電氣測量技術(shù)-實驗課案

1、使用說明csy系列傳感器系統(tǒng)實驗儀是用于檢測儀表類課程教學實驗的多功能教學儀器。其特點是集被測體、各種傳感器、信號激勵激、處理電路和顯示器于一體，可以組成一個 完整的測試系統(tǒng)。通過實驗指導書所提供的數(shù)十種實驗舉例，能完成包含光、磁、電、 溫度、位移、振動、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的測試實驗。通過這些實驗，實驗者可對各種不同的傳 感器及測量電路原理和組成有直觀的感性認識，并可在本儀器上舉一反三開發(fā)出新的實 驗內(nèi)容。實驗儀主要由實驗工作臺、處理電路、信號與顯示電路三部分組成。一、位于儀器頂部的實驗工作臺部分，左邊是一副平行式懸臂梁，梁上裝有應(yīng)變式、 熱敏式、p-n結(jié)溫度式、熱電式和壓電加速度五種傳感器。平行梁上

2、梁的上表面和下梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別用符號和*表示。其中六片為金屬箔式片（bhf-350 ）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用符號 一和 t-表示。片上標有“ by”字樣的為半導體式應(yīng)變片，靈敏系數(shù)130。熱電式（熱電偶）：串接工作的兩個銅一康銅熱電偶分別裝在上、下梁表面，冷端溫 度為環(huán)境溫度。分度表見實驗指導書。熱敏式：上梁表面裝有玻璃珠狀的半導體熱敏電阻mf-51 ,負溫度系數(shù)，25c時阻值為810k。p-n結(jié)溫度式：根據(jù)半導體p-n結(jié)溫度特性所制成的具有良好線性范圍的溫度傳感 器。壓電加速度式：位于懸臂梁右部，由 pzt-5雙壓電晶片，銅質(zhì)量塊和壓簧組成，裝 在透明

3、外殼中。實驗工作臺左邊是由裝于機內(nèi)的另一副平行梁帶動的圓盤式工作臺。圓盤周圍一圈所安裝有（依逆時針方向）電感式（差動變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式五種傳感器。電感式（差動變壓器）：由初級線圈 li和兩個次級線圈 l。繞制而成的空心線圈， 圓柱形鐵氧體鐵芯置于線圈中間，測量范圍>10mm。電容式：由裝于圓盤上的一組動片和裝于支架上的兩組定片組成平行變面積式差動 電容，線性范圍3mm。磁電式：由一組線圈和動鐵（永久磁鋼）組成，靈敏度 0.4v/m/s?；魻柺剑篽z-1半導體霍爾片置于兩個半環(huán)形永久磁鋼形成的梯度磁場中，線性范 圍3mm。電渦流式：多股漆包線繞制的扁平線圈與金屬渦流

4、片組成的傳感器，線性范 圍 >1mm。光電式傳感器裝于電機側(cè)旁。兩副平行式懸臂梁頂端均裝有置于激振線圈內(nèi)的永久磁鋼，右邊圓盤式工作臺由“激振i”帶動，左邊平行式懸臂梁由“激振 ii”帶動。為進行溫度實驗， 左邊懸臂梁之間裝有電加熱器一組，加熱電源取自15v直流電源，工作時能獲得高于溫度30 c左右的升溫。以上傳感器以及加熱器、激振線圈的引線端均位于儀器下部面板最上端一排。實驗工作臺上還裝有測速電機一組及控制、調(diào)速開關(guān)。兩只測微頭分別裝在左、右兩邊的支架上。二、信號及顯示部分：位于儀器上部面板低頻振蕩器:130hz輸出連續(xù)可調(diào)，vp-p值20v,最大輸出電流 0.5a, vi端插口 可提供

5、用作電流放大器。音頻振蕩器:0.4khz10khz 輸出連續(xù)可調(diào)，vp-p值20v, 180°、0°為反相輸出，lv端最大功率輸出 0.5a。直流穩(wěn)壓電源：土 15v,提供儀器電路工作電源和溫度實驗時的加熱電源，最大輸出1.5a。±2v±10v,檔距2v,分五檔輸出，提供直流信號源，最大輸出電流 1.5a。數(shù)字式電壓/頻率表：3 缶顯示，分2v、20v、2khz、20khz四檔，靈敏度50mv ,2頻率顯示5hz20khz 。指針式直流毫伏表：測量范圍500mv、50mv、5mv三檔，精度 2.5%。三、處理電路：位于儀器下部面板電橋：用于組成應(yīng)變電橋，

6、面板上虛線所示電阻為虛設(shè)，僅為組橋提供插座。ri、r2、r3為350標準電阻， wd為直流調(diào)節(jié)電位器，wa為交流調(diào)節(jié)電位器。差動放大器：增益可調(diào)比例直流放大器，可接成同相、反相、差動結(jié)構(gòu)，增益1-100倍。光電變換器：提供紅外發(fā)射、接收、穩(wěn)幅、變換，輸出模擬信號電壓與頻率變換方 波信號。四芯航空插座上裝有光電轉(zhuǎn)換裝置和兩根多模光纖（一根接收，一根發(fā)射）組 成的光強型光纖傳感器。電容變換器：由高頻振蕩、放大和雙t電橋組成。移相器：允許輸入電壓20vp-p ,移相范圍土 40° （隨頻率有所變化）。相敏檢波器：極性反轉(zhuǎn)電路構(gòu)成，所需最小參考電壓0.5vp-p ,允許最大輸入電壓20vp-

7、p 。電荷放大器：電容反饋式放大器，用于放大壓電加速度傳感器輸出的電荷信號。電壓放大器：增益 5倍的高阻放大器。渦流變換器：變頻式調(diào)幅變換電路，傳感器線圈是三點式振蕩電路中的一個元件。溫度變換器：根據(jù)輸入端熱敏電阻值及p- n結(jié)溫度傳感器信號變化輸出電壓信號相應(yīng)變化的變換電路。低通濾波器：由 50hz 陷波器和 rc 濾波器組成，轉(zhuǎn)折頻率35hz 左右。使用儀器時打開電源開關(guān)，檢查交、直流信號源及顯示儀表是否正常。儀器下部面板左下角處的開關(guān)控制處理電路的± 15v 工作電源，進行實驗時請勿關(guān)掉。指針式毫伏表工作前需對地短路調(diào)零，取掉短路線后指針有所偏轉(zhuǎn)是正常現(xiàn)象，不影響測試。請用戶注

8、意，本儀器是實驗性儀器，各電路完成的實驗主要目的是對各傳感器測試電路做定性的驗證，而非工程應(yīng)用型的傳感器定量測試。各電路和傳感器性能建議通過以下實驗檢查是否正常：1 應(yīng)變片及差動放大器，參考附圖 2 進行單臂、半橋和全橋?qū)嶒?，各?yīng)變片是否正常可用萬用表電阻檔在應(yīng)變片兩端測量。各接線圖兩個節(jié)點間即為一實驗接插線，接插線可多根迭插，為保證接觸良好插入插孔后請將插頭稍許旋轉(zhuǎn)。2半導體應(yīng)變片，進行半導體應(yīng)變片直流半橋?qū)嶒灐? 熱電偶，按附圖4 接線，加熱器接 15v 電源，另一端接地，觀察隨溫度升高熱電勢的變化。4 熱敏式，按附圖 5 接線，進行“熱敏傳感器實驗” ，電熱器加熱升溫，觀察隨溫度升高“v

9、 0”端輸出電壓變化情況，注意熱敏電阻是負溫度系數(shù)。5 p- n 結(jié)溫度式，進行p- n 結(jié)溫度傳感器測溫實驗，注意電壓表2v 檔顯示值為絕對溫度t 。6 進行“移相器實驗”，用雙蹤示波器觀察兩通道波形。7 進行“相敏檢波器實驗” ，相敏檢波端口序數(shù)請參照附圖 6 ，其中 4 端為參考電 壓輸入端。8 進行“電容式傳感器特性”實驗，接線參照附圖7。當振動圓盤帶動動片上下移動時，電容變換器v 0端電壓應(yīng)正負過零變化。9 進行“光纖傳感器 位移測量” ，光纖探頭可安裝在原電渦流線圈的橫支架上固定，端面垂直于鍍鉻反射片，旋動測微頭帶動反射片位置變化，從“v 0”端讀出電壓變化值。光電變換器“f 0”

10、端輸出頻率變化方波信號。測頻率變化時可參照“光纖傳感器 轉(zhuǎn)速測試”步驟進行。10進行光電式傳感器測速實驗， v f 端輸出的是頻率信號。11將低頻振蕩器輸出信號送入低通濾波器輸入端、輸出端用示波器觀察，注意根據(jù)低通輸出幅值調(diào)節(jié)輸入信號大小。12進行“差動變壓器性能”實驗，檢查電感式傳感器性能，實驗前要找出次級線圈同名端，次級所接示波器為懸浮工作狀態(tài)。13進行“霍爾式傳感器直流激勵特性”實驗，接線參照附圖9，直流激勵信號絕對不能大于± 2v ，否則一定會造成霍爾元件燒壞。14進行“磁電式傳感器”實驗，磁電傳感器兩端接差動放大器輸入端，用示波器觀察輸出波形，參見附圖 12 。15進行“壓

11、電加速度傳感器”實驗，接線參見附圖13。此實驗與上述第12 項內(nèi)容均無定量要求。16進行“電渦流傳感器的靜態(tài)標定”實驗，接線參照圖11，其中示波器觀察波形端口應(yīng)在渦流變換器的左上方，即接電渦流線圈處，右上端端口為輸出經(jīng)整流后的直流電壓。17如果儀器是帶微機接口和實驗軟件的，請參閱數(shù)據(jù)采集及處理說明。數(shù)據(jù)采集卡已裝入儀器中，其中 a/d 轉(zhuǎn)換是 12 位轉(zhuǎn)換器，無漏碼最大分辨率1/2048（即 0.05% ） ，在此范圍內(nèi)的電壓值可視為容許誤差。所以建議在做小信號實驗（如應(yīng)變電橋單臂實驗）時選用合適的量程，以正確選取信號。儀器后部的 rs232 接口請接計算機com2 口串行工作。否則計算機將收

12、不到信號。儀器工作時需良好的接地，以減小干擾信號，并盡量遠離電磁干擾源。儀器的型號不同，傳感器種類不同，則檢查項目也會有所不同。上述檢查及實驗?zāi)軌蛲瓿蓜t整臺儀器各部分均為正常。實驗時請非常注意實驗指導書中實驗內(nèi)容后的 “注意事項” ， 要在確認接線無誤的情況下開啟電源，要盡量避免電源短路情況的發(fā)生，加熱時“ 15v ”電源不能直接接入應(yīng)變片、熱敏電阻和熱電偶。實驗工作臺上各傳感器部分如位置不太正確可松動調(diào)節(jié)螺絲稍作調(diào)整，以按下振動梁松手，各部分能隨梁上下振動而無碰擦為宜。附件中的稱重平臺是在實驗工作臺左邊的懸臂梁旁的測微頭取開后裝于頂端的永久磁鋼上方，環(huán)形圓片代替砝碼做稱重實驗。實驗開始前請檢

13、查實驗連接線是否完好，以保證實驗順利進行。本實驗儀需防塵，以保證實驗接觸良好，儀器正常工作溫度0 40 。實驗一霍爾傳感器的應(yīng)用一一位移與振幅測量一、實驗?zāi)康模?、了解霍爾位移傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)，學會用霍爾傳感器進行位移測試；2、了解霍爾傳感器在震動測量中的應(yīng)用。二、實驗內(nèi)容和要求1、觀察傳感器綜合試驗儀上霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)；2、直流激勵下，用霍爾位移傳感器進行靜態(tài)位移測試；3、直流激勵下，用霍爾位移傳感器進行震動測試；三、實驗所需部件：1、cy訓傳感器系統(tǒng)綜合試驗儀；本次實驗所用模塊包括： 直流穩(wěn)壓電源；霍爾傳感器；電橋；差動放大器;毫伏表；測微頭；低通濾波器2、雙蹤示波器；3、接插

14、連接實驗導線若干。四、實驗方法、步驟與結(jié)果測試：圖1（一）、實驗原理及方法實驗臺上的霍爾傳感器，由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。當保持霍爾元件的控制電流 i恒定，在與霍爾元件控制電流相垂直的方向上就有霍爾電勢輸出?；魻栐谔荻却艌錾舷乱苿訒r，輸出的霍爾電勢u0取決于其在磁場中的位移量x,即uo=kx,所以測得電勢大小就可知道霍爾元件的位移量。（二）、實驗步驟及結(jié)果測試1、霍爾傳感器位移測試相關(guān)儀表和電路調(diào)零差動放大器調(diào)零時請先將放大器的增益調(diào)至適中。按圖1直流激勵接線旋轉(zhuǎn)測微頭，使測微頭頂桿與振動盤接觸。調(diào)節(jié)振動盤上下位置， 使霍爾元件基本位于梯度磁場的中間位置。開

15、啟電源，調(diào)節(jié)測微頭和電位器wd,使差放輸出為零。 上下移動測微頭各 3.5mm,每變化0.5mm讀取響應(yīng)電壓值，并記入下表。 上移：位移x(mm)00.511.522.533.544.5電壓uo（mv）下移:位移x(mm)4.543.532.521.510.50電壓uo(mv)2、直流激勵下霍爾傳感器震動測試仍按圖1直流激勵接線，使系統(tǒng)調(diào)零，并松開測微頭，使其脫離振動臺。將低頻振蕩器接“激振i”，保持適當振幅，用示波器觀察差動放大器輸出波形。進一步提高低頻振蕩器的振幅，用示波器觀察差動放大器的輸出波形。改變?t振器i的頻率，進行觀測，注意波形的變化。記錄輸出波形。五、思考題1、用霍爾元件做位移

16、測量時，為什么只允許工作在梯度磁場范圍？2、振幅測量時，輸出波形出現(xiàn)頂部或底部削峰現(xiàn)象，說明什么？六、注意事項直流激勵電壓只能是 2v,否則霍爾元件會燒壞；務(wù)必認清楚霍爾元件的激勵端和輸出端，不能接錯，否則霍爾元件會燒壞；實驗二電渦流傳感器電機測試實驗一、實驗?zāi)康牧私怆姕u流式傳感器的實際應(yīng)用。二、實驗原理當平面線圈與金屬被測體的相對位置發(fā)生周期性變化時，渦流量及線圈阻抗的變化 經(jīng)渦流變換器轉(zhuǎn)換為周期性的電壓信號變化。三、實驗所需部件電渦流傳感器、電渦流變換器、測速電機及轉(zhuǎn)盤、電壓/頻率表、示波器。四、實驗步驟1 .電渦流線圈支架轉(zhuǎn)一角度，安裝于電機轉(zhuǎn)盤上方，線圈與轉(zhuǎn)盤面平行，在不碰擦 的情況下

17、相距越近越好。2 .電渦流線圈與渦流變換器相接，渦流變換器輸出端接示波器，開啟電機開關(guān)，調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)整平面線圈在轉(zhuǎn)盤上方的位置，用示波器觀察，使變換器輸出的脈動波較為 對稱。3 .仔細觀察示波器中兩相鄰波形的峰值是否一樣。4 .將電壓/頻率表2khz檔接入渦流變換器輸出端讀取得脈動波形值，并與示波器讀 取的頻率作比較。（轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速二脈動波形數(shù)+ 2） 五、思考題1 .若示波器中兩相鄰波形的峰值不一樣，則說明什么？2 .轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速與脈動波形數(shù)滿足什么關(guān)系式？實驗三 光電傳感器的應(yīng)用一光電轉(zhuǎn)速測試一、實驗?zāi)康模毫私夤怆婇_關(guān)的原理和應(yīng)用。二、實驗原理：光電開關(guān)由紅外發(fā)射、接收及整形電路組成，為遮斷

18、式工作方式。三、實驗所需部件：光電傳感器、光電變換器、測速電機及轉(zhuǎn)盤、電壓/頻率表2khz檔、示波器。四、實驗步驟：1 .光電傳感器“光電”端接光電變換器 術(shù)端，vf端接示波器和電壓/頻率表2khz。2 .安裝好光電傳感器位置，勿與轉(zhuǎn)盤盤面相擦。3 .開啟電源，打開電機開關(guān)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。用示波器觀察光電轉(zhuǎn)換器vf端，并讀出波形頻率，與頻率表所示頻率比較。4 .電機轉(zhuǎn)速=方波頻率+ 25 .將一較強光源照射儀器轉(zhuǎn)盤上方，觀察測試方波是否正常。6 .由此可以得出結(jié)論，光電開關(guān)受外界影響較小，工作可靠性較高。實驗四電容式傳感器特性一、實驗?zāi)康恼莆针娙菔絺鞲衅鞯墓ぷ髟砗蜏y量方法。二、實驗原理電容式傳感器有多種型式，本儀器中是差動變面積式。傳感器由兩組定片和一組動 片組成。當安裝于振動臺上的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變 化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動電容。如將上層定片與動片形成的電容定為cxi,下層定片與動片形成的電容定為cx2,當將cxi和cx2接入橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān)。三、實驗所需部件電容傳感器、電容變換器、差動放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測微頭。圖（21）四、實驗步驟1 .按圖（21）接線，電容變換