自动检测与转换技术2012

1、实验一 金属箔式应变片传感器单臂、半桥、全桥比较一 实验目的：1. 观察了解金属箔式应变片的结构、粘贴方式。2. 测量悬臂梁变形的应变输出。3. 比较各种桥路的输出关系。二 实验原理：应变片是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件。应用应变片测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在测试件表面上。当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，随之电阻也发生相应的变化，通过测量电路最终将其转换为电压或电流的变化。电桥电路是一种最常用的把被测非电量通过电阻变化转换成为电压或电流量的方法。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

2、为R1 / R1、R2 / R2、R3 / R3、R4 / R4，一般情况下R1 = R2 = R3 = R4 = R。当使用一个应变片时，R = R / R；当二个应变片组成差动状态工作，则有R = 2R / R；用四个应变片组成二个差动对工作，R = 4R / R。三 实验所需部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。四 实验步骤：A. 单臂直流电桥测量：1. 将差动放大器、电压表调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“”“”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，电压表设为2V档，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉

3、实验线。调零后电位器位置不要变化。如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。2. 按图1将实验部件用实验线连接成单臂电桥测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R4为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±2V。图1 单臂直流电桥实验线路图3. 测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态，设此时位移x = 0。4. 确认接线无误后开启仪器电源，调整电桥调平电位器WD，使测试系统输出为零。5

4、. 旋转测微头，带动悬臂梁分别做向上、向下的运动，向上、向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个输出电压值。向上位移x（mm）00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压U（V）0向下位移x（mm）0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0电压U（V）0B. 半桥测量：图2 半桥直流电桥实验线路图在完成单臂直流电桥实验的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，悬臂梁调回水平位置，并关闭电源。按图2，将R3换为应变片，组成差动半桥电路。开启电源，重复单臂直流电桥实验中4、5步骤，并记录。向上位移x（mm）00.51.01.5

5、2.02.53.03.54.04.55.0电压U（V）0向下位移x（mm）0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0电压U（V）0C. 全桥测量：图3 全桥直流电桥实验线路图在完成半桥实验的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，悬臂梁调回水平位置，并关闭电源。按图3，将R1、R2换为应变片，形成两个差动对，组成全桥电路。开启电源，重复单臂直流电桥实验中4、5步骤，并记录。向上位移x（mm）00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压U（V）0向下位移x（mm）0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4

6、.5-5.0电压U（V）0五. 思考题：1. 在同一坐标图上做出单臂、半桥、全桥的Ux曲线。2. 分别计算三种桥路的灵敏度，并比较，做出定性的结论。六. 注意事项：1. 直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。2. 求灵敏度时可将正x的灵敏度与负x的灵敏度分开计算再求平均值。3. 由于悬臂梁、振动台弹性恢复滞后，虽然测微仪回到起始刻度，但差动放大器输出电压并不回零，此时可反方向旋转测微仪，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。实验二 电涡流式传感器的静态标定 实验二与实验三连做共4学时一 实验目的：了解电涡流式传感器基本结构、工作原理及特性。二 实

7、验原理：电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离x有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离x有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压输出，则输出电压是距离的单值函数。若平面线圈、距离x、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与被测体（涡流片）的性质有关。三 实验所需部件电涡流线圈、金属涡流片（铁、铜、铝）、电涡流变换器、电压表、示波器、测微仪。图1 实验线路图四 实验步骤：1. 按图1接线，安

8、装好电涡流线圈和铁质涡流片，注意两者必须保持平行。安装好测微头，涡流变换器输出端接电压表20V档。2. 开启仪器电源，旋转测微头使平面线圈完全贴紧铁质涡流片，此时涡流变换器输出电压为零，涡流变换器中的振荡电路停振。设此时x = 0。3. 旋转测微头使平面线圈离开涡流片，从电压表开始有读数起（设此点为x0，记录此点位置），每位移0.25mm读取相应的输出值U铁，并记入下表。4. 用测微仪将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出，用示波器接涡流变换器输入端，观察电涡流传感器的高频振荡波形，信号频率约为1.3MHz 。在接入示波器的情况下，重复步骤13，将电压表输出值U铁记入下表。

9、x (mm)0x0=00x0+0.25x0+0.50x0+0.75x0+1.00x0+1.25x0+1.50x0+1.75x0+2.00x0+2.25U铁(V)00.000.00 U铁(V)x (mm)x0+2.50x0+2.75x0+3.00x0+3.25x0+3.50x0+3.75x0+4.00x0+4.25x0+4.50x0+4.75x0+5.00U铁 (V)U铁(V)5. 分别将铁质涡流片换为铜、铝质涡流片，重复步骤13，将U铜、U铝值记入下表。（对铜、铝质涡流片，x = 0时，U不为0）x (mm)0U铜(V)U铝 (V)x (mm)U铜(V)U铝(V)五. 思考题：1. 在同一坐标

10、上画出U铁x 、U铜x、U铝x曲线。2. 求出不同材料时系统的灵敏度和线性范围。3. 通过实验得出结论：被测材料不同时灵敏度与线性范围都不同，必须分别进行标定。六. 注意事项：当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小。或是使传感器在初始状态有一死区，工作电压范围变小。（对比U铁、U铁值可以验证）。实验三 电涡流式传感器的称重实验 实验二与实验三连做共4学时一 实验目的：了解电涡流式传感器在静态测量中的应用。二 实验原理：电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻

11、抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离x有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离x有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压输出，则输出电压是距离的单值函数。称重物重量与位移成正比，在线性工作范围内，称重物重量与输出电压值成正比，据此可由输出电压值测得称重物重量。三 实验所需部件电涡流线圈、铝质金属涡流片、电涡流变换器、差动放大器、电桥、电压表、砝码、称重物。图1 实验线路图四 实验步骤：1. 按图1接线，差放增益调为最小，涡流变换器输出端接电压表20V档。安装好电涡流线圈和铝质涡流片，注意两者必须保持平行。利用实验七

12、的结果，将线圈调整在线性工作范围的起始点。2. 调整WD，使系统输出为零。3. 在平台中间逐步加上砝码，记录W、U值。4. 取下砝码，分别放上未知重量之物品（螺母），记录U值。砝码W (g)020406080100120140U (V)0待测物品小螺母3个大螺母3个大、小螺母各3个U(V)待测物品重量W五. 思考题：1. 画出UW曲线。2. 求出系统灵敏度。3. 根据UW曲线分别求出待测物品重量W。六. 注意事项：1. 砝码重量：20g 。2. 砝码应置于平台的中间部分。实验四 用光电传感器测量光照度实验四与实验五连做共4学时一 实验目的：了解光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池的结构、

13、工作原理及特性二 实验原理：光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。目前常用的光电传感器有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。1. 光敏电阻是一种当光照射到材料表面上被吸收后，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率变化的内光电效应器件。当加上一定电压后，光生载流子在电场的作用下沿一定的方向运动，在电路中产生光电流，实现光电转换的目地。2. 光敏二极管是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，保证了大部分光子入射到耗尽层内。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。受光照射

14、时，在PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生光生电子空穴对，使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加反偏及内电场作用下，使PN结反向电流增加。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出。3. 光敏三极管是一种光生伏特器件，结构与一般三极管很相似，只是它的基区做得很大，发射极尺寸很小，以扩大光的照射面积，且其基极往往不接引线。像普通三极管一样有两个PN结，具有电流增益。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子、空穴对。光生电子被拉到集电极（此即为光电流，相当于Ib），基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便促使发射极有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。此集电极

15、电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出。4. 光电池是利用光生伏特效应将光能直接转变成电能的器件。硅光电池是在一块N型硅片上（0.11·cm），用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结。上电极为栅状受光电极，下电极为衬底铝电极。栅状电极能减少电极与光敏面的接触电阻，增加透光面积。其上还蒸镀抗反射膜（SiO2），既减少反射损失，又对光电池起保护作用。三 实验所需部件：照度测量控制仪、光电实验模块、照度计（LX1010BS）、光缆、遮光罩。四 实验步骤：1. 按图1接线。从照度测量控制仪上接入+12V电源到光电实验模块上（光电实验模块上标示+15V处），用光缆将照度测量控制仪上的

16、光源引到光电模块的传感器上（注意：取下光缆两端的黑色橡塑帽并保存好，用后务必盖上此帽，以保护光缆），即光缆的一头插入光源的传感器安装孔，另一头对准光敏电阻，并放下遮光罩。将光敏电阻接入传感器接入处，Vo接入跟随器，跟随器输出接入数显电压表。采样电阻RW1右旋调至最大。2. 将照度计接到传感器输入的航空插头上，开关置ON，量程置2000，取下照度计传感器进光面外壳（用后务必盖上此外壳，以保护传感器）。打开照度测量控制仪电源，控制方式置手动，逐步调节“手动调节”旋钮，观察照度计、数显电压表的读数并记录。图1 光敏电阻接线图图2 光敏二极管接线图4. 按图2接线。将光缆对准光敏二极管传感器，并放下遮

17、光罩。重复步骤1、2。5. 按图3接线。将光缆对准光敏三极管传感器，并放下遮光罩。重复步骤1、2。图3 光敏三极管接线图图4 光电池接线图6. 按图4接线。将光缆对准光电池传感器，并放下遮光罩。重复步骤1、2。注意接线方式与前三种传感器不同。光照度（lx）30040050060070080090010001100光敏电阻 UOUT（V）光敏二极管 UOUT（V）光敏三极管 UOUT（V）硅光电池 UOUT（V）五 思考题：1. 分别做出光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池的电压光照度曲线。2. 做光电池实验时，为什么不用加5V电源？六 注意事项：1. 为避免室内自然光对照度计的影响，可用

18、一张纸对自然光进行遮挡。实验五 霍尔、光电传感器在转速测量中的应用实验四与实验五连做共4学时一 实验目的：了解霍尔、光电转速传感器测量转速的原理及方法。二 实验原理：1. 根据霍尔效应表达式：UH = KHIB，当KHI不变时，在转速圆盘上装上只等距磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。圆盘每转一周经过霍尔元件表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次，此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。本实验采用的集成霍尔转速传感器接线：红色为电源、蓝色为输出、黄色接地。2. 光电式传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。按其输出量性质可分为两大类：（1） 模拟式光电

19、传感器这类传感器将被测量转换成连续变化的电信号，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。（2） 脉冲（开关）式光电传感器这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”、“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。光电转速计就是利用脉冲式光电传感器，读取旋转物体反光或遮光后的光照信号，将旋转物体的转速转换为脉冲频率的变化，再配以相应辅助电路等，达到测量转速的目的。光电式转速传感器有反射型和对射型二种，本实验采用反射型。传感器内部有发光管和光电管，发光管发出的光在转盘上反射点反射后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上

20、有12个等距反射点，转动时将获得相应的反射脉冲数，将该脉冲数接入转速表即可得到转速值。本实验采用的光电转速传感器接线：红色接电源、蓝色为输出、黑色接地。三 实验所需部件：霍尔转速传感器、光电转速传感器、转速测量控制仪、数显转速频率表、光电实验模块。图1 霍尔、光电转速传感器安装示意图四 实验步骤：1. 根据图1，将霍尔转速传感器装于转速测量控制仪上的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。2. 将转速测量控制仪上的+12V直流电源加于霍尔转速传感器的电源输入端（红色端），传感器黄色端接地，蓝色端接转速测量控制仪上标准传感器输入口（+），不要接错。3. 打开转速测量控制仪电源，控制方式置手动，调

21、节手动调节旋钮使转速变化，观察转速测量控制仪上数显表指示的变化。4. 取下霍尔转速传感器，根据图1，将光电转速传感器装于转速测量控制仪上的传感器调节支架上，调节高度，使光电转速传感器离转盘表面23mm，并对准反射点，将传感器引线中的红色接直流电源+12V、黑色接地端、蓝色接标准传感器输入口（+），重复步骤3。五 思考题：1. 本实验装置上用了多少只磁钢？能否只用一只磁钢？2. 分析一下用这两种传感器测转速的使用场合有什么不同？六 注意事项：1. 因带动转盘的电机功率较小，转盘改变速度时惯性较大，测速时需等待一段时间，待转速稳定后再读数。2. 如转速显示始终不稳定，需调节传感器的安装高度。实验六

22、 热电偶测温特性实验一 实验目的：熟悉温度源的使用方法。了解热电偶的结构、工作原理和特性。学会查热电偶分度表。二 实验原理：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用某种材料或元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。将两种不同的金属丝组成回路，如果两种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端（也称自由端），冷端可以是室温值也可以是经过补偿后的0、2

23、5的模拟温度场。本实验采用K型、E型热电偶（K型、E型已装在一个护套内）。K型热电偶作为标准传感器，配合温控仪表用于设定温度，E型热电偶用来测量温度。接头颜色：红色为K型端、黑色为K型端；蓝色为E型端、绿色为E型端。三 实验所需部件：K、E型热电偶、温度测量控制仪、温度实验模块、数显电压表（照度测量控制仪上）。四 实验步骤：1. 本实验温度源采用SET-300温度测量控制仪，它具有双LED窗指示功能、模糊理论结合传统PID（比例微积分调节）方法、控制快速平稳及先进的自整定方案。仪表精度0.5级，采用K型热电偶传感器输入。2. 将K型热电偶插入温度测量控制仪顶部的任意加热孔中。接线端子插入温度测

24、量控制仪面板的型热电偶处，即红色接，黑色接。加热方式及冷却方式置内控。3. 打开电源，仪表通电5秒内显示窗先显示PV窗量程上限、SV窗显示量程下限，随后即进入工作状态，按SET键0.5秒，PV窗显示5U，SV显示窗闪烁，此时可改变SV窗的值来改变设定值，再按SET键0.5秒确认。4. 温度实验过程中通过改变此值来设定所需要的温度值。例如：希望温度源保持在50，就按SET键0.5秒，PV窗显示5U，SV显示窗闪烁，通过移位键、加建、减键将SV窗的值改成50.0，再按SET键0.5秒确认，等PV窗基本稳定在50.0时，此时温度源内的温度为50。5. 仪表控制范围为：室温200，由于温度过高对仪器寿

25、命有所影响，最高设定不要超过150。6. 面板功能图：1、当前测量值（PV窗）；2、主控设定值（SV窗）；3、自整定指示；4、主控输出指示；5、功能键；6、移位键；7、减键；8、报警输出指示；9、报警2输出指示；10、加键；7. 将E型热电偶的自由端（蓝和绿）接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，作为被测传感器用于实验，按图1接线，E型热电偶自由端连线中蓝色端子为正端，接入“a”点。图1 热电偶测温特性实验线路图模块电源从温度控制仪面板上红、黑、蓝三个插孔接入，红色为12V、黑色为接地、蓝色为12V。8. 将R5、R6端接地，RW2大约置中，打开电源开关，将Vo2端与照度测量控制

26、仪上的数显电压表“”端相接，地接“”，调节RW3使数显表显示零（电压表置200mV档），打开温度控制仪电源，利用仪表控制设定温度为T = 50。9. 去掉R5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在50时，记录下数显电压表读数值。10. 重新设定温度值，每隔5记录下数显电压表读数值。温度源设定温度T（）50556065707580859095100Vo2（mV）热电势（mV）实测温度T¢（）11. 将E型热电偶的自由端连线从实验模板上拆下，并接到数显电压表的输入端（Vi）直接读取记录此时的热电势值（电压表置200mV档），注意此时自由端温度

27、为室温。五 思考题：1. 画出Vo2T、热电势T曲线。2. 计算出室温（），与实测室温进行比较。3. 计算出实测温度T¢，并与温度源设定温度T进行比较，试分析误差来源。附录1E型热电偶分度表镍铬铜镍合金（康铜）热电偶（E型）E（t）分度表T/0102030405060708090-300-9.835-9.797-9.718-9.604-9.455-9.274-9.036-200-8.825-8.561-9.273-7.963-7.632-7.297-6.907-6.516-6.107-5.681-100-5.237-4.777-4.302-3.811-3.306-2.787-2.255-1.709-1.152-0.58200.0000.5911.1921.8012.4203.0483.6854.3304.985