传感器实验装置实验指导书.docx
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传感器实验装置实验指导书
目录
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验2
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验4
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验6
实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较8
实验五金属箔式应变片的温度影响实验9
实验六直流全桥的应用——电子秤实验10
实验七压阻式压力传感器的压力测量实验11
实验八差动变压器的性能实验13
实验九差动变压器的应用——振动测量实验15
实验十电容式传感器的位移特性实验17
实验十一直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验19
实验十二霍尔转速传感器测速实验21
实验十三磁电式转速传感器测速实验22
实验十四压电式传感器测量振动实验23
实验十五电涡流传感器位移特性实验24
实验十六被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验26
实验十七被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验27
实验十八电涡流传感器测量振动实验28
实验十九光纤传感器的位移特性实验29
实验二十光电转速传感器的转速测量实验31
实验二十一Cu50温度传感器的测温特性实验32
实验二十二Pt100热电阻测温特性实验34
实验二十三集成温度传感器的测温特性实验36
实验二十四气体流量的测定实验*38
实验二十五气敏(酒精)传感器实验39
实验二十六湿敏传感器实验40
实验二十七温度仪表PID控制实验41
附录一温控仪表操作说明42
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一.实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应,单臂电桥工作原理和性能。
二.基本原理
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
为电阻丝电阻的相对变化,
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的受力状态变化,电桥的作用是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。
单臂电桥输出电压
O1
。
三.需用器件与单元
CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。
四.实验步骤
1.根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模块上,可用万用表进行测量判别,R1=R2=R3=R4=350Ω,加热丝阻值为50Ω左右。
2.实验模块接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,将CGQ-001实验模块调节增益电位器Rw1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,输出端与主控箱面板上的电压表电压输入端Vi相连,调节实验模块上调零电位器Rw2,使电压表显示为零(电压表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源。
3.将CGQ-013实验模块上应变式传感器的其中一个应变片R1(即模块左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好),接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图1-2所示。
检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节Rw1,使电压表显示为零。
图1-2单臂电桥实验接线图
4.在电子秤上放置一只砝码,读取电压表数值,依次增加砝码和读取相应的电压表值,直到200g砝码加完。
记下实验结果填入表1-1,关闭电源。
表1-1单臂电桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
5.根据表1-1计算系统灵敏度S,S=
(
输出电压变化量;
重量变化量)计算线性误差:
f1=
F•S×100%,式中
为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:
F•S满量程输出平均值,此处为200g。
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。
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验
一.实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能,了解其特点。
二.基本原理
不同受力方向的两片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。
当两片应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压Uo2=
。
三.需要器件与单元
同实验一。
四.实验步骤
1.传感器安装同实验一。
做实验
(一)2的步骤,实验模块差动放大器调零。
2.根据图1-3接线。
R1、R2为CGQ-013实验模块左上方的应变片,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,实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤,将实验数据记入表1-2,计算灵敏度S=
,非线性误差
f2。
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。
表1-2半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
五.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。
图1-3半桥实验接线图
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
一.实验目的
了解全桥测量电路的优点。
二.基本原理
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,不同的接入邻边,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Uo3=
。
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。
三.需用器件和单元
同实验一。
四.实验步骤
1.传感器安装同实验一。
接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关。
2.根据图1-5接线,实验方法与实验二相同。
将实验结果填入表1-3;进行灵敏度和非线性误差计算。
表1-3全桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
五.思考题
1.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。
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,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1-5全桥实验接线图
实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一.实验目的
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,得出相应的结论。
二.实验步骤
根据实验一、二、三所得的单臂、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:
实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。
实验五金属箔式应变片的温度影响实验
一.实验目的
了解温度对应变片测试系统的影响。
二.基本原理
电阻应变片的温度影响,主要来自两个方面。
敏感栅丝的温度系数,应变栅线膨胀系数与弹性体(或被测试件)的线膨胀系数不一致会产生附加应变。
因此当温度变化时,在被测体受力状态不变时,输出会有变化。
三.需用器件与单元
CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V电源、±4V电源、+5V电源、加热器(已贴在应变片底部)
四.实验步骤
1.保持实验三实验结果。
2.将200g砝码加于砝码盘上,在电压表上读取某一整数Uo1。
3.将5V直流稳压电源(主控箱)接于实验模块的加热器插孔上,数分钟后待电压表电压显示基本稳定后,记下读数Uot,Uot–Uo1即为温度变化的影响。
计算这一温度变化产生的相对误差
。
五.思考题
1.金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法?
2.应变式传感器可否用于测量温度?
实验六直流全桥的应用——电子秤实验
一.实验目的
了解应变片直流全桥的应用及电路的标定。
二.基本原理
电子秤实验原理为实验三全桥测量原理,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)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。
三.需用器件与单元
同实验一。
四.实验步骤
1.接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关。
按实验一中2的步骤将差动放大器调零:
按图1-5全桥接线,合上主控箱电源开关调节电桥平衡电位器Rw1,使电压表显示0.00V。
2.将10只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器Rw3(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Rw4(零位调节),使电压表显示为0.000V或-0.000V。
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改为重量量纲g,就可称重,成为一台原始的电子秤。
5.把砝码依次放在托盘上,填入下表:
重量(g)
电压(mv)
6.根据上表计算误差与非线性误差。
实验七压阻式压力传感器的压力测量实验
一.实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。
二.基本原理
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,其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
三.需用器件与单元
压力源(已在主控箱)、压力表、压阻式压力传感器、CGQ-002压力传感器实验模块、流量计、连接导管、电压表、直流稳压源±4V、±15V。
四.实验步骤
1.根据图2-1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手按住气源插座边缘往内压,则硬管可轻松拉出)。
另一端软导管与压力传感器接通。
这里选用的差压传感器两只气咀中,靠右边一只为高压咀,另一只为低压咀。
本实验模块连接见图2-2,压力传感器有4端:
3端VS接+4V电源,1端接地线,2端为Vo+,4端为Vo-。
1、2、3、4端顺序排列见图2-2。
图2-2压力传感器压力实验接线图
2.实验模块接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关。
实验模块上Rw2用于调节零位,Rw1可调节放大倍数,按图2-2接线,模块的放大器输出Vo2引到主控箱电压表表的Vi插座。
将显示选择开关拨到20V档,反复调节Rw2(Rw1旋到满度的1/3)使电压表表显示为零。
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,启动压缩泵,此时可看到流量计中的滚珠浮子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。
6.仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮,使在5~20KP之间每上升1KP分别读取压力表读数,记下相应的电压表值列于表2-1。
表2-1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。
8.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10KPa气压,调节Rw2(低限调节)使电压表显示1.00V,当输入20KPa气压,调节Rw1(高限调节)使电压表显示2.00V,这个过程反复调节直到足够的精度即可。
五.思考题
利用本系统如何进行真空度测量?
实验八差动变压器的性能实验
一.实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二.基本原理
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,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,将两只次级线圈反向串接(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。
三.需用器件与单元
CGQ-003差动变压器实验模块、差动变压器、测微头、双线示波器、音频振荡器、直流电源、万用表(自备)。
图3-2双线示波器与差动变压器连接示意图
四.实验步骤
1.根据图3-1,将差动变压器装在差动变压器实验模块上。
实验模块接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关。
2.在模块上按照图3-2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/转速表的频率档Fin输入来监测)。
调节幅度使输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V(可用示波器监测:
X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div)。
判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下:
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3-2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,当次级波形输出幅值变化很大,基本上能过零点,而且相位与初级线圈波形(LV音频信号Vp-p=2V波形)比较能同相和反相变化,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断直到正确为止。
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,则另一个方向位移为负。
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Vp-p值填入表3-1。
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。
表3-1差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表
X(mm)
−←
0mm
→+
Vp-p(mV)
Vp-p最小
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。
根据表3-1画出Vop-p-X曲线,作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。
五.思考题
1.用差动变压器测量较高频率的振幅,例如1KHz的振动幅值,可以吗?
差动变压器测量频率的上限受什么影响?
2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同。
实验九差动变压器的应用——振动测量实验
一.实验目的
了解差动变压器测量振动的方法。
二.基本原理
利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。
三.需用器件与单元
音频振荡器、低频振荡器、CGQ-05振动源模块、CGQ-003差动变压器实验模块、CGQ-012移相器/相敏检波器/低通滤波器模块、示波器、直流稳压电源。
四.实验步骤
1.将差动变压器按图3-3,安装在振动源模块的振动源上。
2.实验模块接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关。
按图3-4接线,并调整好有关部分。
调整如下:
(1)检查接线无误后,合上主控台电源开关,用示波器观察LV峰-峰值,调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=2V。
(2)利用示波器观察相敏检波器输出,调整传感器连接支架高度,使示波器显示的波形幅值为最小。
(3)仔细调节Rw1和Rw2使示波器(相敏检波输出)显示的波形幅值更小,基本为零点。
(4)用手按住振动平台(让传感器产生一个大位移)仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮,使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。
(5)松手,整流波形消失,变为一条接近零点线(否则再调节Rw1和Rw2)。
低频振荡器输出引入振动源的低频输入,调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮,使振动台振荡较为明显。
用示波器观察放大器Vo、相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。
图3-4差动变压器振动测量实验接线图
3.保持低频振荡器的幅度不变,改变振荡频率用示波器观察低通滤波器的输出,读出峰-峰电压值,记下实验数据,填入下表3-3(频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验九相同)。
表3-3
f(Hz)
Vp-p(V)
4.根据实验结果作出梁的f—Vp-p特性曲线,指出自振频率的大致值,并与用应变片测出的结果相比较。
5.保持低频振荡器频率不变,改变振荡幅度,同样实验,可得到振幅—Vp-p曲线(定性)。
注意事项:
低频振荡器电压幅值不要过大,以免梁在自振频率附近振幅过大。
五.思考题
1.如果用直流电压表来读数,需增加哪些测量单元,测量线路该如何?
2.利用差动变压器测量振动,在应用上有些什么限制?
实验十电容式传感器的位移特性实验
一.实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二.基本原理
利用平板电容
和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择
、A、d三个参数中,保持两个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(
变)、测微小位移(d变)和测量也为(A变)等多种电容传感器。
三.需用器件与单元
电容传感器、CGQ-004电容传感器实验模块、测微头、电压表、直流稳压源。
四.实验步骤
1.按图3-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
2.将电容传感器连线插入电容传感器实验模块,实验线路见图4-1。
3.将电容传感器实验模块的输出端Vo与电压表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw2调节到中间位置。
4.接入±15V电源,旋动测微头推进电容传感器动极板位置,每隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表4-1。
表4-1电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
V(mv)
5.根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差
f。
五.思考题
试设计利用
的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素?
图4-1电容传感器位移实验接线图
实验十一直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
一.实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用。
二.基本原理
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。
三.需用器件与单元
CGQ-005霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、电压表。
四.实验步骤
1.将霍尔传感器按图3-1安装。
霍尔传感器以及实验模块接线按图5-1进行。
图5-1直流激励时霍尔传感器位移实验接线图
2.实验模块接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,开启电源,调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置,再调节Rw1使电压表指示为零,若无法调零则交换放大器两端输入接线。
3.旋转测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,将读数填入表5-1。
表5-1
X(mm)
V(mv)
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。
五.思考题
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?
实验十二霍尔转速传感器测速实验
一.实验目的
了解霍尔转速传感器的应用。
二.基本原理
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,圆盘每转一周,磁场就变化N次,霍尔电势相应变化N次,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。
三.需用器件与单元
霍尔转速传感器、CGQ-05转动源模块、可调电源2-24V、频率/转速表。
四.实验步骤
1.根据图5-3,将霍尔转速传感器装于传感器支架上,探头对准反射面的磁钢。
2.将直流源加于霍尔元件电源输入端。
红(+)接+15V,黑(┴)接地。
3.将霍尔转速传感器输出端(蓝)插入数显单元Fin端。
4.将可调电源2-24V引到CGQ-05转动源的2-24V插孔。
5.将数显单元上的转速/频率表波段开关拨到转速档,此时转速/频率表指示转速。
6.调节电压使转动速度变化。
观察转速/频率表转速显示的变化。
五.思考题
1.利用霍尔元件测转速,在测量上是否有限制?
2.本实验装置上用了十二只磁钢,能否用一只磁钢?
实验十三磁电式转速传感器测速实验
一.实验目的
了解磁电式传感器测量转速的原理。
二.基本原理
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个磁钢时,每转一周线圈感应电势产生N次变化,通过放大、整形和计数等电路即可测量转速。
三.需用器件与单元
磁电传感器、CGQ-05转动源模块、可调电源2-24V、频率/转速表。
四.实验步骤
1.磁电式转速传感器用桥板固定在升降架上,传感器端面离转动盘面3mm左右,并且对准反射面内的磁钢。
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面板上的两个插孔)
2.将波段开关选择转速测量档。
3.将可调电源2-24V引到CGQ-05转动源的2-24V插孔。
合上电源开关。
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。
五.思考题
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?
实验十四压电式传感器测量振动实验
一.实验目的
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二.基本原理
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。
(观察实验用压电加速度计结构)工作时传感器感受与试件相同频率的振动,质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上,由于压电效应,压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三.需用器件与单元
压电传感器、CGQ-006压电式传感器实验模块、CGQ-012移相、检波、低通滤波模块、CGQ-05振动源模块、双线示波器。
四.实验步骤
图6-1压电传感器性能实验接线图
1.首先将压电传感器装在振动源模块上。
实验模块接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关。
2.将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入源插孔。
3.将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模块两输入端,见图6-1,屏蔽线接地。
将压电传感器实验模块电路输出端Vo1(如增益不够大,则Vo1接入U2,Vo2接入低通滤波器)接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出Vo与示波器相连。
4.合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波形。
5.改变低频振荡器频率,观察输出波形变化。
6.用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
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