4《传感器与检测技术》实验指导书.docx
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4《传感器与检测技术》实验指导书
传感器与检测技术实验指导书
CSY-910型传感器实验仪
序号
实验项目名称
类型
学时
内容提要
1
实验
(一)金属箔式应变片性能-单臂电桥
验证
2
了解金属箔式应变片,单臂单桥的工作原理和工作情况。
2
实验
(二)金属箔式应变片:
单臂半桥全桥比较
验证
2
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
3
实验(三)差动变压器性能
验证
2
了解差动变压器式电感传感器的原理和工作情况
4
实验(四)差动变面积式电容传感器
验证
2
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
5
实验(五)霍尔式传感器的特性—直流激励
验证
2
了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置,熟悉实验面板上霍尔片的符号,了解霍尔式传感器的原理与特性。
电子信息工程学系测控教研室2011.09
实验
(一)金属箔式应变片性能——单臂电桥
【实验目的】
了解金属箔式应变片,单臂单桥的工作原理和工作情况。
【实验原理】
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻也随之发生相应的变化,通过测量电路,转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种,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Rl、R2、R3、R4中,设桥臂四个电阻的阻值和变化量相同,即:
R1=R2=R3=R4=R,△R1=△R2=△R3=△R4=△R。
电阻的相对变化率分别为△Rl/Rl、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4,当使用一个应变片时,为单臂电桥,总的变化率为ΣR=△R/R;当两个应变片组成差动半桥状态工作时,总的变化率为ΣR=2△R/R;用四个应变片组成差动全桥工作时,总的变化率为ΣR=4△R/R.。
由此可知,单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
【所需单元及部件】
CSY-910型传感器实验仪:
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。
【旋钮初始位置】
直流稳压电源打到±2V档,F/V表打到2V档,差动放大增益最大。
【实验步骤】
(1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置
观察梁上的应变片,应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片,测微头在双平行梁前面的支座上,可以上、下、前、后、左、右调节;电阻r下方的电位器是W1,其调节旋钮位于左边,电容C上方的电位器是W2,其调节旋钮位于右边。
(2)将差动放大器调零:
用连线将差动放大器的正(+)、负(-)与地短接。
将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连;开启主、副电源;调节差动放大器的增益到最大位置(顺时针旋到底),然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零,关闭主、副电源,撤去各连接导线。
(3)根据图接线。
Rl、R2、R3为电桥单元的固定电阻;Rx=R4为应变片。
将稳压电源的切换开关置±4V档,F/V表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁,开启主、副电源,调节电桥平衡网络中的Wl,使F/V表显示为零,然后将F/V表置2V档,再调电桥W1(慢慢地调),使F/V表显示为零。
(4)安装调整测微头
转动测微头上的调节旋钮,将测微头转动到10mm刻度附近,安装到双平等梁的自由端(与自由端磁钢吸合),调节测微头支柱的高度(梁的自由端跟随变化)使平衡梁处于水平位置(目测),固定紧测微头支座的固定旋钮,防止测微头绕支座转动。
开启主、副电源,调节电位器W1,当F/V表显示为零或小于2V时,将F/V表置2V档,再调节W1(慢慢地调),使F/V表显示为零(细调零),这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
(5)往下或往上旋动测微头,使梁的自由端产生位移记下F/V表显示的值。
往下或往上旋动测微头的调节旋钮,使梁的自由端产生位移。
建议每旋动测微头一周(转过50小格)即△X=0.5mm记一个数值填入下表:
位移(mm)
电压(mV)
(6)据所得结果计算灵敏度s=△V/△X
式中△x为梁的自由端位移变化,△V为相应F/V表显示的电压相应变化。
(7)实验完毕,关闭主、副电源,所有旋钮转到初始位置。
【思考题】
(1)本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求?
(2)根据所给的差动放大器电路原理图,分析其工作原理,说明它既能作差动放大,又可作同相或反相放大器。
【注意事项】
(1)电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在,仅作为一标记,让学生组桥容易。
(2)做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小,以减小其对直流电桥的影响。
(3)Wl、W2是电位器。
实验
(二)金属箔式应变片:
单臂、半桥、全桥比较
【实验目的】
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
【实验原理】
已知单臂、半桥和全桥电路的ΣR分别为△R/R、2△R/R、4△R/R。
根据戴维定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于ΣR.E4,电桥灵敏度Ku=Uo/△R/R,于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为E/4、E/2和E。
由此可知,当E和电阻相对变化一定时,电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
【所需单元和部件】
CSY-910型传感器实验仪:
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
【有关旋钮的初始位置】
直流稳压电源打到±2V档,F/V表打到2v档,差动放大器增益打到最大。
【实验步骤】
(1)按实验一方法将差动放大器调零后,关闭主、副电源。
(2)使用一片应变片,组建单臂电桥。
按图l接线,图中Rx=R4为工作片,r及Wl为电桥平衡网络。
完成接线与调整测微头使双平行梁处于水平位置(目测),将直流电源打到±4V档,选择适当的放大增益,然后调节W1,使F/V显示零(需预热几分钟表头才能稳定下来)。
记下此时的测微头的初始刻度(Rx接↑的应变片)
(3)旋动测微头的调节旋钮,记下梁自由端的位移和F/V表的示值。
旋转测微头,使梁移动,每隔1mm读一个数,将测得数值填入下表,然后关闭主、副电源。
△位移x(mm)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
△电压V(v)
(4)使用两片应变片,组建差动半桥,保持放大器增益不变,重复步骤(3)过程,记下所测得数据。
将R3固定电阻换为与R4(取↑应变片)受力方向相反的另一应变片(↓应变片),即取两片受力方向不同应变片,形成半桥。
调节测微头使梁到水平位置(目测),调节电桥Wl使F/V表显示为零,重复(3)过程同样测得读数填入下表:
△位移x(mm)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
△电压V(v)
(5)使用四片应变片,组建差动全桥,保持放大器增益不变,重复步骤(3)过程,再次记下所测得数据。
保持差动放大器增益不变,将R1,R2两个固定电阻换成另两片受力应变片(即Rl换成↓,R2换成↑)。
组桥时,只要掌握对臂应变片的受力方向相同,邻臂应变片的受力方向相反即可,否则相互抵消没有输出。
接成一个直流全桥,调节测微头使梁到水平位置,调节电桥W,同样使F/V表显示零。
重复(4)过程将读出数据填入下表:
△位移x(mm)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
△电压V(v)
(6)在同一坐标纸上描出X-V曲线,比较三种接法的灵敏度。
【注意事项】
(1)在更换应变片时应将电源关闭。
(2)在实验过程中如有发现电压表发生过载,应将电压量程扩大。
(3)在本实验中只能将放大器接成差动形式,否则系统不能正常工作。
(4)直流稳压电源±4V不能打的过大,以免损坏应变片或造成严重自热效应。
(5)接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验(三)差动变压器性能
【实验目的】
了解差动变压器式电感传感器的原理和工作情况;
【实验原理】
差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等。
初级线圈作为差动变压器激励部分,相当于变压器的原边。
而次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成,形成变压器的副边。
根据内外层排列不同,差动变压器有二段式和三段式,本实验采用三段式结构。
传感器随着被测物体移动时,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小,将两只次级反相串接,就为其差动输出,该输出电势则反映出被测物体的移动量。
【所需单元及部件】
双通道示波器和CSY-910型传感器实验仪:
差动变压器式电感传感器、音频振荡器、测微器、V/F表。
【有关旋钮初始位置】
音频振荡器4KHz——8KHz,双线示波器第一通道灵敏度500mV/div,第二通道灵敏度10mV/div,触发选择打到第一通道,主、副电源关闭。
【实验步骤】
(1)调节差动变压器
转动测微头旋钮使之与振动平台吸合,并使差动变压器的铁芯处于线圈的中段位置
(2)根据原理图接线
根据图接线,将示波器探头分别接至差动变压器的输入(接第一通道)和输出端(接第二通道),开启主、副电源,利用示波器观察,调节音频振荡器的幅度旋钮,使音频振荡器输出的激励电压的峰峰值为2V。
用手提压变压器磁芯,观察示波器第二通道波形是否能过零翻转,如不能则改变两个次级线圈的串接端。
(3)转动测微头,使示波器指示电压逐渐减小至近似为零,记下此最小值。
(4)转动测微头,使测微头与振动平台吸合,再向上转动测微头5mm,使振动平台向上移动,使示波器指示为最大(40mV左右),观察输出波形。
(5)旋转测微头,记下振动台向下位移量及差动变压器输出端的电压峰峰值。
向下旋钮测微头,使振动平台产生位移。
每位移0.2mm(即转过20小格)用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表,读数过程中应注意初、次级波形的相应关系。
位移(mm)
电压(mV)
(6)关闭主、副电源,撤去连接导线,计算灵敏度S=△V/△X,作V-X关系曲线
式中△V为电压变化,△X为相应振动平台的位移变化。
【思考题】
(1)根据实验结果,指出线性范围。
(2)当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时,双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化?
(3)用测微头调节振动平台位置,使示波器上观察到的差动变压器的输出阻抗端信号为最小,这个最小电压是什么?
由于什么原因造成?
【注意事项】
(l)差变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口(LV插口)输出。
(2)差变压器的两个次级线圈必须接成差动形式(即同名端相连。
这可通过信号相位有否变化判别之)。
(3)差变压器与示波器的连线应尽量短一线,以避免引入干扰。
实验(四)差动变面积式电容传感器实验
【实验目的】
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
【实验原理】
电容式传感器有多种形式,本仪器中差动变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置,与两组静片之间的重叠面积发生变化,极间电容也发生相应变化,成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为Cxl,下层定片与动片形成的电容定为Cx2,当将Cxl和Cx2接入桥路作为相邻两臂时,桥路的输出电压与电容量的变化有关,即与振动台的位移有关。
【所需单元及部件】
示波器和CSY-910型传感器实验仪:
电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表
【有关旋钮的初始位置】
差动放大器增益旋钮置于中间,F/V表置于2V档。
【实验步骤】
(1)根据图接线。
(2)将F/V表打到20V,调节测微头,使输出为零。
(3)转动测微头,每次0.1mm,记下此时测微头的读数及电压表的读数,直至电容动片与上(或下)静片覆盖面积最大为止。
X(mm)
V(mV)
(4)退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法,记下X(mm)及V(mv)值。
X(mm)
V(mV)
(5)计算系统灵敏度S=△V/△X,并作出Ⅴ-X曲线。
实验(五)霍尔式传感器的特性——直流激励
【实验目的】
了解霍尔式传感器的原理与特性。
【实验原理】
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。
当霍尔元件通过恒定电流时,霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时,输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X,所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
【所需单元及部件】
CSY-910型传感器实验仪:
霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F/V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。
【有关旋钮初始位置】
差动放大器增益旋钮打到最小,电压表置20V档,直流稳压电源置2V档,主、副电源关闭。
【实验步骤】.
(1)了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置,熟悉实验面板上霍尔片的符号。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上,两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上,二者组合成霍尔传感器。
(2)开启主、副电源将差动放大器调零后,增益最小,关闭主电源。
根据图接线,W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
(3)装好测微头,调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
(4)根据图接线,开启主、副电源,差动放大器增益调至较小位置,调整W1使F/V表指示为零。
(5)旋转测微头,记下振动台的位移和F/V的读数
建议每0.5mm读一个数,将读数填入下表:
X(mm)
V(V)
X(mm)
V(V)
(6)作出V—X曲线指出线性范围,求出灵敏度,关闭主、副电源。
(注:
本实验测出的实际上是磁场情况,磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异,位移测量的线性度,灵敏度与磁场分布有很大关系。
通过实验数据自己验证下)
(7)实验完结关闭主、副电源,各旋钮置初始位置。
【注意事项】
(1)由于磁路系统的气隙较大,应使霍尔片尽量靠近极靴,以提高灵敏度。
(2)一旦调整好后,测量过程中不能移动磁路系统。
(3)激励电压不能过2V,以免损坏霍尔片(±4V就有可能损坏霍尔片)
电子信息工程学系实验报告
成绩:
课程名称:
指导教师(签名):
实验项目名称:
实验时间:
班级:
姓名:
学号:
实验目的:
实验环境:
实验内容及过程:
实验结果及分析:
实验心得:
附录:
备注:
以上各项空白处若填写不够,可自行扩展
实验预习报告
学院(系):
电子信息工程学系专业:
测控班级:
091
姓名:
陈云学号:
910707153
实验名称:
****实验
一、实验预习项目
1、***(必做)
2、***(选做)
……
二、实验目的和要求(注:
参考实验指导书)
三、实验原理和内容(注:
由学生预习后填写,也可视课程实验要求由任课教师填写或省略该项)
四、实验步骤(注:
简要列出拟进行的主要实验步骤)
五、预习要求及思考题(注:
可视课程实验要求由任课教师填写或省略该项)
(如:
课前阅读《**实验》中有关内容,了解实验用仪器、仪表及实验装置的使用方法,明确其名称、用途及注意事项,完成下列预习题。
)
1、
2、
……
六、按教材要求设计实验数据表格,并记入实验报告中。
(注:
由学生预习后填写,也可视实验课程要求省略该项)
备注:
以上各项空白处若填写不够,可自行扩展
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 传感器与检测技术 传感器 检测 技术 实验 指导书