传感器原理及工程应用学生实验指导书Word文件下载.docx
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2、接入模板电源±
15V(从主控台引入),检查无误后,合上主控台电源开关,将实验模板调节增益电位器RW3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,输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器RW4,使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源(注意:
当Rw3、Rw4的位置一旦确定,就不能改变。
一直到做完实验(三)为止)。
3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已接好),接好电桥调零电位器RW1,接上桥路电源±
4V(从主控台引入)如图1-1—2所示。
检查接线无误后,合上主控台电源开关。
调节RW1,使数显表显示为零。
4、在电子称上放置一只砝码,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(或500g)砝码加完。
记下实验结果填入下表,关闭电源。
图1-1—2应变式传感器单臂电桥实验接线图
重量(g)
电压(mv)
根据上表计算系统灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δf1=Δm/yF..S×
100%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:
yF·
S满量程输出平均值,此处为200g(或500g)。
五、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。
(二)半桥性能实验
1、加深了解金属箔式应变片的应变效应,半臂电桥工作原理和性能;
2、比较半桥与单臂电桥的不同性能和特点。
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UO2=EKε/2。
同实验
(一)。
四、实验方法与要求:
传感器安装同实验
(一)。
做实验
(一)的步骤2,实验模板差动放大器调零。
根据图1-2—1接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片,注意R2应和R1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。
接入桥路电源±
4V,调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零,实验方法3、4同实验
(一)中4、5的方法,将实验数据记入下表,计算灵敏度S2=U/W,非线性误差δf2。
若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片,应更换另一个应变片。
图1-2—1应变式传感器半桥实验接线图
3、下表是半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量
电压
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。
(三)全桥性能实验
1、掌握金属箔式应变片的应变效应,全桥工作原理和性能;
2、比较、总结三种测量电路输出时的灵敏度和非线性度。
全桥测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:
R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,其桥路输出电压U03=KEε。
其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。
同实验
(一)
四、实验步骤:
传感器安装同实验一。
根据图1-3—1接线,实验方法与实验
(二)相同。
将实验结果填入下表;
进行灵敏度和非线性误差计算。
图1-3—1全桥性能实验接线图
全桥测量时,输出电压与加负载重量值
全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥:
(1)可以
(2)不可以。
实验2
(一)压阻式压力传感器的压力测量实验
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。
扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条,接成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应,基片产生应力,电阻条的电阻率产生很大变化,引起电阻的变化,我们把这一变化引入测量电路,则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
压力源(已在主控箱)、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±
4V、±
15V。
1、根据图2-1—1连接管路和电路,主控箱内的气源部分,压缩泵、贮气箱、流量计已接好。
将标准压力表放置传感器支架上,三通连接管中硬管一端插入主控板上的气源快速插座中(注意管子拉出时请用双指按住气源插座边缘往内压,则可轻松拉出)。
其余两根黑色导管分别与标准表和压力传感器接通。
这里选用的差压传感器两只气咀中,一只为高压咀,另一只为低压咀。
当高压咀接入正压力时,输出为正,反之为负,若输出负时可调换气咀。
本实验模板连接见图2-1—2,压力传感器有4端:
1端线接地线,2端为U0+,3端接+4V电源,4端为Uo-。
1、2、3、4端顺序排列见图2-1—2。
2、实验模板上RW2用于调节零位,RW1可调放大倍数,按图2—1—2接线,模板的放大器输出Vo引到主控箱数显表的Vi插座。
将显示选择开关拨到2V档,反复调节RW2(RW1旋到满度的确1/3)使数显表显示为零。
3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮,开通流量计。
4、合上主控箱上的气源开关K3,启动压缩泵,此时可看到流量计中的滚珠浮子在向上浮起悬于玻璃管中。
5、逐步关小流量计旋钮,使标准压力表指示某一刻度,观察数显表显示电压的正、负,若为负值则对调传感器气咀接法。
图2-1—1压阻式压力传感器测量系统
红黄黑兰
图2-1—2压力传感器压力实验接线图
6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮,使压力表显示在4-14KP之间且每上升1KP分别读取压力表读数,记下相应的数显表值列于下表
压力传感器输出电压与输入压力值
P(KP)
Vo(p-p)
7、计算本系统的灵敏度和非线性误差。
如果本实验装置要成为一个压力计,则必须对电路进行标定,方法如下:
输入4KPa气压,调节Rw2(低限调节),使数显表显示0.400V,当输入12KPa气压,调节Rw1(高限调节)使数显表显示1.200V这个过程反复调节直到足够的精度即可。
(二)差动变压器的性能实验
了解差动变压器的工作原理和特性。
差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成,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(同名端连接),就引出差动输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源(音频振荡器)、万用表。
1、根据图2—2-1,将差动变压器装在差动变压器实验模板上。
图2—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—2_接线,音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出,调节音频振荡器的频率,输出频率为4-5KHz(可用主控箱的频率表输入Fin来监测)。
调节输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V(可用示波器监测:
X轴为0.2ms/div)。
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4-2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(Lv音频信号Vp-p=2v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Vp-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Vp-p最小开始旋动测微头,每隔0.2mm从示波器上读出输出电压
图2—2-2双踪示波器与差动变压器连结示意图
Vp-p值,填入下表,再人Vp-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。
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。
根据下表画出Vop-p-X曲线,作出量程为±
1mm、±
3mm灵敏度和非线性误差。
5、差动变压器位移X值与输出电压数据表
V(mv)
X(mm)
试分析差动变压器与一般电源变压器的异同?
实验3位移传感器特性实验
(一)电容式传感器的位移特性实验
了解电容式传感器结构及其特点。
利用平板电容C=εA/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ε、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(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
1、按图2-2—1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上,判别CX1和CX2时,注意动极板接地,接法正确则动极板左右移动时,有正、负输出。
不然得调换接头。
一般接线:
二个静片分别是1号和2号引线,动极板为3号引线。
2、将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上,动极板连线接地半联结地插孔(见图3-1—1)。
3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw调节到中间位置。
4、接入±
15V电源,旋动测微头推进电容器传感器动极板位置,每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入下表。
电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
V(mv)
5、根据上表数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
图3-1—1电容传感器位移实验接线图
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器,要求叙述原理及在设计中应考虑哪些因素;
画出结构简图。
(二)直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
了解霍尔式传感器工作原理及应用。
根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,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。
实验设备:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。
1、将霍尔传感器按图3-2—1安装。
霍尔传感器与实验模板的连接按图3—2-2进行。
1和3为电源±
4V,2和4为输出。
2、开启电源,调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。
图3-2—1霍尔传感器安装示意图
图3-2—2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图
3、微头向轴向方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入下表。
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。
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?
(三)电涡流传感器位移特性实验
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
通过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。
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
根据图3-3—1安装电涡流传感
图3-3—1电涡流传感器安装示意图
1、观察传感器结构,这是一个平绕线圈。
2、根据图3—3—2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。
3、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。
4、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
。
5、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有+15V的插孔中。
图3-3—2电涡流传感器位移实验接线图
6、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,然后每隔0.2mm读一个数,直到输出几乎不变为止。
将结果列入下表。
7、电涡流传感器位移X与输出电压数据
V(v)
8、根据上表数据,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1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度(可以用端基法或其它拟合直线)。
9、将铁质圆片换成铝质和铜质圆片。
10、重复进行被测体为铝质圆片和铜质圆片时的位移特性实验,将实验数据分别记入下表。
被测体为铝质圆片时的位移为输出电压数据
被测体为铜质圆片时的位移与输出电压数据
试比较三种不同的被测体材料,对电涡流传感器性能有何影响?
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?
用电涡流传感器进行非接触位移测量时,如何根据量程选用传感器。
实验4转速传感器测速实验
(一)霍尔测速实验
了解霍尔转速传感器的应用。
利用霍尔效应表达式:
UH=KHIB,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。
霍尔转速传感器、直流源+5V、转动源2-24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。
1、根据图4-1—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4-1—1 霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图
2、将5V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Fin端,3号接线端接地。
4、将转速调节中的2V——24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。
5、将数显单元上的开关拨到转速档。
6、调节转速调节电压使转动速度变化。
观察数显表转速显示的变化。
利用霍尔元件测转速,在测量上有否限制?
本实验装置上用了十二只磁钢,能否用一只磁钢?
(二)磁电式转速传感器测速实验
了解磁电式测量转速的原理。
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:
发生变化,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、和计数等电路即可以测量转速。
磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源2-24V。
1、磁电式转速传感器按图4—1-1安装传感器端面离转动盘面2mm左右。
将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。
(磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔)
2、将显示开关选择转速测量档。
3、将转速电源2-24V用引线引入到台面板上24V插孔,合上主控箱电开关。
使转速电机带动转盘旋转,逐步增加电源电压观察转速变化情况。
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?
(三)光电传感器测转速实验
了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
光电式转速传感器有反射型和透射型二种,本实验装置是透射型的,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,由于转盘上有相间的16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。
光电转速传感器、直流电源+5V、转动源及2-24V直流源、数显单元。
1、光电转速传感器已安装在三源板上,把三源板上的+5V、接地V0与主控箱上的+5V、地、数显表的Vin相连。
数显表转换开关打到转速档。
2、将转速源2-24V输出旋到最小,接到转动源24V插孔上。
3、合上主控箱电源开关,使电机转动并从数显表上观察电机转速。
已进行的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。
实验5光电耦合器的应用
掌握光电耦合器的工作原理及应用。
光耦合器是将发光元件与受光器件组合封装在同一个密封体内的器件,发光元件和受光器件及信号处理电路可集成在一块芯片上。
工作时,将电信号加到输入端,使发光元件发光,而受光器件在发光元件光辐射的作用下输出光电流,从而实现电-光-电两次转换,通过光进行输入端和输出端的耦合。
光电耦合器TLP521-4、直流电源5V、发光二极管、万用表、单片机开发系统、计算机。
1.实验系统的结构框图
2、实验所用芯片TLP-2管脚图
3.利用TLP521-4光电耦合器芯片设计开关量信号隔离电路,当输入高电平信号时,点亮发光二极管;
4.利用TLP521-4光电耦合器芯片设计开关量信号隔离电路,当输入低电平信号时,点亮发光二极管;
5.利用TLP521-4光电耦合器芯片设计两个信号的与电路,要求逻辑正确。
6.利用单片机开发系统和光电耦合器设计一个带有信号隔离的按键检测系统。
说明当传感器输出信号是OC门时,信号隔离电路如何设计。
实验6光纤传感器的位移特性实验
1、了解光纤位移传感器的工作原理及构成方法。
2、掌握光纤位移传感器的使用方法。
本实验采用的是传光型光纤,它由两束光纤混合后,组成Y型光纤,半圆分布即双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,由光源发出的光传到端部射出后再经被测体反射回来,由另一束光纤接收光信号经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。
光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。
1、根据光纤传感器安装示意图,如下图所示:
将实验用光纤传感器固定于支架上。
将两束光纤插入实验模板上的座孔上,其内部已和发光管D及光电转换管T相接。
2、将光纤实验模板输出端Vo1 与数显单元相连,如下图所示:
3、调节测微头,使探头与反射面圆平板接触。
4、实验模板接入主控台±
15V电源,合上主控箱电源开关,调Rw 使数显表显示为零。
5、转测微头,被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表值。
6、完成实验数据的采集。
将实验数据填入下表:
7、以位移数据(S)为X轴,电压数据(V)为Y轴,作V0=f(x)曲线,计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求?
利用光纤传感器测转速可以吗?
若可以,请你独立完成测速实验。
实验7
(一)铂电阻测温特性实验
了解热电阻的特性与应用。
利用导体电阻随温度变化的特性,热电阻用于测量时,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。
常用铂电阻和铜电阻、铂电阻在0-630.74℃以内,电阻Rt与温度t的关系为:
Rt=Ro(1+At+Bt2),Ro系温度为0℃时的电阻。
本实验Ro=100℃。
A=3.9684×
10-2/℃,B=-5.847×
10-7/℃2,铂电阻是三线连接,其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。
加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。
温度控制仪面板图说明
图7-1—1温度控制仪面板
①设定键②设定值减少键③设定值增加键④设定值显示器⑤测量值显示器
⑥控制输出显示灯⑦自正定指示灯⑧第一报警指示灯⑨第二报警指示灯
1、温度控制简要原理如下:
当总电源K1合上,直流电源24V加于继电器7、8端有直流电压,导通,加热器通电加热,当温度达到设定值时,由于热电偶(K型)的热电势的作用,温控仪内部比较反转断开,继电器7、8端失去电压,断开,加热炉停止加热,此时,直流
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