂时不接。图16-1 霍尔传感器安装示意图2、开启电源，将测微头旋至10mm处，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，即电压表显示最小，拧紧测量架顶部的固定螺钉，接入R1与4之间的连线，再调节Rw1使直流电压表指示为零（电压表置2V档）。图16-2 霍尔传感器位移 直流激励实验接线图3、旋转测微头，每转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，将读数填入表16-1，将微头旋回至10mm处，反向旋转测微头，重复实验过程，填入表16-1。表16-1：霍尔式位移量与输出电压的关系X(mm)V(mv)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。五、思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？实验十七 交流激励时霍尔式传感器的位移实验 一、实验目的：了解交流激励时霍尔片的特性。 二、基本原理：交流激励时霍尔元件与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。 三、需用器件与单元：在实验十六基础上加相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。 四、实验步骤：1、传感器安装同实验十六，实验模板上连线见图17-1。平衡网络C1、R1与霍尔传感器输出端之间的连线可暂时不接。霍尔实验模板 移相、相敏、低通模板图17-1 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图2、调节音频振荡器频率和幅度旋扭，从LV输出端用示波器测量，使输出为1KHZ、峰峰值为4V，接入电路中（激励电压从音频输出端LV输出频率1KHZ，幅值为4V峰峰值，注意电压过大会烧坏霍尔元件）。3、移动测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，接入平衡网络C1、R1与霍尔传感器输出端之间的连线，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使示波器显示更小（为零）。4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器和相敏检波电位器，使示波器显示全波整流波形，且直流电压表显示相对值（电压表置2V档）。5、调节测微头使霍尔传感器回到磁钢中点，微调RW1、RW2和移相单元电位器和相敏检波电位器，使直流电压表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm或0.5mm时电压表的读数，填入表17-1。表17-1交流激励时输出电压和位移数据X(mm)V(mv)6、根据表17-1作出V-X曲线，计算不同量程时的非线性误差。五、思考题：利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？*实验十八 霍尔传感器振动测量实验 请参考实验十三，将差动变压器换成霍尔传感器，自己组织。实验十九 霍尔传感器应用电子秤实验 一、实验目的：了解霍尔式传感器用于称重实验方法。 二、基本原理：利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移，通过测位移来称重。 三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、直流电压表。 四、实验步骤：1、传感器安装如图13-1、并用手按压振动台，不能使霍尔传感器的活动杆有卡死现象，否则必须调整安装位置。线路接法与实验十六相同。2、在霍尔元件上加直流电压4（用专用的电源线），直流电压表置2档 。3、利用实验十六的结果（V-X曲线）调节传感器连接支架高度，使传感器在磁钢中点位置（要求当振动台无重物时，调节传感器高度使它在线性段起点），调RW2使直流电压表输出零。4、在振动台面上中间部位分别加砝码：20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表上相应值，依次填入表19-1。表19-1W(g)V(mv)5、根据表19-1计算该称重系统的灵敏度。6、放上未知重物，读出直流电压表电压值。7、计算出未知重物为g。8、注：因传感器活动杆存在一定的摩擦力，同时振动梁又是一个简易弹性体，它的非线性形变较大，只作为原理性演示。五、思考题：1、该电子称系统所加重量受到什么限制？2、试分析本称重系统的误差。实验二十 霍尔测速实验一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。二、基本原理：利用霍尔效应表达式：UH=KHIB, 当被测圆盘上装上只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，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。三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、直流源5V、转速调节224V、转动源单元、转速表。四、实验步骤：1、根据图20-1，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。图5-4 霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图2、将5直流源加于霍尔元件电源输入端。红（）黑（）绿（F ）3、将霍尔转速传感器输出端（绿）插入频率表的输入端。4、将转速调节中的2V-24V转速电源引入到台面上转动单元中转动电源2-24VK插孔。5、将等精度频率表直键开关拨到转速档，此时频率表指示转速。6、调节转速调节电压使转动速度变化。观察频率表转速显示的变化。五、思考题：1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？实验二十一 磁电式转速传感器测速实验一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。二、基本原理：基于电磁感应原理，匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势： 发生变化，因此当转盘上嵌入个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。三、需用器件与单元：磁电传感器、转速表、转动调节2-24V，转动源。四、实验步骤：1、磁电式转速传感器按图20-1安装，传感器端面离转动盘面2mm左右，并且对准反射面内的磁钢。将磁电式传感器输出端插入等精度频率表输入插孔。2、将直键开关选择转速测量档。3、将转速调节电源2-24V用引线引入到台面板上转动源单元中转动电源2-24V插孔，合上主控台电源开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。五、思考题：为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？*实验二十二 用磁电式原理测量振动实验（地震）磁电式传感器是绝对测量原理的传感器，因此它可以直接放在地面上测量地震，因而不用找其它相对静止点。请设计一个简易的地震仪用来测量车床的床身振动。实验二十三 压电式传感器测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速