《传感器与检测技术》实训指导书

实验一：温度传感器动态特性的测试一、实验目的1、了解温度传感器时域特性；2、掌握温度传感器时间常数的测量方法。三、实验原理、方法和手段1、热电偶测量温度的基本原理热电偶测量温度的基本原理是热电效应。将A和B两种不同的导体首尾相连组成闭合回路，如果两连接点温度（T，T0）不同，则在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这就是热电效应。热电偶就是将A和B两种不同的金属材料一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端（接引线）处在温度T0称为自由端或参考端，也称冷端。T与T0的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为0℃时，热电偶的输出电动势为0V；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的K（镍铬-镍硅或镍铝）、E（镍铬-康铜）、T（铜-康铜）等等，并且有相应的分度（见附录）表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度。2、温度传感器动态特性参数的测定阶跃响应法是以阶跃信号作为温度传感器的输入，通过对温度传感器输出响应的测试，从中计算出其动态特性参数。对于温度传感器，时间常数τ是唯一表征其动态特性的参数。求取τ有很多方法，常用的是对温度传感器施加一阶跃信号，然后求取系统达到最终稳定值的63.2％所需时间作为系统的时间常数τ。这一方法的缺点是不精确，因为它受到起始时间点不能够确定的影响，而且也不能够确切地确定被测系统一定是一个温度传感器，另外它未涉及响应的全过程。为获得较高精度的测试结果，根据表1-1中所列的公式，温度传感器的阶跃响应函数为（1-1）改写后得（1-2）定义（1-3）式中（1-4）式（1-3）表明Z和时间t成线性关系，并且有，如图1-1所示。因此可以根据测得的Z值，做出Z-t曲线，并根据t值获得时间常数τ，这种方法考虑了瞬态响应的全过程。图1-1温度传感器时间常数的阶跃响应实验四、实验器件与设备温度调节仪、温度源、Pt100热电阻（温度源温度控制传感器）、K热电偶（温度特性实验传感器）、传感器实验平台、计算机、数据采集模块、虚拟仪器软件。五、实验任务及要求1.、构建一个温度传感器时间常数τ测量系统，测温度传感器响应曲线，根据响应曲线求出τ。2、具体要求如下：1）说明放大倍数K的确定；2）说明信号处理电路的设计；3）说明实验数据处理的方法。六、实验报告要求1、画出测量系统框图，说明测量原理；2、说明测试系统的设计；3、根据温度传感器阶跃响应特性曲线，求出系统的时间常数τ。实验二：应变传感器性能实验实验2.1金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；2、掌握单臂测量电路的工作原理。二、实验内容1、记录所加重量与电桥电压输出数据；2、计算灵敏度、非线性误差δ。三、实验原理、方法和手段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：。式中：为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，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。四、实验条件主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、数显万用表。五、实验步骤应变传感器实验模板说明：实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。图2-1应变式传感器单臂电桥实验安装、接线示意图1、根据图2-1安装、接线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的、、、和加热器上。传感器左上角应变片为；右下角为；右上角为；左下角为。当传感器托盘支点受压时，、阻值增加，、阻值减小，可用数显万用表进行测量判别。常态时应变片阻值＝＝＝＝，加热丝阻值为左右。2、放大器输出调零：将图2-1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使主机箱电压表显示为零。3、应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原（见图2-1接线图），调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零；在应变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200g砝码加完。记下实验结果，填入表2-1，画出实验曲线。表2-1应变式传感器单臂电桥性能实验数据重量（g）电压（mV）4、根据表2-1计算系统灵敏度（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差。式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。实验完毕，关闭电源。六、思考题单臂电桥时，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。实验2.2金属箔式应变片——半桥性能实验一、实验目的1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；2、掌握半桥测量电路的工作原理；3、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、实验内容1、记录所加重量与电桥电压输出数据；2、计算灵敏度、非线性误差δ。三、实验原理、方法和手段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。四、实验条件主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、数显万用表。五、实验步骤1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，将实验模板差动放大器调零：用导线将实验模板上的±15V、^插口与主机箱电源±15V、^分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。图2-2应变式传感器半桥接线图2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2-2接线。注意应和受力状态相反，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。调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取电压表数值，依次增加砝码和读取相应的电压表数值，直到200g（或500g）砝码加完。记下实验结果，填入表2-2，画出实验曲线。计算灵敏度，非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。表2-2应变式传感器半桥实验数据重量（g）电压（mV）六、思考题1、半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。2、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。实验2.3金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；2、了解全桥测量电路的工作原理、测量电路的优点。二、实验内容1、记录所加重量与电桥电压输出数据；2、计算灵敏度、非线性误差δ。三、实验原理、方法和手段全桥测量电路中，将四片应变片分别接入电桥的四个臂。传感器工作时，电桥相对的两臂受力性质相同，即两应变片处于受压状态，另两应变片处于拉伸状态。四片应变片初始阻值为：＝＝＝，工作时的变化值ΔR1＝ΔR2＝Δ＝Δ时，其桥路输出电压。由此，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。四、实验条件主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、数显万用表。五、实验步骤1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，将实验模板差动放大器调零。用导线将实验模板上的±15V、^插口与主机箱电源±15V、^分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。图2-3图2-3全桥性能实验接线图2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2-3接线，实验方法与实验2.2相同，将实验数据填入表2-3，画出实验曲线。计算灵敏度、非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。表2-3应变式传感器全桥实验数据重量（g）电压（mV）六、思考题1、全桥测量中，当两组对边（R1、为对边）电阻值R相同时，即＝，＝，而≠时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片片，如图2-4，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。图2-4应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验2.4金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的1、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度；2、掌握应变式传感器测量电路的输出特性。二、实验内容1、记录单臂、半桥、全桥所加重量与电桥电压输出数据；2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度。三、实验原理、方法和手段如图2-5（a）、（b）、（c）。（a）设R1＝R2＝R3＝R4，且。所以电桥的电压灵敏度：（a）（b）（c）图2-5应变电桥（a）单臂；（b）半桥；（c）全桥（b）同理：（C）同理：S＝E四、实验条件主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码。五、实验步骤根据实验2.1、2.2、2.3所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验2.1、2.2、2.3中的放大器增益必须相同）。实验完毕，关闭电源。实验2.5直流全桥的应用——电子秤实验一、实验目的1、了解应变直流全桥的应用；2、了解电路的标定。二、实验内容记录所加重量与电桥电压输出数据。三、实验原理、方法和手段图2-5数字电子称原理框图数字电子秤实验原理如图2-5，全桥测量原理。本实验只做放大器输出UO实验，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。四、实验条件主机箱、应变式传感器实验模板、砝码五、实验步骤1、实验模板差动放大器调零：将实验模板上的±15V、^插口与主机箱电源±15V、^分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。按图4-1直流全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位，使电压表显示0.000V。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器（增益即满量程调节）使电压表显示为0.200V（2V档测量）或-0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器（零位调节）使电压表显示为0.0000V。4、重复2、3、步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入下表2-5。表2-5电子称实验数据重量(g)电压(V)6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。实验完毕，关闭电源。六、思考题说明数字电子称工作原理。实验三：电涡流传感器位移性能实验一、实验目的1、了解电涡流传感器的结构、特性；2、掌握电涡流传感器的工作原理；3、了解电涡流传感器测量位移的工作原理。二、实验内容1、记录位移与测量电路电压输出数据；2、作出V-X实验曲线，说明测位移范围。三、实验原理、方法和手段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。通高频电流的线圈产生磁场，当有金属导电体接近线圈时，导电体内产生涡流，当除线圈与金属导体表面的距离x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x有关，因此可以进行位移测量。四、实验条件主机箱、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）。五、实验步骤1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅实验九。根据图3-1安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。图3-1电涡流传感器装、接线示意图2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后，开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据列入表3-1。表3-1电涡流传感器位移实验数据X（mm）V（V）3、根据表3-1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）。实验完毕，关闭电源。六、思考题1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。实验四：机械系统振动的测量一、实验目的1、了解和掌握机械结构振动系统幅频特性曲线的测量方法；2、了解机械结构固有频率测量系统的构成；3、了解激振器、加速度传感器、电荷放大器的工作原理；4、掌握由幅频特性曲线得到机械结构的固有频率。二、实验内容1、记录双简支梁幅频特性曲线；2、计算双简支梁固有频率。三、实验原理、方法和手段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。通过幅频特性曲线可以求出双简支梁的固有频率。四、实验条件动态参数综合测试系统，低频扫频信号源，压电式加速度传感器，电荷、应变放大器、计算机（数据采集、信号分析软件）。五、实验步骤1、实验安装、接线如图4-1所示。将激振器通过顶杆连接到双简支梁上（注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上），激振点位于双简支梁中心处。将加速度传感器粘在双简支梁上中心处。TS1211BTS1211B低频扫描信号源数值显示功率输出应变放大器显示电荷放大器图4-1简谐振动振幅与频率测量实验接线图2、将低频扫频信号源功率输出端与激振器相连；加速度传感器与电荷放大器输入端相连；计算机USB接口与电荷放大器USB接口相连；3、TS1218B低频扫频信号源的设置：扫频模式为对数；“手动”位置；调幅度旋钮至2～3个灯亮；电荷放大器的设置：上限频率设为300Hz；4、打开计算机电源，打开vib，SYS振动信号采集、处理分析程序，在主菜单“信号采集”下，点击“信号采集＋示波【高速】”，设置“文件保存路径”文件名***.ad，TS1218B低频扫频信号源置“自动”位置，点击“开始采集(存盘)”，自动频率结束后，点击“停止采集”，点击“退出（格式转换）”；5、打开“采集数据文件（读）R”文件***.ad，设置“数据文件（存）S”文件名***.TIM，点击“开始转换数据文件C”，点击“完成OK”，“退出”；6、点击“频谱分析（A）”，点击“频谱分析（可视）”，点击“打开文件”，找到文件名为***.TIM，点击“打开”；7、选择“开始通道”，“结束通道”数，选择“频谱分析内容”为“自功率谱”，在“是否计算[自功率]谱”点击“YES”，计算完成(ok)；8、显示简谐振动振幅与频率的波形，将实验数据填入下表4-1。实验完毕，关闭电源。表4-1振幅与频率数据X（mm）f（Hz）六、思考题1、根据加速度幅频特性曲线，找出系统的固有频率。2、估算阻尼比。实验五：压阻式压力传感器动态特性的标定一、实验目的1、了解二阶传感器对阶跃信号的响应特性。2、掌握二阶传感器动态参数的测试方法。3、理解影响二阶传感器动态特性的因素。4、了解激波管标定装置的工作原理。二、实验原理、方法和手段1、激波管标定装置工作原理激波管标定装置系统如图5-1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。图5-1激波管标定装置系统原理图1）激波管是产生激波的核心部分，由高压室1和低压室2组成。1，2之间由铝或塑料膜片3隔开，激波压力的大小由膜片的厚度来决定。标定时根据要求对高、低室冲以压力不同的压缩气体（通常采用压缩空气），低压室一般为一个大气压，仅给高压室冲以高压气体。当高、低压室的压力差达到一定程度时，膜片破裂，高压气体迅速膨胀冲入低压室，从而形成激波，这个激波接近理想的阶跃波，并冲向被标定的传感器。传感器在激波的激励下，产生一个衰减振荡。如图5-2所示，其波形由存储示波器记录下来，以供确定传感器的动态特性之用。

图5-2被标定传感器的输出波形2）入射波的测速系统如图5-1所示，P1由压电式压力传感器6和7，前置放大器8以及频率计9组成。对测速用的压力传感器6和7的要求是它们的一致性要好，传感器的受压面应与管的内壁一致，以免受激波管内表面的影响。测速前置级8通常采用电荷放大器及限幅器以给出幅值基本恒定的脉冲信号，数字频率计给出时标信号。由两个脉冲信号去控制频率计9的开、关门时间。入射激波的速度为：（5-1）式中：l—－两个测速传感器之间的距离；t—－激波通过两个传感器间距所需的时间（为计数器的时标，n为频率计显示的脉冲）激波通常以马赫数表示，其定义为：（5-2）式中：u—－激波速度—－低压室的音速，可用下式表示：（5-3）式中：—－T℃时的音速；a0—－0℃T—－试验时低压室的温度（室温一般为25℃3)标定测量系统标定测量系统由被标定传感器4，5，电荷放大器10及存储示波器11等组成。被标定传感器既可以放在侧面位置上，也可以放在底端位置上。从被标定的传感器来的信号通过电荷放大器加到存储示波器上纪录下来，以便分析、计算，直接求得幅频特性及动态灵敏度等。4)气源系统气源系统由气源12，气压表13以及泄气门14等组成。它是高压气体的产生源，通常采用压缩空气，压力大小由阀控制，气压表13测得。完成测量后开启泄气门14，以便管内的气体泄掉，然后对管内进行清理。更换膜片，以备下次再用。2、误差分析在前面的分析中做了一定的假设，一旦这些假设不成立时就会产生误差。如测速系统的误差，破膜及激波在端部的反射引起的振动产生的影响等。这些原因都会给标定造成误差，下面就这几方面因素做简单的分析讨论。1)测速系统的误差根据压力传感器校准的要求，除了要保证系统工作稳定、可靠外，还要保证测量的准确。影响测速系统的因素很多，由式（5-1）可知，测速误差为（5-4）式中，分别为l，t的相对误差。从可知，影响测速精度的因素有测速传感器的安装孔距加工误差，有测速系统各组成部分引起的测时误差，它包括：(1)各测速传感器的上升时间，灵敏度和触发位置的不一致性；(2)各电荷放大器输出信号的上升时间、灵敏度的不一致形；(3)频率计的测量误差（包括时标误差和触发误差）。2)激波速度在传播过程中的衰减误差；根据实验测定，激波实际传播速度与理论值有出入，前者小于后者，显然这是激波的衰减造成的；非理想的阶跃压力引起的误差通常小于。这两项误