20160406__2015-2016-2传感器与检测技术实验指导书.doc

2015-2016学年2学期传感器与检测技术课程实验指导书实验一 压电式传感器测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。二、基本原理：以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。三、需用器件与单元：主机箱15V直流稳压电源、低频振荡器；压电传感器、压电传感器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板；振动源、双踪示波器。四、实验步骤：1、先找到压电传感器放在振动台上。2、按图1所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合)，振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。图1 压电传感器振动实验安装、接线示意图3、将主机箱上的调节低频振荡器的频率在68Hz左右，低频振荡器幅度旋钮调节适当振幅，使振动台有明显震感。检查接线无误后合上主机箱电源开关。4、打开电脑桌面软件“CYS-V9.0.exe”，点击“操作”“实验设置”“X轴增量=20”，实验选择选为“2000型”，选择实验项目“压电传感器振动实验”。5、用示波器的“测量通道”选择“双通道”，采样频率为“0.5K”，其他任意，点击“运行”。6、菜单栏“分析”“A通道”，用鼠标单击曲线两个相邻峰值，测周期，同理测量“B通道”，点击“打印预览”，截取图形即可。7、改变低频振荡器的频率(调节主机箱低频振荡器的频率)，观察输出波形变化。实验完毕，关闭电源。实验二 电涡流传感器位移实验一、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、基本原理：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。三、需用器件与单元：主机箱中的15V直流稳压电源、电压表；电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片)、示波器。四、实验步骤：1、找到电涡流传感器实验模块，以及电涡流传感器、测微头、被测体（最好用铁制的）。2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的5mm刻度值对准。按图2安装测微头、被测体铁圆片、电涡流传感器（注意安装顺序：首先将测微头的安装套插入安装架的安装孔内，再将被测体铁圆片套在测微头的测杆上；然后在支架上安装好电涡流传感器；最后平移测微头安装套使被测体与传感器端面相帖并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉），再按图2示意接线。图2 电涡流传感器安装、按线示意图3、打开电脑桌面软件“CYS-V9.0.exe”，点击“操作”“实验设置”“X轴增量=20”，实验选择选为“2000型”，选择实验项目“电涡流位移实验”。4、实验中，旋转测微头从某一零点开始（自行设定），点击“下一步”，逆时针方向依次旋转10个刻度测量一次，（逆时针为了使位移增大，防止与传感器测量头位置太近，没办法保证实验数量），一次取12个实验数据填写在实验数据表中。注意：如果示波器没有曲线出现可能原因之一是量程太小，可以调节量程：选择电压10V。将电压表量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源，记下电压表读数，然后逆时针调节测微头微分筒，每隔0.1mm读一个数，直到输出Vo变化很小为止并将数据列入表1（在输入端即传感器二端可接示波器观测振荡波形）。表1 电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）Vo(V)5、根据表1数据，画出VX实验曲线，根据曲线找出线性区域比较好的范围计算灵敏度和线性度（可用最小二乘法或其它拟合直线）。菜单栏“分析”“A通道”，“端基直线法或者最小二乘法”用鼠标单击曲线左右两个边界线，点击“打印预览”，截取图形即可。6、实验完毕，关闭电源。实验三 应变片单臂电桥性能实验一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。1.测量电路电桥电路电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图3（a）、（b）、（c）所示。（a）单臂 （b）半桥 （c）全桥图3 应变片测量电路（a）单臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E设R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K为灵敏度系数。则Uo(14)(R1R1)E(14)(RR)E(14)KE(b)双臂(半桥)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)全桥同理:Uo(RR)EKE2、箔式应变片单臂电桥实验原理图 图4 应变片单臂电桥性能实验原理图图4中R5、R6、R7为350固定电阻，R1为应变片； RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源4V。桥路输出电压Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差动放大器输出为Vo。三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4位数显万用表（自备）。四、实验步骤：应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。1、将托盘安装到传感器上，如图3所示。图3 传感器托盘安装示意图2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。）。图5测量应变片的阻值示意图3、实验模板中的差动放大器调零：按图6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置(调整最大，或者先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表20V、2V、200mV档显示为零。图6差动放在器调零接线示意图4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图7示意图接线，将2V10V可调电源调节到4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。图7应变片单臂电桥实验接线示意图表1 应变片单臂电桥性能实验数据重量(g)0电压(mV)05、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度SV/W（V输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差，=m/yFS 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：yFS满量程输出平均值，此处为200g。实验完毕，关闭电源。 6、应变片半桥实验：关闭主机箱电源，除将图7改成图8示意图接线外，其它按实验三中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表2中。图8 应变片半桥实验接线示意图表2 应变片半桥实验数据重量(g)0电压(mV)07.应变片全桥实验：实验步骤与方法（除了按图9示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。图9应变片全桥性能实验接线示意图表3全桥性能实验数据重量(g)电压(mV)实验四 应变片直流全桥的应用电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图41。本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。图41 数字电子称原理框图三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤：1、按实验三中的1和3步骤实验。2、关闭主机箱电源，按图9（应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将2V10V可调电源调节到4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；3、将10只砝