實(shí)驗(yàn)三 電容式傳感器性能

傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)重慶大學(xué)光電工程學(xué)院二O一二年四月實(shí)驗(yàn)一電容傳感器原理與使用實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠顒?dòng)式同軸變面積電容傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)原理：差動(dòng)式同軸變面積電容傳感器由一個(gè)動(dòng)極與兩個(gè)定極組成。兩組電容Cx1與Cx2作為雙T電橋的兩臂，當(dāng)電容量發(fā)生變化時(shí)，橋路輸出電壓隨著發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)器材：電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K(含電容傳感器、測(cè)微儀)、數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)步驟：1、觀察電容傳感器結(jié)構(gòu)，熟悉實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成。2、按圖連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源線及傳感器接口線路(電容傳感器的接地端為引線的屏蔽層)。3、調(diào)節(jié)測(cè)微儀把電容傳感器動(dòng)極移至兩組定極中間。打開(kāi)主機(jī)電源，把增益電位器調(diào)至最大（順時(shí)針?lè)较蛐降祝?，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使模塊電路輸出為零。再調(diào)節(jié)增益電位器，以測(cè)微儀旋至最左端和最右端時(shí)輸出電壓≤±1.999V為宜。4、用螺旋測(cè)微儀帶動(dòng)電容傳感器動(dòng)極分別向左和向右各位移10mm，每隔1mm記錄一次數(shù)據(jù)：X（mm）0V0（v）015、根據(jù)記錄數(shù)據(jù)作出V-X曲線，求靈敏度，指出線性區(qū)，分析產(chǎn)生非線性現(xiàn)象的原因；如果曲線出現(xiàn)諸如不對(duì)稱等情況，試分析產(chǎn)生原因（可能需要多組數(shù)據(jù)比較）。6、本電容傳感器為什么稱為“差動(dòng)式”？注意事項(xiàng)：1、實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)連接線是否完好，學(xué)會(huì)正確插拔連接線，這是順利完成實(shí)驗(yàn)的基本保證。2、實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者用螺旋測(cè)微儀進(jìn)行位移后應(yīng)將手離開(kāi)儀器后方能讀取測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓數(shù)，否則雖然沒(méi)有改變刻度值也會(huì)造成微小位移或人體感應(yīng)使電壓信號(hào)出現(xiàn)偏差。實(shí)驗(yàn)二電阻應(yīng)變片傳感器及電阻應(yīng)變儀的原理與使用實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。2、了解應(yīng)變片阻值隨應(yīng)變梁變形而相應(yīng)變化的原理。3、分析比較各種橋路的輸出關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明箔式應(yīng)變片及直流電橋的原理和工作情況。應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測(cè)試體表面，測(cè)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(guò)測(cè)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(cè)電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路對(duì)臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對(duì)變化率分別為△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，ΣR=△R/R；當(dāng)二個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)狀態(tài)工作，則有ΣR=2△R/R；用四個(gè)應(yīng)變片組成二個(gè)差動(dòng)對(duì)工作，且R1=R2=R3=R4=R，ΣR=4△R/R。根據(jù)戴維南定理可以得出測(cè)試電橋近似等于1/4UΣR，電橋靈敏度Ku=V/△R/R，于是對(duì)于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度分別為1/4U、1/2U和U。由此可知，當(dāng)電源電壓U和應(yīng)變片電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的靈敏度與橋臂阻值無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)器材：直流穩(wěn)壓電源(±2V)、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、貼于主機(jī)工作臺(tái)懸臂梁上的箔式應(yīng)變片、螺旋測(cè)微儀、數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)步驟：1、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，熟悉實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成。2、對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行調(diào)零。連接主機(jī)與模塊電源連接線，差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針?lè)较蛐降祝?，差?dòng)放大器“+”“-”輸入端對(duì)地用實(shí)驗(yàn)線短路。輸出端接主機(jī)電壓表，量程2V檔。開(kāi)啟主機(jī)電源，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使差放輸出電壓為零。關(guān)閉主機(jī)電源，拔掉實(shí)驗(yàn)線，調(diào)零后模塊上的“增益”、“調(diào)零”電位器均不應(yīng)再變動(dòng)。3、觀察貼于懸臂梁根部的應(yīng)變片的位置與方向，按圖連接測(cè)試電路。圖中R1、R2、R3分別為固定標(biāo)準(zhǔn)電阻，R為應(yīng)變片（可任選上梁或下梁中的一個(gè)工作片，即可選擇主機(jī)上應(yīng)變片插孔從左至右第3--6片中的任一片），圖中每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間可理解為一根實(shí)驗(yàn)連接線，注意連接方式，勿使直流激勵(lì)電源短路。將螺旋測(cè)微儀裝于懸臂梁前端永久磁鋼上，調(diào)節(jié)測(cè)微儀高度使懸臂梁基本處于水平位置（目測(cè)）。4、確認(rèn)接線無(wú)誤后開(kāi)啟主機(jī)，待電路輸出穩(wěn)定后調(diào)節(jié)模塊上的WD電位器，使橋路輸出為零。5、用螺旋測(cè)微儀帶動(dòng)懸臂梁分別向上和向下位移各5mm,每位移1mm記錄一個(gè)輸出電壓值，并記入下表（由于懸臂梁彈性恢復(fù)的滯后及應(yīng)變片本身的機(jī)械滯后，所以當(dāng)螺旋測(cè)微儀回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零，此時(shí)可一次或幾次將螺旋測(cè)微儀反方向旋動(dòng)一個(gè)較大位移，使電壓值回到零后再進(jìn)行反向?qū)嶒?yàn)）位移mm-5-4-3-2-1012345電壓V6、將圖（1）中的固定電阻R1，換接為應(yīng)變片組成半橋,(注意:應(yīng)變片接入橋路時(shí)，要注意應(yīng)變片的受力方向，一定要接成差動(dòng)形式，即鄰臂受力方向相反，對(duì)臂受力方向相同)。重復(fù)3-4步驟，完成半橋測(cè)試實(shí)驗(yàn)。位移mm-5-4-3-2-1012345電壓V7、將固定電阻R2、R3，換接應(yīng)變片組成全橋。重復(fù)3-4步驟，完成全橋測(cè)試實(shí)驗(yàn)。位移mm-5-4-3-2-1012345電壓V8、在同一坐標(biāo)系上描出三條V-X曲線，用逐差法計(jì)算靈敏度S，比較三種橋路的靈敏度，作出結(jié)論。9、如果應(yīng)變片未按鄰臂受力方向相反，對(duì)臂受力方向相同的原則連接，會(huì)出現(xiàn)什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？實(shí)驗(yàn)三電感傳感器原理與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姼袀鞲衅鞯脑怼⒔Y(jié)構(gòu)及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)原理：差動(dòng)螺管式電感傳感器由電感線圈的二個(gè)次級(jí)線圈反相串接而成，工作在自感基礎(chǔ)上，由于磁芯在線圈中位置的變化使二個(gè)線圈的電感量發(fā)生變化，隨之使由兩個(gè)線圈等組成的電橋電路輸出電壓信號(hào)發(fā)生相應(yīng)變化。實(shí)驗(yàn)器材：電感傳感器、音頻信號(hào)源、低頻信號(hào)源、公共電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K、示波器、電壓/頻率表實(shí)驗(yàn)步驟：1、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，熟悉實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成。2、對(duì)差動(dòng)放大器進(jìn)行調(diào)零，然后把差動(dòng)放大器增益調(diào)為10倍左右,調(diào)零后模塊上的“增益、調(diào)零”電位器均不應(yīng)再變動(dòng)。3、在斷電情況下按圖連接測(cè)試電路，兩個(gè)次級(jí)線圈（藍(lán)色線組和白色線組）必須接成差動(dòng)狀態(tài)，WD、WA電位器調(diào)到中間位置（總共可旋轉(zhuǎn)10圈）。4、在振動(dòng)平臺(tái)上安裝電感傳感器動(dòng)極(注意：勿讓磁芯滑落摔壞)，然后把電感傳感器線圈安裝在振動(dòng)平臺(tái)旁的安裝支架上（注意：動(dòng)極與線圈之間不要發(fā)生碰擦）。開(kāi)啟主機(jī)電源上下移動(dòng)線圈安裝支架,使電壓表顯示大致為零,擰緊支架固定螺釘，調(diào)節(jié)WD電位器,使電壓表顯示為零。把實(shí)驗(yàn)線路中的低通濾波器輸出到電壓表的實(shí)驗(yàn)聯(lián)線改接到示波器，然后把電壓/頻率表（撥到頻率擋位）接低頻信號(hào)源V0。5、“激振選擇”撥向“激振I”，低頻信號(hào)源的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)推向左邊（驅(qū)動(dòng)圓形振動(dòng)平臺(tái)）,保持低頻信號(hào)輸出幅值為最大，把低頻信號(hào)源的頻率調(diào)為9Hz，此時(shí)振動(dòng)平臺(tái)應(yīng)振動(dòng)，微轉(zhuǎn)線圈安裝支架的支撐柱，使振動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)最大，然后調(diào)節(jié)音頻信號(hào)源的頻率和幅值旋鈕使示波器觀察到的低頻振動(dòng)波形的幅值最大、失真最小、音頻分量最小。6、改變低頻振蕩頻率，將動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果記入下表。振動(dòng)頻率(Hz)567891011121314151820低通V0(p-p)VOLTS/DIV7、在坐標(biāo)紙上作出V-F曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析。注意事項(xiàng)：振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)時(shí)與周?chē)鞑考粦?yīng)發(fā)生碰擦，否則會(huì)產(chǎn)生非正弦振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)四壓電傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈮弘娛絺鞲衅鞯脑?、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)原理：壓電式傳感器是典型的有源傳感器（發(fā)電型傳感器），它是一種力敏感元件，在壓力、應(yīng)力、加速度等外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)器材：壓電加速度傳感器、公共電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K、激振器II、電壓/頻率表、示波器實(shí)驗(yàn)步驟：1、觀察位于主機(jī)雙平行懸臂梁前端的壓電傳感器的結(jié)構(gòu)，熟悉實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成。2、按圖接線（壓電加速度傳感器與電荷放大器用屏蔽線聯(lián)接，黑色插頭接地），低頻信號(hào)源的V0接電壓/頻率表的“數(shù)據(jù)采集入”。3、開(kāi)啟主機(jī)電源，“激振選擇”撥向“激振Ⅱ”，低頻信號(hào)源的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)倒向V0，低頻信號(hào)源的振幅旋紐調(diào)到最大，調(diào)節(jié)頻率，把數(shù)據(jù)填入下表：F(Hz)56789101112131415Vp-pVOLTS/DIV4、作出V-F曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析，指出懸臂梁自振頻率。5、把屏蔽線換成普通實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線后重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)用手不停地彎曲、放開(kāi)聯(lián)接壓電加速度傳感器與電荷放大器之間的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。解釋為什么壓電加速度傳感器與電荷放大器之間的聯(lián)線一定要用屏蔽線？實(shí)驗(yàn)五（綜合性實(shí)驗(yàn)）兩種測(cè)距傳感器的綜合比較實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)。2、學(xué)習(xí)對(duì)不同傳感器進(jìn)行優(yōu)劣及應(yīng)用范圍比較。實(shí)驗(yàn)原理：電容位移傳感器工作原理參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一。反射式光纖傳感器工作原理如下圖所示，光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖合并于一端組成光纖探頭，一束作為接收，另一束為光源發(fā)射，近紅外二級(jí)管發(fā)出的近紅外光經(jīng)光源光纖照射至被測(cè)物，由被測(cè)物反射的光信號(hào)經(jīng)接收光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，反射光的強(qiáng)弱與反射物與光纖探頭的距離成一定的比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)就可得知位置量的變化。實(shí)驗(yàn)器材：電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K(含電容傳感器、測(cè)微儀)、光纖光電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K[含光纖（光電轉(zhuǎn)換器）、反射鏡片、螺旋測(cè)微儀]、數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)步驟：1、按實(shí)驗(yàn)一方法搭建電容傳感器實(shí)驗(yàn)裝置。2、用螺旋測(cè)微儀從零點(diǎn)向右位移4mm，每隔0.2mm記錄一次數(shù)據(jù)（要求數(shù)據(jù)為+號(hào)）：Xmm00.20.40.60.81．01.21.41.61.82．02.22.42.62.83．03.23.43.63.84．0V03、根據(jù)數(shù)據(jù)作出V-X曲線，求靈敏度，分析線性關(guān)系。4、觀察光纖結(jié)構(gòu)：本實(shí)驗(yàn)所配光纖探頭為半圓型結(jié)構(gòu)，由數(shù)百根光導(dǎo)纖維組成，一半為光源光纖，另一半為接收光纖。5、連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源線及光纖變換器探頭接口，光纖探頭裝入探頭支架，探頭垂直對(duì)準(zhǔn)反射片中央（鍍鉻圓鐵片），螺旋測(cè)微儀裝上支架，以帶動(dòng)反射鏡片位移。6、開(kāi)啟主機(jī)電源，光電變換器V0端接電壓表，首先旋動(dòng)測(cè)微儀使探頭緊貼反射鏡片（測(cè)微儀不能超過(guò)0刻度，如兩表面不平行可稍許扳動(dòng)光纖探頭角度使兩平面吻合），此時(shí)V0≈0，然后旋動(dòng)測(cè)微儀，使反射鏡片離開(kāi)探頭，每隔0.2mm記錄一數(shù)值并記入下表：Xmm00.20.40.60.81．01.21.41.61.82．02.22.42.62.83．03.23.43.63.84．0V07、作出V-X曲線，分析光纖傳感器輸