《傳感器與檢測技術(shù)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書修訂詳解

1、自動(dòng)化專業(yè)傳感器與檢測技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書撰寫人：閆奇瑾審定人：輔小榮目錄第一部分 緒論 1第二部分 基本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) . 2實(shí)驗(yàn)一箔式應(yīng)變片橋路性能比較 . 2實(shí)驗(yàn)二電渦流式傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 6實(shí)驗(yàn)三差動(dòng)變面積式電容式傳感器的靜態(tài)特性 9實(shí)驗(yàn)四霍爾式傳感器靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn) 11第一部分緒論本指導(dǎo)書是根據(jù)傳感器與檢測技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱編寫的,適用于自動(dòng)化專業(yè)。一、本課程實(shí)驗(yàn)的作用與任務(wù)傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)是傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深理解傳感技術(shù)的一般理論原 理，了解各種傳感器性能，掌握選用原則和設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)對(duì)各種參數(shù)的測量及 分析技術(shù)。二、

2、本課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)本課程主要介紹傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)理論， 傳感器的基本原理和結(jié)構(gòu)，非 電量的檢測技術(shù)及系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)和微機(jī)在檢測中的應(yīng)用等。 實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ) 知識(shí)主要有傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，電阻式傳感器，電感式傳感器、 電容式傳 感器、磁電式傳感器的基本工作原理、結(jié)構(gòu)、測量電路以及應(yīng)用方法等。三、本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及其教學(xué)要求序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)教學(xué)目標(biāo)、要求1箔式應(yīng)變片橋路性能比較2教學(xué)目標(biāo)：觀察電阻應(yīng)變片組成結(jié)構(gòu)，了解箔式應(yīng)變片工作原 理，熟悉半橋、全橋電路。教學(xué)要求：觀察應(yīng)變片輸出電路分別接成半橋、全橋時(shí)的輸出 變化，作岀特性曲線，分析靈敏度等靜態(tài)特性。2電渦流式傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

3、2教學(xué)目標(biāo)：了解電渦流傳感器工作原理，觀察組成結(jié)構(gòu)，熟悉 有關(guān)測量電路。教學(xué)要求：實(shí)驗(yàn)求岀線圈與渦流片間位移變化時(shí)輸岀信號(hào)特性 曲線，分析計(jì)算其靜態(tài)特性。3差動(dòng)變面積式電容式傳感器的特性2教學(xué)目標(biāo)：掌握電容式傳感器的工作原理和測量方法；觀察電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和外形。教學(xué)要求：用實(shí)驗(yàn)的方法測出電容動(dòng)片的上下位移與輸出信號(hào) 間的特性曲線，分析其靈敏度。4霍爾式傳感器靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)2教學(xué)目標(biāo)：了解霍爾傳感器的工作原理，觀察組成結(jié)構(gòu)，熟悉相關(guān)測量電路。教學(xué)要求：實(shí)驗(yàn)求出霍爾片在梯度磁場中位移變化對(duì)輸出信號(hào) 間的特性曲線，分析計(jì)算其靜態(tài)特性。合計(jì)8第二部分基本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)一箔式應(yīng)變片橋路性能比較一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

4、的1 觀察了解箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及粘貼方式。2測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。3.比較各橋路間的輸出關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。用應(yīng)變片測試時(shí)，應(yīng)變片要牢固地粘貼在 測試體表面。當(dāng)測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之 發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，單臂，半橋雙臂，全橋電路 的靈敏度依次增大。實(shí)際使用的應(yīng)變電橋的性能和原理如下：圖1-1應(yīng)變電橋半橋雙臂和全橋電路原理三R ZR 4R已知單臂、半橋雙臂和全橋電路的R分別為卜、=、卜。電橋靈敏度S=?V ?X ,于是對(duì)應(yīng)于單臂、半橋雙臂和全橋的電壓靈敏度分別

5、為1/4 U、1/2U和U。三、主要儀器及耗材CSY10型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀：直流穩(wěn)壓電源、差動(dòng)放大器、電橋、毫伏表、測微頭、實(shí)驗(yàn)接插線直流穩(wěn)壓電源打到OV檔，毫伏表打到± 50mv檔，差動(dòng)放大器增益旋鈕打 到最右邊。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 調(diào)零。差動(dòng)放大器增益旋鈕置100倍（順時(shí)針方向旋到底），“十、”輸 入端用實(shí)驗(yàn)線對(duì)地短路，輸出端接數(shù)字電壓表。開啟儀器電源，用“調(diào)零”電位 器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零，然后拔掉實(shí)驗(yàn)線。調(diào)零后在整個(gè)測試過程中，調(diào)零電位器位置不變。2 按圖1-2將實(shí)驗(yàn)部件用實(shí)驗(yàn)線連接成測試橋路。橋路中 R1、R2、R3和WD為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，R為應(yīng)

6、變片（可任選上、下梁中的一片作為工作片）。直流激勵(lì)電源為± 4V。圖1-2半橋雙臂橋路圖1-3全橋橋路3 測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)使應(yīng)變梁處于基本水平狀 態(tài)。確認(rèn)接線無誤后開啟儀器電源，并預(yù)熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋WD電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。4旋動(dòng)測微頭，帶動(dòng)懸臂梁分別作向上和向下的運(yùn)動(dòng)，以懸臂梁水平狀態(tài) 下輸出電壓為零，開始向上或向下移動(dòng)做正、反行程測試。測微頭每移動(dòng)05mm 記錄一個(gè)差動(dòng)放大器輸出電壓值，直至進(jìn)入非線性區(qū)，做相反行程測試，將數(shù)據(jù)填入下列測試數(shù)據(jù)列表中。根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度 S, S= ?V / ?X單位：v/mm。5. 在完成上面測試的基礎(chǔ)上，

7、不變動(dòng)差動(dòng)放大器增益和調(diào)零電位器， 圖1-2 中電橋固定電阻R1、R2、R3分別換成箔式應(yīng)變片，按圖1-3全橋橋路接成全橋 測試系統(tǒng)。6 重復(fù)上面的3- 4步驟，測出半橋雙臂和全橋輸出電壓并列表，計(jì)算靈敏 度。S= ?V / ?X 單位：v/mm。7.實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉主副電源，所有旋鈕轉(zhuǎn)到初始位置，將測微頭從懸臂梁 上拿開。五、數(shù)據(jù)處理與分析1. 根據(jù)測出的半橋雙臂和全橋輸出電壓列表，在坐標(biāo)紙上同一坐標(biāo)系下做 出V X關(guān)系曲線。表1-1半橋雙臂正行程位移mm電壓V表1-2半橋雙臂反行程位移mm電壓V表1-3全橋正行程位移mm電壓V表1-4全橋反行程位移mm電壓V2 根據(jù)所得結(jié)果，分別計(jì)算兩種橋路

8、的靈敏度S= V/X （注意單位V/mm ）。計(jì)算方法可采用課程中學(xué)過的數(shù)據(jù)擬合方法。并計(jì)算相應(yīng)的線性度、 遲滯等其它靜態(tài)特性指標(biāo)。3.比較兩種橋路的靈敏度，并做出定性的結(jié)論。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接插線是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短的接插 線，以避免引入干擾。2 接插線插入插孔時(shí)輕輕地做一個(gè)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證接觸良好，拔出 時(shí)也輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導(dǎo)線斷裂。3.穩(wěn)壓電源不要對(duì)地短路。4在半橋、全橋電路中應(yīng)變片接入電橋時(shí)注意其受力方向，一定要接成差 動(dòng)形式。5. 直流激勵(lì)電壓不能過大，以免造成應(yīng)變片自熱損壞。6. 在更換應(yīng)變片時(shí)應(yīng)將電源

9、關(guān)閉。7. 在實(shí)驗(yàn)過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應(yīng)將電壓量程擴(kuò)大。8. 電橋上端虛線所示的四個(gè)電阻實(shí)際上并不存在，僅作為一標(biāo)記，使組橋 容易。七、思考題1. 本實(shí)驗(yàn)電路對(duì)直流穩(wěn)壓電源和對(duì)放大器有何要求？2. 分析實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和問題以及解決方法，對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小結(jié)。實(shí)驗(yàn)二電渦流式傳感器的靜態(tài)標(biāo)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆姕u流傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、工作特性。 掌握電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法。實(shí)驗(yàn)原理電渦流式傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成如圖 2-1所示，當(dāng)線圈中通以 高頻交變電流后，與其平行的金屬片上產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻 抗Z,而渦流的大小與金屬渦流片的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線

10、圈的 距離X有關(guān)。當(dāng)平面線圈、被測體（渦流片）、激勵(lì)源已確定，并保持環(huán)境溫度 不變，阻抗Z只與X距離有關(guān)。將阻抗變化經(jīng)渦流變換器變換成電壓V輸出，則輸出電壓是距離X的單值函數(shù)。圖2-1渦流式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理三、主要儀器及耗材CSYio型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀：電渦流線圈、三種材質(zhì)的金屬渦流片、電渦流 變換器、測微頭、電壓表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 安裝好電渦流線圈和金屬渦流片，注意兩者必須保持平行。安裝好測微 頭，將電渦流線圈接入渦流變換器輸入端。渦流變換器輸出端接電壓表20V檔見下圖2-2所示。2. 開啟儀器電源，用測微頭將電渦流線圈與渦流片分開一定距離，此時(shí)輸 出端電壓值輸出。用示波

11、器接渦流變換器輸入端觀察電渦流傳感器的高頻波形， 信號(hào)頻率約為IMHz。3. 用測微頭帶動(dòng)振動(dòng)平臺(tái)使平面線圈完全貼緊金屬渦流片，此時(shí)渦流變換器輸出電壓為零。渦流變換器中的振蕩電路停振。（該狀態(tài)只適用于鐵片，鋁片和銅片在貼貼緊狀態(tài)下輸出并不為 0，思考一下為什么？）。3圖2-2渦流式位移傳感器測試接線圖4. 適當(dāng)調(diào)節(jié)傳感器的高度，使其與被測鐵片接觸，從此開始讀數(shù)，記下示 波器及電壓表的數(shù)值，填入下表。建議每隔0.10mm讀數(shù)，到線性嚴(yán)重變壞為止。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在坐標(biāo)紙上 畫出V X曲線，指出大致的線性范圍，求出系統(tǒng)靈敏度。（最好能用誤差理論的方法求出線性范圍內(nèi)的線性度、靈敏度）?？梢?，渦流傳感器

12、最大的特點(diǎn)是,傳感器與被測體間有一個(gè)最佳初始工作點(diǎn)。這里采用的變換電路是一種。實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉主、副電源。5.換用不同材質(zhì)的金屬渦流片，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟 1-4。根據(jù)所得結(jié)果，在同 一坐標(biāo)紙上畫出被測體為鋁和鐵的兩條 V-X曲線，并計(jì)算靈敏度與線性度，比 較它們的線性范圍和靈敏度。關(guān)閉主、副電源。可見，這種電渦流式傳感器在被 測體不同時(shí)必須重新進(jìn)行 標(biāo)定。V2. 根據(jù)所得結(jié)果，分別計(jì)算三種金屬渦流片的靈敏度 S=V/X （注意 單位V/mm ）。計(jì)算方法可采用課程中學(xué)過的數(shù)據(jù)擬合方法，并計(jì)算相應(yīng)的線性度、遲滯等其它靜態(tài)特性指標(biāo)。3. 比較求出的靈敏度，并做出定性的結(jié)論。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢

13、查實(shí)驗(yàn)接插線是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短的接插 線，以避免引入干擾。2 接插線插入插孔時(shí)輕輕地做一個(gè)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證接觸良好，拔出 時(shí)也輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導(dǎo)線斷裂。3. 穩(wěn)壓電源不要對(duì)地短路。4. 被測體與渦流傳感器測試探頭平面盡量平行，并將探頭盡量對(duì)準(zhǔn)被測體 中間，即屬于一個(gè)同心圓的位置，以減少渦流損失。5.傳感器在初始時(shí)可能為出現(xiàn)一段死區(qū)。6此渦流變換線路屬于變頻調(diào)幅式線路，傳感器是振蕩器中一個(gè)元件，因 此材料與傳感器輸出特性之間的關(guān)系與定頻調(diào)幅式線路不同。七、思考題1. 請(qǐng)回答實(shí)驗(yàn)步驟中提出的問題。2. 分析實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和問題以及解決方

14、法，對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小結(jié)。實(shí)驗(yàn)三差動(dòng)變面積式電容式傳感器的靜態(tài)特性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娙菔絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)和工作原理。掌握電容式傳感器的測量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種型式，本儀器中是差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和 一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)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(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cxl ,下層定片與動(dòng)片形成的電容定為 Cx2,當(dāng)將Cxl和Cx2 接入橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)， 即與振動(dòng)臺(tái)的 位移有關(guān)。三、主要儀器及耗材CSYo型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀：電容傳感器、電容變化器、差動(dòng)放

15、大器、低通 濾波器、低頻濾波器、測微頭、電壓表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 電容變換器和差動(dòng)放大器的增益適中，按照實(shí)驗(yàn)一的方式對(duì)差動(dòng)放大器進(jìn)行 調(diào)零；2. 按圖3-1接線；Cxl圖3-1電容傳感器測試接線圖3. 裝上測微頭，帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)位移，使電容動(dòng)片位于兩靜片中，此時(shí)差動(dòng)放大器 輸出應(yīng)為零。4. 以此為起點(diǎn)，向上或向下旋動(dòng)測微頭開始正反行程測試，測微頭每移動(dòng)0.5mm 記錄一個(gè)輸出電壓值，直至動(dòng)片與一組靜片全部重合為止。將讀數(shù)記錄入下表：并作出V X曲線，計(jì)算靈敏度，S= ?V / ?X 單位：v/mm。五、數(shù)據(jù)處理與分析1. 根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上同一坐標(biāo)系下做出正反行程的V X關(guān)系曲線。

16、表3-1正行程位移mm電壓V表3-2反行程位移mm電壓V2 根據(jù)所得結(jié)果，計(jì)算電容傳感器的靈敏度S= V/X （注意單位V/mm ）。計(jì)算方法可采用課程中學(xué)過的數(shù)據(jù)擬合方法，并計(jì)算相應(yīng)的線性度、 遲滯等其它靜態(tài)特性指標(biāo)。3.做出定性的結(jié)論。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接插線是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短的接插 線，以避免引入干擾。2 接插線插入插孔時(shí)輕輕地做一個(gè)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證接觸良好，拔出 時(shí)也輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導(dǎo)線斷裂。3.穩(wěn)壓電源不要對(duì)地短路。4電容動(dòng)片與兩定片之間的片間距離須相等，必要時(shí)可稍微做調(diào)整。位移 和振動(dòng)時(shí)均不可有擦片現(xiàn)象

17、，否則會(huì)造成輸出信號(hào)突變。5. 如果差動(dòng)放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波，請(qǐng)將電容變換器 增益進(jìn)一步減小。因此，增益應(yīng)放在適中位置。七、思考題分析實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和問題以及解決方法，對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小結(jié)。實(shí)驗(yàn)四霍爾式傳感器靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解霍爾式傳感器的工作原理。2. 掌握用綜合傳感器實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行霍爾式傳感器特性實(shí)驗(yàn)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理霍爾傳感器是由兩個(gè)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(dāng)霍爾元件通以恒定電流時(shí)， 霍爾元件就有電勢輸出?；魻栐谔荻却?場中上、下移動(dòng)時(shí)，輸出的霍爾電勢 V取決于其在磁場中的位移量 X ,因此， 測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾

18、元件的靜態(tài)位移量X。圖7-1霍爾位移傳感器測量原理三、主要儀器及耗材CSYio型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀：霍爾片、磁路系統(tǒng)、電橋、差動(dòng)放大器、V/F表、 直流穩(wěn)壓電源、測微頭、低頻振蕩器。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)儀上的安裝位置，熟悉實(shí)驗(yàn)面板上霍爾 片的符號(hào)?；魻柶惭b在實(shí)驗(yàn)儀的振動(dòng)圓盤上，兩個(gè)半圓永久磁鋼固定在實(shí)驗(yàn)儀 的頂板上，二者組合成霍爾傳感器。2. 開啟主、畐U電源，將差動(dòng)放大器調(diào)零后，增益置適中，關(guān)閉主電源。3. 根據(jù)圖7-2接線，Wd、r為電橋單元的直流電橋平衡網(wǎng)絡(luò)。4裝好測微頭；調(diào)節(jié)測微頭與振動(dòng)臺(tái)吸合并使霍爾片置于半圓磁鋼上下正 中位置。5. 開啟主、副電源，調(diào)整 WD使電壓表指示為零。6. 向上或向下旋動(dòng)測微頭開始行程測試， 建議測微頭每移動(dòng)0.25mm記錄一 個(gè)輸出電壓值，將讀數(shù)記錄入下表。五、數(shù)據(jù)處理與分析1.根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上同一坐標(biāo)系下做出正反行程的V X關(guān)系曲線。表3-1正行程位移