传感器及检测技术实验指导书Word下载.docx

传感器及检测技术实验指导书Word下载.docx

《传感器及检测技术实验指导书Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器及检测技术实验指导书Word下载.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

四、实验内容与步骤

1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。

从主控台接入±

15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。

将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。

关闭主控台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）

3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

5．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，填入下表。

重量（g）

电压（mV）

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；

2．计算单臂电桥的非线性误差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为满量程（200g）输出平均值。

六、注意事项

实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg，最大超程量为120％。

因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

实验二金属箔式应变片——半桥性能实验

比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

同实验一

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。

电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为

（2-1）

为电阻丝长度相对变化；

为电桥电源电压。

式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

根据所得实验数据，计算灵敏度L=ΔU/ΔW和半桥得非线性误差δf2。

六、思考题

引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？

图2-1半桥面板接线图

实验三直流全桥的应用——电子称实验

了解直流全桥的应用及电路的定标

电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。

1．把应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1；

差动放大器调零，参考实验一步骤2；

按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边，接好线并将差动放大器调零。

2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。

4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。

5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表。

6．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。

根据实验数据，求出重物的重量。

表3-1

电压（V）

7．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

根据实验记录的数据，计算电子称的灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf4。

图3-1全桥面板接线图

实验四交流全桥的应用——振动测量实验

一、实验目的：

了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法

二、实验仪器：

振荡器、万用表（自备）、应变传感器模块、通信接口（包括采集卡及上位机软件）、振动源、三源板上的应变输出、应变输出专用连接线。

三、实验原理：

将应变传感器模块电桥的直流电源E换成交流电源

，则构成一个交流全桥，其输出u=

，用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。

四、实验内容与步骤：

1、不用模块上的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到三源板的“应变输出”。

2、将台面三源板上的应变输出用连接线接到应变传感器实验模块的黑色插座上。

因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。

对角线的阻值为350Ω，若二组对角线阻值均为350Ω则接线正确（万用表测量）。

3、根据图5-1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。

检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度峰-峰值调节到Vp-p=10V（频率用频率/转速表监测，幅度用上位机监测）。

4、调节Rw1、Rw2使上位机采集到一条在零点的直线。

5、将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显有振动。

6、低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率（用频率/转速表监测），用上位机软件读出频率改变时差动放大器输出调制波包络的电压峰－峰值，填入下表

f（Hz）

Vo（p-p）/mv

表4-1

五、实验报告：

从表4-1的实验数据得出振动梁的共振频率。

图4-1

实验五差动变压器性能实验

了解差动变压器的工作原理和特性

差动变压器模块、测微头、通信接口、差动变压器、信号源、直流电源。

差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。

铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，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的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。

输出的变化反映了被测物体的移动量。

四、实验内容与步骤

1、根据图5-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上

图5-1

2、将传感器引线插头插入实验模块的插座中，按图5-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出），音频信号由振荡器的“00”处输出，打开主控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用频率/转速表和上位机软件监视），使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V。

图5-2

3、用通信接口的CH1观测差动变压器的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰－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从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入下表5－1，再从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。

五、实验报告

1、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。

根据表5－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±

1mm、±

3mm灵敏度和非线性误差。

表（5－1）差动变压器位移X值与输出电压数据表

X（mm）

V（mv）

实验六电容式传感器的位移特性实验

了解电容传感器的结构及特点

电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。

利用平板电容器原理：

6-1

式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。

所以电容传感器可以分为三种类型：

改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。

这里采用变面积式，如图6-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。

图6-1

1、按图6-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。

图6-2

2、将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。

3、接入±

15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0。

4、旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表6-1

1、根据表6-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

实验七电容传感器动态特性实验

了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。

电容传感器、电容传感器模块、相敏检波模块、振荡器频率/转速表、直流稳压电源、振动源、通信接口（含上位机软件）。

与电容传感器位移特性实验原理相同

1、传感器的安装如图7-1，传感器引线接入传感器模块，输出端Uo接相敏检波模块低通滤波器的输入Ui端，低通滤波器输出Uo接通信接口CH1。

2、主控台振荡器“低频输出”与振动台的“激励源”相连，振动频率选“10-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。

3、将主控台±

15V的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开主控台总电源，调节振动源激励信号的幅度，观察示波器上显示的波形。

4、保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变，改变振动频率（用数显频率计监测），从上位机测出传感器输出的峰-峰值。

保持频率不变，改变振荡器“低频输出”的幅度，测量传

f（Hz）

Vp-p（mv）

感器输出的峰-峰值。

图7-1

五、思考题：

为了进一步提高传感器的灵敏度，对本实验的传感器可做如何改进，设计成所谓的容栅传感器？

实验八霍尔测速实验

了解霍尔组件的应用—测量转速。

霍尔传感器、+5V、2-24V直流电源、转动源、频率/转速表。

三、实验原理；

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，转盘每转一周磁场变化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出被测旋转物的转速。

1、安装根据图8-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。

图8-1

2、将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。

“2-24V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。

3、合上主控台电源，调节2-24V输出，可以观察到转动源转速的变化。

也可通过通信接口的第一通道CH1，用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。

频率（HZ）

转速（rad）

五、实验报告：

1、分析霍尔组件产生脉冲的原理。

实验九磁电式传感器的测速实验

了解磁电式传感器的原理及应用。

转动源、磁电感应传感器、2-24V直流电源、频率/转速表、通信接口（含上位机软件）

磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即

其中W是线圈匝数，Φ线圈所包围的磁通量。

若线圈相对磁场运动速度为v或角速度w，则上式可改为e=-WBlv或者e=-WBSw，l为每匝线圈的平均长度；

B线圈所在磁场的磁感应强度；

S每匝线圈的平均截面积。

1、按图9-1安装磁电感应式传感器。

“转动电源”接到2-24V直流电源输出（注意正负极，否则烧坏电机）。

磁电式传感器的两根输出线接到频率/转速表。

2、调节2-24V电压调节旋钮，改变转动源的转速，通过通信接口的CH1通道用上位机软件观测其输出波形。

图9-1

实验数据：

1、分析磁电式传感器测量转速原理

实验十光纤传感器的测速实验

了解光纤位移传感器用于测转速的方法。

光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、直流稳压电源、数显直流电压表、频率/转速表、转动源、通信接口（含上位机软件）。

利用光纤位移传感器探头对旋转体被测物反射光的明显变化产生的电脉冲，经电路处理即可测量转速。

1、将光纤传感器按图10-1安装在传感器支架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头离反射点的距离在光纤传感器的线性区域内。

2、用手拨动一下转盘，使探头避开反射面（避免产生暗电流），接好实验模块±

15V电源，模块输出Uo接到直流电压表输入。

调节Rw使直流电压表显示为零。

3、将模块输出Uo接到频率/转速表的输入“fin”，同时通过通信接口的CH1用上位机软件观测输出波形。

4、将2－24V直流电源先调到最小，接到三源板的“转动电源”输入端，合上主控台电源开关，逐步增大2-24V输出，使电机转盘转速加快，固定某一转速观察输出波形，并记下频率/转速表读数。

图10-1

1、分析光纤传感器测量转速原理。

实验十一光电转速传感器的转速测量实验

了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、通信接口（含上位机软件）。

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，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。

1、光电传感器已安装在转动源上，如下图所示。

2-24V电压输出接到三源板的“转动电源”输入，并将2-24V调节到最小，+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“fin”。

2、合上主控制台电源开关，逐渐增大2-24V输出，使转动源转速加快，观测频率/转速表的显示，同时可通过通信接口的CH1用上位机软件观察光电传感器的输出波形。

图11-1

1、光电式传感器测速原理。

2、已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较那种方法最简单、方便。

实验十二PT100温度控制实验

了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理；

智能调节仪、PT100、温度源；

位式调节

位式调节（ON/OFF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。

位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。

PID智能模糊调节

PID智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（AT）功能使得无需设置控制参数。

在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。

温度控制基本原理

由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。

本实验仪采用PID智能模糊+位式双重调节控制温度。

用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可以节约实验时间。

当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Pt100的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。

PID智能温度控制原理框图如图12-1所示。

图12-1

1、在控制台上的“智能调节仪”单元中“控制对象”选择“温度”，并按图12-2接线

2、将2-24V输出调节调到最大位置，打开调节仪电源。

3、按住

3秒，PV窗口显示“

”进入智能调节仪参数设定，继续按

键直到PV窗口显示“

”，按

、

使SV窗口显示21，按“

”可改变小数点位置。

4、继续按

键使PV窗口显示“

使SV窗口显示1。

按住“

”键同时按住

3秒可回到初始状态，跳出参数设置。

5、按住

”进入智能调节仪参数设定，按

使SV窗口显示50（上限报警值），按“

6、继续按

使SV窗口显示0（下限报警值），按“

继续按

键并设置参数，见下表。

参数

代号

含义

说明

设置范围

实际

设定值

ALM1

上限报警

测量值大于ALM1+Hy值时将产生上限报警。

测量值小于ALM1-Hy时仪表解除上限报警，设置ALM1到其最大值（9999）可避免产生报警作用。

-1999-+99990C

或1定义单位

给定值

ALM2

下限报警

测量值小于ALM2-Hy值时将产生下限报警。

测量值大于ALM2+Hy时仪表解除下限报警，设置ALM1到其最大值（9999）可避免产生报警作用。

同上

9999

Hy-1

正偏差

报警

采用人工智能调节时，当偏差（测量值PV减给定值SV）大于Hy-1+Hy时产生正偏差报警。

当偏差小于Hy-1-Hy时正偏差报警解除。

设置Hy-1=9999，正偏差报警功能被取消。

0-99990C或1定义单位

Hy-2

负偏差

采用人工智能调节时，当偏差（测量值PV减给定值SV）大于Hy-2+Hy时产生负偏差报警。

当偏差小于Hy-2-Hy时负偏差报警解除。

设置Hy-2=9999，负偏差报警功能被取消。

Hy

回差（死区、滞环）

回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁/解除。

0-20000C或1定义单位

At

控制方式

At=0采用位时控制（ON-OFF），只适合要求不高的场合进行控制时采用。

At=1采用人工智能/PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。

At=2启动自整定参数功能，自整定结束后自动设置为3

At=3采用人工智能调节时，自整定结束后仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定功能，以防止误操作重复启动自整定。

0-3

1

I

保持参数

I、P、d、t等参数为人工智能调节算法的控制参数

I参数值主要决定调节算法中积分的作用，和PID调节的积分时间类同。

0-9999或1定义单位

自动

设置

P

速率参数

P值类似PID调节器的比例带，但变化相反，P值越大，比例、微分作用成正比例增强，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。

1-9999

d

滞后时间

滞后时间参数d是人工智能算法相对标准PID算法而引进的新的重要参数，本表根据d参数来进行一些模糊规则运算，以便能较完善地解决超调现象及振荡现象，同时使控制响应速度最佳。

0-2000秒

t

输出周期

反映仪表运算调节的快慢，t值越大，比例作用增强，微分减弱，t值越小，则比例作用减弱，微分作用增强。

t值大于或等于5秒时，则微分作用被完全取消，系统成为比例或比例积分调节。

0-125秒

Sn

输入规格

Sn用于选择输入规格21对应PT100；

34对应0-5V电压输入

0-37

21

dP

小数点位置

dP=0显示格式为0000，不显示小数点

dP=1显示格式为000.0，小数点在十位

dP=2显示格式为00.00，小数点在百位

dP=3显示格式为0.00