傳感器實驗剖析

傳感器實驗分析傳感器實驗分析傳感器實驗分析實驗一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋特點比較一、實驗?zāi)康模罕容^單臂、半橋、全橋輸出時的矯捷度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。二、基根源理：如圖4（a）、（b）、（c）為應(yīng)變片單臂、半橋和全橋測量電路原理圖。它們輸出電壓分別為：a）單臂Uo＝U①－U③＝〔(R4＋△R4)／(R4＋△R4＋R3)－R1／(R1＋R2)〕E＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E設(shè)R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝R／R＜＜1，R／R＝Kε。則Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE、雙臂(半橋)同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE、全橋同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE（a）單臂（b）半橋（c）全橋圖4應(yīng)變測量電路三、需用器件與單元：機頭中的應(yīng)變梁、振動臺；主板中的F/V電壓表、±4V電源、箔式應(yīng)變片輸出口、電橋、差動放大器；砝碼。四、實驗步驟：四、需用器件與單元介紹：熟悉需用器件與單元在傳感器箱中機頭與主板的部署地址(參閱以上說明書二、實驗箱組成圖)。1、圖1—4為主板中的電橋單元。圖中：⑴菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參照而設(shè)，無其余實質(zhì)意義)。⑵R1=R2=R3=350Ω是固定電阻，為組成單臂應(yīng)變和半橋應(yīng)變而裝備的其余橋臂電阻。⑶W1電位器、

r

電阻為電橋直流調(diào)理平衡網(wǎng)絡(luò)，

W2電位器、

C電容為電橋交流調(diào)理平衡網(wǎng)絡(luò)。圖2、圖

1—4電橋單元1—5為主板中的差動放大器單元。圖中：左圖是原理圖。其中：

IC1-1AD620

是差動輸入的測量放大器

(儀用放大器

)；IC1-2

為調(diào)零隨從器。右圖為實驗面板圖。圖1—5差動放大器原理與面板圖五、實驗步驟：1、在應(yīng)變梁自然狀態(tài)（不受力）的情況下，用41位數(shù)顯萬用表2kΩ電阻檔測量所有2應(yīng)變片阻值；在應(yīng)變梁受力狀態(tài)（用手壓、提振動臺）的情況下，測應(yīng)變片阻值，觀察一下應(yīng)變片阻值變化情況(標有上下箭頭的4片應(yīng)變片縱向受力阻值有變化；標有左右箭頭的2片應(yīng)變片橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片)。以以下圖1—6所示。圖1—6觀察應(yīng)變片阻值變化情況表示圖2、差動放大器調(diào)零點：按圖1—7表示接線。將F／V表的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上實驗箱主電源開關(guān)，將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”地址，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)終究后再逆向輾轉(zhuǎn)半圈，調(diào)理調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調(diào)理達成，關(guān)閉主電源。圖1—7差放調(diào)零接線圖3、應(yīng)變片單臂電橋特點實驗：⑴將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片(標有上下箭頭的4片應(yīng)變片中任意一片為工作片)與電橋單元中R1、R2、R3組成電橋電路，電橋的一對角接±4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將W1電位器、r電阻直流調(diào)理平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的±4V電源端、W1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖1—8表示接線

(粗細曲線為連接線

)。圖1—8應(yīng)變片單臂電橋特點實驗接線表示圖⑵檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，在機頭上應(yīng)變梁的振動臺無砝碼時調(diào)理電橋的直流調(diào)理平衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為0或湊近0(有小的初步電壓也無所謂，不影響應(yīng)變片特點與實驗)。⑶在應(yīng)變梁的振動臺中心點上放置一只砝碼(20g／只)，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。表1應(yīng)變片單臂電橋特點實驗數(shù)據(jù)重量(g)單臂電壓(mV)半橋電壓(mV)全橋電壓(mV)依照得的結(jié)果進行單臂、半橋和全橋輸出的矯捷度和非線性度分析比較（注意：實驗的放大器增益必定同樣）。實驗達成，關(guān)閉電源。實驗二差動變壓器的性能實驗一、實驗?zāi)康模赫J識差動變壓器的工作原理和特點。二、基根源理：差動變壓器的工作原理近似變壓器的作用原理。差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖12—1所示，由一個一次繞組1和二個二次繞組2、3及一個銜鐵4組成。差動變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的搬動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于把二個二次繞組反向串接（同名端相接），以差動電勢輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，平時簡稱差動變壓器。當差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流耗費、磁滯耗費和分布電容等影響），它的等效電路如圖

12—2

所示。圖中

U1為一次繞組激勵電壓；

M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：

L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；

L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間地址時，圖12—1差動變壓器的結(jié)構(gòu)表示圖圖12—2差動變壓器的等效電路圖兩個二次繞組互感同樣，所以由一次側(cè)激勵引起的感覺電動勢同樣。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21，這時互感M1大，M2小，所以二次繞組L21內(nèi)感覺電動勢大于二次繞組L內(nèi)感覺電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在22傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊搬動差動輸出電動勢仍不為零，但由于搬動方向改變，所以輸出電動勢反相。所以經(jīng)過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位能夠知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖12—2能夠看出一次繞組的電流為：二次繞組的感覺動勢為：由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：其有效值為：差動變壓器的輸出特點曲線如圖感覺電動勢，E2為差動輸出電動勢，

12—3所示.圖中E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出x表示銜鐵偏離中心地址的距離。其中E2的實線表示理想的輸出特點，而虛線部分表示實質(zhì)的輸出特點。Eo為零點節(jié)余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及斷念地址等因素所造成的。零點節(jié)余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特點在零點周邊不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。為了減小零點節(jié)余電動勢可采取以下方法：圖12—3差動變壓器輸出特點1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對稱。磁性資料要經(jīng)過辦理，除掉內(nèi)部的節(jié)余應(yīng)力，使其性能平均堅固。2、采用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可鑒識銜鐵搬動方向又可改進輸出特點，減小零點節(jié)余電動勢。3、采用補償線路減小零點節(jié)余電動勢。圖12—4是其中典型的幾種減小零點節(jié)余電動勢的補償電路。在差動變壓器的線圈中串、并合適數(shù)值的電阻電容元件，當調(diào)整W1、W2時，可使零點節(jié)余電動勢減小。(a)(b)(c)圖12—4減小零點節(jié)余電動勢電路三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、差動變壓器、測微頭、主板音頻振蕩器、電感輸出口、雙蹤示波器(自備)。四、實驗步驟：1、將差動變壓器和測微頭安裝在機頭的靜態(tài)位移安裝架上，以以下圖12－5，Li為初級線圈(一次線圈)；Lo1、Lo2為次級線圈(二次線圈)；＊號為同名端。差動變壓器的原理圖參閱圖12—2。2、按圖12—5表示接線，差動變壓器的原邊Li的激勵電壓(絕對不能夠用直流電壓激勵)必定從主板中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，調(diào)理音頻振蕩器的頻率為3～5KHz（可輸入到頻率表10K檔來監(jiān)測或示波器上讀出）的任一值；調(diào)理輸出幅度峰峰值為Vp-p＝2V（示波器第一通道監(jiān)測）。圖12—5差動變壓器性能實驗安裝、接線表示圖3、差動變壓器的性能實驗：使用測微頭時，當來回調(diào)理微分筒使測桿產(chǎn)生位移的過程中自己存在機械回程差，為除掉這種機械回差可用以下a、b兩種方法實驗(建議用b方法可以看到死區(qū)范圍)。a、調(diào)理測微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm刻度線。松開安裝測微頭的緊固螺釘，搬動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)為較小值(越小越好，變壓器鐵芯大體處在中間地址)時，擰緊緊固螺釘。仔細調(diào)理測微頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為最小值(零點節(jié)余電壓)并定為位移的相對零點。這時可假設(shè)其中一個方向為正位移，另一個方向位移為負，從Vp-p最小開始旋動測微頭的微分筒，每隔△X=0.2mm(可取30點值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表4，再將測位頭位移退回到Vp-p最小處開始反方向(也取30點值)做同樣的位移實驗。在實驗過程中請注意：⑴從Vp-p最小處決定位移方向后，測微頭只好按所定方向調(diào)理位移，中途不同樣意回調(diào)，否則，由于測微頭存在機械回差而引起位移誤差；所以，實驗時每點位移量須仔細調(diào)理，絕對不能夠調(diào)理過分，如過分則只好剔除這一點粗大誤差連續(xù)做下一點實驗也許回到零點重新做實驗。⑵當一個方向行程實驗結(jié)束，做另一方向時，測微頭回到Vp-p最小處時它的位移讀數(shù)有變化(沒有回到原來初步地址)是正常的，做實驗時位移取相對變化量△X為定值，與測微頭的初步點定在哪一根刻度線上沒有關(guān)系，只要中途測微頭微分筒不回調(diào)就不會引起機械回程誤差。b、調(diào)理測微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm刻度線。松開安裝測微頭的緊固螺釘，搬動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)為較小值(越小越好，變壓器鐵芯大體處在中間地址)時，擰緊緊固螺釘，再順時針方向轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒12圈，記錄此時的測微頭讀數(shù)和示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)值為實驗起點值。今后，反方向(逆時針方向)調(diào)理測微頭的微分筒，每隔△X=0.2mm(可取60～70點值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表12(這樣單行程位移方向做實驗?zāi)軌虺魷y微頭的機械回差)。4、依照表12數(shù)據(jù)畫出X－Vp-p曲線并回答差動變壓器的零點節(jié)余電壓大??？實驗達成，關(guān)閉電源。表12差動變壓器性能實驗數(shù)據(jù)X(mm)Vp-p(mV)五、思慮題：1、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？2、用直流電壓激勵會損壞傳感器。為什么？3、如何理解差動變壓器的零點節(jié)余電壓？用什么方法能夠減小零點節(jié)余電壓？實驗三激勵頻率對差動變壓器特點的影響一、實驗?zāi)康模赫J識初級線圈激勵頻率對差動變壓器輸出性能的影響。二、基根源理：Uo=(M1M2)Ui差動變壓器的輸出電壓的有效值能夠近似用關(guān)系式：Rp22L2p表示,式中Lp、Rp為初級線圈電感和耗費電阻，Ui、ω為激勵電壓和頻率，M1、M2為初級與兩次級間互感系數(shù)，由關(guān)系式能夠看出，當初級線圈激勵頻率太低時，若222R＞ωL，則輸PP出電壓Uo受頻率變動影響較大，且矯捷度較低，只有當222時輸出Uo與ω沒關(guān)，ωLP＞＞RP自然ω過高會使線圈寄生電容增大，對性能堅固不利。三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、差動變壓器、測微頭、主板音頻振蕩器、電感輸出口、雙蹤示波器(自備)。四、實驗步驟：1、差動變壓器及測微頭的安裝、接線同實驗十二、圖12—5。2、檢查接線無誤后，合上主電源開關(guān)，調(diào)理音頻振蕩器LV輸出頻率為1KHz（用示波器，也可用F／V表的量程切換開關(guān)切到20K檔監(jiān)測頻率），Vp-p＝2V(示波器監(jiān)測)。調(diào)理測微頭使差動變壓器銜鐵顯然偏離位移中點地址，即差動變壓器有某個較大的Vp-p輸出。(示波器監(jiān)測Vp-p最小時)的地址。3、在保持位移量不變的情況下改變激勵電壓(音頻振蕩器)的頻率從1KHz-9KHz(激勵電壓幅值2V不變)時差動變壓器的相應(yīng)輸出的Vp-p值填入表13。表13差動變壓器幅頻特點實驗數(shù)據(jù)F(Hz)1KHz2KHz3KHz4KHz5KHz6KHz7KHz8KHz9KHzVp-p4、依照表13數(shù)據(jù)作出幅頻(Ｆ—V)特點曲線。實驗達成，關(guān)閉主電源。p-p實驗四差動變壓器零點節(jié)余電壓補償實驗一、實驗?zāi)康模赫J識差動變壓器零點節(jié)余電壓看法及補償方法。二、基根源理：由于差動變壓器次級二線圈的等效參數(shù)不對稱，初級線圈的縱向排列的不平均性，鐵芯B－H特點的非線性等，造成鐵芯(銜鐵)無論處于線圈的什么地址其輸出電壓其實不為零，其最小輸出值稱為零點節(jié)余電壓。在實驗四(差動變壓器的性能實驗)中已經(jīng)獲得了零點節(jié)余電壓，用差動變壓器測量位移應(yīng)用時一般要對其零點節(jié)余電壓進行補償。補償方法閱讀實驗四（二、基根源理），本實驗采用（c）補償線路減小零點節(jié)余電壓。三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、差動變壓器、測微頭、主板音頻振蕩器單元、電感輸出口、電橋、雙蹤示波器(自備)。四、實驗步驟：1、按以下圖14表示接線，按實驗十二（差動變壓器的性能實驗）步驟實驗。圖14零點節(jié)余電壓補償實驗接線表示圖2、比較二者（實驗十二與實驗十四）實驗結(jié)果。實驗達成，關(guān)閉電源。＊說明：實驗箱主板上的電橋單元是通用單元，不是差變補償專用單元，所以補償電路中的r、c元件參數(shù)值不是最正確的。但學生只要經(jīng)過實驗理解補償看法及方法就達到了目的。實驗五電渦流傳感器位移特點實驗一、實驗?zāi)康模赫J識電渦流傳感器測量位移的工作原理和特點。二、基根源理：電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導(dǎo)電體—金屬渦流片）組成，如下圖。依照電磁感覺原理，當傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場

H1，當線圈平面湊近某一導(dǎo)風光時，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感覺出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有必然耦合的互感，最后原線圈反響一等效電感，從而以致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們能夠把被測導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣即可獲得如圖的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線圖電渦流傳感器原理圖圖電渦流傳感器等效電路圖圈的電阻和電感。短路環(huán)能夠認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。依照等效電路可列出電路方程組：經(jīng)過解方程組，可得I1、I2。所以傳感器線圈的復(fù)阻抗為：線圈的等效電感為：線圈的等效Q值為：Q＝Q{[1-(Ｌ222222ωＭ)/(ＬＺ)]／［1+(RωＭ)/(RＺ)］}0212212式中：Q—無渦流影響下線圈的Ｑ值，Qω／R；00＝Ｌ1122222Ｚ2金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，Ｚ2L22由式Z、L和式Ｑ能夠看出，線圈與金屬導(dǎo)系通通的阻抗Z、電感L和質(zhì)量因數(shù)Ｑ值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導(dǎo)體間距離x(H)的非線性函數(shù)。所以Z、L、Ｑ均是ｘ的非線性函數(shù)。誠然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特點為"S"型曲線，但能夠采用它近似為線性的一段。其實Z、L、Ｑ的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。若是控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當電渦流線圈、金屬渦流片以及激勵源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關(guān)。于此，經(jīng)過傳感器的調(diào)理電路（前置器）辦理，將線圈阻抗Z、、Ｑ的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓敵觥］敵鲂盘柕拇笮‰S探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是依照這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。為實現(xiàn)電渦流位移測量，必定有一個專用的測量電路。這一測量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應(yīng)包括擁有必然頻率的堅固的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量實驗框圖如圖17—2所示：圖17—2電渦流位移特點實驗原理框圖依照電渦流傳感器的基根源理，將傳感器與被測體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數(shù)，用相應(yīng)的測量電路（前置器）來測量。本實驗的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測量電路，

電路原理與面板如圖

17—3所示。電路組成：⑴Q1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器，產(chǎn)生頻率為

1MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中，

傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。

振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的

Q值變化變換成高頻載波信號的幅值變化。⑵

D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號中傳感器檢測到的低頻信號取出來。⑶Q2組成射極隨從器。射極隨從器的作用是輸入、輸出般配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。電渦流傳感器是經(jīng)過傳感器端部線圈與被測物體

（導(dǎo)電體）間的縫隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，

它與被測物之間沒有直接的機械接觸，

擁有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。當無被測導(dǎo)體時，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且最高，對應(yīng)的檢波輸出電壓

Vo

最大。當被測導(dǎo)體湊近傳感器線圈時，線圈

Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值

Vo變小。Vo變化反響了位移ｘ的變化。電渦流傳感器在位移、振動、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測量上獲得應(yīng)用。圖17—3電渦流變換器原理圖與面板三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器、被測體(鐵圓片)、測微頭、主板F／V表、渦流變換器、示波器（自備）。四、實驗步驟：1、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個平繞線圈。調(diào)理測微頭初始地址的刻度值為5mm處，按圖17—4安裝測微頭、被測體、電渦流傳感器（注意安裝序次：先將測微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內(nèi)，再將被測體套在測微頭的測桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；最后平移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相帖時擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘）并按圖接線。17—4流感器安裝、按表示2、將表（F／V表）量程切開關(guān)切到20V檔，接無后將流器的開關(guān)到“開”地址，開啟主源開關(guān)，下表數(shù)，爾后逆輕輕分筒每隔0.1mm一個數(shù)，直到出Vo化很小止并將數(shù)據(jù)列入表17。（在入端可接示波器振波形）表17流感器位移X與出數(shù)據(jù)X（mm）??V(V)o3、依照表17數(shù)據(jù)，畫出V－X曲，依照曲找出性地域算矯捷度和性度（可用最小二乘法或其余合直）。完，關(guān)所有源。實驗六被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特點影響一、實驗?zāi)康模赫J識不同樣的被體資料流感器性能的影響。二、基根源理：流感器在被體上生的流效與被體自己的阻率和磁率有關(guān)，所以不同樣的資料就會有不同樣的性能?；蠢韰⑹?。三、需用器件與單元：機靜位移安裝架、流感器、被體(、、)、微、主板F／V表、流器。四、實驗步驟：1、將被體片成和片，方法與步同十七。2、按十七，將數(shù)據(jù)列入表18－1～18－3。表18－1被體片的位移出數(shù)據(jù)X（mm）Vo(V)表18－2被體片的位移出數(shù)據(jù)X（mm）Vo(V)表18－3被體片的位移與出數(shù)據(jù)X（mm）Vo(V)3、依照上表的數(shù)據(jù)，在同一坐上畫出曲行比，分算矯捷度和性度。完，關(guān)源。實驗七被測風光積大小對電渦流傳感器的特點影響實驗一、實驗?zāi)康模赫J識流感器位移特點與被體的形狀和尺寸有關(guān)。二、基根源理：流感器的位移性能與被體的形狀、大小有很大關(guān)系，當被風光小于圈平面會減弱甚至不生流效，所以流感器在使用，被風光必大于感器圈平面并行位移定后量。三、需用器件與單元：主機靜位移安裝架、流感器、端面不同樣的二個材被體（被體1、被體2）、微、主板F／V表、流器。四、實驗步驟：1、方法、步與十七同樣，參十七。2、在微的桿上分用二種不同樣面的被材行位移特點定，并分將數(shù)據(jù)列入表19。表19數(shù)據(jù)X（mm）??被體1被體23、依照表19數(shù)據(jù)在同一坐上畫出V—X曲，算二種被體的矯捷度與同樣性范內(nèi)的性度。完，關(guān)源。實驗八Pt100鉑電阻(熱電阻)測溫特點實驗(實驗時間需要3小時)一、實驗?zāi)康模赫J識

Pt100熱電阻—電壓變換方法及

Pt100熱電阻測溫特點與應(yīng)用。二、基根源理：利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特點，能夠制成熱電阻，要求其資料電阻溫度系數(shù)大，堅固性好，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關(guān)系。常用的熱電阻有鉑電阻(500℃以內(nèi))和銅電阻(150℃以內(nèi))。鉑電阻是將0.05～0.07ｍｍ的鉑絲繞在線圈骨架上封裝在玻璃或陶瓷內(nèi)組成，圖24—1是鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)。在0～500℃以內(nèi)，它的電阻

Rt

與溫度

t

的關(guān)系為：Rt=Ro(1+At+Bt

2)，式中：

Ro系溫度為

0℃時的電阻

圖24—1鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)值(本實驗的鉑電阻Ro＝100Ω)。A＝3.9684×10－3／℃，B＝－5.847×10－7／℃2。鉑電阻一般是三線制，其中一端接一根引線另一端接二根引線，主要為遠距離測量除掉引線電阻對橋臂的影響(近距離可用二線制，導(dǎo)線電阻忽略不計)。實質(zhì)測量時將鉑電阻隨溫度變化的阻值經(jīng)過電橋變換成電壓的變化量輸出，再經(jīng)差動放大器放大后直接用電壓表顯示，如圖24—2所示。圖24—2熱電阻信號變換原理圖圖中△V=V-VV=［RR+R］VV=［RR+R］V12；1t/(t5)cc；2W/(W6)cc；V=V-V=｛［RR+R］－［RR+R］｝V△12t/(t5)W/(W6)cc；所以Vo=KV=K｛［RR+R］－［RR+R］｝V△t/(t5)W/(W6)cc。式中R隨溫度的變化而變化，其余參數(shù)都是常量，所以放大器的輸出Vo與溫度(R)有一一tt對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過測量Vo可計算出RRt=R［KRV+R+RV］／［KRV－R+RV］。t，5Wcc(W6)o6cc(W6)oPt100熱電阻一般應(yīng)用在冶金、化工行業(yè)及需要溫度測量控制的設(shè)備上，合用于測量、控制＜600℃的溫度。本實驗由于碰到溫度源及安全上的限制，所做的實驗溫度值＜100℃。三、需用器件與單元：機頭溫度源、Pt100熱電阻(二支)；主板調(diào)理儀、F／V表、+4V電源、1.2—12V可調(diào)電壓、電橋、溫度變換、差動放大器、41位數(shù)顯萬用表（自備）。2四、溫度變換單元介紹：溫度變換單元：圖

24—3

是溫度變換單元，

Pt100熱電阻的溫度變換是一個不平衡電橋，將熱電阻的變化量△Rt經(jīng)電橋電路變換成電壓的變化量△V輸出，如上圖原理圖。左圖為主板上的溫度轉(zhuǎn)換電路單元，電橋部分是熱電阻的溫度變換電路，

Pt100熱電阻接到Rt橋臂上。圖24—3溫度變換單元五、實驗步驟：1、差動放大器調(diào)零：按圖24—4表示接線。將F／V表的量程切換開關(guān)切換到200mV檔，將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”地址，合上實驗箱主電源開關(guān)。將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)終究后再逆向輾轉(zhuǎn)半圈，調(diào)理調(diào)零電位器，使電壓表顯示為零并保持調(diào)零旋鈕地址不變。關(guān)閉主電源。圖24—4差動放大器調(diào)零接線圖2、確定差動放大器增益

K為20

倍：⑴獲得20mV信號：將1.2—12V可調(diào)電源的調(diào)理鈕逆時針慢悠悠轉(zhuǎn)終究，再按圖24—5表示接線，將F／V表的量程切換開關(guān)切換到200mV檔，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)。調(diào)理電橋單元中的W1電位器使F／V表顯示20mV。圖24—5調(diào)理20mV信號接線圖⑵調(diào)理差動放大器增益K=20倍：將圖24—5中F／V表的量程切換開關(guān)切換到2V檔,并將它的輸入引線改接到差動放大器的輸出Vo端，如圖24—6所示。再調(diào)理差動放大器的增益電位器旋鈕(小心：不要誤碰調(diào)零電位器旋鈕)使放大器的輸出電壓為0.400V即K=20倍。差動放大器調(diào)試達成，保持差動放大器的調(diào)零、增益旋鈕地址不變，關(guān)閉主電源。圖24—6調(diào)理差放增益接線圖3、用萬用表200歐姆檔測量并記錄Pt100熱電阻在室溫時的電阻值(不要用手抓捏傳感器測溫端，放在桌面上)，三根引線中同色線為熱電阻的一端，異色線為熱電阻的另一端(估差大，按理用惠斯量，是了理解掌握原理，差稍大的無所)。4、Pt100阻量室溫的出：按24—7表示接，接無后合上主源開關(guān),待F／VF表示不再上升于定室溫的出。24—7P

t100阻室溫接5、把24—7中的感器Pt100阻插入溫度源中，并按24—8接，接無后，將的控制開關(guān)打到溫度地址上，再合上源開關(guān)。將溫度源控制在40℃(參二十二)，待F／V表示上升到平衡點數(shù)據(jù)。溫度源每增加t＝5℃(溫度源在40℃～100℃范內(nèi))待F／V表示上升到平衡數(shù)據(jù)并填入表24中。24—8Pt100阻溫接表24Pt100阻溫數(shù)據(jù)t(℃)室溫4045??100V(V)??oR(Ω)??t6、表

24中的

Rt

數(shù)據(jù)值依照

Vo、Vcc值計算：Rt

=R5［

KRWVcc+(RW+R6)Vo］／［

KR6Vcc－(

RW+R6)Vo］式中：Ｋ=20；R5=2000Ω；R6=2000Ω；RW=100Ω；Vcc=4V；Vo為測量值。將計算值填4入表24中，畫出t(℃)—Rt(Ω)實驗曲線并計算其非線性誤差。7、再依照以下附表2的Pt100熱電阻與溫度ｔ的對應(yīng)表(Pt100—ｔ國際標準分度值表)比較實驗結(jié)果。最后將調(diào)理器實驗溫度設(shè)置到40℃，待溫度源回到40℃左右后實驗結(jié)束，關(guān)閉所有電源。附表2：Pt100鉑電阻分度表(t—Rt對應(yīng)值)分度號：PR=100Ωα=0.003910t100o溫度0123456789（℃）電阻值（Ω）0100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.5710103.96104.36104.75105.15105.54105.94106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.4630111.85112.25112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.3940115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.3150119.70120.09120.48120.87121.26121.65122.04122.43122.82123.2160123.60123.99124.38124.77125.16125.55125.94126.33126.72127.1070127.49127.88128.27128.66129.05129.44129.82130.21130.60130.9980131.37131.76132.15132.54132.92133.31133.70134.08134.47134.8690135.24135.63136.02136.40136.79137.17137.56137.94138.33138.72100139.10139.49139.87140.26140.64141.02141.41141.79142.18142.66110142.95143.33143.71144.10144.48144.86145.25145.63146.10146.40120146.78147.16147.55147.93148.31148.69149.07149.46149.84150.22130150.60150.98151.37151.75152.13152.51152.89153.27153.65154.03140154.41154.79155.17155.55155.93156.31156.69157.07157.45157.83六、思慮題：實驗誤差有哪些因素造成？請考據(jù)一下：Rt計算公式中的R、R、R(它們的阻值在56W不接線的情況下用41位數(shù)顯萬用表測量cc用實質(zhì)測量值代入計算可否會減小誤差？2)、V實驗九集成溫度傳感器(AD590)溫度特點實驗一、實驗?zāi)康模赫J識常用的集成溫度傳感器基根源理、性能與應(yīng)用。二、基根源理：集成溫度傳器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一芯片上，它能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于－50℃～＋120℃之間溫度測量。集成溫度傳感器有電壓型和電流型二種。電流輸出型集成溫度傳感器，在必然溫度下，它相當于一個恒流源。所以它擁有不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的攪亂。擁有很好的線性特點。本實驗采用的是AD590電流型集成溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度(T)成正比，它的矯捷度為1μA/K，所以只要串接一只取樣電阻Ｒ(1k)即可實現(xiàn)電流1μA到電壓1mV的變換組成最基本的絕對溫度(T)測量電路(1mV/K)。AD590工作電源為DC＋4V～＋30V，它擁有優(yōu)異的互換性和線性。如圖25—1為AD590測溫特點實驗原理圖：圖25—1集成溫度傳器AD590測溫特點實驗原理圖絕對溫度(T)是國際合用溫標也稱絕對溫標，用符號T表示，單位是K(開爾文溫度和攝氏溫度的分度值同樣，即溫度間隔1K等于1℃。絕對溫度T與攝氏溫度

)。開氏t的關(guān)系是：T=273.16+t

≈273＋t

，顯然，絕對零點即為攝氏零下

273.16℃(t

≈－273＋T

℃)。三、需用器件與單元：機頭溫度源、

Pt100

熱電阻

(溫度源溫度控制傳感器

)、集成溫度傳器AD590(溫度特點實驗傳感器)；主板調(diào)理儀單元、F／V表、溫度變換單元。四、實驗步驟：1、測量室溫值t0：按圖25—2接線。將F／V表量程切換開關(guān)切到電壓線無誤后，在調(diào)理儀電源關(guān)閉情況下(保證是室溫)合上主電源開關(guān)。記錄

2V檔，檢查接F／V表顯示值Vi=273.16+t

0，所以

t0≈Vi-273

。關(guān)閉主電源開關(guān)。圖25—2室內(nèi)環(huán)境溫度測量接線圖2、集成溫度傳器AD590溫度特點實驗：將調(diào)理儀的控制選擇開關(guān)打到溫度地址上，再合上調(diào)理儀電源開關(guān)。將溫度源調(diào)理控制在40℃(參閱實驗二十二

)，待

F／V表顯示上升到平衡點時記錄數(shù)據(jù)。溫度源每增加

t＝5℃(溫度源在

40℃～100℃范圍內(nèi)

)待

F／V表顯示上升到平衡時記錄數(shù)據(jù)并填入表

25。表25AD590

溫度特點實驗數(shù)據(jù)(℃)V(mV)3、依照表25數(shù)據(jù)值畫出實驗曲線并計算其非線性誤差。實驗結(jié)束，關(guān)閉所有電源。實驗十開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實驗一、實驗?zāi)康模赫J識開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。二、基根源理：開關(guān)式霍爾傳感器是線性霍爾元件的輸出信號經(jīng)放大器放大，再經(jīng)施密特電路整形成矩形波（開關(guān)信號）輸出的傳感器。開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的原理框圖如圖29—1所示。當被測圓盤上裝上6只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場就變化傳感器就同頻率f相應(yīng)變化輸出，再經(jīng)頻率表顯示ｆ，轉(zhuǎn)速n=10f。

6次，開關(guān)式霍爾圖29—1開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理框圖三、需用器件與單元：主板F／V表、+5V電源、1.2-12V電壓調(diào)理、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)速盤；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、傳感器安裝片、磁性座。四、實驗步驟：1、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝、接線：將磁性座吸合在轉(zhuǎn)速盤周邊的機箱邊上，并經(jīng)過傳感器安裝片裝上霍爾轉(zhuǎn)速傳感器；傳感器的端面對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼并調(diào)理起落桿使傳感器端面與磁鋼之間的縫隙大體為2～3ｍｍ。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器有三根引線，1號線接+5V、2號線接F／V表的

Vi、3號線接

F／V表的地；

F／V表的地與

+5V的地相連。

1.2-12V

電壓調(diào)理與電機驅(qū)動相應(yīng)連接。如圖

29—2所示。圖29—2霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實驗安裝、接線表示圖2、轉(zhuǎn)動頻率

f測量：將

F／V表的量程切換開關(guān)切到頻率

2KHz檔，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，調(diào)理

1.2-12V

電壓調(diào)理旋鈕，

F／V表就顯示相對應(yīng)的頻率

f。3、轉(zhuǎn)速

n計算：因轉(zhuǎn)速盤上裝有

6只小園磁鋼，所以轉(zhuǎn)速

n=10f。依照

F／V表顯示的頻率

f

即可計算轉(zhuǎn)速

n=10f。實驗達成，關(guān)閉主電源。五、思慮題：利用開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速有什么前提條件？實驗十一磁電式傳感器測轉(zhuǎn)速實驗一、實驗?zāi)康模赫J識磁電式測量轉(zhuǎn)速的原理。二、基根源理：磁電傳感器是一種將被測物理量變換成為感覺電勢的有源傳感器，也稱為電動式傳感器或感覺式傳感器。依照電磁感覺定律，一個匝數(shù)為Ｎ的線圈在磁場中切割磁力線時，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈兩端就會產(chǎn)生出感覺電勢，線圈中感覺電d勢：eNdt。線圈感覺電勢的大小在線圈匝數(shù)必然的情況下與穿過該線圈的磁通變化率成正比。當傳感器的線圈匝數(shù)和永久磁鋼選定(即磁場強度已定)后，使穿過線圈的磁通發(fā)生變化的方法平時有兩種：一種是讓線圈和磁力線作相對運動，即利用線圈切割磁力線而使線圈產(chǎn)生感覺電勢；另一種則是把線圈和磁鋼部固定，靠銜鐵運動來改變磁路中的磁阻，從而改變經(jīng)過線圈的磁通。所以，磁電式傳感器可分成兩大種類：動磁式及可動銜鐵式(即可變磁阻式)。本實驗應(yīng)用動磁式磁電傳感器，實驗原理框圖如圖30—1所示。當轉(zhuǎn)動盤上嵌入6個磁鋼時，轉(zhuǎn)動盤每轉(zhuǎn)一周磁電傳感器感覺電勢e產(chǎn)生6次的變化，感覺電勢e經(jīng)過放大、整形由頻率表顯示ｆ，轉(zhuǎn)速n。=10f圖30—1磁電傳感器測轉(zhuǎn)速實驗原理框圖三、需用器件與單元：主板F／V表、+1.2-12V電壓調(diào)理、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)速盤；磁電傳感器、傳感器安裝片、磁性座。四、實驗步驟：實驗十一電容式傳感器的位移實驗一、實驗?zāi)康模赫J識電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。二、基根源理：1、原理簡述：電容傳感器是以各種種類的電容器為傳感元件，將被測物理量變換成電容量的變化來實現(xiàn)測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C＝εA／d關(guān)系式經(jīng)過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路能夠選擇ε、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則能夠有測干燥度（ε變）、測位移（d變）和測液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其余的形狀，但一般很少用。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它矯捷度高、線性范圍寬、堅固性高。如圖11—1所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=ε2ｘ／ln(R／r)。圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產(chǎn)生?X位移時，電容量的變化量為?C=C1－C2=ε22?X／ln(R／r)，式中ε2、ln(R／r)為常數(shù)，說明?C與?X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。圖11—1實驗電容傳感器結(jié)構(gòu)1、測量電路(電容變換器)：如圖11—2所示，測量電路的核心部分是圖11—3的電路。圖11—2電容測量電路圖11—3二極管環(huán)形充放電電路在圖11—3中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C5電容、L1電感和CX1、CX2實驗差動電容位移傳感器組成。當高頻激勵電壓(ｆ>100kHz)輸入到ａ點，由低電平E躍到高電平E時，電容C和12X1CX2兩端電壓均由E充到E。充電電荷一路由ａ點經(jīng)D到b點，再對CX1充電到O點(地)；123另一路由由ａ點經(jīng)C到c點，再經(jīng)D到d點對C充電到O點。此時，D和D由于反偏置55X246而截止。在t1充電時間內(nèi)，由ａ到c點的電荷量為：Q1＝CX2(E2-E1)（11—1）當高頻激勵電壓由高電平E返回到低電平E時，電容C和C均放電。C經(jīng)b點、21X1X2X1D、c點、C、ａ點、L放電到O點；C經(jīng)d點、D、L放電到O點。在t2放電時間內(nèi)由451X261點到ａ點的電荷量為：QC(E-E)（11—2）2＝X121自然，（11—1）式和（11—2）式是在C電容值遠遠大于傳感器的C和C電容值的5X1X2前提下獲得的結(jié)果。電容C的充放電回路由圖11—3中實線、虛線箭頭所示。5在一個充放電周期內(nèi)（Ｔ＝t＋t），由c點到ａQC(E-E)點的電荷量為：122＝X121Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX△E（11—3）式中：C與C的變化趨勢是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動式）。X1X2設(shè)激勵電壓頻率f＝1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：i＝fＱ＝fC△E（11—4）△X式中：△E—激勵電壓幅值；△CX—傳感器的電容變化量。由（11—4）式可看出：f、△E一準時，輸出平均電流i與C成正比，此輸出平均電△X流i經(jīng)電路中的電感L、電容C濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)R變換成電壓輸出V＝IR。26wo1w由傳感器原理已知C與X位移成正比，所以經(jīng)過測量電路的輸出電壓V即可知X位移。??o1?2、電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如圖11—4圖11—4電容式位移傳感器實驗方塊圖三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、電容傳感器、測微頭、主板F／V表、電容輸出口、電容變換器、差動放大器。四、實驗步驟：附：測微頭的組成與使用測微頭組成和讀數(shù)如圖11—5所示。圖11—5測位頭組成與讀數(shù)測微頭組成：測微頭由不能動部分中的安裝套、軸套和可動部分中的測桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標有數(shù)字的是整毫米刻線(1ｍｍ／格)，另一排是半毫米刻線(0.5ｍｍ／格)；微分筒前部圓周表面上刻有50均分的刻線(0.01ｍｍ／格)。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向搬動渺小位移0.01毫米，這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準微分筒上的數(shù)值、能夠估讀1／10分度，如圖11—5甲讀數(shù)為3.678ｍｍ，不是3.178ｍｍ；碰到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應(yīng)看微分筒的示值可否過零，如圖11—5乙已過零則讀2.514ｍｍ；如圖11—5丙未過零，則不應(yīng)讀為２ｍｍ，讀數(shù)應(yīng)為1.980ｍｍ。測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測微頭在使用前，第一轉(zhuǎn)動微分筒到10ｍｍ處(為了保留測桿軸向前、后位移的余量)，再將測微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，搬動測微頭的安裝套(測微頭整體搬動)使測桿與被測體連接并使被測體處于合適地址(視詳盡實驗而定)時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體就會隨測桿而位移。1、差動放大器調(diào)零：按圖11—6所示接線。將F／V表的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上實驗箱主電源開關(guān)，將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”地址，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)終究后再逆向輾轉(zhuǎn)半圈，調(diào)理調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。再關(guān)閉主電源。圖11—6差動放大器調(diào)零接線圖1、電容傳感器的位移測量系統(tǒng)電路調(diào)整：將電容傳感器安裝在機頭的靜態(tài)位移安裝架上

(傳感器動極片連接桿的標記刻線向上方)并將引線插頭插入傳感器輸入插座內(nèi)，如圖

11—7的機頭部分所示。再按圖

11—7主板部分的接線表示圖接線，將

F／V表的量程切換開關(guān)切換到

20V檔，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，將電容變換器的撥動開關(guān)撥到“開”地址并將電容變換器的增益順針方向慢慢轉(zhuǎn)終究再反方向輾轉(zhuǎn)半圈。拉出(向右慢慢拉)傳感器動極片連接桿，使連接桿上的第二根標記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，調(diào)理差動放大器的增益旋鈕使電壓表顯示絕對值為

1V左右；推進

(向左慢慢推

)傳感器動極片連接桿，

使連接桿上的第一根標記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，

調(diào)理差動放大器的調(diào)零旋鈕

(0

電平遷移

)使電壓表反方向顯示值為

1V左右。重復(fù)這一過程，最后使傳感器的二條標記刻線

(傳感器的位移行程范圍

)對應(yīng)于差動放大器的輸出為±

1V左右。圖11—7電容傳感器位移測量系統(tǒng)電路調(diào)整安裝、接線圖3、安裝測微頭：第一調(diào)理測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度線對準軸套的20mm處，再將測微頭的安裝套插入靜態(tài)位移安裝架的測微頭安裝孔內(nèi)并使測微頭測桿與傳感器的動極片連接桿吸合；爾后搬動測微頭的安裝套使傳感器連桿上的第二根標記刻線與傳感器夾緊螺母端口并齊后擰緊測微頭安裝孔上的緊固螺釘，如圖11—8機頭部分所示。4、傳感器位移特點實驗：安裝好微后(微的微分筒0刻度準套的20mm)，取表示的初步點，再仔慢慢微的微分筒一圈△X=0.5mm(不能夠量，否回會引起機械回程差)從F／V表上出出，填入下表11，直到感器桿上的第一根刻與感器螺母端口并止。表11容感器位移數(shù)據(jù)X(mm)????V(V)11—8微的安裝(機部分所示)5、依照表11數(shù)據(jù)作出△X—V曲，在曲上截取性比好的段作量范并算矯捷度S=△V／△X與性度。完，關(guān)所有源開關(guān)。實驗二十一壓電式傳感器測振動實驗一、實驗?zāi)康模赫J識感器的原理和量振的方法。二、基根源理：式感器是一和典型的型感器，其感元件是資料，它以資料的效機理力到量的。式感器能夠各種力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導(dǎo)航方面都獲得廣泛的應(yīng)用。1、壓電效應(yīng)：擁有壓電效應(yīng)的資料稱為壓電資料，常有的壓電資料有兩類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電資料碰到外力作用時，在發(fā)生變形的同時內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷。當外力去掉時，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，看作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變，如圖21—1(a)、(b)、(c)所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。(a)

(b)

(c)圖21—1

壓電效應(yīng)2、壓電晶片及其等效電路多晶體壓電陶瓷的矯捷度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜組成兩個電極，如圖21—2(a)所示。當壓電晶片碰到力的作用時，便有電荷齊聚在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負電荷。這種情況和電容器十分相似，所不同樣的是晶片表面上的電荷會隨著時間的推移逐漸遺漏，由于壓電晶片材料的絕緣電阻(也稱漏電阻)誠然很大，但畢竟不是無量大，從信號變換角度來看，壓電元件相當于一個電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個電容器。所以平時將壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯(lián)的電路如21—2(b)所示。其中ea=Q/Ca。式中，所表現(xiàn)的電壓，也稱為極板上的開路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷；容。

ea

為壓電晶片受力后Ca為壓電晶片的電實質(zhì)的壓電傳感器中，經(jīng)常用兩片或兩片以上的壓電晶片進行并聯(lián)或串通。壓電晶片并聯(lián)時如圖21—2(c)所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負電極在兩側(cè)的電極上，所以電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，宜于測量緩變信號并以電荷量作為輸出。(a)壓電晶片(b)等效電荷源(c)并聯(lián)

(d)壓電式加速度傳感器圖21—2壓電晶片及等效電路壓電傳感器的輸出，理論上應(yīng)當是壓電晶片表面上的電荷Q。依照圖21—2(b)可知測試中也可取等效電容Ca上的電壓值，作為壓電傳感器的輸出。所以，壓電式傳感器就有電荷和電壓兩種輸出形式。3、壓電式加速度傳感器圖21—2(d)是壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，M是慣性質(zhì)量塊，K是壓電晶片。壓電式加速度傳感器實質(zhì)上是一個慣性力傳感器。在壓電晶片K上，放有質(zhì)量塊M。當殼體隨被測振動體一起振動時，作用在壓電晶體上的力F＝Ma。當質(zhì)量M一準時，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷與加速度a成正比。4、壓電式加速度傳感器和放大器等效電路壓電傳感器的輸出信號很渺小，必定進行放大，壓電傳感器所配接的放大器有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是帶電阻反響的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶電容反響的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。電壓放大器測量系統(tǒng)的輸出電壓對電纜電容Cc敏感。當電纜長度變化時，Cc就變化，使得放大器輸入電壓ei變化，系統(tǒng)的電壓矯捷度也將發(fā)生變化，這就增加了測量的困難。電荷放大器則戰(zhàn)勝了上述電壓放大器的缺點。它是一個高增益帶電容反響的運算放大器。

當略圖21—3是傳感器-電纜-電荷放大器系統(tǒng)的等效電路圖。去傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻Ri影響時，有Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf??（21—1）。式中，ei為放大器輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓ey=-Kei；K為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)；

Cf

為電荷放大器反響電容。將

ey=-Kei

代入式

(21—1)，可獲得放大器輸出端電壓

ey與傳感器電荷Q的關(guān)系式：設(shè)C=Ca+Cc+Ciey=-KQ/[(C+Cf)+KCf]??（21—2）當放大器的開環(huán)增益足夠大時，則有KC>>C+C）簡化為ff（21—2ey=-Q/Cf??（21—3）式（21—3）表示，在必然條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容沒關(guān)，輸出矯捷度取決于反響電容。所以，電荷放大器的矯捷度調(diào)理，都是采用切換運算放大器反響電容的方法。采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達百米以上，其矯捷度也無顯然變化，這是電荷放大器的主要優(yōu)點。5、壓電加速度傳感器實驗原理圖壓電加速度傳感器實驗原理、電荷放大器與實驗面板圖由圖21—4(a)、(b)所示。圖21—4(a)壓電加速度傳感器實驗原理框圖圖21—4(b)電荷放大器原理圖與實驗面板圖三、需用器件與單元：機頭振動臺、壓電傳感器；主板低頻振蕩器、激振、示波器(自備)。四、實驗步驟：1、按圖21—5所示將壓電傳感器放置在振動臺面的中心點上(與振動臺面中心的磁鋼吸合)，并在主板上按圖表示接線。圖21—5壓電傳感器測振動實驗安裝、接線表示圖2、將主板上的低頻振蕩器幅度旋鈕逆時針轉(zhuǎn)終究(低頻輸出幅度為零)，調(diào)理低頻振蕩器的頻率在6～8Hz左右。檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)并將電荷放大器、低通濾波器的撥動開關(guān)撥到“開”地址。再調(diào)理低頻振蕩器的幅度使振動臺顯然振動(如振動不顯然可調(diào)頻率)。3、用示波器的兩個通道[正確選擇雙線（雙蹤）示波器的“觸發(fā)”方式及其余(TIME/DIV：在50mS～20mS范圍內(nèi)選擇；VOLTS/DIV：1V～0.1V范圍內(nèi)選擇)設(shè)置]同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形；在振動臺正常振動時用手指敲擊振動臺同時觀察輸出波形變化。4、改變低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形變化。實驗達成，關(guān)閉所有電源開關(guān)。磁電轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗除了傳感器不用接電源外(傳感器探頭中心與轉(zhuǎn)盤磁鋼對準)，其余完好與實驗二十六同樣；請按圖30—2安裝傳感器、接線并按實驗二十九中的實驗步驟2、3做實驗。圖30—2磁電轉(zhuǎn)速傳感器實驗安裝、接線表示圖五、思慮題：磁電傳感器測很低的轉(zhuǎn)速時精度會降低，用什么方法保證測低速時的精度呢?（提示：轉(zhuǎn)盤上做文章）能說明原由嗎？實驗十一電容式傳感器的位移實驗一、實驗?zāi)康模赫J識電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。二、基根源理：1、原理簡述：電容傳感器是以各種種類的電容器為傳感元件，將被測物理量變換成電容量的變化來實現(xiàn)測量的。

電容傳感器的輸出是電容的變化量。

利用電容

C＝εA／d關(guān)系式經(jīng)過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路能夠選擇

ε、A、d

中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則能夠有測干燥度（

ε變）、測位移（

d變）和測液位（

A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其余的形狀，但一般很少用。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它矯捷度高、線性范圍寬、堅固性高。如圖11—1

所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為

R；圓柱的半徑為

r；圓柱的長為

x，則電容量為

C=ε2

ｘ／ln(R

／r)

。圖中

C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產(chǎn)生?X位移時，電容量的變化量為

?C=C1－C2=ε22?X／ln(R

／r)

，式中ε2

、ln(R

／r)

為常數(shù)，說明?C與?X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。3、測量電路

(電容變換器

圖11—1實驗電容傳感器結(jié)構(gòu))：如圖11—2所示，測量電路的核心部分是圖

11—3的電路。圖11—2電容測量電路圖11—3二極管環(huán)形充放電電路在圖11—3中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C5電容、L1電感和CX1、CX2實驗差動電容位移傳感器組成。當高頻激勵電壓(ｆ>100kHz)輸入到ａ點，由低電平CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由ａ點經(jīng)D3到另一路由由ａ點經(jīng)C5到c點，再經(jīng)D5到d點對CX2充電到

E1躍到高電平E2時，電容CX1和b點，再對CX1充電到O點(地)；O點。此時，D4和D6由于反偏置而截止。在

t1充電時間內(nèi)，由ａ到

c點的電荷量為：Q1＝CX2(E2-E1)（11—1）當高頻激勵電壓由高電平

E2返回到低電平E1時，電容CX1和

CX2均放電。CX1經(jīng)b點、D4、c點、C5、ａ點、L1放電到O點；CX2經(jīng)d點、D6、L1放電到O點。在t2放電時間內(nèi)由點到ａ點的電荷量為：2＝X121（11—2）QC(E-E)自然，（11—1）式和（11—2）式是在C電容值遠遠大于傳感器的C和C電容值的5X1X2前提下獲得的結(jié)果。電容C的充放電回路由圖11—3中實線、虛線箭頭所示。5在一個充放電周期內(nèi)（Ｔ＝t＋t），由c點到ａQC(E-E)點的電荷量為：122＝X121ＱQ-Q(C-C)(E2-E)C△E（11—3）＝21＝X1X21＝△X式中：CX1與CX2的變化趨勢是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動式）。設(shè)激勵電壓頻率f＝1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：i＝fＱ＝f△CX△E（11—4）式中：△E—激勵電壓幅值；△CX—傳感器的電容變化量。由（11—4）式可看出：

f、△E一準時，輸出平均電流

i與△CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、電容C6濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw變換成電壓輸出由傳感器原理已知?C與?X位移成正比，所以經(jīng)過測量電路的輸出電壓Vo1即可知4、電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如圖11—4

Vo1＝IRw。?X位移。圖11—4電容式位移傳感器實驗方塊圖三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、電容傳感器、測微頭、主板F／V表、電容輸出口、電容變換器、差動放大器。四、實驗步驟：附：測微頭的組成與使用測微頭組成和讀數(shù)如圖11—5所示。圖11—5測位頭組成與讀數(shù)測微頭組成：測微頭由不能動部分中的安裝套、軸套和可動部分中的測桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標有數(shù)字的是整毫米刻線(1ｍｍ／格)，另一排是半毫米刻線(0.5ｍｍ／格)；微分筒前部圓周表面上刻有50均分的刻線(0.01ｍｍ／格)。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向搬動渺小位移0.01毫米，這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準微分筒上的數(shù)值、能夠估讀1／10分度，如圖11—5甲讀數(shù)為3.678ｍｍ，不是3.178ｍｍ；碰到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應(yīng)看微分筒的示值可否過零，如圖11—5乙已過零則讀2.514ｍｍ；如圖11—5丙未過零，則不應(yīng)讀為２ｍｍ，讀數(shù)應(yīng)為1.980ｍｍ。測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。

一般測微頭在使用前，第一轉(zhuǎn)動微分筒到

10ｍｍ處(為了保留測桿軸向前、后位移的余量

)，再將測微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，搬動測微頭的安裝套(測微頭整體搬動)使測桿與被測體連接并使被測體處于合適地址(視詳盡實驗而定)時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體就會隨測桿而位移。1、差動放大器調(diào)零：按圖

11—6所示接線。將

F／V表的量程切換開關(guān)切換到

2V檔，合上實驗箱主電源開關(guān)，

將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”

地址，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)終究后再逆向輾轉(zhuǎn)半圈，調(diào)理調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。再關(guān)閉主電源。圖11—6差動放大器調(diào)零接線圖2、電容傳感器的位移測量系統(tǒng)電路調(diào)整：將電容傳感器安裝在機頭的靜態(tài)位移安裝架上

(傳感器動極片連接桿的標記刻線向上方)并將引線插頭插入傳感器輸入插座內(nèi)，如圖

11—7的機頭部分所示。再按圖

11—7主板部分的接線表示圖接線，將

F／V表的量程切換開關(guān)切換到

20V檔，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，將電容變換器的撥動開關(guān)撥到“開”地址并將電容變換器的增益順針方向慢慢轉(zhuǎn)終究再反方向輾轉(zhuǎn)半圈。拉出(向右慢慢拉)傳感器動極片連接桿，使連接桿上的第二根標記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，調(diào)理差動放大器的增益旋鈕使電壓表顯示絕對值為

1V左右；推進

(向左慢慢推

)傳感器動極片連接桿，

使連接桿上的第一根標記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，

調(diào)理差動放大器的調(diào)零旋鈕

(0

電平遷移

)使電壓表反方向顯示值為

1V左右。重復(fù)這一過程，最后使傳感器的二條標記刻線

(傳感器的位移行程范圍

)對應(yīng)于差動放大器的輸出為±

1V左右。11—7容感器位移量系路整安裝、接3、安裝微：第一微的微分筒，使微分筒的0刻度準套的20mm，再將微的安裝套插入靜位移安裝架的微安裝孔內(nèi)并使微桿與感器的極片接桿吸合；爾后移微的安裝套使感器桿上的第二根刻與感器螺母端口并后微安裝孔上的固螺，如11—8機部分所示。4、感器位移特點：安裝好微后(微的微分筒0刻度準套的20mm)，取表示的初步點，再仔慢慢微的微分筒一圈△X=0.5mm(不能夠量，否回會引起機械回程差)從F／V表上出出，填入下表11，直到感器桿上的第一根刻與感器螺母端口并止。