10级传感技术综合实验指导书(12).doc
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1、传感技术综合实验指导书自动化学院测控技术与仪器教研室2012年9月目 录实验一 传感器测量特性实验1实验1 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验1实验2 磁电式转速传感器测速实验4实验3 压阻式传感器测压力实验5实验4热电阻测温特性实验6实验5 热电偶测温实验8实验二 传感器测位移实验10实验1 差动变压器测位移实验10实验2 霍尔传感器测位移实验12实验3 电涡流传感器测位移实验14实验三 传感器测量振动实验15实验1 压电式传感器测振动实验15实验2 电涡流传感器测振动实验17实验3 电容式传感器测振动实验19实验四 光纤传感器测量振动实验21实验五 LED光电转换特性实验24实验六
2、 光电探测器相对光谱响应度测试实验26实验一 传感器测量特性实验实验1 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验1. 实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应,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。2. 实验原理: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:R / R=K式中R / R为电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,=l / 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
3、。对单臂电桥输出电压Uo1=EK/4、半桥输出电压Uo2=EK/2、全桥输出电压Uo3=EK。3. 需用器件与单元:直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、金属应变片、F/V表、主、副电源。4. 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FV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
4、整差动放大器的调零旋钮使FV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。RX为应变片;将稳压电源的切换开关置4V档,FV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FV表显示为零,然后将FV表置2V档,再调电桥W1(慢慢地调),使FV表显示为零。图1-1 电桥实验面板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FV表显示最小,再旋动测微头,使FV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. 分别向上、向下旋动测微头
5、,使悬臂梁的自由端产生正、负位移,记下FV表显示的值。建议每旋动测微头一周,即X0.5mm记一个数值填入下表:表1-1 单臂电桥实验数据位移(mm)0电压(mv)06. 将图1-1中的RX、R1、R2、R3其中两个换成金属应变片(注意应变极性!),构成双臂半桥,重复上述步骤(4)、(5)。记录数据,填入下表:表1-2 双臂半桥实验数据位移(mm)0电压(mv)07. 将图1-1中的RX、R1、R2、R3全部换成金属应变片(注意应变极性!),构成全桥,重复上述步骤(4)、(5)。记录数据,填入下表:表1-3 全桥实验数据位移(mm)0电压(mv)08. 实验完毕,关闭主、副电源,所有旋钮转到初始
6、位置。五. 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. 三个实验中的放大器增益必须相同。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。六. 作业与思考题:1 根据表1-1至1-3计算三种情况下系统的灵敏度S,得出三种情况的灵敏度大小关系。S=u/W(u为输出电压变化量;W为重量变化量)。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图1-2,画图说明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1-2 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验2 磁电式转速传感器测速实验一实验目的:了解磁电式传
7、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个磁棒时,每转一周线圈感应电势产生N次的变化,通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。三需用器件与单元:磁电传感器、数显单元测转速档、转动调节224V转动源单元。四实验步骤:1 磁电式转速传器按图1-3安装。传感器端面离转动盘面2mm左右,并且对准反射面内的磁钢。将磁电式转速传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台面板上二个插孔)磁电式传感器图1-3 磁电式传感器测转速安装示意图2 将波段开关选择转速测量档。3 将转速调节电源224V用引线引入到台面
8、板上转动单元中转动电源224V插孔,合上主控箱开关,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,并记录驱动电源电压值及相应的转速值。表1-4 电源电压V与转速值RV(v)R(r/s)五作业与思考题:为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动?实验3 压阻式传感器测压力实验一实验目的: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的变化,我们把这一变化引入测量电路,则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:主、副
9、电源、直流稳压电源、差动放大器、F/V显示表、压阻式传感器、“U”形管 及其加压配件或压力计。四实验步骤:1 了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。2 如图1-4将传感器及电路连好,注意接线正确,否则易损坏元器件,差放接成同相反相均可;图1-4 压阻式传感器连线图3 接好传感器供压回路,开启主、副电源-,调整差放零位旋钮,使电压表指示尽可能为零,记下此时电压表读数。拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝,仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮,使在414KP之间每上升1KP分别读取压力表读数,记下相应的数显表值于表1-5。表1-5 压力传感器输出电压与输入压力值压力(kpa)电压(Mv)实验4热
10、电阻测温特性实验一实验目的:了解热电阻的特性与应用。二基本原理:利用导体电阻随温度变化的特性,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0630.74oC以内,电阻Rt与温度t的关系为: R0系温度为00C时的电阻。本实验R0=100,At=3.968410-2/oC,Bt=5.84710-7/oC,铂电阻是三线连接,其中一端接两根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。三需用器件与单元:加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制电源、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。四实验步骤:图1-5 热电阻
11、测温特性实验1 将Pt100铂电阻三根线引入Rt的a、b上:用万用表欧姆档测出Pt100三根引线中其中短接的两根线接b端和R0端。这样Rt与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥,是一种单臂电桥工作形式。Rw1中心活动点与R5相接,见图1-5。2 在端点a与地之间加直流源4V,合上主控箱电源开关,调Rw1使电桥平衡,桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。注意此时不能应用实验台上的数显表,应使用独立的万用表测量输出电压。3 加15V运放电源,调Rw3使Uo2=0,接上数显单元,拨到2V电压显示档,使数显为零。4 在常温基础上,将设定温度值按t=5oC读取数显表值。将结果填入表1-6。表1-
12、6 铂电阻热电势与温度值t()V(mv)五作业与思考题:如何根据测温范围和精度要求选用热电阻?实验5 热电偶测温实验一实验目的:了解热电偶测量温度的特性与应用范围。二基本原理:当两种不同的金属组成回路,产生的两个接点有温度差,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。三需用器件与单元:热电偶K型、E型、加热源、温度测控仪、数显单元。四实验步骤:1 将K型热电偶插入到主控板上用于温度设定。(注意:黑色K型,红色E型)2 将E型热电偶插入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上。热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正
13、端。将a、b端与R5、R6相接。3 设定温度值t=40oC。将R5、R6短路接地,接入15V电源,打开主控箱电源开关调节Rw3使Uo2=0(见图1-6),将Uo2与数显表单元上的Ui相接。调节Rw3使数显表显示零位。(主控箱电压选2V档)图1-6 热电偶传感器测温实验接线图4 去掉R5、R6短路接线,将a、b端与放大器R5、R6相接,调Rw2使信号放大到比分度值大10倍的毫伏值(因放大器性能限制,此步骤可略)。5 在40与150之间设定t=5oC。读出数显表头输出电势与温度值,并记入表1-7。表1-7 E型热电偶热电势与温度数据t()V(mv)五作业与思考题:简述热电偶测温的基本原理。附:分度
14、表温度测量元件-50050100150200300400热电偶E03.0476.3179.78713.14921.03328.943K02.0224.0956.1378.13712.0273.261热电阻Cu5039.245060.771.482.13Pt10080.3100119.4138.5157.31175.84212.02247.04温度测量元件5006008001200140016001800热电偶E36.99945.08561.066K3.2615.2377.34511.94714.36816.771热电阻Cu50Pt100280.90313.59375.57实验二 传感器测位移实
15、验实验1 差动变压器测位移实验一实验目的: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二只次级线圈及一个铁芯组成,根据内外层排列不同,由二段式和三段式,本实验采用三段式结构。当传感器随着被测物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:差动变压器、测微头、双线示波器、音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。四实验步骤:1 根据图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
16、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。图2-1 差动变压器传感器连线图2 转动测微头使测微头与振动平台吸合。旋动测微头,使传感器输出通道显示的波形峰-峰值为最小。这时可以上下位移,假设其中一个方向为正位移,则另一个方向为负位移。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2-1。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2-1 差动变压器位移与输出电压数据表X(mm)0V(mv)Vp-pmin3 实验过程中注意差
17、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。五作业与思考题:1 根据表2-1画出Vop-pX曲线,计算灵敏度。(式中为电压变化,为相应振动平台的位移变化),作出关系曲线。2 画出由差动变压器传感器终到指示单元的信号调理电路功能框图。实验2 霍尔传感器测位移实验一实验目的: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,当霍尔元件在磁场空间中所处的位置不同,其磁场强度B的大小和方向就不同。因此,通过测量霍尔电压的大小和极性就可测出霍尔元件的位移。三需用器件与单元:霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、FV表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。四实验
18、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2-2接线,、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。图2-2 霍尔传感器连线图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、副电源调整使电压表指示为零。5 旋转测微头正向轴向方向推进,每转动0.5mm记下一个读数,直到读数近似不变。再反向旋转测微头,使数显表显示为零,找到位移零点。继续旋转测微头反向轴向方向推进,每转动0.
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