传感器与自动检测技术实验指导书.docx
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传感器与自动检测技术实验指导书
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传感器与自动检测技术实验指导书
红河学院工学院自动化系
[实验四]电容式传感器的位移特性实验
[实验五]直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
[实验六]电涡流传感器的位移特性实验
[实验七]被测体材质对电涡流式传感器的特性影响实验
[实验八]光纤传感器的位移特性实验
[实验九]集成温度传感AD590温度特性实验
[实验十]铂电阻温度特性实验
[实验十一]铜电阻温度特性实验
[实验十二]K型热电偶测温实验
[实验十三]E型热电偶测温实验
[实验一]单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作状况。
二、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20克砝码10只、±15V电源、±2V电源、万用表(自备)。
三、实验步骤
1、根据图(1-1)应变传感器已装于1号金属箔式应变片传感器模块上。
传感器中各应变片R1、R2、R3、R4已接入模块的下方,K1开关应置于OFF状态。
加热丝也接于模块上,可用万用表进行测量判别,R1=R2=R3=R4=1K,加热丝阻值为25Ω。
2、接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块±15V电源(从实验台可用快捷插座一次接入),检查无误后,合上实验台电源开关,实验模块±15V指示灯应亮,将14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块增益电位器调节大致在W335左右、W4100(这时增益在100左右)位置,再进行差动放大器调零,将仪器放大器的正(Vin+)、负(Vin-)输入端与地短接,可用屏蔽线直接把输入端和调“O”端连接,V02输出端与实验台面板上数显表外接输入端量程为0-2V,调节实验模板上调零电位器W5和W6,使数显表显示为零,关闭实验台电源。
3、将1号金属箔式应变片传感器实验模块的其中一个应变片R1、R2、R3、R4(即1号实验模块下方的R1)接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块直流电桥作为一个桥臂与R14、R15、R16接成直流电桥(R14、R15、R16、在14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块内已连接好),接上桥路A、B两端电源电压±2V(从实验台±2V引入或14号模块板上引入)。
检查接线无误后,合上实验台电源开关。
重新微量调节14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块W5、W6,使数显表显示为零,(注意:
当W3、W4、W5、W6的位置一旦确定,就不能改变。
一直到做完实验为止)具体见图1-1。
4、在秤盘上放一只20g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。
记下实验结果填入表1-1,关闭电源。
表1-1
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
5、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
6、根据表1-1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:
δ=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)。
四、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。
[实验二]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、实验原理
不同受力方向的两只应变片如图1-1中R1和R2或老R3和R4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U02=EKε/2。
三、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20g砝码10只、±15V电源、±2V电源、万用表(自备)。
四、实验步骤
1、传感器安装、调试同实验1.3.1.3,14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块差动放大器调零。
具体线路见图1-2。
2、R1、R2为1号金属箔式应变片传感器实验模块上方的应变片为半桥,注意R2应和R1受力状态相反。
R3和R4为另一组组成的另外半桥。
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。
1号金属箔式应变片传感器实验模块R1、R2作电桥的一半与14号实验模块R14、
R15组成完整的直流电桥,然后在直流电桥A、B端接±2V直流电源C、D端,接入1号仪器放大器Vin+、Vin-输入端再重新调为“0”,调W5、W6使数显表为“0”。
将实验数据记入表1-2,计算灵敏度S2=ΔU/ΔW,非线性误差δf2。
3、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
表1-2半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
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。
[实验三]全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点。
二、实验原理
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。
三、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20g砝码20只、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。
四、实验步骤
1、将1号金属箔式应变片传感器实验模块的K1置于ON开的位置,R1、R2、R3、R4各作电桥的邻边,组成一个完整直流电桥。
R1头和R3头连接并接电源+2V,R2尾与R4尾已相连接电源-2V。
JK1用φ3.5插头屏蔽线与14号模块输入端连接。
(见图1-3)
2、将14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块接上电源±15V,其差动放大输出端V02接数显表0-2V输入端,调节W5、W6使数显表为0.000V,W3、W4为增益调节电位器,保持和实验一、二相同增益,故不能调节。
3、放一个20g砝码记录实验结果填入表1-3中,直至10枚砝码放完。
然后进行灵敏度和非线性误差计算。
4、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
表1-3
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
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。
应变片传感器受接时传感器圆周面展开图
[实验四]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、所需器件及模块
4号电容式传感器实验模块、测微头、0-20V数显表、直流稳压源。
三、实验步骤
1、接入+15V、-15V电源或用快捷插座一次接入。
2、按图4-1安装接好线,把测微头安装在测微头支架上,旋钮测微头使电容动片基本居中。
3、将电容传感器实验模板的输出端OUT与数显表单元V+相接,W1调节数显表为零。
4、旋动测微头推进向上或向下电容传感器动极板位置,每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表4-1。
表4-1电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
V(mv)
5、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
电容式传感器的位移特性实验图4-1
6、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δf。
四、思考题
试设计利用ε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?
[实验五]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、所需器件及模块
5号霍尔式传感器实验模块、直流源±2V或±4V、测微头、0-2V数显单元。
三、实验步骤
1、将5号霍尔式传感器实验模块接上±15V电源或快捷插座与实验台连接。
霍尔元件1、3为电源±4V,2、4为输出。
(见图5-1)K1、K2选择在直流位置。
2、开启电源,调节测微头使霍尔片在离霍尔元件10mm处,再调节W3、W4使数显表指示为零。
3、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)
V01(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。
4、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
四、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?
[实验六]电涡流传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、所需器件及模块
2
7号电涡流传感器实验模板、直流电源、30-2V数显单元、测微头、铁圆片。
三、实验步骤
1、根据图7-1安装电涡流传感器。
2、观察传感器结构,这是一个平绕的线圈。
3、将电涡流传感器输出线已接入实验模板上标有TP1字的一端,另一端接地,作为振荡器的一个元件。
2
4、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。
5、将实验模板输出端V02与3数显表输入红端V+相接,V-端接地,数显表量程切换开关选择电压20V档。
6、7号模块的±15V接入实验台±15V。
7、 测微头与传感器线圈端接触,开启实验台电源开关,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。
将结果列入表7-1。
表7-1电涡流传感器位移X与输出电压数据
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V02(mV)
8、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
9、根据表7-1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)。
四、思考题
1、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?
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时,如何根据量程使用选用传感器。
[实验七]被测体材质对电涡流式传感器的特性影响实验
一、实验目的
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、实验原理
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关,因此不同的材料就会有不同的性能。
三、所需器件及模块
7号电涡流传感器实验模块、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、铜和铝的被测体圆盘。
四、实验步骤
1、安装与实验7.3.1.3相同。
2、将原铁圆片换成铝或铜圆片。
3、重复实验7.3.1.3步骤,进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试,分别记入表7-2和表7-3。
表7-2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
V(mV)
表7-3被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
V02(mV)
4、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
5、根据表7-2和表7-3分别计算量程为1mm和3mm时灵敏度和非线性误差(线性度)。
6、分别比较实验7.3.1.3和本实验所得结果进行小结。
五、思考题
当被测体为非金属材料时,如何利用电涡流传感器进行测试?
[实验八]光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、实验原理
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,半园分布即双D型一束光纤端部与光源相连发射光束,另一束端部与光电转换器相连接收光束。
两光束混合后的端部是工作端亦称探头,它与此同时被测体相距X,由光源发出的光传到端部出射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压大小与间距X有关,因此可用于测量位移。
三、所需器件及模块
8号转速实验模块、数显单元、测微头、直流源、反射面。
四、实验步骤
1、根据图8-6安装光纤位移传感器,二束光纤插入实验板上的座孔上,其内部已和发光管D及光电转换管T相接。
2、将光纤传感器输出端TP5与数显0-20V单元相连,见图8-6。
3、调节测微头,使探头与反射面圆平板接触,在光纤位移实验部分。
4、实验模板接入±15V电源,合上实验台电源开关。
5、旋转测微头,被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表值,将其填入表8-6。
表8-6光纤位移传感器输出电压与位移数据
X(mm)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
V(mV)
6、根据表8-6数据,作光纤位移传感器的位移特性,计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
五、思考题
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求?
[实验九]集成温度传感AD590温度特性实验
一、实验目的
了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。
二、实验原理
集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上,它能直接接给出正比于绝对温度的理想线性输出,一般用于—50℃±15℃之间温度测量,温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时,晶体管的基极发射极电压与温度成线性关系。
为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。
集成温度传感器有电压型和电流型二种,电流输出型集成温度传感器,在一定温度下,它相当于一个恒流源。
因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。
具有很好的线性特性。
本实验采用的是国产的AD590。
它只需要一种电源(+4V—30V)。
即可实现温度到电流的线性变换,然后在终端使用一只取样电阻(本实验中为R2,见图9-4)即可实现电流到电压的转换。
它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、0-2V数显单元、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块。
四、实验步骤
1、接9号实验模块上的温度控制仪,与14号模块连接具体见图9-4。
2、将9号温度传感器实验模板2-10V端接上+2V。
3、温度从40℃开始,仪表每隔5℃设定一个点(设定方法参见温控仪说明)。
记下数显表上相应的读数,上限不超过125℃,记入表9-1。
4、由表9-1数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。
T(℃)
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V(mV)
五、思考题
大家知道一定的电流模式下PN结的正向电压与温度之间具有较好的线性关系,因此就有温敏二极管,你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极管在50℃—100℃之间,作温度特性,然后与集成温度传感器相同区间的温度特性进行比较,从线性看温度传感器线性优于温敏二极管,请阐明理由。
集成温度传感AD590温度特性实验图9-4
[实验十]铂电阻温度特性实验
一、实验目的
了解铂电阻的特性与应用。
二、实验原理
利用导体电阻随随温度变化的特性,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=R0(1+At+Bt2)
R0系温度为0℃时的电阻。
要实验R0=100℃,At=3.9684×10-2/℃,Bt=—5.847×10-7/℃,铂电阻现是三线连接,其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、0-2V数显单元、万用表。
四、实验步骤
K型热电偶作为标准源接法不变。
1、温度实验模块的Pt100铂电阻,已组成直流电桥,开关拨向铂电阻见图9-5
14号交直流、全桥测量差动放大实验模块接±15V电源。
在端点2V-10V与地之间加直流源2V,合上实验台电源开关,调Rp1使电桥平衡,桥路输出端JK和中心活动点之间在室温下输出为零,将CK端插入14号交直流、全桥测量差动放大实验模块输入端。
2、调14号模块W5、W6使V02输出为零。
3、在常温基础上,将设定温度值可按Δt=5℃读取数显表值。
将结果填入下表9-2。
关闭实验台电源开关。
表9-2铂电阻热电势与温度值
t(℃)
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V02(mv)
4、根据表9-2值计算其非线性误差。
5、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
铂电阻温度特性实验图9-5
[实验十一]铜电阻温度特性实验
一、实验目的
了解铜电阻测温原理及应用。
二、实验原理
铜电阻的电阻值与温度的关系一般为:
R=R0[1+a(t-t0)]
式中R为温度是t℃时的电阻值。
R0为温度是t0℃时的电阻值,a是电阻温度系数。
铜电阻是用直径为0.1mm的绝缘铜丝绕在绝缘骨架上,线外加保护树脂。
铜电阻的优点是线性好、价格低、a值大,但易氧化,氧化后线性度会变差。
所以一般用检测较低的温度。
铜电阻值在0℃时为50Ω。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块、K型热电偶、温度控制单元、0-2V数显单元、万用表。
四、实验步骤
K型热电偶作标准源接法不变。
1、9号温度传感器特性实验模块已接CU50接单臂电桥K拨向铜电阻见图9-6
2、2V~10V端与地之间加直流源2V,合上实验台电源开关,调RP1使电桥平衡,桥路输出端CK和中心活动点之间在室温下输出为零,并插入14号交直流、全桥测量差动放大实验模块输入端。
3、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块加±15V运放电源,调W5使V02=0,接上数显单元,拨2V电压显示档,使数显为零。
4、在常温基础上,将设定温度值可按Δt=5℃读取数显表值。
将结果填入下表9-3。
关闭电源实验台电源开关。
表9-3铜电阻热电势与温度值、
t(℃)
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V02(mv)
5、根据表9—3值计算其非线性误差。
6、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口,再参照本说明书软件说明部分操作。
铜电阻温度特性实验图9-6
[实验十二]K型热电偶测温实验
一、实验目的
了解K型热电偶测量温度的性能与应用范围。
二、实验原理
当镍铬—镍硅(镍铝)两种不同的金属组成回路,产生的二个接点有温度差、会产生热电势,这就是热电效应。
温度高的接点就是工作端,将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块、实验台、0-2V数显单元、±15V、+2V~+10V。
四、实验步骤
作为温度标定的K型热电偶接法不变。
1、9号温度传感器特性实验模块接上20V5A连线插入K型热电偶见图9-7。
2、将被测K型热电偶CK端插入14号交直流、全桥测量差动放大实验模块。
3、将JK1和JK2用φ3.5屏蔽线短路接地,接入±15V电源,打开实验台电源开关、正负已接准(见图9-7),将V02与数显表单元上的V+相接。
调W5、W6使数显表显示零们位。
4、去掉φ3.5屏蔽线短路接地,将K型热电偶插口直接与仪器放大器JK1相接,调W3、W4。
将信号放大到比分度值大10倍的毫伏值。
5、在40℃到100℃之间设定Δt=5℃。
读出数显表头输出电势与温度值,并记入表9—4。
表9-4K型热电偶热势与温度数据
t(℃)
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V02(mv)
6、根据表9—4计算非线性误差。
7、如果采用计算机采集数据,需把数显表0-2V换成0-20
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