传感器技术实验指导书9.docx
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传感器技术实验指导书9
传感器与检测技术
实验指导书
现代传感技术实验室编
2015年9月
实验注意事项
1、在每次实验前务必详细阅读实验指导书。
2、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档;步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档;其余旋钮都打到中间位置。
合上电源开关后,主机实验台上的数显表都显示0000,表示实验台状态正常。
3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地端(⊥)直接短接,因短接容易造成电路故障。
4、在将主机箱的±电源引入实验模板时注意不要接错。
5、每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线(实验中用到可调直流电源时,应在该电源调到实验值后再接到实验线路中),检查无误后方可接通电源。
6、在更换接线时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。
7、实验完毕后,请将传感器、实验模板和连接线整理好(连接线按长短分成三组)。
8、实验接线时,要握住手柄插拔实验连接线,不能拉扯实验连接线。
9、主机箱上的不同信号电源的地端并不是公共地,接电源时要接与其相对应的地端。
实验目录
实验一金属箔式应变片的性能检测实验……………………………………………………………1
实验二压阻式压力传感器的压力测量实验…………………………………………………………8
实验三移相器、相敏检波器实验……………………………………………………………………10
实验四差动变压器的性能实验………………………………………………………………………14
实验五激励频率对差动变压器特性的影响…………………………………………………………19
实验六位移实验中被测体材质对电涡流传感器特性影响…………………………………………20
实验七电容式传感器的位移特性实验………………………………………………………………22
实验八压电式传感器测振动实验…………………………………………………………………24
实验九直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验………………………………………………26
实验十交流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验………………………………………………27
实验十一光纤传感器的位移特性实验…………………………………………………………………29
实验十二霍尔转速传感器测电机转速实验……………………………………………………………30
实验十三磁电式转速传感器的测电机转速实验………………………………………………………31
实验十四光电转速传感器的测电机转速实验…………………………………………………………32
实验十五Pt100铂电阻测温特性实验…………………………………………………………………33
实验一金属箔式应变片的性能检测实验
(一)单臂电桥性能检测法
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,并掌握应变片测量电路。
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:
ΔR/R=Kε式中:
ΔR/R为电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L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受力状态变化。
电桥的作用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。
对单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。
三、实验设备与器件单元
主机箱(±4V、±15V、电压表),应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
图1-1应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
注意:
不要用手压应变梁和托盘!
四、实验步骤
应变传感器实验模板说明:
实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片,没有文字标记的5个电阻符号下面是空的,其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设,图中的粗黑曲线表示连接线。
应变式传感器(电子秤传感器)已装于应变传感器模板上。
传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。
传感器左下角应变片为R1;右下角为R2;右上角为R3;左上角为R4。
当传感器托盘支点受压时,R1、R3阻值增加,R2、R4阻值减小,可用数字万用表进行测量判别。
常态时应变片阻值为350Ω,加热丝电阻值为50Ω左右。
1、根据图1-1黑色画线所示连接导线。
用适中的导线将实验模板上的±15v、地端⊥插口与主机箱的电源±15v、地端⊥分别相连,差动放大器IC4的输出端Vo2和地端⊥与主机箱电压表的输入端Vin和地端⊥相连;用最长的导线连接电路到主机箱的±4v电源;用最短的导线连接电桥电路。
2、将实验模板上的差动放大器调零
用一根短导线将实验模板中差动放大电路的两个放大器IC1、IC2的两输入端(+端)短接(Vi=0),调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置(先逆时针旋到底,再顺时针旋转2圈);再将主机箱电压表的量程显示选择切换开关打到2V档,并合上主机箱电源开关,调节实验模板差动放大器的调零电位器RW4,使电压表显示为零,(RW4调零比较困难,请耐心调节。
)保证差动放大器在零输入时输出也为零。
完成调零后,拆去差动放大器两输入端口的这根短接线。
(注意:
拆去这根短接线后电压表显示不为零是正常的!
)
3、调节单臂电桥处于平衡状态
调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零(调节前电压表有时可能会显示1或-1,表示显示对象超过了电压表±2V的显示量程,可先将电压表的量程拨至20V,待显示对象调至低于±2V时再把量程拨回2V档),这样就保证在没有放入砝码之前电桥处于平衡状态,即输入为零时输出也应该为零。
4、应变片单臂电桥实验
测量电路的初始状态都调节好之后,下面开始进行单臂电桥的测量:
在应变传感器的托盘上放置一只20g砝码,读取电压表显示数值,填入表1-1;接着每次增加一个20g砝码到托盘上并读取相应的电压值,直到10个20g砝码加完,记下实验数据填入表1-1中,画出重量和电压的关系曲线。
表1-1重量和电压数据
重量(g)
电压(mv)
5、根据表1-1数据计算单臂电桥测量系统的灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δ,δ=Δm/yFS×100%,式中Δm为实际测量值与拟合直线的最大偏差:
yFS为一次完整测量的满量程输出值,此处为200g时的输出。
6、实验完毕,关闭电源,整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。
五、思考题
1、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;并说明理由。
2、查阅传感器的相关理论知识,概述衡量传感器的性能特性都有哪些指标?
(二)半桥性能检测法
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
不同受力方向的两只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。
当应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压UO2=EKε/2。
三、实验设备与器件单元
主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤
1、根据图1-2黑色画线所示连接导线。
2、将实验模板上的差动放大器调零。
(此步骤在做单臂电桥实验时已完成,可以省略!
)
图1-2应变式传感器半桥接线图
3、调节半桥处于平衡状态
调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零(调节前电压表有时可能会显示1或-1,表示显示对象超过了电压表±2V的显示量程,可先将电压表的量程拨至20V,待显示对象调至低于±2V时再把量程拨回2V档),这样就保证在没有放入砝码之前电桥处于平衡状态,即输入为零时输出也应该为零。
4、应变片半桥实验
测量电路的初始状态都调节好之后,下面开始进行半桥的测量:
在应变传感器的托盘上放置一只20g砝码,读取电压表显示数值,填入表1-2;接着每次增加一个20g砝码到托盘上并读取相应的电压值,直到10个20g砝码加完,记下实验数据填入表1-2中,画出重量和电压的关系曲线。
表1-2重量和电压数据
重量(g)
电压(mv)
5、根据表1-2数据计算半桥测量系统的灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δ,δ=Δm/yFS×100%,式中Δm为实际测量值与拟合直线的最大偏差,yFS为一次完整测量的满量程输出值,此处为200g时的输出。
6、实验完毕,关闭电源,整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。
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。
(三)全桥性能检测法
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,将受力方向相同的两应变片接入电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。
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、实验设备与器件单元
主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤
1、根据图1-3黑色画线所示连接导线。
2、将实验模板上的差动放大器调零。
(此步骤在做单臂电桥实验时已完成,可以省略!
)
图1-3全桥性能实验接线图
3、调节全桥处于平衡状态
调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零(调节前电压表有时可能会显示1或-1,表示显示对象超过了电压表±2V的显示量程,可先将电压表的量程拨至20V,待显示对象调至低于±2V时再把量程拨回2V档),这样就保证在没有放入砝码之前电桥处于平衡状态,即输入为零时输出也应该为零。
4、应变片全桥实验
测量电路的初始状态都调节好之后,下面开始进行全桥的测量:
在应变传感器的托盘上放置一只20g砝码,读取电压表显示数值,填入表1-3;接着每次增加一个20g砝码到托盘上并读取相应的电压值,直到10个20g砝码加完,记下实验数据填入表1-3中,画出重量和电压的关系曲线。
重量(g)
电压(mv)
表1-3重量和电压数据
5、根据表1-3数据计算全桥测量系统的灵敏度S和非线性误差δ。
6、实验完毕,关闭电源,整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。
五、思考题
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。
(四)直流全桥的应用――电子秤实验
一、实验目的
把应变片全桥测量电路校准成一台电子秤。
二、实验步骤
在完成实验(三)时,如果能够保证灵敏度S=1(mv/g)且非线性误差δ=0,则只要把电压表的量纲V改为重量的量纲g,全桥测量电路就可以当做一台原始的电子秤用来称重了,则本实验内容可以省略;如果灵敏度S≠1(mv/g)或非线性误差δ≠0,则必需按照以下步骤进行电子秤的校准。
1、在完成实验(三)的步骤4之后,十个砝码不要从托盘上拿下来,通过调节电位器RW3使主机箱电压表的显示为0.200(V)。
2、取下托盘上的所有砝码,仔细耐心的调节调零电位器RW1,使主机箱电压表的显示为0.000(V)。
3、再把十个砝码重新放到托盘上,重复上面两个步骤的标定过程,耐心调节,一直到精确为止(由于实验装置的老化,可能无法校得十分的精准,但是也要把误差尽量的降低,起码保证精度要比实验(三)的结果高)。
4、校准完成后,把十个砝码逐个的增加到托盘上,并依次记录重量和电压,填入下表1-4。
表1-4重量和电压数据
重量(g)
电压(mv)
5、根据上表实验数据画出重量和电压关系曲线,以及计算系统灵敏度S和非线性误差δ。
(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,应变栅的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、实验设备与器件单元:
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、加热器(在实验模板上,已粘贴在应变传感器左下角底部)。
四、实验步骤
1、在完成电子秤实验之后,十个20g砝码放在托盘上不要取下来,从电压表上读取加热前的输出电压读数V1。
2、将主机箱中直流稳压电源+5v、⊥接到实验模板的加热器+5v、⊥插孔上,等待3~5分钟,待电压表电压显示基本稳定后,再记下读数Vt,Vt-V1即为温度变化对测试系统的影响。
计算这一温度变化产生的相对误差:
3、实验完毕,关闭电源,整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。
五、思考题
查阅传感器的相关理论知识,阐述金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法?
六、误差分析
分析本次实验(共五部分)过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。
七、实验报告说明
撰写实验报告的时候,重点是对实验数据的处理分析计算,相关问题的回答,误差原因分析和减少误差方法的探讨。
实验报告格式要完整,但是可以抄的内容尽量简洁。
本课程实验报告的一个重要内容是计算系统灵敏度S和非线性误差δ,请务必先弄清楚灵敏度和非线性误差的定义和计算方法。
本说明适用于以下所有实验项目,下面不再提示。
实验二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的工作机理是半导体应变片的压阻效应,在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜(扩散出P型或N型电阻条)组成电桥。
在压力(压强)作用下弹性元件产生应力,半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化,引起电阻的变化,经电桥转换成电压输出,则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
图2—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。
图2—1压阻式压力传感器压力测量实验原理
三、实验设备与器件单元
主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。
4、实验步骤
1、将压力传感器安装在实验模板的支架上,根据图2-2连接管路和电路(主机箱内的气源部分,压缩泵、贮气箱、流量计已接好)。
引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中(注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压,则可轻松拉出),另一端口与压力传感器相连。
压力传感器引线为4芯线:
1端接地线,2端为U0+,3端接+4V电源,4端为Uo-,接线见图2-2。
图2-2压阻式压力传感器测压实验安装、接线图
2、实验模板上RW2用于调节放大器零位,RW1调节放大器增益。
按图2-2将实验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔,将主机箱中的显示选择开关拨到2V档,合上主机箱电源开关,RW1旋到满度的1/3位置(即逆时针旋到底再顺时针旋2圈),仔细调节RW2使主机箱电压表显示为零。
3、合上主机箱上的气源开关,启动压缩泵,逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮,此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中,同时观察气压表和电压表的变化。
4、仔细地逐步调节流量计旋钮,从4Kpa开始使压力在4-55KPa之间变化,每上升3KPa气压分别读取电压表读数,将数值列于表2(仔细调节气压,调好气压后等电压显示稳定后再读数)。
表2压阻式压力传感器测压实验数据(请自制合适的表格用于填写实验数据)
P(KPa)
……
Vo(mv)
5、根据实验数据画出P-V曲线,计算本系统的灵敏度S和非线性误差¦Ä。
6、实验完毕,关闭电源,整理好实验台上的实验物品。
五、思考题
查阅传感器相关理论知识,说明压阻式压力传感器大致有几种类型,在应用上各有什么特点。
六、误差分析
分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。
实验三移相器、相敏检波器实验
1、实验目的
深入了解移相器、相敏检波器的工作原理。
二、基本原理
1、移相器工作原理
图3—1为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。
图中,IC-1、R1、R2、R3、C1
图3—1移相器原理图与模板上的面板图
构成一阶移相器(超前),在R2=R1的条件下,可证明其幅频特性和相频特性分别表示为:
KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)
KF1(ω)=1
ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1
其中:
ω=2лf,f为输入信号频率。
同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器(滞后),在R5=R4条件下的特性为:
KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)
KF2(ω)=1
ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωRwC3
由此可见,根据幅频特性公式,移相前后的信号幅值相等。
根据相频特性公式,相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。
显然,当移相电位器Rw=0,上式中ΦF2=0,因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角:
即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1
若调整移相电位器Rw,则相应的移相范围为:
ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3
已知R3=10kΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定,即可算出图3—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。
2、相敏检波器工作原理
图3—2为相敏检波器(开关式)原理图与实验模板上的面板图。
图中,AC为交流参考电压输入端,DC为直流参考电压输入端,Vi端为检波信号输入端,Vo端为检波输出端。
图3—2相敏检波器原理图与模板上的面板图
原理图中各元器件的作用:
C5-1交流耦合电容并隔离直流;IC5-1反相过零比较器,将参考电压正弦波转换成矩形波(开关波+14V~-14V);D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V(0~-14V);Q5-1是结型场效应管,工作在开、关状态;IC5-2工作在倒相器、跟随器状态;R5-6限流电阻起保护集成块作用。
关键点:
Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。
当V7=0V时,Q5-1导通,使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器,即V3=-V1;当V7<0V时,Q5-1截止(相当于断开),IC5-2成为跟随器,即V3=V1。
相敏检波器具有鉴相特性,输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。
下图3—3为相敏检波器的工作时序图。
图3—3相敏检波器工作时序图
三、需用器件与单元:
主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器;移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板;双踪示波器。
四、实验步骤
(一)移相器实验
1、按图3—4示意接线。
检查接线无误后,合上主机箱电源开关,用数字示波器监测音频振荡器的输出,调节音频振荡器的输出频率约为f=2kHz,幅值约为Vp-p=5V(带负载)。
图3—4移相器实验接线图
2、正确设置和使用数字示波器,采用《电子测量与仪器》实验课中学到的示波器测相位方法,测量波形的相角变化。
调节移相器的移相电位器,当移相电位器处于0kΩ位置时(逆时针旋到最左端为0kΩ),用示波器测定移相器的初始移相角(ΦF=ΦF1);然后顺时针慢慢旋动移相电位器,同时观察相位的变化情况,当相位不再变化时测定移相器的截至移相角(ΦF=ΦF2)(10kΩ的电位器只是部分接入,当相位不再变化时电位器还未到最大)。
测量时请注意信号的超前和滞后关系,最后计算确定移相器的移相范围△ΦF(用多少度表示)。
(注意:
直接法测相位需要保证示波器CH1、CH2的扫描时间基线位于坐标横轴的零位置。
)
3、改变输入信号的频率为f=9kHz,幅值不变,再次测试相应的ΦF1、ΦF2和△ΦF,比较结果。
4、测试完毕关闭主电源。
(二)相敏检波器实验
1、按图3—5示意接线,将±2V~±10V可调电源调节到±2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关。
保持音频振荡器的峰峰值Vp-p=5V(带负载)不变,调节音频振荡器的频率约为f=5kHz;把示波器两个输入通道的垂直输入耦合方式设置为“直流”,并调节CH1、CH2的扫描时间基线位于坐标横轴的零位置。
结合相敏检波器工作原理,观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系(跟随关系,波形相同)。
图3—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图
2、将相敏检波器的DC参考电压改接到-2V(-Vout),调节相敏检波器的电位器旋钮使示波器显示的两个波形幅值相等(相敏检波器电路已调整完毕,以后不要触碰这个电位器旋钮),观察相敏检波器的输入、输出波形关系(倒相作用,反相波形)。
关闭电源。
3、按图3—6示意图接好线之后,合上主机箱电源,调节移相电位器旋钮(相敏检波器电路上一步已调好不要动),结合相敏检波器的工作原理,观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系,记录当移相电位器旋钮处于最左边、中间同相(即图3—3第一列的V3波形)和最右边(即波形不再变化的位置)这三个位置时的输出波形图。
(注:
实际应用上一般要求相敏检波器工作状态Vi检波信号与参考电压AC相位处于同相或反相,才能正确的完成解调。
)
图3—6相敏检波器检波实验接线示意图
4、将相敏检波器的AC参考电压改接到音频振荡器的180°输出,调节移相电位器旋钮,观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系,记录当移相电位器旋钮处于最左边、中间反相(即图3—3第二列的V3波形)和最右边这三个位置时的输出波形图。
五、思考题:
总结本次实验内容,并定性分析移相器和相敏检波器的工作原理。
实验四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
差动变压器的工作原理是电磁互感原理。
差动变压器的结构如图4—1所示,由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接(*同名端相接),以差动电势输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响),它的等效电路如图4—2所示。
图中U1为一
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- 传感器 技术 实验 指导书
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