《传感器与检测技术》实验大纲

《传感器与测试技术》实验教学大纲课程名称：传感器与测试技术实验总学时：8学时实验学时：8学时实验地点：传感器与测试技术实验室学分：0.5一、目的与任务传感器与测试技术实验教学是课程教学的重要的实践性环节。通过动手实践，验证、巩固和补充课程讲授的理论知识，使学生对传感器的结构、工作原理及应用、测试系统等形成感性认识；加深学员对传感器的选择、调理电路设计方法的理解，具备组建测试系统的能力，并培养学生科学思维习惯和严谨作风。实验课程开设了基础实验、综合型实验和设计型实验三个不同层次的实践项目。 通过基础实验掌握传感器的基本特性和工作原理，巩固学员基本理论和基本技能；通过综合型实验和设计型实验培养学生的创新精神、工程实践能力以及综合运用知识的能力。二、主要内容与基本要求（一）传感器静态特性研究本单元实验目的：了解应变式、电容式、电涡流传感器、温度传感器的工作原理、结构、标定及常用测量电路，计算静态特性指标。实验1.1金属箔式应变片与电桥测量电路•实验目的与任务熟悉金属箔式应变片的结构、特性及工作原理；利用应变片构建质量测量系统， 分析比较各种电桥（包括单臂电桥、差动半桥和全桥）的输出特性、灵敏度和非线性度，掌握电子秤的标定方法。•实验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：（3）（3）L为电阻丝长度相对变RR式中：'为电阻丝电阻相对变化，I为应变灵敏系数,化。使用应变片时，将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件的表面上， 当试件受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形， 引起应变片电阻值的微小变化。 通常采用电桥电路实现把微小阻值变化转换成电压输出。不同的电桥形式，输出电压不同、非线性度不同。o1电桥输出灵敏度提高,o2Uo1电桥输出灵敏度提高,o2单臂电桥电路中，应变片接在电桥的一个臂上，电桥输出电压差动半桥电路中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，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R全桥R则量电路中，将四片应变片分别接R入电桥的四个臂。四片应变片初始阻值为：1234，工作时的变化值1234时，其桥路输出电压02 。由此，全桥输出灵敏度比差动半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。•实验内容及要求测试应变片单臂电桥、半桥和全桥的输出特性，判断它们之间的相互关系。(2)条件允许时，可练习应变片的粘贴技术；(3)设计电子秤。(选做)•实验结果及要求记下实验结果，在同一坐标纸上画出实验曲线。计算灵敏度 SUW，非线性误差，并对结果进行讨论。利用应变片设计数字式电子秤，画出结构简图并叙述其工作原理。实验1.2电容式传感器的位移实验•实验目的与任务了解电容式传感器结构及其测位移工作原理； 掌握电容式传感器的静态性能及测试的基本方法；掌握电容传感器的基本应用；了解电容式传感测量电路的工作原理及组成。2•实验原理CC利用平板电容Ad9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。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器， 如图1所示：它由两个圆筒和一个圆拄组成的。设圆筒的半径为 R;圆拄的半径为r；圆柱的长为 X，则电容量为C2x/ln(°R/r)图中C1、C2 是差动连接，当图中的圆拄产生 位移时，电容的变化量为CCC1C2 2 2x/ln(R/,r^式中2X、ln(R/为常数，说明 与位移x成正比，配上配套的测量电路就能测量位移。图1变面积式电容式位移传感器结构示意图3•实验内容及要求(1)测试差动变面积式电容传感器的静态特性；(2)利用电容传感器设计电子秤。 (选做)4•实验结果及要求记录实验数据，画出实验v-X实验曲线，计算电容传感器的系统灵敏度 S和非线性误实验1.3电涡流传感器的特性实验

1．实验目的与任务掌握电涡流传感器的工作原理和特性；掌握电涡流传感器的静态性能及测试方法；掌握不同材料的被测物对电涡流传感器性能的影响；掌握电涡流传感器的基本应用；了解电涡流传感器电路的组成及原理。2．实验原理电涡流传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。当金属板置于变化着的磁场中时，或者在固定磁场中运动时，金属板内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属体内是闭合的（自成回路），所以叫做涡流。涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度以及线圈与金属板间的距离，线圈的激磁电流角频率等参数有关。当除线圈与金属导体表面的距离以外的所有参数一定时，涡流损耗只与金属导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性。涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。3．实验内容及要求（1）电涡流传感器的静态性能测试；（2）被测体的形状和尺寸对电涡流传感器特性的影响；（3）被测体的材料对电涡流传感器特性的影响；（4）利用电涡流传感器设计电子秤。（选做）4．实验结果及要求（1）记录实验数据，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，（即曲线线性端的中点），试计算测量范围量程为1mm与3mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。（2）记录不同面积的被测体时电涡流传感器的实验数据，画出实验曲线，并计算两种被测体的灵敏度、并说明理由。（3）分别记录被测体为不同材质时电涡流传感器的位移与输出电压实验数据，画出实验曲线，并分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。实验1.4Pt100铂电阻温度传感器特性测试及应用1•实验目的与任务了解铂热电阻的特性与应用。2．实验原理利用导体电阻随温度变化的特性，可以制成热电阻，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用的热电阻有铂电阻（ 650°C以内）和铜电阻（150C以内）。铂电阻是将 0.050.07mm的铂丝绕在线圈的骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成。在 0〜650C以内，它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt 0R1At2Btt0R式中：0Ro是温度为C0时的电阻。本实验铂电阻0=1004）A=3.968叙1(-3/°C,B=-5.847X10—7/f2。实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再经放大器放大后直接用电压表显示。3．实验内容及要求（1） 熟悉铂电阻温度传感器的工作原理并对其性能进行测试；（2） 利用铂电阻温度传感器设计测温电路，并在实验室调试。4．实验结果及要求记录实验数据，画出实验曲线并计算其非线性误差。（二）机械振动测试对机械结构特性进行测定，并对测试信号进行频谱分析。实验2.1简谐振动振幅与频率的测量．实验目的与任务了解加速度传感器的工作原理，掌握简谐振动振幅与频率最简单直观的测量方法。2．实验原理双简支梁在某一激振频率下产生振动，用加速度传感器测量双简支梁在此频率下振动的振幅。当激振频率由低频—高频扫频，传感器就能测出对应频率下的振幅。3．实验内容及要求简谐振动振幅与频率的测量。要求显示简谐振动振幅与频率的波形。4．实验结果及要求记录振幅与频率数据实验数据。实验2.2机械结构固有频率的测量．实验目的与任务了解和掌握机械结构振动系统幅频特性曲线的测量方法；了解机械结构固有频率测量系统的构成。2．实验原理双简支梁在某一激振频率下产生振动，用加速度传感器测量双简支梁在此频率下振动的振幅。当激振频率由低频—高频扫频，传感器就能测出对应频率下的振幅。3．实验内容及要求机械结构固有频率的测量。要求通过幅频特性曲线求出双简支梁的固有频率。4．实验结果及要求画出幅频特性曲线；估算阻尼比。实验2.3悬臂梁动态特性测试1．实验目的与任务了解二阶系统动态参数的测量方法以及测量系统的构成。2．实验原理给悬臂梁系统施加一个阶跃信号，通过传感器、由计算机控制数据采集并记录下悬臂梁f0f0、•实验内容及要求悬臂梁动态特性实验。要求通过幅频特性曲线求出悬臂梁的固有频率。•实验结果及要求根据幅频特性曲线，求出悬臂梁的固有频率；估算阻尼比。基于无线传感器网络的环境监测•实验目的与任务了解无线传感器网络的工作原理和特性。•实验原理传感器网是由一组按随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型传感器以自组织的方式构成的无线网络，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信息获取者。网络的实现过程是首先将大量的传感器节点部署在监测区域内部或附近，然后启动路由探测过程，节点通过自组织方式组件网络。传感器节点负责所在区域的测试数据采集，数据的上传过程可能由多个传感器节点逐跳实现。•实验内容及要求(1)利用传感器节点，构建无线传感器网络；(2)实现传感器网络节点间的信息通讯。•实验结果及要求(1)了解布置的传感器节点的网络构成情况；(2)实时获取各节点的温度、光强、振动等信息并记录分析。相关测速•实验目的与任务掌握电涡流传感器或光电传感器测速的原理及特点， 了解随机信号机其相关函数的特点，并利用相关分析法计算得到流体运动速度。•实验原理如图2所示，当运动物体通过固定距离为 l的两光电检测器A和B,检测器可获得对应xy 。根据峰值的滞后时间的两个信号xt和y七xy 。根据峰值的滞后时间vl/即可求得运动物体的速度 o。r AH 财］互相关摊理一图2物体运动速度的非接触测量•实验内容及要求(1)选用合适的测速传感器，构建流量测试系统；(2)改变物体运动速度(低速、中速和高速)，利用测速传感器直接测得物体运动速度;(3)改变物体运动速度(低速、中速和高速)，利用相关分析法计算得到物体运动速度;改变采样频率进行测量。•实验结果及要求对实验结果进行记录，分析直接测速法结果；(2)对两路测量信号，进行相关分析计算，对同一速度下，相关测速和直接测速进行分析比较；改变采样频率和每次进行相关的数据总量，分析比较测量结果。压力传感器的激波管动态标定•实验目的与任务了解压力传感器测量压力的原理和方法；利用激波管测试压力传感器的动态特性参数。•实验原理激波管标定装置系统如图3所示.它由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统及气源等四个部分组成。激波管是产生激波的核心部分， 由高压室和低压室组成， 中间用膜片隔开，激波压力的大小由膜片的厚度决定。 标定时，根据要求对高低压室分别充以不同压力的气体，低压室一般为一个大气压，仅给高压室充气，当高低压室的压力差达到一定程度时膜片破裂，高压室的气体膨胀冲入低压室从而形成激波。这个激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波，并以超音速冲向被标定的传感器。 传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡。被标定压力传感器可放置在侧面位置上， 也可放在底端面位置上。从被标定传感器来的信号通过电荷放大器，再通过接口传给采集系统， 。J—Z 1ncm一or1]F~~刃u0IIH]■Jw9_ElU图3激波管标定装置系统原理框图1—激波管的高压室；2—激波管的低压室；3-激波管的导低压室的膜片；4—侧面被标定的传感器；5—底面被标定的传感器；6>7—测速压力传感器；8—测速前置级；9-数字式频率计； 10—测压前置级；1—记录记忆装置；图15-20被标定传感器的输出波形12—气源；13—气压表；14—泄气门•实验内容及要求(1)构建激波管标定系统；(2)对压阻式压力传感器进行动态特性测试。•实验结果及要求(1)记录压力传感器的动态特性曲线；(2)求取压力传感器的上升时间、最大过程量、及响应带宽等特性指标；提出改善压力传感器动态特性指标的方法和思路。三、实施建议（一）实施安排序号实验项目名称学时分组情况实验性质实验要求备注1传感器静态特性研究2