《传感器测试技术》实验指导书03剖析.docx
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《传感器测试技术》实验指导书03剖析
台州学院
《传感器原理及应用》
《传感器原理与检测技术》
《测试技术》
实验指导书
物理与电子工程学院
2015年3月
电子示波器简介
一、电子示波器的分类
根据示波器的用途和特点一般分为五类:
(1)通用示波器:
采用单束示波管组成的示波器,包括单踪型(单束管与电子开关组成)。
(2)多束示波器(亦称多线示波器):
采用多束示波管组成的示波器,在荧光屏上显示的每个波形都是由单独的电子束所产生的。
以上两类根据y通道的频带宽度fB又分为四种:
简易示波器:
fB<500kHz,低频示波器:
fB=0.5~1MHZ,普通示波器:
fB=5~60Hz,宽带示波器:
fB>60MHz。
(3)取样示波器:
将高频信号以取样的方式转换成低频信号,然后再用类似通用示波器的方式进行显示。
用于观察300MHz以上的高频信号及脉宽为几个纳秒的窄脉冲信号。
(4)记忆与存储示波器:
它是一种具有存储信息功能的示波器。
将周期现象或缓慢信号长时间的保留在屏幕上或存储于电路中,供分析、比较用。
一般将利用记忆示波管实现存储功能的称为记忆示波器,利用半导体数字存储示波器的称为数字存储示波器。
(5)特殊示波器:
指能满足特殊用途或具有特殊装置的专用示波器。
例如高压示波器等。
二、双踪示波器的原理与应用
双踪示波器可同时观察和测定两种不同的信号,广泛地应用于科研和实验中,在我们的实验中是一台主要应用仪器之一,能否熟练的掌握,会直接影响实验进度及实验的质量。
1.示波器的结构
双踪示波器由下列各主要部分组成:
(1)示波管显示部分;
(2)垂直通道(Y轴系统);
在门电路之前有两个结构相同的通道YA和YB,它们均由RC衰减器和前置放大器所组成。
在门电路之后的电路则是公共的,通常由激励放火器,延迟线和后置放大器组成。
借助于电子开关控制门电路的工作,即可根据需要选择显示YA通道,YB通道信号。
被选中的信号经延时和放大后,控制Y轴偏转板。
(3)水平通道(X轴系统);
由X轴放大器组成,将机内时基发生器(锯齿波发生器)产生的扫描信号或由“X轴外接”输入端进入的信号放大后控制示波管的X轴偏转板。
(4)扫描部分;
由内触发放大器,时基触发器组成。
在外触发信号或取自Y轴通道的信号触发下产生一个线性锯齿波电压,通过X轴放大器放大,使示波管进行X轴扫描。
2.偏转灵敏度:
指输入信号在无衰减情况下,亮点在屏幕上偏转单位长度所需信号电压的峰一峰值。
它反映示波器观察微弱信号的能力。
其值愈小,偏转灵敏度愈高。
例如SBM-10A型示波器Y轴的最高偏转灵敏度Sy=10mV/cm。
一般示波器的灵敏度为每厘米若干毫伏的数量级。
3.输入阻抗:
用在示波器输入端测得的直流电阻值Ri和并联的电容值Ci分别给出。
希望阻值大,电容值小。
它对使用者提供了示波器输入电路对被测电路产生影响的依据。
4.扫描速度:
无扩展情况下,亮点在屏幕X轴方向扫描时移动单位长度所表示的时间。
扫描速度愈高,表明示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力愈强。
反之,为了观察慢变化的信号,则要求示波器具有较低的扫描速度。
所以示波器扫描速度的范围愈宽愈好。
例如,SBM-10A型示波器的扫描速度范围为0.05μs/cm,还是比较宽的。
三、波形显示原理
1.电子束沿Vy与Vx作用的合成方向运动:
因为电子来沿垂直和水平两方向的运动是相互独立的,打在荧光屏上亮点的位置取决于同时加在垂直和水平偏转板上的电压。
当示波管的两对偏转板上不加任何信号时(或两对板分别为等电位),亮点则打在荧光屏的中心位置。
若仅在Y轴偏转板加上一个随时间变化的电压V,,例如正弦波电压,则电子束沿垂直方向运动,其轨迹为一条垂直线。
若仅在X轴偏转板上加正弦波电压Vx,电子束则沿水平方向运动,轨迹为一条水平线。
在Y轴和X轴同时加同一正弦波电压时(即Vy=Vx),两者合成作用结果是:
其轨迹为一条斜线。
线条的两个端点分别对应偏转电压正负半周的峰值。
如果所加信号的频率在15Hz以上,这时由于人眼视觉暂留,及荧光屏的余辉时间所致,光点的轨迹便形成一条亮线。
可见,上述几种情况都不能显示被测信号Vy的波形。
为了显示Vy的波形,必须在Y轴偏转板加有Vy信号的同时,在X轴偏转板加上随时间线性变化的扫描电压(锯齿波形电压)。
2.扫描一时间基准:
在X轴偏转板加上线性扫描电压时,电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开,形成时间基线,理想的锯齿波电压如图1.3-4(a)所示。
当仅在X偏转板加上锯齿波电压时,亮点沿水平方向作等速移动,当扫描电压达到最大值’V。
)时,亮点亦达最大偏转,然后从该点迅速返回到起始点,若扫描电压重复变化时,在屏幕上就显示一条水平亮线,这个过程称为扫描。
在X偏转板有扫描电压作用的同时,在Y偏转板加上被测信号电压,就可以将其波形显示在荧光屏上。
这样,电子束就可以随着输入电压的变化而形成图形。
实验过程注意事项
1.实验前先在设备使用记录本上登记。
2.接线与拆线前先关闭电源。
3.实验前应检查实验接插线是否完好,连接电路时应尽量使用较短的接插线,以避免引入干扰。
4.接插线插入插孔,以保证接触良好,切忌用力拉扯接插线尾部,以免造成线内导线断裂。
5.稳压电源不要对地短路。
6.在一些实验数据记录中,测微头先从零→正的最大值,又回复到零,再→负的最大值,因此容易造成零点偏移,因此计算灵敏度时可将正ΔX的灵敏度与负的ΔX的灵敏度分开计算,再求平均值。
7.实验结果由指导教师检查并记录后方可拆线结束实验,实验结束后按照要求3拆线,并整理好实验台,在实验设备记录本上签写设备使用情况。
8.实验报告分实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤(内容)、实验数据记录及数据处理、思考题等部分。
实验报告写上实验名称。
实验目录
实验一箔式应变片性能――单臂电桥1
实验二箔式应变片三种桥路性能比较5
实验三电容式传感器特性10
实验四差动变压器性能实验13
实验五差动变压器的振动测量16
实验六电涡流式传感器的静态标定20
实验七电涡流式传感器的振幅测量23
实验八压电加速度式传感器25
实验九霍尔式传感器的直流激励特性27
实验十霍尔传感器的应用――振幅测量29
实验十一光电转速传感器的转速测量实验32
实验十二信号分析与处理实验33
实验一箔式应变片性能――单臂电桥
一、实验目的
1.观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2.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,测试应变梁变形的应变输出。
二、需用器件与单元
应变式传感器实验模块、箔式应变式传感器、托盘、砝码、数显表(主控台上电压表)、直流稳压电源(±15V电源、±4V电源)、万用表。
三、实验原理
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面。
当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之发生相应的变化,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。
通过测量电路,转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种,当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等,电桥输出为零,在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中,电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4,当使用一个应变片时,
;当二个应变片组成差动状态工作,则有
;用四个应变片组成二个差动对工作,且R1=R2=R3=R4=R,
。
单臂电桥输出电压
O1
。
由此可知,单臂,半桥,全桥电路的灵敏度依次增大。
四、实验步骤
1.差动放大器的调零
首先将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针到底(即此时放大器增益最大。
然后将差动放大器的正、负输入端相连并与地短接,输出端与主控台上的电压表输入端Vi相连。
检查无误后从主控台上接入模块电源±15V以及地线。
合上主控台电源开关,调节实验模块上的调零电位器Rw4,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。
然后拔掉实验线。
(注意:
Rw4的位置一旦确定,就不能改变,一直到做完实验为止)
2.检查应变传感器的安装
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,各应变片初始阻值R1=R2=R3=R4=350Ω,加热丝初始阻值为50Ω左右。
3.按图1-3将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R5、R6、R7、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器,R1为应变片(可任选上、下梁中的一片工作片),R5、R6、R7模块内已连接好,其中模块上虚线电阻符号为示意符号,没有实际的电阻存在。
直流激励电源为±4V。
4.电桥调零
将模块左上方拨段开关拨至左边“直流”档(直流档和交流档调零电阻阻值不同)。
检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节电桥调零电位器Rw1,使数显表显示为零。
备注:
(1)、如出现零漂现象,则是应变片在供电电压下,应变片本身通过电流所形成的应变片温度效应的影响,可观察零漂数值的变化,若调零后数值稳定下来,表示应变片已处于工作状态,时间大概5—10分钟。
图1-2箔式应变片传感器单臂电桥实验原理图
图1-3应变式传感器单臂电桥实验接线图
(2)、如出现数值不稳定,电压表读数随机跳变情况,可再次确认各实验线的连接是否牢靠,且保证实验过程中,尽量不接触实验线,另外,由于应变实验增益比较大,实验线陈旧或老化后产生线间电容效应,也会产生此现象。
5.测量并记录
在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)
6.计算灵敏度和误差,坐标图上做出V-X关系曲线
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);计算非线性误差:
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500g或200g。
在坐标图上做出V-X关系曲线。
五、注意事项
1.接线与拆线前先关闭电源。
2.实验前应检查实验接插线是否完好,连接电路时应尽量使用较短的接插线,以避免引入干扰。
3.接插线插入插孔,以保证接触良好,切忌用力拉扯接插线尾部,以免造成线内导线断裂。
4.稳压电源不要对地短路。
5.实验过程中如果后边测的数据不是按照比例增加,适当调小增益Rw3(顺时针旋转3-4圈,电位器最大可顺时针旋转5圈)。
六、思考题
1.若将单臂电桥改为半桥与全桥电路,应该如何连接,试画出相应测试电路图。
2.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。
实验二箔式应变片三种桥路性能比较
一、实验目的
1.观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2.测试悬臂梁变形的应变输出。
3.熟悉三种电桥联接方式,并比较各桥路间的输出关系。
二、需用器件与单元
应变式传感器实验模块、箔式应变式传感器、托盘、砝码、数显表(主控台上电压表)、直流稳压电源(±15V电源、±4V电源)、万用表。
三、实验原理
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面。
当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之发生相应的变化,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。
通过测量电路,转换成电信号输出显示。
电桥电路是把被测非电量转换成为电压和电流量常用的一种方法,当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等,电桥输出为零,在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中,电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4,当使用一个应变片时,
;当二个应变片组成差动状态工作,则有
;用四个应变片组成二个差动对工作,且R1=R2=R3=R4=R,
。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·∑R,电桥灵敏度Ku=V/ΔR/R,于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、l/2E和E。
由此可知,当E和电阻相对变化一定时,电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
四、实验步骤
1.差动放大器的调零
首先将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针到底(即此时放大器增益最大。
然后将差动放大器的正、负输入端相连并与地短接,输出端与主控台上的电压表输入端Vi相连。
检查无误后从主控台上接入模块电源±15V以及地线。
合上主控台电源开关,调节实验模块上的调零电位器Rw4,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。
然后拔掉实验线。
(注意:
Rw4的位置一旦确定,就不能改变,一直到做完实验为止)
2.检查应变传感器的安装
根据图2-1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,各应变片初始阻值R1=R2=R3=R4=350Ω,加热丝初始阻值为50Ω左右。
3.按图2-3将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R5、R6、R7、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器,R1为应变片(可任选上、下梁中的一片工作片),R5、R6、R7模块内已连接好,其中模块上虚线电阻符号为示意符号,没有实际的电阻存在。
直流激励电源为±4V。
4.电桥调零
将模块左上方拨段开关拨至左边“直流”档(直流档和交流档调零电阻阻值不同)。
检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节电桥调零电位器Rw1,使数显表显示为零。
备注:
(1)、如出现零漂现象,则是应变片在供电电压下,应变片本身通过电流所形成的应变片温度效应的影响,可观察零漂数值的变化,若调零后数值稳定下来,表示应变片已处于工作状态,时间大概5—10分钟。
(2)、如出现数值不稳定,电压表读数随机跳变情况,可再次确认各实验线的连接是否牢靠,且保证实验过程中,尽量不接触实验线,另外,由于应变实验增益比较大,实验线陈旧或老化后产生线间电容效应,也会产生此现象。
5.测量并记录
图2-2箔式应变片传感器单臂电桥实验原理图
图2-3箔式应变片传感器单臂电桥实验接线图
在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。
记下实验结果填入表2-1,关闭电源。
表2-1电桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
单臂
半桥
全桥
6.保持差动放大器增益和调零电位器不变,将单臂电桥改为半桥与全桥电路,请设计相应测试电路,搭接半桥和全桥测试系统。
7.测出半桥和全桥输出电压并列表。
8.在同一坐标上描出V一X曲线,比较三种桥路的灵敏度,并做出定性的结论。
五、注意事项
1.实验前检查实验插线是否完好,连接电路尽量使用较短的线,以免引入干扰。
2.接插线插入插孔时轻轻的作一小角度的旋转,以保证接触良好,拔出时也轻轻的转动一下拔出,切忌用力拉扯接插线尾部,以免造成线内导线断裂。
3.稳压电源不要对地短路,直流激励电压不能过大,以免造成应变片自热损坏。
4.应变片接入电桥时注意其受力方向,一定要接成差动形式。
5.更换应变片时应将电源关掉,以免损坏应变片。
6.实验过程中如果后边测的数据不是按照比例增加,适当调小增益Rw3(顺时针旋转3-4圈,电位器最大可顺时针旋转5圈)。
六、思考题
1.根据实际测试的数据与理论上推倒的公式相比较,结论如何?
2.对桥路测量线路有何特别要求?
为什么?
3.半桥双臂电路有两种联接方式,即两臂分布在电桥临边与对边,试分析哪种方式更好,为什么?
半桥双臂上各串连一片应变片后测量的灵敏度能否得到提高?
图2-4箔式应变片传感器半桥电桥实验接线图
图2-5箔式应变片传感器全桥电桥实验接线图
实验三电容式传感器特性
一、实验目的
掌握电容式传感器的结构、工作原理和测量方法。
二、需用器件与单元
电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、数显单元(主控台电压表)、直流稳压源。
三、实验原理
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)和测量液位(A变)等多种电容传感器。
本仪器中是差动平行变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置,与两组静片之间的相对面积发生变化,极间电容也发生相应变化,成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为CX1,下层定片与动片形成的电容定为CX2,当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时,桥路的输出电压与电容量的变化有关,即与振动台的位移有关。
图3-1电容式传感器实验原理图
四、实验步骤
1.按图3-2安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
2.将电容传感器专用连线插入电容传感器实验模块专用接口,接线图如下。
3.将电容传感器实验模块的输出端Vo1与数显表单元(主控台电压表)Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw调节到中间位置。
4.接入±15V电源,旋动螺旋测微仪,观察电压表读数,直到找到电压读数达最大值的状态为止。
此时调整放大器与电容变换器增益,使对应电压读数数值在0.7左右。
再旋动螺旋测微仪使电压表读数为零,记下此时的平衡点位移。
以此为起点,向左和向右推进电容传感器动极板位置,每隔0.5mm记下位移X与输出电压值(此时电压档位打在2v),填入表3-1,直至动片与一组静片全部重合为止。
5.根据表3-1数据,并作出V—X曲线,计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。
表3-1电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
0
V(mv)
五、注意事项
1.电容动片与两定片之间的片间距离须相等,必要时可稍做调整。
位移和振动时均应避免擦片现象,否则会造成输出信号突变。
2.如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波,请将电容变换器增益进一步减小。
3.由于悬臂梁弹性恢复的滞后,进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置,但系统输出电压可能并不回到零,此时可反向旋动测微仪使输出电压过零后再回起始位置,反复几次,待系统输出为零后进行反方向的采集。
六、思考题
1.简述系统中各实验元器件的作用。
2.与电阻式、电感式传感器相比,电容式传感器有何优缺点?
实验四差动变压器性能实验
一、实验目的
1.了解差动变压器的基本结构及原理
2.通过实验验证差动变压器的基本特性
二、需用器件与单元
差动变压器实验模块、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。
三、实验原理
差动变压器由初级线圈和次级线圈及一个铁芯组成(铁芯在可移动杆的一端),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。
初级线圈做为差动变压器激励用,相当于变压器的原边,次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接(同名端连接)而成,相当于变压器的副边。
差动变压器是开磁路,工作是建立在互感基础上的。
其原理及输出特性见图4-1。
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,就引出差动输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
图4-1差动变压器原理及输出特性
四、实验步骤:
1.根据图4-2,将差动变压器装在差动变压器实验模块上。
2.先调整音频振荡器输出频率(音频振荡器信号必须从主控箱中的LV端子输出)——一般在5-10KHZ左右,输出值VP-P=2V,但在具体实验台中可能需要调整频率与增益,以示波器波形不失真为准。
然后拆掉数显表的频率档联线及示波器联线,以防对后续读数产生干扰。
3.在模块上按照图4-3接线(注意两个次级线圈同名端相连)。
移动铁芯,观察次级线圈输出波形是否能过零翻转,如不能则改变两个次级线圈的串接端。
4.仔细调节测微头使次级线圈的输出波形至不能再小,读出此时的零点残余电压。
可以看出它与输入电压的相位差约为π/2,是基频分量。
5.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0.5mm从示波器上读出输出电压Vp-p值填入表4-1。
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4-1差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表
X(mm)
…
-←
0mm
→+
…
V(mv)
Vp-p
X(mm)
0mm
→+
V(mv)
Vp-p
X(mm)
-←
0mm
V(mv)
Vp-p
6.根据表格所列结果,画出Vop-p-X曲线,指出线性工作范围和灵敏度。
作出量程为±4mm、±6mm灵敏度和非线性误差。
五、注意事项
在差动变压器性能实验中,示波器第二通道为悬浮工作状态。
六、思考题
实验中零点残余电压产生的原因;如何使用现有实验台部件,对零残电压进行补偿?
实验五差动变压器的振动测量
一、实验目的
1.了解差动变压器的基本结构及原理。
2.了解差动变压器的实际应用。
二、需用器件与单元
差动变压器、音频振荡器、差动变压器实验模块、移相器/相敏检波器/低通滤波器模块、数显单元、低频振荡器、示波器、直流稳压电源、振动源模块。
三、实验原理
差动变压器由初级线圈和次级线圈及一个铁芯组成(铁芯在可移动杆的一端),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。
初级线圈做为差动变压器激励用,相当于变压器的原边,次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接(同名端连接)而成,相当于变压器的副边。
差动变压器是开磁路,工作是建立在互感基础上的。
其原理及输出特性见图5-1。
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
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- 传感器测试技术 传感器 测试 技术 实验 指导书 03 剖析
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