【实用】感测技术实验指导书

感 测 技 术 实 验 指 导 书 吴 爱 平 编 电 子 信息 学 院 二 00 九 年 五 月 实 验 目 录 （ 必 做 ） 实验一 转速测 量实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 实验二 重量测 量实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 实验三 温度测 量实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 （ 选 做 ） 实验四 位移测 量实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 实验五 振动测 量实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 实验六 热电偶 冷端温度 补偿实 验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 实验七 气敏传 感器实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 实验八 压力测 量实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 附录一 实验台 使用说明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 附录二 调节仪 使用说明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 感测技术实验指导书 1实 验 一 转 速 测 量 实 验 一 、 实验目的 ： 1 熟悉和 掌握 霍尔 转 速 传感 器 、 磁 电式 、 光 电转 速传 感器的 工作 原理 。 2 了解转 速的 测量 方法 。 二 、 基本原理 ： 1 利用霍 尔效 应表 达式 ： ， 当被测 圆盘 上 装上 N 只磁 性体 时 ， 圆 盘 每转一周磁场 就变 化 N 次 。 每 转 一周霍 尔电 势就 同频 率相 应变化 ， 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 。 2 基 于电 磁感 应原 理 ， N 匝线圈 所在 磁场 的磁 通变 化时 ， 线圈 中感 应电 势 ： 生变 化 ， 因此 当转 盘上 嵌入 N 个磁 棒时 ， 每 转一 周线 圈感应电 势产 生 N 次的变 化 ， 通过 放大 、 整 形和 计数 等电路 即可 以测 量转 速 。 3 光电式 转速传感 器有反 射型和直 射型二种 ， 本实 验装置是 反射型的 ， 传感 器端部 有发光管 和光 电池 ， 发光 管 发出的 光源 在转 盘上 反射 后由光 电池 接受 转换 成电 信号 ， 由 于转 盘上有黑 白相 间的 12 个间 隔 ， 转动 时将 获得 与转 速及 黑白间 隔数 有关 的脉 冲 ， 将电脉 计数 处理即可 得到 转速 值 。 三 、 实验所需部件 ： 霍 尔转速 传感 器 、 磁电 传感 器 、 光 电转 速传 感器 、 直 流电源 5 V 、转动 源 2 12 V 、 数显 单元 、 导线 若干 。 四 、 实验步骤 ： 1 、 根据 图 1 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 1 1 霍尔 、 光 电 、 磁 电转速 传感 器安 装示 意图 感测技术实验指导书 22 、 将 5 V 直 流源 加于 霍尔 转 速传感 器的 电源 端 （ 1 号 接线端 ） 。 3 、 将霍尔 转速 传感 器输 出端 （ 2 号 接线 端 ） 插入 数显 单元 F i n 端 ， 3 号 接线 端接 地 。 4 、 将转速 源 2 V 1 2V 输出 旋至最 小 ， 接入 三源 板的 转速电 源孔 中 。 5 、 将数显 单元 上的 开关 拨到 转速档 ， 合 上主 控箱 电源 开关 。 6 、 调节转 速电 压 ， 可 改变 电机 转速 ， 观 察并 记录 电压 每增 加 1 V 时 数显 表转 速显 示 的值 ，填入 表 1 1 中 。 7 、 关闭主 控箱电 源开关 ， 取下霍尔 转速传感 器 ， 进 行光电转 速测量 ， 光电转 速传感 器 已安装在 三源 板上 ， 把三 源 板上 的 + 5 V 、 接地 、 与 主控箱 上的 + 5 V 、 地 、 数显 表的 F i n 相连 。 8 、 将 转速 源 2 12 V 输 出 旋到最 小 ， 接到 三源 板的 转速电 源插 孔中 。 9 、 合上 主控 箱电 源开关 ， 调节转 速 源 2 12 V ， 观察 并记录 电压 每增 加 1 V 时 数显表 转 速显示的 值 ， 填入 表 1 2 中 。 1 0 、 关 闭主 控箱 电源 开关 ， 取下 光电 传感 器的 相关 连线 ， 进行 磁电 式转 速测 量 。 1 1 、 磁电 式转 速传 感器 按 图 1 - 1 安装 传感 器端 面离 转动盘 面 2m m 左右 ， 并 且 将磁电 式转速传感 器中 心对 准磁 钢中 心 。 将 磁电 式转 速传 感器 输出端 插入 数显 单 元 F i n 孔 。 （ 磁 电 式转速传 感器 两输 出插 头插 入台面 板 上 二个 插孔 ） 12 、 将转 速源 2 12 V 输出 旋到最 小 ， 接 到三 源板 的 转速电 源插 孔中 ， 合上 主 控箱电 源开关 ， 调 节转 速源 2 1 2V ， 记录数 显表 转速 显示 为 0 时的电 压最 大值 。 继 续观 察并记 录 电压每增 加 1 V 时数 显表 转 速显示 的值 ， 填 入 表 1 3 中 。 表 1 1 电 压与 转速 （ 霍 尔 转速传 感器 ） 电 压 （ V ） 转 速( r / m i n) 表 1 2 电 压与 转速 （ 光 电 转速传 感器 ） 电 压 转 速( r / m i n) 感测技术实验指导书 3表 1 3 电 压与 转速 （ 磁 电 转速传 感器 ） 电 压 转 速( r / m i n) 五 、 思考题 ： 1 、 本实验 装置 上用 了六 只磁 钢 ， 能 否用 一只 磁钢 ？ 2 、 本实验 中用 了多 种传 感器 测量转 速 ， 试分 析比 较一 下哪种 方法 最简 单 、 方便 ? 3 、 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 ？ 4 、 如何利 用光 电传 感器 和调 节仪自 动控 制电 机转 速 ? 感测技术实验指导书 4实 验 二 重 量 测 量 实 验 一 、 实验目的 ： 1 了解金 属箔 式应 变片 的应 变效应 ， 电 桥的 工作 原理 。 2 了解单 臂电 桥 、 半桥 、 全 桥的性 能 ， 并比 较其 灵敏 度和非 线性 度 。 3 通过实 验后 能够 设计 信号 放大电 路 。 二 、 基本原理 ： 电阻丝 在外 力作 用下 发生 机械变 形时 ， 其电 阻值 发 生变化 ， 这就 是电 阻应 变 效应 ， 描 述电阻应 变效 应的 关系 式为 ： R R K 式中 R R 为电 阻丝 电阻 相对变 化 ， K 为应变 灵敏 系 数 , = l / l 为电 阻丝 长度 相对变 化 ，金属箔 式应 变片 就是 通过 光刻 、 腐 蚀等 工艺 制成 的 应变敏 感元 件 ， 通 过它 转 换被测 部位 受力状态 变化 、 电桥 的作 用 完成电 阻到 电压 的比 例变 化 ， 电桥 的输 出电 压反 映 了相应 的受 力状态 。 对单 臂电 桥输 出电 压 U E K /4 。 对于 半 桥 不同 受力 方向 的两 只应 变片接 入 电桥作为 邻边 ， 电桥 输出 灵 敏度提 高 ， 非 线性 得到 改 善 。 当应 变片 阻值 和应 变 量相同 时 ， 其桥路输 出电 压 E K 2 。 全 桥测 量电 路中 ， 将 受力性 相同 的两 应变 片接 入电桥 对边 ，当应变 片初 始阻 值 ： R 1 R 2 R 3 R 4 ， 其变 化值 R 1 R 2 R 3 R 4 时 ， 其桥 路输出电 压 K E 。 其 输出灵 敏度 比半 桥又 提高 了一倍 ， 非 线性 误差 得到 改善 。 三 、 实 验 所 需 部 件 ： 应 变 式 传感 器实 验 模板 、 应变 式 传感 器 、 托 盘 、 砝码 、 数 显表 、 15 V 电 源 、 4 V 电源 、 万用表 、 导 线若 干 。 四 、 实验步骤 ： 1 、 根据图 2 1 可 知应 变式 传 感器已 装于 应变 传感 器模 板上 。 各应 变片 已接 入模 板的左 上 方 的 R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4 。 加 热 丝 也 接 于 模 板 上 ， 可 用 万 用 表 进 行 判别 ,R 1 = R 2 = R 3= R 4 = 350 ,加热丝 阻值 为 5 0 左右 。 2 、 接入模 板电 源 15V ( 从主 控 台引入 ) ， 检 查无 误后 ,合上 主控箱 电源 开关 ， 将 实验 模感测技术实验指导书 5板调节 增益 电位 器 顺 时针调 节大 致到 中间 位置 ， 再进 行差 动放 大器 调 零 ， 方 法为将差 放的 正负 输入 端与 地短接 ,输 出端 与主 控箱 面 板上数 显表 电压 输入 端 调节实 验模 板上 的调 零电 位器 ， 使 数显表 显示 为零 ( 数 显表 的量 程切 换开 关打 到2V 档 ) 。 关闭 主控箱 电源 。 图 2 1 应变 式传 感器 安 装示意 图 3 、 将应变 式传 感器 的其 中一 个电阻 应变 片 R 1( 即模 块 左上方 的 R 1) 接入 电桥 作 为一个桥臂与 R 5 、 R 6 、 R 7 接成 直流电 桥 （ R 5 、 R 6 、 R 7 、 模块内 已连 接好 ） ， 接好 电 桥调零电位 器 R 接 上桥 路 电源 4 V ,此 时应 将 4V 地与 15 V 地 短接 ( 因为 不 共地 ) ,如图 2 2 所示 ,检查 无误 后 ,合 上主 控箱 电源 开关 。 调节 R w 1 ， 在 托盘 上不 加 砝码时 ，使桥路 输出 为零 。 感测技术实验指导书 6图 2 2 应变 式传 器实 验 模板电 原理 图 4 、 为便于 读取 数据 ， 将 1 0 只 砝码全 部置 于传 感器 秤托 盘上 ， 调节 电位 器 R 输出 为 50 的整 数倍 值 。 在 传感器 托盘 上放 置一 只砝 码 ， 读取 数显 表数 值 ， 依 次增加砝码和 读取 相应 的数 显表 值 ， 直 到 500 g 砝 码加 完 。 记下 实验 结果 填入 表 2 1 。 计算系统 灵敏 度 S ， 非 线性 误差 。 表 2 1 单 臂电 桥输 出电 压 与加负 载重 量值 重量 ( g) 电压 ( m v ) 5 、 将图 2 2 电桥 中的 R 5 改 接成 R 2 或 R 4 ， 即 将传 感 器中两 片受 力相 反 （ 一 片 受拉 、一片受 压 ） 的 电阻 应变 片 作为电 桥的 相邻 边进 行半 桥实验 ， 见图 2 3 ， 接 入 桥路电源 4 V ， 进 行桥 路调 零 ， 重复步 骤 2 、 3 、 4 ， 将 实验 数据记 入 表 2 2 ， 计算 灵 敏 度S ， 非 线性 误差 。 感测技术实验指导书 7图 2 3 应变 式传 感器 半 桥实验 接线 图 表 2 2 半 桥测 量时 ， 输 出 电压与 加负 载重 量值 重量 ( g) 电压 ( m v ) 6 、 将传感 器四 片应 变片 接成 全桥电 路 ， 见图 2 4 。 重 复步 骤 2 、 3 、 4 ， 将 实验 结 果填入表 2 3 ； 进 行灵 敏度 和 非线性 误差 计算 。 图 2 4 全桥 性能 实验 接 线图 感测技术实验指导书 8表 2 3 全 桥输 出电 压与 加 负载重 量值 重量 ( g) 电压 ( m v ) 五 、 思考题 ： 1 、 单臂 电桥时 ， 作为 桥 臂 电阻应 变片 应选 用 ：（ 1 ） 正 （ 受拉 ） 应变 片 （ 2 ） 负 （ 受 压 ） 应变片 （ 3 ） 正 、 负应 变片 均 可以 。 2 、 电桥 测量 时两 片不 同受 力状态 的电 阻应 变片 接入 电桥时 ， 应放 在 ：（ 1 ） 对边 （ 2 ） 邻 边 。 3 、 桥 路 （ 差动 电桥 ） 测量 时存在 非线 性误 差 ， 是因 为 ： （ 1 ） 电 桥测 量原 理上 存在非 线 性（ 2 ） 应变 片应 变效 应是 非 线性的 （ 3 ） 调 零值 不是 真 正为零 。 4 、 电 桥测 量中 ， 当 两组 对 边 （ R 1 、 R 3 为 对边 ） 值 R 相同 时 ， 即 R 1 R 3 ， R 2 R 4 ， 而R 1 R 2 时 ， 是否 可以 组成 全桥 ： （ 1 ） 可以 （ 2 ） 不 可 以 。 5 、 实 验中 的 重 量测量 与超 市的电 子称 测量 有什 么区 别 ？ 试 画出 超市 的电 子称 实现的 原 理框图 。 感测技术实验指导书 9实 验 三 温 度 测 量 实 验 一 、 实验目的 ： 1 了解热 电阻 的特 性与 应用 和 K 型热电 偶测量 温 度的性 能与 应用 范围 2 了 解常 用的 集成 温 度传感 器基 本原 理 、 性能 与应用 二 、 基本原理 ： 1 用导体 电阻 随温 度变 化这 一特性 ， 热电 阻用 于测 量时 ， 要 求其 材料 电阻 温度 系数 大 ，而稳定 ， 电 阻率 高 ， 电阻 与温度 之间 最好 有线 性关 系 。 常 用铂 电阻 和铜 电阻 。 铂 电阻在 0 63 0 . 74 以 内 ， 电阻 R t 与 温度 t 的 关系 为 ： R t = R o ( 1+ A t + B R o 是温 度为 0 时 的 电阻 。 本实 验 R o 10 0 。 A 10 2 ， B 5 10 7 2， 铂电 阻现 是三线 连接 ， 其中 一端 接二根引 线主 要为消 除引 线电阻对 测量 的影响 。2 当两种不 同的金 属组成 回路 ， 产生 的二个 接点有 温度差 ， 会 产生热 电势 ， 这就是热电 效应 。 温度 高的 接 点就是 工作 端 ， 将 其置 于 被测温 度场 配以 相应 电路 就可间 接测得被测 温度 值 。 3 集成温度 传器将 温敏晶 体管与相应 的辅助 电路集 成在同一芯 片上 ， 它能直 接给出正比于绝 对温度 的理想 线性输出 ， 一般用 于 50 150 之间 温度测 量 ， 温敏晶体 管 是 利 用 管 子 的 集 电 极电 流 恒 定 时 ， 晶 体 管 的 基极 发 射 极 电 压 与 温 度成 线 性 关系 。 为 克服 温敏 晶体 管 时 的离 散性 、 均 采用了 特殊 的差 分电 路 。 集成温 度传感器 有电 压型 和电 流型 二种 ， 电 流输 出型 集成 温 度传感 器 ， 在 一定 温度 下 ， 它 相当 于一个恒 流源 。 因此 它具 有 不易受 接触 电阻 、 引线 电 阻 、 电压 噪声 的干 扰 。 具 有很好 的线性特性 。 本实 验采 用的 是 国产 的 A D 5 90 。 它 只需 要 一种电 源 （ 4 V 30 V ） 。 即 可实现温度 到电 流的 线性 变换 ， 然后 在终 端使 用一 只取 样电阻 （ 本 实验 中 为 3 2 ）即可实 现电 流到 电压 的转 换 。 它 使用 方便 且电 流型 比电压 型的 测量 精度 更高 。 三 、 实验所需部件 ： 加热源 、 K 型热 电偶 、 集成 温度传 器 ( A D 590) 、 00热 电阻 （ 两个 ） 、温度控 制单 元 ( 调 节仪 ) 、 温 度传感 器实 验模 板 、 数显 单元 、 万用 表 、 导线 若干 。 四 、 实验步骤 ： 1 、 将两 个 00传感器 插入 三 源板的 两个 测试 孔中 ， 其 中一个 作为 调节 仪的 标准 输入 传感器 ， 将其 三根 线插 入主 控箱上 标 00的插 孔中 。 感测技术实验指导书 1 02 、 将 R 5 、 R 6 短路 接地 ， 加 15 V 运放 电源 ， 进 行差 动调零 。 调 R O 2 0 ， 接 上数显单 元 ， 拨 2 V 电压 显 示档 ， 使数 显为 零 。 3 、 用万用 表欧 姆档 测出 另一 个 P t 10 0 三根 线中 其中 短 接的二 根线 ， （ 本实 验室 的 即为颜色相同 的两 根 ） 将一 根接 b 端 ， 另一 根 R 5 端 。 将 00的第 三根 线接 a 端 。 这 样 R t 与R 3 、 R 1 、 R w 1 、 R 4 组 成直 流电桥 ， 是 一种 单臂 电桥 工作形 式 。 R w 1 中心 活动 点与 R 6相接 ， 见 图 3 1 。 R 到底 （ 增 益最 小 ） 。 4 、 在端 点 a 与 地之 间加 直流 源 2 V ， 调 R 电桥 平 衡 ， 即 0 。 5 、 在 常温基础 上 ， 将加 热器的 22 0 V 电 源插头插 入主控 箱面板上 的电源插 座上 ， 按 t = 5 读取 数显 表值 。 将 结 果填入 下 表 3 1 。 关闭 主 控箱电 源开 关 。 6 、 将风扇 电 源 24V （ + 、 地 ） 接入主 控箱 面板 转速 调节 电源 ， 并将 转速 调节 电源 旋钮 顺时针旋 到 2 4V （ 可用 数显 表 测量 ） ， 直 到数 显表 为零 ， 将和温 度传 感器 实验 模板 相连的00铂电 阻从测 试孔 中取 出 。 图 3 1 铂 电 阻 、 热电 偶 测温特 性实 验 7 、 待冷却 到常 温时 将 K 型热 电偶插 入测 试孔 中用 于温 度测量 。 8 、 将 K 型热 电偶 两根 引 线插入 温度 传感 器实 验模 板标有 热电 偶符 号的 a 、 b 孔上 ， 热 电偶自由 端连 线中 带红 色套 管或红 色斜 线的 一条 为正 端 。 9 、 将 R 5 、 R 6 短路 接地 ， 接入电 源 ， 打 开主 控箱 电 源开关 ， 调节 R O 2为零 （ 见 图3 1 ） ， 将 与数 显表 V i 相接 。 调 R 显 示零 位 ， 主控 箱波段 开关 拨到 2 感测技术实验指导书 1 1 10 、 去 掉 R 5 、 R 6 短路 接 线 ,将 a 、 b 端与 放大 器 R 5 、 R 6 相接 ， 调 R 大 。 11 、 按 t 10 读 出数 显 表头输 出电 势与 温度 值 ， 并记入 表 3 2 。 12 、 将 A D 5 90 插入 测试 孔 中进行 一段 时间 加热 以便 用于降 温测 量 。 13 、 将 主控 箱上 显示 选择 切换开 关打 到 2 V ,实 验模 板 的输 出 端 分别 与主控 箱 电压表输 入 V 、 端相 连 , 再将 实验 模板 - 15V 、 、 +15V 端 分别 与主 控箱 稳压 电源 V 0 中 的- 15V 、 、 +15 V 端 相连 。 将 R 5 、 R 6 短路接 地 ， 接入 电源 ， 打开 主控 箱电 源开 关 ， 调节 R O 2为 零 。 14 、 关 闭主 控箱 电源 ， 将 主 控箱 上显 示选 择切 换开 关打 到 4 V 。 去 掉 R 5 、 R 6 短路接 线 ,把A D 590 的引 线接 入模板 a 、 b 端 ,再将 a 、 端 、 端 分别连 接到 主控 箱的 2V 10V 稳压 电源输出 +V 端 , 此时 电 压表的 显示 值 为 0 在 当前温 度的 输出 值 , 见图 3 2 。 图 3 2 集成 温度 传感 器 实验原 理图 15 、 加热 器的 2 20 V 电 源插 头从主 控箱 面板 上的 电源 插座上 拔出 ， 按 t = 5 读 取数显 表 值并记入 表 3 3 中 。 表 3 1 铂 电阻 热电 势与 温 度值 t ( ) V ( m v ) 感测技术实验指导书 1 2表 3 2 K 型热 电偶 热 电势与 温度 数据 t ( ) V ( m v ) 表 3 3 与 温度 数 据 t ( ) V ( m v ) 根据 表 3 1 3 2 3 3 值计算 其非 线性 误差 。 五 、 思考题 ： 1 、 P t 10 0 三 根线 中有 二根 线短接 ， 短 接的 作用 是什 么 ？ 2 、 做 A D 59 0 降 温实 验时 ， 为什 么要 先加 热一 段时 间后再 进行 降温 实验 ？ 感测技术实验指导书 1 3实 验 四 位 移 测 量 实 验 一 、 实验目的 ： 1 了 解电 容式 传感 器结 构 及其特 点 2 了 解霍 尔式 传感 器原 理 与应用 3 了 解电 涡流 传感 器的 工 作原理 和性 能 4 了 解光 纤位 移传 感器 的 工作原 理和 性能 。 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 中 三个 参数 中 ， 保持 二个 参数 不变 ， 而 只改变 其中 一个 参数 ， 则 可以有 测谷物干 燥度 （ 变 ） 、 测 微 小位移 （ 变 d ） 和测 量液 位 （ 变 A ） 等 多种 电容 传 感器 。 根据霍 尔效 应 ， 霍 尔电 势 ， 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 。 通以高 频电 流的 线圈 产生 磁场 ， 当 有导 电体 接近 时 ， 因导电 体涡 流效 应产 生涡 流损耗 ， 而 涡流 损耗 与导 电体 离线圈 的距 离有 关 ， 因此 可以进 行位 移测 量 。 传光型 光纤 ， 它 由两 束光 纤混合 后 ， 组 成 Y 型 光纤 ， 半园 分布 即 双 D 型 一束 光纤端部与 光源 相接 发射 光束 ， 另 一束 端部 与光 电转 换 器相接 接收 光束 。 两光 束 混合后 的端部是工 作端 亦称 探头 ， 它 与被测 体相 距 X ， 由光 源 发出的 光纤 传到 端部 出射 后再经 被测体反射 回来 ， 另一 束光 纤 接收光 信号 由光 电转 换器 转换成 电量 ， 而光 电转 换 器转换 的电量大小 与间 距 X 有关 ， 因 此可用 于测 量位 移 。 三 、 实 验 所 需 部 件 ： 电容传感 器 、 电容 传感器 实验模板 、 霍尔传 感器实 验模板 、 霍尔 传感器 、 电涡流传 感器实 验模板 、 电涡流传 感器 、 光纤传感 器 、 光纤 传感器 实感测技术实验指导书 1 4验模板 、 测 微头 、 数 显单 元 、 直 流稳 压源 、 导 线若 干 。 四 、 实验步骤 ： 1 、 按图 1 1 安装 示意 图将 测 微头和 电容 传感 器装 于电 容传感 器模 板上 。 将 传感器引线 插头 插入 实验 模板 的插座 中 。 2 、 将电容 传感 器实 验模 板的 输出 端 V 数 显表 单 元 插入主 控 箱 ,中 间位 置 。 图 1 1 电 容传 感器 位移 实 验接线 图 3 、 接入 15 V 电 源旋 动测 微 头推进 电容 器传 感器 动极 板位置 ， 每间 隔 m 记下位 移 X 与 输出 电压 值 V ， 填入 表 1 1 。 表 1 1 电 容式 传感 器位 移 X 与 输出 电压 V X ( m m ) V ( m v ) 根据表 （ 1 1 ） 数据 ， 计 算电容 传感 器的 系统 灵敏 度 S 和非 线性 误差 f。 4 、 霍尔传 感器 按 图 1 2 安 装 。 将 传感 器引线 插头 插入 实验模 板的 插座 中 ,实验 模板的连 接按 图 1 3 进行 连 接 。 1 、 3 为电 源 4 V ,2 、 4 为输 出 。 感测技术实验指导书 1 55 、 开启电源 ， 调 节测微 头使 霍尔片在 磁钢 中间位 置 ， 再调节 使数 显表指 示为零 。 6 、 测微头 向轴 向方 向推 进 ， 每转 动 m 记下一个 读 数 ， 直 到读 数近 似不 变 ，将读数 填入 表 1 2 。 表 1 2 霍尔 传感 器位 移 X 与 输出 电 压 V X （ m m ） V ( m v ) 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 。 图 1 2 霍尔 传感 器安 装 示意图 表2 图 1 3 霍 尔传 感器 位移 直流 激励 实验 接线 图 感测技术实验指导书 1 67 、 根 据图 1 4 安装 电涡 流传感 器 。 8 、 观 察传 感器 结构 ， 这 是 一个平 绕线 圈 。 9 、 将 电涡 流传 感器 输出 线 接入实 验模 板上 标 有 L 的两端插 孔中 ， 作为 振荡 器 的一个 元件 ，见图 1 5 。 10 、 在 测微 头端 部装 上铁 质金属 圆片 ,作 为电 涡流 传 感器的 被测 体 。 图 1 4 电 涡流 传感 器安 装示意 图 图 1 5 电 涡流 传感 器位 移 实验接 线图 1 1 、 将实 验模 板输 出端 元 输入 端 V i 相 接 。 数显 表量 程切 换开 关选 择 电压 2 0 V 。 12 、 从 主控 台接 入 + 15 V 直 流电源 到实 验模 板上 标有 15 V 的 插孔 中 。 13 、 使测微 头与传感 器线圈 端部接触 ， 开启主 控箱电 源开关 ,记下 数显表读 数 ， m 读一个数 ， 直到 输 出几乎 不变 为止 。 将 结果 列入 表 1 3 。 感测技术实验指导书 1 7表 1 3 电 涡流 传感 器位 移 X 与 输出 电压 V X （ m m ） V ( v ) 14 、 将原 铁圆 片换 成铜 圆 片 ， 重复 上述 步骤 ， 进 行 被测体 为铜 圆片 时的 位移 特性测 试 ， 记入表 1 4 。 表 1 4 被 测体 为铜 圆片 时 的位移 与输 出电 压数 据 X （ m m ） V ( v ) 15 、 据 表 1 3 、 1 4 数 据 ， 画 出 V X 曲 线 ， 根据 曲线找 出线 性区 域及 进行 正 、 负 位 移测量时 的最 佳工 作点 ， 试 计算量 程 为 1m m 、 3 m m 及 5m m 时的灵敏度 和线 性 度 。 16 、 根 据图 1 6 安 装光 纤 位移传 感器 ， 二 束光 纤插 入实验 板上 的座 孔上 。 其 内部已 和 发光管 D 及光 电转 换管 T 相 接 。 图 1 6 光 纤传 感器 安装 示 意图 17 、 将 光纤 实验 模板 输出 端 与 数显 单元相 连 ， 见图 1 7 。 感测技术实验指导书 1 8图 1 7 光 纤传 感器 位移 实 验接线 图 18 、 调 节测 微头 ， 使 探头 与反射 面圆 平板 接触 。 19 、 实 验模 板接 入 15 V 电源 ， 合上 主控 箱电 源开 关 ， 调 显 表显 示 为零 。 20 、 旋 转测 微头 ， 被 测体 离开探 头 ， 每 隔 m 读出数显 表值 ， 将 其填 入 表 1 5 。 表 1 5 光 纤位 移传 感器 输 出电压 与位 移数 据 X （ m m ） V ( v ) 根据 表 1 5 数 据 ， 作 光纤 位移传 感器 的位 移特 性 ， 计算在 量 程 1 m m 时灵敏度 和非线性误 差 。 五 、 思考题 ： 1 、 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 ？ 2 、 当被测 体为 非金 属材 料如 何利用 电涡 流传 感器 进行 测试 ？ 3 、 在电涡 流传 感器 测位 移的 实验中 如果 将铜 圆片 换成 铝圆片 ， 在相 同的 条件 下 输出的电 压与 原来 相比 是 1) 偏大 2) 偏 小 3) 一样 大 4 、 在相同 条件 下金 属圆 片面 积的大 小与 输出 电压 有无 关系 ? 感测技术实验指导书 1 9实 验 五 振 动 测 量 实 验 一 、 实验目的 ： 1 了 解差 动变 压器 的工 作 原理和 特性 。 2 了 解差 动变 压器 零点 残 余电压 补偿 方法 。 3 了 解差 动变 压器 测量 振 动的原 理和 方法 4 了 解压 电传 感器 测量 振 动的原 理和 方法 二 、 基本原理 ： 1 变压器由 一只初 级线圈 和二只次线 圈及铁 芯组成 ， 根据内外 层排列 不同 ， 有二段式 和三 段式 ， 本实 验 采用三 段式 结构 。 当传 感 器随着 被测 体移 动时 ， 由 于初级 线圈 和次级线圈 之间 的互 感发 生变 化促使 次级 线圈 感应 电势 产生变 化 ， 一 只次 级感 应 电势增 加 ， 另 一只感应 电势 则减 少 ， 将 两 只次级 反向 串接 ， 就引 出 差动输 出 。 其 输出 电势 则 反映出 被测 体的移动量 。 2 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 。 3 压 电式 传感 器由 惯性 质 量块和 受压 的压 电片 等组 成 。 ( 观 察实 验用 压电 加 速 度结构 ) 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 速度的交变力作用 在晶片上 ， 由 于压 电效 应 ， 压电晶 片上 产生 正比 于运 动加速 度的 表面 电荷 。 三 、 实验所需部件 ： 音频振 荡 器 、 差 动放 大器 模板 、 压电 式传 感器 、 压 电式传 感器 实验 模块 、 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 。 四 、 实验步骤 ： 1 、 根据 图 2 1 ， 将差 动变 压 器装在 差动 变压 器实 验模 板上 。 感测技术实验指导书 2 0图 2 1 差 动变 压器 电容 传 感器安 装示 意图 2 、 在模块 上按 图 2 2 接线 ， 音频振 荡器 信号 必须 从主 控箱中 的 L v 端子输出 ， 调 节音 频振荡器 的频 率 ， 输 出频 率 为 4 5K H z （ 可用 主控 箱 的频率 表输 入 F i n 来监测 ） 。 调 节输出幅度 为峰 峰 值 V p - p 2V （ 可 用示 波器 监测 ： X 轴为 0. 2m s / di v ） 。 图中 1 、 2 、 3 、 4 、5 、 6 为 连接 线插 座的 编号 。 接线 时 ， 航 空插 头上 的号 码与之 对应 。 当 然不 看插 孔号码 ，也可以判别 初次级 线圈及 次级同名端 。 判别 初次线 图及次级线 圈同中 端方法 如下 ： 设任一线 圈为 初级 线圈 ， 并 设另外 两个 线圈 的任 一端 为同名 端 ， 按 图 2 2 接 线 。 当 铁芯左 、 右移动 时 ， 观 察示波 器中显示的 初级线 圈波形 ， 次级线圈 波形 ， 当次级 波形输 出幅度值 变化 很大 ， 基本 上 能过零 点 ， 而 且相 应与 初 级线圈 波形 （ L v 音频信号 V p - p 2 波形比较 能同相 或反相 变化 ， 说明 已连接 的初 、 次级线圈及 同名端 是正确 的 ， 否 则继续改变 连接再 判别直 到 正确为止 。 图中 （ 1 ） 、 （ 2 ） 、 （ 3 ） 、 （ 4 ） 为实验 模块中 的插孔编号 。 3 、 旋动测 微头 ， 使 示波 器第 二 通道显 示的 波形 峰 峰 值 V p - p 为最 小 ， 这 时可 以左 右位移 ，假设其 中一 个方 向为 正位 移 ， 另 一个 方向 位称 为负 ， 从 V p - p 最小开 始旋 动测 微 头 ， 每隔 m 从示波器上 读出 输出电 压 V p - p 值 ， 填 入下 表 2 1 ， 再 人 V p - p 最小 处反 向位移做 实验 ， 在 实验 过程 中 ， 注 意左 、 右 位移 时 ， 初 、 次 级波 形的 相位 关系 。 感测技术实验指导书 2 1图 2 2 双踪 示波 器与 差 动变压 器连 结示 意图 4 、 实验过程中 注意差 动变压 器输出的最 小值即 为差动 变压器的零 点残余 电压大 小 。 根 据表 2 1 画 出 V o p - p X 曲 线 ， 作 出量 程 为 1m m 、 3 敏度 和非 线性 误差 。 表 2 1 差 动变 压器 位移 X 值 与输 出电 压数 据表 V ( m v ) X ( m m ) 5 、 按图 2 3 接线 进行 零 点残余 电压 补偿 实验 。 音 频信号 源从 出 ， 实 验 模 板、 为 电桥单 元中 调平 衡网 络 。 图 2 3 零 点残 余电 压补 偿 电路 感测技术实验指导书 2 26 、 利 用示 波器 调整 音频 振 荡器输 出 为 2 V 峰 峰 值 。 7 、 调 整测 微头 ， 使 差动 放 大器输 出电 压最 小 。 8 、 依 次调 整 、 ， 使输出 电压 降至 最小 。 9 、 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 。 10 、 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 ） 1 1 、 将差 动 变 压器 按图 2 4 ， 安 装在 台面 三源 板的 振 动源单 元上 ， 进 行振 动测 量实验 。 图 2 4 差动 变压 器振 动 测量安 装图 12 、 按 图 2 5 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 L V 峰 - 峰值 ， 调整 音 频振荡 器幅 度旋 钮 使 V = 2 V ， （ 2 ）利用示 波器 观察 相敏 检波 器输出 ， 调 整 传感 器连 接 高度 ， 使 示波 器显 示的 波 形幅度 为最小 。 （ 3 ） 仔细 调节 R W 1 和 R 示 波器 （ 相 敏 检波器 ） 显 示的 波形 幅度 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 失为 一条 接近 零点 线 。（ 否则 再调 节 和 ） 。 将 低频 振荡 器输 出接 入振 动源的低 频输 入端 ， 调节 低频 振荡器 的幅 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 检波 器 的 通 滤波 器的 感测技术实验指导书 2 3图 2 5 差动 变压 器测 振 幅系统 原理 图 13 、 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 2 2 14 、 保持 低频振 荡器的频率 不变 ， 改变振荡 幅度 ,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 ， 得到 振幅 与电 压峰值 曲线 ( 定性 ) 。 表 2 2 振 荡频 率与 输出 电 压 f ( H z) V p - p （ V ） 15 、 取走 差动变 压器实验模 块 ,将低频 振荡器信 号接入 到台面 三源板振 动源的激 励源插孔 。 16 、 将 压电 传感器 输出两 端 插入到压 电传 感 器实验 模块两输入 端 ， 见 图 2 6 ， 与 传感器外 壳相连 的接线 端接 地 ， 另 一端 接 将压电 传感器 实验模 块电路 输出 端 接 将压 电传 感器 实验 模块电 路输 出端 ,接 入 低通滤 波器 输入 端 低通滤 波器输 出 波 器相 连 。 感测技术实验指导书 2 4图 2 6 压电 式传 感器 性 能实验 接线 图 17 、 合上 主控箱电 源开关 ,调节低频 振荡器的 频率和 幅度旋钮 使振动台 振动 ,观 察示 波器波形 。 18 、 改 变低 频振 荡器 的频 率 ,观 察输 出波 形变 化 。 19 、 用 示波 器的 两个 通道 同时观 察低 通滤 波器 输入 端和输 出端 波形 。 20 、 根 据实 验结 果作 出梁 的振幅 频率 特性 曲 线 ， 指出 自振 频率 的大 致值 注意事 项 ： 选择 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 、 如何用 电涡 流传 感器 进行 振动测 量实 验 ? 2 、 如何用 磁电 传感 器进 行振 动测量 实验 ? 感测技术实验指导书 2 5实 验 六 热 电 偶 冷 端 温 度 补 偿 实 验 一 、 实验目的 ： 了解热 电偶 冷端温 度补 偿的 原理 与方 法 。 二 、 基本原理 ： 热电偶 冷端 温度 补偿 的方 法有 ： 冰水 法 、 恒 温槽 法 和自动 补偿 法 （ 图 3 1 ） ， 电桥法 常用 ， 它是 在热 电偶 和测 温仪 表之间 接入 一个 直流 电桥 ， 称冷端 温度 补偿 器 ， 补 偿器 电桥 在 0 时达到平衡 （ 亦 有 2 0 平衡 ） 。 当热电偶 自由端温度升高时 （ 0 ） 热电偶回路电 势 Ua 由于 补偿 器中 ， 负温 度系 数 ， 其正 向压 降随温 度升 高而 下降 ， 促 使 Ua ，其值正 好补 偿热 电偶 因自 由端温 度升 高而 降低 的电 势 ， 达 到补 偿目 的 。 三 、 实验所需部件 ： 温度传 感器 实验 模板 、 热 电偶 、 冷端 温度 补偿 器 、 直流源 5 V 、 1 5V 。 四 、 实验步骤 ： 1 、 温度控 制仪 表设 定温 度 值 50 。 2 、 接入 15 V 电源 ， 合 上主 控箱电 源开 关 ， 调 使 温度 传 感 器 实 验 模 板 输 出 为零 ， 并 使实 验模 板输 出 端 表 此时 数显表 显示 零位 ， 电 压显 示用200 m v 档 。 3 、 将 K 型热电 偶置 于加 热器 插孔中 ， 输 出端 与实 验 模 板输入 端 接 ， 合上主控 箱加 热源 开关 ， 使