《傳感器與檢測技術(shù)》實(shí)驗(yàn)大綱

《傳感器與測試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱課程名稱：傳感器與測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：傳感器與測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)室學(xué)分：0.5一、目的與任務(wù)傳感器與測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)的重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。通過動(dòng)手實(shí)踐，驗(yàn)證、鞏固和補(bǔ)充課程講授的理論知識，使學(xué)生對傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用、測試系統(tǒng)等形成感性認(rèn)識；加深學(xué)員對傳感器的選擇、調(diào)理電路設(shè)計(jì)方法的理解，具備組建測試系統(tǒng)的能力，并培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)。實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)三個(gè)不同層次的實(shí)踐項(xiàng)目。 通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)掌握傳感器的基本特性和工作原理，鞏固學(xué)員基本理論和基本技能；通過綜合型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程實(shí)踐能力以及綜合運(yùn)用知識的能力。二、主要內(nèi)容與基本要求（一）傳感器靜態(tài)特性研究本單元實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變式、電容式、電渦流傳感器、溫度傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、標(biāo)定及常用測量電路，計(jì)算靜態(tài)特性指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)1.1金屬箔式應(yīng)變片與電橋測量電路?實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)熟悉金屬箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理；利用應(yīng)變片構(gòu)建質(zhì)量測量系統(tǒng)， 分析比較各種電橋（包括單臂電橋、差動(dòng)半橋和全橋）的輸出特性、靈敏度和非線性度，掌握電子秤的標(biāo)定方法。?實(shí)驗(yàn)原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)， 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：（3）（3）L為電阻絲長度相對變RR式中：'為電阻絲電阻相對變化，I為應(yīng)變靈敏系數(shù),化。使用應(yīng)變片時(shí)，將應(yīng)變片用粘結(jié)劑牢固地粘貼在被測試件的表面上， 當(dāng)試件受力變形時(shí),應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形， 引起應(yīng)變片電阻值的微小變化。 通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)把微小阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。不同的電橋形式，輸出電壓不同、非線性度不同。o1電橋輸出靈敏度提高,o2Uo1電橋輸出靈敏度提高,o2單臂電橋電路中，應(yīng)變片接在電橋的一個(gè)臂上，電橋輸出電壓差動(dòng)半橋電路中，不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，非線性得到改善。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓R全橋R則量電路中，將四片應(yīng)變片分別接R入電橋的四個(gè)臂。四片應(yīng)變片初始阻值為：1234，工作時(shí)的變化值1234時(shí)，其橋路輸出電壓02 。由此，全橋輸出靈敏度比差動(dòng)半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求測試應(yīng)變片單臂電橋、半橋和全橋的輸出特性，判斷它們之間的相互關(guān)系。(2)條件允許時(shí)，可練習(xí)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)；(3)設(shè)計(jì)電子秤。(選做)?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在同一坐標(biāo)紙上畫出實(shí)驗(yàn)曲線。計(jì)算靈敏度 SUW，非線性誤差，并對結(jié)果進(jìn)行討論。利用應(yīng)變片設(shè)計(jì)數(shù)字式電子秤，畫出結(jié)構(gòu)簡圖并敘述其工作原理。實(shí)驗(yàn)1.2電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)?實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其測位移工作原理； 掌握電容式傳感器的靜態(tài)性能及測試的基本方法；掌握電容傳感器的基本應(yīng)用；了解電容式傳感測量電路的工作原理及組成。2?實(shí)驗(yàn)原理CC利用平板電容Ad9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中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測谷物干燥度(變)、測微小位移(變d)和測量液位(變A)等多種電容傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器， 如圖1所示：它由兩個(gè)圓筒和一個(gè)圓拄組成的。設(shè)圓筒的半徑為 R;圓拄的半徑為r；圓柱的長為 X，則電容量為C2x/ln(°R/r)圖中C1、C2 是差動(dòng)連接，當(dāng)圖中的圓拄產(chǎn)生 位移時(shí)，電容的變化量為CCC1C2 2 2x/ln(R/,r^式中2X、ln(R/為常數(shù)，說明 與位移x成正比，配上配套的測量電路就能測量位移。圖1變面積式電容式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求(1)測試差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)特性；(2)利用電容傳感器設(shè)計(jì)電子秤。 (選做)4?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出實(shí)驗(yàn)v-X實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度 S和非線性誤實(shí)驗(yàn)1.3電渦流傳感器的特性實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)掌握電渦流傳感器的工作原理和特性；掌握電渦流傳感器的靜態(tài)性能及測試方法；掌握不同材料的被測物對電渦流傳感器性能的影響；掌握電渦流傳感器的基本應(yīng)用；了解電渦流傳感器電路的組成及原理。2．實(shí)驗(yàn)原理電渦流傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。當(dāng)金屬板置于變化著的磁場中時(shí)，或者在固定磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬板內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)是閉合的（自成回路），所以叫做渦流。渦流的大小與金屬體的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度以及線圈與金屬板間的距離，線圈的激磁電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)除線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離以外的所有參數(shù)一定時(shí)，渦流損耗只與金屬導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進(jìn)行位移測量。電渦流傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，由于被測體的形狀，大小不同會(huì)導(dǎo)致被測體上渦流效應(yīng)的不充分，會(huì)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。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(huì)有不同的性能。3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求（1）電渦流傳感器的靜態(tài)性能測試；（2）被測體的形狀和尺寸對電渦流傳感器特性的影響；（3）被測體的材料對電渦流傳感器特性的影響；（4）利用電渦流傳感器設(shè)計(jì)電子秤。（選做）4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求（1）記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出V-X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進(jìn)行正、負(fù)位移測量時(shí)的最佳工作點(diǎn)，（即曲線線性端的中點(diǎn)），試計(jì)算測量范圍量程為1mm與3mm時(shí)的靈敏度和線性度（可以用端基法或其它擬合直線）。（2）記錄不同面積的被測體時(shí)電渦流傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出實(shí)驗(yàn)曲線，并計(jì)算兩種被測體的靈敏度、并說明理由。（3）分別記錄被測體為不同材質(zhì)時(shí)電渦流傳感器的位移與輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出實(shí)驗(yàn)曲線，并分別計(jì)算量程為1mm和3mm時(shí)的靈敏度和非線性誤差（線性度）。實(shí)驗(yàn)1.4Pt100鉑電阻溫度傳感器特性測試及應(yīng)用1?實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解鉑熱電阻的特性與應(yīng)用。2．實(shí)驗(yàn)原理利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性，可以制成熱電阻，要求其材料電阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性好，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（ 650°C以內(nèi)）和銅電阻（150C以內(nèi)）。鉑電阻是將 0.050.07mm的鉑絲繞在線圈的骨架上封裝在玻璃或陶瓷管等保護(hù)管內(nèi)構(gòu)成。在 0?650C以內(nèi)，它的電阻Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt 0R1At2Btt0R式中：0Ro是溫度為C0時(shí)的電阻。本實(shí)驗(yàn)鉑電阻0=1004）A=3.968敘1(-3/°C,B=-5.847X10—7/f2。實(shí)際測量時(shí)將鉑電阻隨溫度變化的阻值通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓的變化量輸出，再經(jīng)放大器放大后直接用電壓表顯示。3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求（1） 熟悉鉑電阻溫度傳感器的工作原理并對其性能進(jìn)行測試；（2） 利用鉑電阻溫度傳感器設(shè)計(jì)測溫電路，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出實(shí)驗(yàn)曲線并計(jì)算其非線性誤差。（二）機(jī)械振動(dòng)測試對機(jī)械結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測定，并對測試信號進(jìn)行頻譜分析。實(shí)驗(yàn)2.1簡諧振動(dòng)振幅與頻率的測量．實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解加速度傳感器的工作原理，掌握簡諧振動(dòng)振幅與頻率最簡單直觀的測量方法。2．實(shí)驗(yàn)原理雙簡支梁在某一激振頻率下產(chǎn)生振動(dòng)，用加速度傳感器測量雙簡支梁在此頻率下振動(dòng)的振幅。當(dāng)激振頻率由低頻—高頻掃頻，傳感器就能測出對應(yīng)頻率下的振幅。3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求簡諧振動(dòng)振幅與頻率的測量。要求顯示簡諧振動(dòng)振幅與頻率的波形。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求記錄振幅與頻率數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率的測量．實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解和掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)幅頻特性曲線的測量方法；了解機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率測量系統(tǒng)的構(gòu)成。2．實(shí)驗(yàn)原理雙簡支梁在某一激振頻率下產(chǎn)生振動(dòng)，用加速度傳感器測量雙簡支梁在此頻率下振動(dòng)的振幅。當(dāng)激振頻率由低頻—高頻掃頻，傳感器就能測出對應(yīng)頻率下的振幅。3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率的測量。要求通過幅頻特性曲線求出雙簡支梁的固有頻率。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求畫出幅頻特性曲線；估算阻尼比。實(shí)驗(yàn)2.3懸臂梁動(dòng)態(tài)特性測試1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量方法以及測量系統(tǒng)的構(gòu)成。2．實(shí)驗(yàn)原理給懸臂梁系統(tǒng)施加一個(gè)階躍信號，通過傳感器、由計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集并記錄下懸臂梁f0f0、?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求懸臂梁動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。要求通過幅頻特性曲線求出懸臂梁的固有頻率。?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求根據(jù)幅頻特性曲線，求出懸臂梁的固有頻率；估算阻尼比?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測?實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理和特性。?實(shí)驗(yàn)原理傳感器網(wǎng)是由一組按隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型傳感器以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并傳送給信息獲取者。網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過程是首先將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，然后啟動(dòng)路由探測過程，節(jié)點(diǎn)通過自組織方式組件網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)所在區(qū)域的測試數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的上傳過程可能由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳實(shí)現(xiàn)。?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求(1)利用傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；(2)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息通訊。?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求(1)了解布置的傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成情況；(2)實(shí)時(shí)獲取各節(jié)點(diǎn)的溫度、光強(qiáng)、振動(dòng)等信息并記錄分析。相關(guān)測速?實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)掌握電渦流傳感器或光電傳感器測速的原理及特點(diǎn)， 了解隨機(jī)信號機(jī)其相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)，并利用相關(guān)分析法計(jì)算得到流體運(yùn)動(dòng)速度。?實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體通過固定距離為 l的兩光電檢測器A和B,檢測器可獲得對應(yīng)xy 。根據(jù)峰值的滯后時(shí)間的兩個(gè)信號xt和y七xy 。根據(jù)峰值的滯后時(shí)間vl/即可求得運(yùn)動(dòng)物體的速度 o。r AH 財(cái)］互相關(guān)攤理一圖2物體運(yùn)動(dòng)速度的非接觸測量?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求(1)選用合適的測速傳感器，構(gòu)建流量測試系統(tǒng)；(2)改變物體運(yùn)動(dòng)速度(低速、中速和高速)，利用測速傳感器直接測得物體運(yùn)動(dòng)速度;(3)改變物體運(yùn)動(dòng)速度(低速、中速和高速)，利用相關(guān)分析法計(jì)算得到物體運(yùn)動(dòng)速度;改變采樣頻率進(jìn)行測量。?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，分析直接測速法結(jié)果；(2)對兩路測量信號，進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，對同一速度下，相關(guān)測速和直接測速進(jìn)行分析比較；改變采樣頻率和每次進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)總量，分析比較測量結(jié)果。壓力傳感器的激波管動(dòng)態(tài)標(biāo)定?實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)了解壓力傳感器測量壓力的原理和方法；利用激波管測試壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。?實(shí)驗(yàn)原理激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)如圖3所示.它由激波管、入射激波測速系統(tǒng)、標(biāo)定測量系統(tǒng)及氣源等四個(gè)部分組成。激波管是產(chǎn)生激波的核心部分， 由高壓室和低壓室組成， 中間用膜片隔開，激波壓力的大小由膜片的厚度決定。 標(biāo)定時(shí)，根據(jù)要求對高低壓室分別充以不同壓力的氣體，低壓室一般為一個(gè)大氣壓，僅給高壓室充氣，當(dāng)高低壓室的壓力差達(dá)到一定程度時(shí)膜片破裂，高壓室的氣體膨脹沖入低壓室從而形成激波。這個(gè)激波的波陣面壓力保持恒定，接近理想的階躍波，并以超音速?zèng)_向被標(biāo)定的傳感器。 傳感器在激波的激勵(lì)下按固有頻率產(chǎn)生一個(gè)衰減振蕩。被標(biāo)定壓力傳感器可放置在側(cè)面位置上， 也可放在底端面位置上。從被標(biāo)定傳感器來的信號通過電荷放大器，再通過接口傳給采集系統(tǒng)， 。J—Z 1ncm一or1]F~~刃u0IIH]■Jw9_ElU圖3激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)原理框圖1—激波管的高壓室；2—激波管的低壓室；3-激波管的導(dǎo)低壓室的膜片；4—側(cè)面被標(biāo)定的傳感器；5—底面被標(biāo)定的傳感器；6>7—測速壓力傳感器；8—測速前置級；9-數(shù)字式頻率計(jì)； 10—測壓前置級；1—記錄記憶裝置；圖15-20被標(biāo)定傳感器的輸出波形12—?dú)庠矗?3—?dú)鈮罕恚?4—泄氣門?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求(1)構(gòu)建激波管標(biāo)定系統(tǒng)；(2)對壓阻式壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測試。?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求(1)記錄壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性曲線；(2)求取壓力傳感器的上升時(shí)間、最大過程量、及響應(yīng)帶寬等特性指標(biāo)；提出改善壓力傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的方法和思路。三、實(shí)施建議（一）實(shí)施安排序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)分組情況實(shí)驗(yàn)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)要求備注1傳感器靜態(tài)特性研究2