传感器实验指导书.docx
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传感器实验指导书
目录
一、基本实验
实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥…………………………………1
实验二差动变压器式的性能…………………………………………………3
实验三差动变压器零点残余电压的补偿……………………………………5
实验四移相器实验……………………………………………………………6
实验五相敏检波实验…………………………………………………………7
实验六电涡流式传感器的原理………………………………………………10
实验七被测体材料对电涡流传感器的影响…………………………………12
实验八差动变面积型电容式传感器的原理…………………………………13
实验九霍尔式传感器的特性…………………………………………………15
实验十磁电式传感器性能……………………………………………………17
实验十一压电传感器动态响应实验…………………………………………18
二、综合性实验
实验十二电子秤的设计……………………………………………………19
实验十三PN结温度测试仪…………………………………………………20
实验十四光纤位移传感器…………………………………………………21
三、附录Ⅰ:
CSY-
型传感器实验仪简介…………………………………22
附录Ⅱ:
CSY-
型传感器实验仪电路原理图……………………………25
附录Ⅲ:
传感器安装示意图及面板示意图………………………………35
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥
一、实验目的:
﹝1﹞了解悬梁梁受力(梁端位移)时产生应变的原理。
﹝2﹞了解金属箔式应变片受到应变时电阻的变化规律。
﹝3﹞掌握单臂电桥检测电阻的方法。
二、实验仪器:
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:
直流稳压电源打倒±2V档,F/V表打到2V档,差动放大增益最大。
三、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。
(2)将差动放大器调零:
用连线将差动放大器的正(+)、负(-)、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,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。
(3)根据图1-1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
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W1,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)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F/V表显示最小,再旋动测微头,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。
建议每旋动测微头一周即ΔX=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=ΔV/ΔX(式中ΔX为梁的自由端位移变化,ΔV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。
四、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)为确保实验过程中输出指示不溢出,可先将砝码加至最大重量,如指示溢出,适当减小
差动放大增益,此时差动放大器不必重调零。
(3)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。
(4)电位器W1、W2,在有的型号仪器中标为WD、WA。
五、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,(见附录图一),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。
实验二差动变压器性能
一、实验目的
(1)了解电感式传感器的差动变压器的工作原理。
(2)了解电感式传感器的差动变压器的输出特性。
(3)掌握差动变压器的测量方法。
二、实验仪器
音频振荡器、测微头、示波器、主、副电源、差动变压器、振动平台。
有关旋钮初始位置:
音频振荡器4KHZ-8KHZ之间,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。
三、实验步骤
(1)根据图2-1接线,将差动变压器、音频振荡器(必须LV输出)、双线示波器连接起来,组成一个测量线路。
开启主、副电源,将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端,观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。
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,使振动平台往上位移。
往下旋动测微头,使振动平台产生位移。
每位移0.2mm,用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表,根据所得数据计算灵敏度S。
S=ΔV/ΔX(式中ΔV为电压变化,ΔX为相应振动平台的位移变化),作出V-X关系曲线。
X(mm)
5mm
4.8mm
4.6mm
…
0.2mm
0mm
-0.2mm
…
-4.8mm
-5mm
Vo(p-p)
四、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端信号为最小,这个最小电压称作什么?
由于什么原因造成?
实验三差动变压器零点残余电压的补偿
一、实验目的
﹝1﹞了解产生零点残余电压的原因。
﹝2﹞了解如何用适当的线路对残余电压进行补偿。
﹝3﹞了解补偿线路对输出电压的影响。
二、实验仪器
音频振荡器、测微头、电桥、差动变压器、差动放大器、双线示波器、振动平台、主副电源。
有关旋钮的初始位置:
音频振荡器4kHz-8KHZ之间,双线示波器第一通道灵敏度500mV/div,第二通道灵敏度1V/div,触发选择打到第一通道,差动放大器的增益旋到最大。
三、实验步骤
(1)接图3-1接线,音频振荡必须从LV插口输出,W1,W2,r,c,为电桥单元中调平衡网络。
(2)开启主.副电源,利用示波器,调整音频振荡器幅度钮使示波器一通道显示出为2伏峰—峰值。
调节音频振荡器频率,使示波器二通道波形不失真。
(3)调整测微头,使差动放大器输出电压最小。
(4)依次调整W1,W2,使输出电压进一步减小,必要时重新调节测微头,尽量使输出电压最小。
(5)将二通道的灵敏度提高,观察零点残余电压的波形,注意与激励电压波形相比较。
经过补偿后的残余电压波形:
为波形,这说明波形中有分量。
(6)经过补偿后的残余电压大小:
V残余p-p=V残余p-p/100与实验十六未经补偿残余电压相比较。
(7)实验完毕后,关闭主、副电源。
四、
注意事项
(1)由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。
因此次级输出波形难以用一般示波来看,要用差动放大器使双端输出转换为单端输出。
(2)音频信号必须从LV插口引出。
实验四移相器实验
一、实验目的
了解运算放大器构成的移相电路的原理及工作情况
二、实验仪器
移相器、音频振荡器、双线(双踪)示波器、主、副电源
三、实验步骤
(1)了解移相器在实验仪所在位置及电路原理。
(2)将音频振荡器的信号引入移相器的输入端(音频信号从0°、180°插口输出均可),开启主、副电源。
(3)将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端,调整示波器,观察示波器的波形。
(4)旋动移相器上的电位器,观察两个波形间相位的变化。
(5)改变音频振荡器的频率,观察不同频率的最大移相范围。
四、思考题
(1)根据图4-1,分析本移相器的工作原理,并解释所观察到的现象。
提示:
A1、R1、R2、R3、C超前移相,在R3=R1时,KF1(jω)=Vm/Vλ=-(1-jωRwC2)/(1+jωR2C1),KF1(ω)=1,ΦF1(ω)=-π-2tg-1ωR2C1。
A2、R4、R5、RW、C2滞后移相,在R5=R4时,KF2(jω)=V/Vm=(1-jωRwC2)/(1+jωC2),KF2(ω)=1,ΦF2(ω)=-2tg-1ωRwC1,ω=2πf。
分析:
f一定时Rw=0-10KΩ相移Δφ,及Rw一定时,f变化相移Δφ。
(2)如果将双线示波器改为单踪示波器,两路信号分别从Y轴和X轴送入,根据李沙育图形是否可完成此实验?
实验五相敏检波器实验
一、实验目的
了解相敏检波器的原理和工作情况。
二、实验仪器
相敏检波器、移相器、音频振荡器、双线示波器(自备)、直流稳压电源、低通滤波器、
F/V表、主、副电源。
有关旋钮的初始位置:
F/V表置20K档。
音频振荡器频率为4KHz,幅度置最小(逆时针到底),直流稳压电源输出置于±2V档,主、副电源关闭。
三、实验步骤
(1)了解相敏检波器和低通滤波器在实验仪面板上的符号。
(2)根据图5-1的电路接线,将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波器的输入端
(1),把直流稳压电源+2V输出接至相敏检波器的参考输入端(5),把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端
(1)和输出端(3)组成一个测量线路。
(3)调整好示波器,开启主、副电源,调整音频振荡器的幅度旋钮,示波器输出电压为峰峰值4V。
观察输入和输出波的相位和幅值关系。
(4)改变参考电压的极性(除去直流稳压电源+2V输出端与相敏检波器参考输入端(5)的连线,把直流稳压电源的-2V输出接至相敏检波器的参考输入端(5)),观察输入和输出波形的相位和幅值关系。
由此可得出结论,当参考电压为正时,输入和输出相,当参考电压为负时,输入和输出相,此电路的放大倍数为倍。
(5)关闭主、副电源,根据图5-2电路重新接线,将音频振荡器的信号从0°输出端输出至相敏检波器的输入端
(1),将从0°输出端输出接至相敏检波器的参考输入端
(2),把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入
(1)和输出端(3),将相敏检波器输出端(3)同时与低通滤波器的输入端连接起来,将低能滤波器的输出端与直流电压表连接起来,组成一个测量线路。
(此时,F/V表置于V表20V档)。
图5-2
(6)开启主、副电源,调整音频振荡器的输出幅度,同时记录电压表的读数,填入下表。
单位:
V
Vip-p
0.5
1
2
4
8
16
Vo
(7)关闭主、副电源,根据图5-3的电路重新接线,将音频振荡器的信号从0°输出端输出至相敏检波器的输入端
(1),将人180°输出端输出接至移相器的输入端,将从移相器输出端接至相敏检波器的参考输入端
(2),把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端
(1)和输出端(3),将相敏检波器输出端(3)同时与低通滤波器输入端连接起来,将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来,组成一测量线路。
(8)开启主、副电源,转动移相器上的移相电位器,观察示波的显示波形及电压表的读数,使得输出最大。
(9)调整音频振荡器的输出幅度,同时记录电压表的读数,填入下表。
单位:
V
Vip-p
0.5
1
2
4
6
8
16
Vo
四、思考题
(1)根据实验结果,可以知道相敏检波器的作用是什么?
移相器在实验线路中的作用是什么?
(即参考端输入波形相位的作用)
(2)在完成第五步骤后,将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端
(1)和附加观察端(6)和
(2),观察波形来回答相敏检波器中的整形电路是将什么波转换成什么波,相位如何?
起什么作用?
(3)当相敏检波器的输入与开关信号同相时,输出是什么极性的什么波,电压表的读数是什么极性的最大值。
实验六电涡流式传感器的静态标定
一、实验目的
﹝1﹞了解电涡流式传感器的工作原理。
﹝2﹞了解电涡流式传感器的特点。
﹝3﹞掌握电涡流传感器的测量原理。
二、实验仪器
涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。
三、实验步骤
(1)装好传感器(传感器对准铁测片安装)和测微头。
(2)观察传感器的结构,它是一个扁平线圈。
(3)用导线将传感器接入涡流变换器输入端,将输出端接至F/V表,电压表置于20V档,见图,开启主、副电源。
(4)用示波器观察涡流变换器输入端的波形。
如发现没有振荡波形出现,再将被测体移开一些。
可见,波形为波形,示波器的时基为us/cm,故振荡频率约为。
(5)适当调节传感器的高度,使其与被测铁片接触,从此开始读数,记下示波器及电压表的数值,填入下表:
建议每隔0.10mm读数,到线性严重变坏为止。
根据实验数据。
在座标纸上画出V-X曲线,指出大致的线性范围,求出系统灵敏度。
(最好能用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度)。
可见,涡流传感器最大的特点是,传感器与被测体间有一个最佳初始工作点。
这里采用的变换电路是一种。
实验完毕关闭主、副电源。
X(mm)
Vp-p(v)
V(v)
三、实验注意事项
﹝1﹞测量过程中金属导体要固定不动。
﹝2﹞铁片应与传感器测试头平行,并将测试头尽量对准被测体中间,以减少涡流损失。
﹝3﹞传感器在初试时可能出现一段死区。
四、实验分析
﹝1﹞根据测量结果,在坐标纸上画出V—X曲线,求出灵敏度S,S=△V/△X,并指出线性范围。
﹝2﹞用理论方法计算灵敏度并与实际测量值比较。
实验七被测体材料对电涡流传感器特性的影响
一、实验目的
了解被测体材料对涡流传感器性能的影响。
二、实验仪器
涡流传感器、涡流变换器、铁测片、F/V表、测微头、铝测片、振动台、主、副电源。
三、实验步骤
(1)安装好涡流传感器,调整好位置。
装好测微头。
(2)按实验六图6-1接线,检查无误,开启主、副电源。
从传感器与铁测片接触开始,旋动测微头改变传感器与被测体的距离,记录F表读数,到出现明显的非线性为止,然后换上铝测片重复上述过程,结果填入下表(建议每隔0.05mm读数):
X(mm)
V铝(v)
V铁(v)
根据所得结果,在同一座标纸上画出被测体为铝和铁的两条V-X曲线,照实验二十二的方法计算灵敏度与线性度,比较它们的线性范围和灵敏度。
关闭主、副电源。
可见,这种电涡流式传感器在被测体不同时必须重新进行工作。
四、注意事项
(1)传感器在初始时可能为出现一段死区。
(2)此涡流变换线路属于变频调幅式线路,传感器是振荡器中一个元件,因此材料与传感器输出特性之间的关系与定频调幅式线路不同。
实验八差动变面积型电容式传感器
一、实验目的
﹝1﹞了解电容式传感器的工作原理。
﹝2﹞了解差动变面积型电容传感器的测量原理。
﹝3﹞掌握差动式电容传感器灵敏度的分析方法。
二、实验仪器
电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器
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V表2V档。
三、实验步骤
(1)按图8-1接线。
(2)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)静片复盖面积最大为止。
X(mm)
V(mv)
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。
(4)计算系统灵敏度S。
S=ΔV/ΔX(式中ΔV为电压变化,ΔX为相应的梁端位移变化),并作出V-X关系曲线。
X(mm)
V(mv)
(5)卸下测微头,断开电压表,接通激振器,用示波器观察输出波形。
四、实验注意事项
﹝1﹞注意电容变换器的接法,上面两个插口是输入,一个输出插口为VO。
﹝2﹞调节低频振荡器产生振荡时,要注意其幅度旋钮不能太大,以免损坏设备。
五、实验分析
﹝1﹞根据测量结果,在坐标纸上画出V—X曲线,求出系统灵敏度S,S=△V/△X,并指出线性范围。
﹝2﹞分析V—X曲线中,出现非线性的原因。
﹝3﹞试分析电容变换器在这里所起的作用。
实验九霍尔式传感器的特性—直流激励
一、实验目的
﹝1﹞了解霍尔传感器的特性与工作原理。
﹝2﹞掌握霍尔传感器的测量方法。
二、实验仪器
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。
三、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,增益置最小,关闭主电源,根据图21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)开启主、副电源调整W1使电压表指示为零。
(5)上下旋动测微头,记下电压表的读数,建议每0.1mm读一个数,将读数填入下表:
X(mm)
V(V)
X(mm)
V(v)
作出V-X曲线指出线性范围,求出灵敏度,关闭主、副电源。
可见,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。
(6)实验完毕关闭主、副电源,各旋钮置初始位置。
三、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)激励电压不能过大,以免损坏霍尔片。
四、实验分析
﹝1﹞根据测量结果,画出V—X曲线,求出系统灵敏度S,S=△V/△X。
﹝2﹞分析系统产生非线性的原因。
实验十磁电式传感器的性能
一、实验目的
了解磁电式传器的原理及性能
二、实验仪器
差动放大器、涡流变换器、激振器、示波器、磁电式传感器、涡流传感器、振动平台、主、副电源。
有关旋钮的初始位置:
差动放大器增益旋钮置于中间,低频振荡器的幅度旋钮置于最小,F/V表置2KHz档。
三、实验步骤
(1)观察磁电式传感器的结构,根据图10-1的电路结构,将磁电式传感器,差动放大器,低通滤波器,双线示波器连接起来,组成一个测量线路,并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连,开启主、副电源。
(2)调整好示波器,低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置,调节频率,调节时用频率表监测频率,用示波器读出峰峰值填入下表:
F(HZ)
3
4
5
6
7
8
9
10
20
25
V(p-p)
(3)拆去磁电传感器的引线,把涡流传感器经涡流变换器后接入低通滤波器,再用示波器观察输出波形(波形好坏与涡流传感器的安装位置有关,参照涡流传感器的实验)并与磁电传感器的输出波形相比较。
四、实验分析
(1)根据测量结果,画出V—X曲线,求出系统灵敏度S,S=△V/△X。
(2)分析系统产生非线性的原因。
五、思考题
(1)试回答磁电式传感器的特点?
(2)比较磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位,为什么?
实验十一压电传感器的动态响应实验
一、实验目的
了解压电式传感器的原理、结构及应用。
二、实验仪器
低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、F/V表、主、副电源、振动平台。
有关旋钮的初始位置:
低频振荡器的幅度旋钮置于最小,F/V表置F表2KHZ档。
三、实验步骤
(1)观察压电式传感器的结构,根据图11-1的电路结构,将压电式传感器,电荷放大器,低通滤波器,双线示波器连接起来,组成一个测量线路。
并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。
(2)将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。
(3)调整好示波器,低频振荡器的幅度旋钮固定至最大,调节频率,调节时用频率表监测频率,用示波器读出峰峰值填入下表:
F(HZ)
5
7
12
15
17
20
25
V(p-p)
(4)示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形,并与压电波形相比较观察其波形相位差。
四、实验分析
(1)根据测量结果,画出V—X曲线,求出系统灵敏度S,S=△V/△X。
(2)分析系统产生非线性的原因。
五、思考题
(1)根据实验结果,可以知道振动台的自振频率大致多少?
(2)试回答压电式传感器的特点。
比较磁电式传感器输出波形的相位差Δφ大致为多少?
为什么?
实验十二电子秤的设计
一、实验目的
﹝1﹞了解各类常用传感器的工作原理及特性。
﹝2﹞学会如何运用传感器装置进行实际测量。
二、实验要求
﹝1﹞利用实验仪器上的传感器装置、标准重量的砝码(10g)及相关处理电路设计一个可以称重的电子秤。
﹝2﹞将被测物的重量用电压表或示波器显示为一个电量信息。
﹝3﹞通过分析计算出某一未知物体的重量。
﹝4﹞分析所设计的测量系统的测量范围、测量精度、系统的灵敏度和线性范围。
三、实验设计方案
独立完成传感器的选取方案的选择及测量电路的设计。
四、实验分析
﹝1﹞分析系统的量程、灵敏度,指出其线性范围。
﹝2﹞分析产生测量误差的主要原因。
﹝3﹞讨论提高测量精度的方法。
实验十三PN结温度测试仪
一、实验目的
﹝1﹞了解PN结温度传感器的特性及工作情况。
﹝2﹞学会如何利用传感器装置进行实际测量。
二、实验要求
﹝1﹞利用PN结温度传感器、V/F表及相关的处理电路设计一个测温电路。
﹝2﹞将被测量(温度)用电压表或示波器显示为一电量信息。
﹝3﹞通过分析计算出某被测环境的温度值。
﹝4﹞分析所设计的测量系统的测量范围、测量精度、系统的灵敏度和线性范围。
三、实验设计方案
独立完成测量电路的设计及方案的选择。
四、实验分析
﹝1﹞分析系统的测温范围、灵敏度,指出其线性范围。
﹝2﹞分析该测温电路的误差来源。
﹝3﹞如要要求该
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- 传感器 实验 指导书