新實驗指導(dǎo)書

1、檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù) 實驗指導(dǎo)書實驗指導(dǎo)書上海工程技術(shù)大學(xué)上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 自動化系自動化系前前 言言CSY2000 系列傳感器與檢測技術(shù)實驗臺主要用于檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)和檢測技術(shù)課程的實驗教學(xué)。CSY2000 系列傳感器與檢測技術(shù)實驗臺上采用的傳感器雖然是教學(xué)傳感器，但其結(jié)構(gòu)與線路是工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，希望通過實驗幫助廣大學(xué)生加強對書本知識的理解，并在實驗進行的過程中，通過信號的拾取、轉(zhuǎn)換和分析，掌握作為一個科技工作者應(yīng)具有的基本的操作技能和動手能力。本實驗指導(dǎo)書由于編寫時間、水平有限，又是初次使用，難免有疏漏謬誤之處，熱切期望讀者提出寶貴意見。參加本實驗指

2、導(dǎo)書編寫工作的教師有：陳小龍、張莉萍。2004 年 7 月 4 日傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 I 頁實驗?zāi)夸泴嶒災(zāi)夸泴嶒炓粚嶒炓?金屬箔式應(yīng)變片特性實驗金屬箔式應(yīng)變片特性實驗.11.1金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗.11.2金屬箔式應(yīng)變片半橋性能實驗.31.3金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實驗.4實驗二實驗二 電渦流傳感器變換特性實驗電渦流傳感器變換特性實驗.62.1 電渦流傳感器的位移特性實驗.62.2 被測體材質(zhì)對電渦流傳感器的特性影響實驗.82.3 被測體面積大小對電渦流傳感器的特性影響實驗.9實驗三實驗三 電容式傳感器位移特性實驗電容式傳感器位移特性實驗.10實驗

3、四實驗四 直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗.12傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 1 頁實驗一實驗一 金屬箔式應(yīng)變片特性實驗金屬箔式應(yīng)變片特性實驗1.1 金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗單臂電橋性能實驗一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理：二、基本原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：R/R=K式中 R/R 為電阻絲電阻相對變化，K 為應(yīng)變靈敏系數(shù)，=l/l 為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應(yīng)變片就是

4、通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化。電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。對單臂電橋輸出電壓 Uo1=EK/4。三、需要器件與單元：三、需要器件與單元：應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０濉?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、15V電源、4V 電源四、試驗步驟：四、試驗步驟：1、根據(jù)圖 1，應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。圖 1 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2、接入模板電源15V（從主控箱引入） ，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實驗?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器 RW3 順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置

5、，再進行差動放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯表電壓輸入端 Vi相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào)零電位器 RW4，使數(shù)顯表顯示為零（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到 2V 檔） 。關(guān)閉主控箱電源。3、將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片 R1（即模板左上方的 R1）接入電橋作為一個橋臂與 R5、R6、R7 接成直流電橋（R5、R6、R7 模塊內(nèi)已接好） ，接好電橋調(diào)零電位器傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 2 頁RW1，接上橋路電源4V（從主控箱引入）如圖 2 所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié) RW1，使數(shù)顯表顯示為零。圖 2 應(yīng)變式傳感器單臂電

6、橋?qū)嶒灲泳€圖4、在電子秤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，直到 200g 砝碼加完。記下試驗結(jié)果填入表 1，關(guān)閉電源。表 1重量（g）020406080100120140160180200正行程電壓（mv）反行程5、根據(jù)上表計算系統(tǒng)靈敏度 S，S=u/W（u 為輸出電壓變化量；W 為重量變化量） 。計算線性誤差（端基線性度）：f1=m/yF.S100%，式中 m 為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差，yF.S為滿量程輸出平均值，此處為 200g。五、思考題：五、思考題：單臂電橋時，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：（1）正（受拉）應(yīng)變片（2）負(fù)（受壓）應(yīng)

7、變片（3）正、負(fù)應(yīng)變片均可以。傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 3 頁1.2 金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片半橋性能實驗半橋性能實驗一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模罕容^半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點。二、基本原理：二、基本原理：不同受力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓 Uo2=EK/2。三、需要器件與單元：三、需要器件與單元：同實驗 1.1。四、實驗步驟：四、實驗步驟：1、傳感器安裝同實驗 1.1。做實驗 1.1 中 2 的步驟，實驗?zāi)０宀顒臃糯笃髡{(diào)零。2、根據(jù)圖 3 接線。R1、R2為

8、實驗?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意 R2應(yīng)和 R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源4V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器 Rw1進行橋路調(diào)零，實驗步驟 3、4 同實驗 1.1 中 4、5 的步驟，將實驗數(shù)據(jù)記入表 2，計算靈敏度 S=u/W，非線性誤差（端基線性度）f2。若實驗時無數(shù)值顯示，說明 R2與 R1為相同受力狀態(tài)應(yīng)變片，應(yīng)更換另一個應(yīng)變片。 圖 3 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖表 2 半橋測量時輸出電壓與加負(fù)載重量值傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 4 頁重量（g）020406080100120140160180

9、200正行程電壓（mv）反行程五、思考題：五、思考題：1、半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)放在：（1）對邊（2）鄰邊。2、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為：（1）電橋測量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。1.3 金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實驗全橋性能實驗一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模毫私馊珮驕y量電路的優(yōu)點。二、基本原理：二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其變化值 R1=R2=R3=R4時，其橋路輸出電壓 Uo3=KE。其輸出靈

10、敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。三、需用器件和單元：三、需用器件和單元：同實驗 1.1。四、實驗步驟：四、實驗步驟：1、傳感器安裝同實驗 1.1。2、根據(jù)圖 4 接線，實驗方法與 1.2 相同。將實驗結(jié)果填入表 3；進行靈敏度和非線性誤差（端基線性度）計算。傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 5 頁圖 4 全橋性能實驗接線圖表 3 全橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）020406080100120140160180200正行程電壓（mv）反行程五、思考題五、思考題1、全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值 R 相同時，即 R1R3，R2=

11、R4，而R1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。 傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 6 頁實驗二實驗二 電渦流傳感器變換特性實驗電渦流傳感器變換特性實驗2.1 電渦流傳感器的位移特性實驗電渦流傳感器的位移特性實驗一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、基本原理：二、基本原理：通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時，因?qū)щ婓w渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進行位移測量。三、需要器件與單元：三、需要器件與單元：電渦流傳感器實驗?zāi)０?、電渦流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片。四、實

12、驗步驟：四、實驗步驟：1、根據(jù)圖 5 安裝電渦流傳感器。圖 5 電渦流傳感器安裝示意圖傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 7 頁圖 6 電渦流傳感器位移實驗接線圖2、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個扁平繞線圈。3、將電渦流傳感器的輸出插入 Ti 孔中。4、在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。5、將實驗?zāi)０遢敵龆?Vo與數(shù)顯單元輸入端 Vi相接。數(shù)顯表量程切換開關(guān)選擇電壓20V 檔。6、用連接導(dǎo)線從主控臺接入+15V 直流電源到模板上標(biāo)有+15V 的插孔中。7、使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔 0.2mm 讀一個數(shù)，直到

13、輸出幾乎不變?yōu)橹埂⒔Y(jié)果寫入表 4。表 4 電渦流傳感器位移 X 與輸出電壓數(shù)據(jù)X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0正行程V(v)反行程8、根據(jù)表 4 中的數(shù)據(jù)，畫出 V-X 曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進行正、負(fù)位移測量時的最佳工作點，試計算量程為 1mm 和 3mm 時的靈敏度和線性度（端基線性度） 。五、思考題：五、思考題：傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 8 頁1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關(guān)，如果需要測量5mm 的量程應(yīng)如何設(shè)計傳感器？2、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據(jù)量程使用

14、選用傳感器？2.2 被測體材質(zhì)對電渦流傳感器的特性影響實驗被測體材質(zhì)對電渦流傳感器的特性影響實驗一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模毫私獠煌谋粶y體材料對電渦流傳感器性能的影響。二、基本原理：二、基本原理：電渦流效應(yīng)與金屬導(dǎo)體本身的電阻率和磁導(dǎo)率有關(guān)，因此不同的材料就會有不同的性能。三、需用器件與單元：三、需用器件與單元：除與實驗 2.1 相同外，另加銅和鋁的被測體小圓盤。四、實驗步驟：四、實驗步驟：1、傳感器安裝與實驗 2.1 相同。2、將原鐵圓片換成鋁和銅圓片。3、重復(fù)實驗 2.1 步驟，進行被測體為鋁圓片和銅圓片時的位移特性測試，分別記入表5 和表 6。表 5 被測體為鋁圓片時的位移與輸出電壓數(shù)

15、據(jù)X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0正行程V(v)反行程表 6 被測體為銅圓片時的位移與輸出電壓數(shù)據(jù)X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0正行程V(v)反行程4、根據(jù)表 5 和表 6 分別計算量程為 1mm 和 3mm 時的靈敏度和非線性誤差（端基線性度）。5、分別比較實驗 2.1 和本實驗所得結(jié)果進行小結(jié)。傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 9 頁五、思考題：五、思考題：當(dāng)被測體為非金屬材料，如何利用電渦流傳感器進行測試？2.3 被測體面積

16、大小對電渦流傳感器的特性影響實驗被測體面積大小對電渦流傳感器的特性影響實驗一、實驗?zāi)康模阂弧嶒災(zāi)康模毫私怆姕u流傳感器在實際應(yīng)用中其位移特性與被測體的形狀和尺寸有關(guān)。二、基本原理：二、基本原理：電渦流傳感器在實際應(yīng)用中，由于被測體的形狀、大小不同會導(dǎo)致被測體上渦流效應(yīng)的不充分，會減弱甚至不產(chǎn)生渦流效應(yīng)，因此影響電渦流傳感器的靜態(tài)特性，所以在實際測量中，往往必須針對具體的被測體進行靜態(tài)特性標(biāo)定。三、需用器件與單元：三、需用器件與單元：直流源、電渦流傳感器、測微頭、電渦流傳感器實驗?zāi)０?、不同面積的鋁被測體、數(shù)顯單元。四、實驗步驟：四、實驗步驟：1、傳感器安裝見圖 5，與前面靜態(tài)特性實驗相同。2、按

17、照測靜態(tài)特性實驗要求連接好測量線路。3、在測微頭上分別用兩種不同的被測鋁（小圓盤、小圓柱體）進行電渦流位移特性測定，分別記入表 7。表 7 不同尺寸時的被測體特性數(shù)據(jù)X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0正行程被測體 1反行程正行程被測體 2反行程4、根據(jù)表 7 數(shù)據(jù)計算目前范圍內(nèi)二種被測體 1 號、2 號的靈敏度，并說明理由。五、思考題：五、思考題：目前現(xiàn)有一個直徑為 10mm 的電渦流傳感器，需對一個軸直徑為 8mm 的振動進行測量，傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 10 頁試說明具體的測試方法與操作步

18、驟。實驗三實驗三 電容式傳感器位移特性實驗電容式傳感器位移特性實驗一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。二、基本原理：二、基本原理：利用平板電容 C=A/d 和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式，通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇 、A、d 三個參數(shù)，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（ 變） 、測微小位移（d 變）和測量液位（A 變）等多種電容傳感器。三、需用器件與單元：三、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)０?、測微頭、相敏檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、實驗步驟：四、實驗步驟：1、按圖 7 安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗?zāi)０迳?。圖 7

19、 電容傳感器安裝示意圖2、將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗?zāi)０?，實驗線路見圖 8。傳感器實驗指導(dǎo)傳感器實驗指導(dǎo)手冊手冊 自動化系自動化系第 11 頁圖 8 電容傳感器位移實驗接線圖3、將電容傳感器實驗?zāi)０宓妮敵龆?Vo1與數(shù)顯表單元 Vi相接（插入主控箱 Vi孔） ，Rw調(diào)節(jié)到中間位置。4、接入15V 電源，旋動測微頭推進電容傳感器動極板位置，每間隔 0.2mm 記下位移X 與輸出電壓值，填入表 8。表 8 電容傳感器位移與輸出電壓值X(mm)-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2正行程V(mv)反行程X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0正行程V(mv)反行程5、根據(jù)表 8 數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度 S 和非線性誤差（端基線性度）f。五、思考題：五、思考題：試設(shè)計利用 的變化測谷物濕度的傳感器原理及結(jié)構(gòu)。能否敘述一