2012檢測與轉換技術實驗指導書

1、 檢測與轉換技術實驗指導書目 錄第一章 CSY2001B傳感器試驗臺說明書第二章 實驗指導一、 應變式電阻傳感器：單臂、半橋、全橋比較二、 差動面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性三、 PSD光電位置傳感器四、 溫度傳感器設計第一章 CSY2001B傳感器實驗臺說明書CSY2001B傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺為完全模塊式結構，分主機、實驗模塊和實驗桌三部分。根據(jù)用戶不同的需求分為基本型和增強性兩種配置。主機由實驗工作平臺，傳感器綜合系統(tǒng)、高穩(wěn)定交、直流信號源，溫控電加熱源，旋轉源、位移機構、振動機構、儀表顯示、電動氣壓源、數(shù)據(jù)采集處理和通信系統(tǒng)（RS232接口）、實驗軟件等組成。全套13個實驗模塊中均包

2、含一種或一類傳感器及實驗所需的電路和執(zhí)行機構（位移裝置均由進口精密導軌組成，以確保純直線性位移），實驗時模塊可按實驗要求靈活組合，儀器性能穩(wěn)定可靠，方便實用。傳感器包括：（基本型含24種傳感器，序號1.1-1.24。增強型含31種傳感器，序號1.1-1.31）1.1 金屬箔式應變傳感器（箔式應變片 工作片4片；溫度補償片2片,應變系數(shù)：2.06，精度2%）1.2 稱重傳感器（標準商用雙孔懸臂梁結構，量程0500g，精度2%）1.3 MPX擴散硅壓阻式壓力傳感器（差壓式，量程050KP，精度3%）1.4 半導體應變傳感器（BY350，工作片2片，應變系數(shù)120）1.5 標準K分度熱電偶，（量程0

3、800，精度3%）1.6 標準E分度熱電偶，（量程0800，精度3%）1.7 MF型半導體熱敏傳感器（負溫度系數(shù)，25時電阻值10K）1.8 Pt100鉑熱電阻（量程0800，精度5%）1.9 半導體溫敏二極管（精度5%）1.10 集成溫度傳感器（電流型，精度2%）1.11 光敏電阻傳感器（cds器件，光電阻2M.1.12 光電轉速傳感器（近紅外發(fā)射-接收量程02400轉/分）1.13 光纖位移傳感器（多模光強型，量程2mm,在其線性工作范圍內精度5%）1.14 熱釋電紅外傳感器（光譜響應715m，光頻響應0.510HZ）。1.15 半導體霍爾傳感器(由線性霍爾元件與梯度磁場組成。工作范圍：位

4、移2mm，精度5%)1.16 磁電式傳感器（動鐵與線圈）1.17 濕敏電阻傳感器（高分子材料，工作范圍595%RH，）1.18 濕敏電容傳感器（高分子材料，工作范圍595%RH）1.19 MQ3氣敏傳感器（酒精氣敏感，實驗演示用）1.20 電感式傳感器（差動變壓器，量程5mm,精度5%）1.21 壓電加速度傳感器（PZT壓電陶瓷與質量塊。工作范圍530HZ ）1.22 電渦流傳感器（線性工作范圍1mm,精度3%）1.23 電容傳感器（同軸式差動變面積電容，工作范圍3mm,精度2%）1.24 力平衡傳感器（綜合傳感器系統(tǒng)）125 光電池傳感器126 光敏二極管傳感器127 光敏三極管傳感器1.2

5、8 PSD光電位置傳感器（PSD器件與激光器組件，采用工業(yè)上的三角測量法，量程25mm，精度0.1%）1.29 激光光柵傳感器（光柵衍射及光柵莫爾條紋，莫爾條紋精密位移記數(shù)精度0.01mm）1.30 CCD圖象傳感器（光敏面尺寸：1/3英寸。采用計算機軟件與CCD傳感器配合，進行高精度物徑及高精度光柵莫爾條紋位移自動測試。）1.31 超聲波測距傳感器（量程范圍30600mm，精度10mm）主機配置：2.1 直流穩(wěn)壓電源：（傳感器工作直流激勵源與實驗模塊工作電源）2V10V分五檔輸出，最大輸出電流1.5A15V（12V） 、最大輸出電流1.5A；激光器電源。2.2 音頻信號源：（傳感器工作交流激

6、勵源）0.4KHz-10KHz輸出連續(xù)可調，最大Vp-p值20V。 00、1800端口反相輸出 00、LV端口功率輸出，最大輸出電流1.5A1800端口電壓輸出，最大輸出功率300mw2.3 低頻信號源：（供主機位移平臺與雙平行懸臂梁振動激勵，實現(xiàn)傳感器動態(tài)測試）1Hz30Hz輸出，連續(xù)可調，最大輸出電流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（雙平行懸臂梁）、激振II（圓形位移平臺）的振動源。轉換鈕子開關的作用：（請?zhí)貏e注意）當?shù)瓜騐0側時，低頻信號源正常使用，V0端輸出低頻信號，倒向Vi側時，斷開低頻信號電路，V0 端無低頻信號輸出，停止激振、的激勵。Vi作為電流放大器的信號輸入端，輸出端仍

7、為V0端。激振不工作時激振選擇開關應位于置中位置。2.4 溫控電加熱源：（溫度傳感器加熱源）由E分度熱電偶控溫的300W電加熱爐，最高控制爐溫400，實驗控溫200。交流220V插口提供電爐加熱電源，作為溫度傳感器熱源、及熱電偶測溫、標定和傳感器溫度效應的溫度源等。2.5 旋轉源：（光電、電渦流傳感器測轉速之用）低噪聲旋轉電機，轉速0-2400轉/分，連續(xù)可調。（特別注意：電機不工作時鈕子開關應置于“關”，否則直流穩(wěn)壓電源負電源會無輸出）。2.6 氣壓源：（提供壓力傳感器氣壓源）電動氣泵：氣壓輸出應40KP，連續(xù)可調,使用時請注意控制氣壓。手動加壓氣囊：可加壓至滿量程40KP，通過減壓閥調節(jié)氣

8、壓值。儀表顯示部分：3.1 電壓/頻率表：3 1/2位數(shù)字表、電壓顯示分02V、020V兩檔；頻率顯示分02KHz、020KHz兩檔，靈敏度50mv。3.2 數(shù)字式溫度表：（E分度）溫度顯示：0-800（用其他熱電偶測溫時應查對相應的熱電偶分度表）。3.3 氣壓表： 0-40KP（0-300mmHg）顯示。計算機通信與數(shù)據(jù)采集：4.1 通信接口：標準RS232口，提供實驗臺與計算機通信接口。4.2 數(shù)據(jù)采集卡：12位A/D轉換，采集卡信號輸入端為電壓/頻率表的“通道”和“通道”端，采集卡頻率輸入端為“轉速信號入”口。實驗模塊包含：（基本型含9個模塊，序號5.1-5.9，增強型含13個模塊，序號

9、5.1-5.13，每個模塊包含一種或一類傳感器，使用方便）5.1 實驗公共電路模塊：提供所有實驗中所需的電橋、差動放大器、低通濾波器、電荷放大器、移項器、相敏檢波器等公用電路。5.2 應變式傳感器實驗模塊（包含電阻應變及壓力傳感器）：金屬箔式標準商用稱重傳感器（帶加熱及溫度補償）、懸臂梁結構金屬箔式、半導體應變、MPX擴散硅壓阻式傳感器、放大電路。5.3 電感式傳感器實驗模塊：差動變壓器、螺管式傳感器、高精度位移導軌、放大電路。5.4 電容式傳感器實驗模塊：同軸式差動電容組成的雙T電橋檢測電路，精密位移導軌。5.5 光電傳感器實驗模塊：光纖位移傳感器與光電耦合器、光敏電阻及信號變換電路，精密位

10、移導軌、電機旋轉裝置。5.6 霍爾傳感器實驗模塊：霍爾傳感器、梯度磁場、變換電路及高精度位移導軌。5.7 溫度傳感器實驗模塊：提供7種溫度傳感器及變換電路，可控電加熱爐。5.8 電渦流傳感器實驗模塊：電渦流探頭、變換電路及精密位移導軌。5.9 濕敏氣敏傳感器實驗模塊：高分子濕敏電阻、濕敏電容、MQ3氣敏傳感器及變換電路。5.10 PSD光電位置傳感器實驗模塊：PSD器件及激光器組件、精密位移導軌，高倍放大器。（增強型單元）5.11 CCD 圖象傳感器及光柵測試實驗模塊：CCD傳感器、光柵莫爾條紋位移傳感器及計機測試軟件、精密位移導軌。（增強型單元）5.12 超聲波傳感器測距實驗模塊：超聲波發(fā)射

11、-接收探頭、位移裝置及時間-距離變換顯示電路，直接顯示探測距離（cm）及時間（s）（增強型單元）513光電器件實驗模塊：光電器件模板、微安表，實驗選配單元。主機工作臺上裝置的傳感器有:磁電式、壓電加速度、半導體應變（2片）、金屬箔式應變（工作片4片，溫度補償片2片）、衍射光柵（增強型）。雙平行懸臂梁旁的支柱安裝有螺旋測微儀，可帶動懸臂梁上下位移。圓形位移（振動）平臺旁的支架可安裝電感、電容、霍爾、光纖、電渦流等傳感器探頭，在平臺振動時進行動態(tài)實驗。實驗臺主機與實驗模塊的連接線采用了高可靠性的防脫落插座及插頭。實驗連接線均用燈籠狀的插頭及配套的插座，接觸可靠，防旋防松脫，并可在使用日久斷線后重新

12、修復（特別注意：在本型儀器上請勿同時使用舊型號的可鎖緊連接線，以免損壞新型連接線及造成插座松動）。實驗操作須知：1. 使用本儀器前，請先熟悉儀器的基本狀況，對各傳感器激勵信號的大小、信號源、顯示儀表、位移及振動機構的工作范圍做到心中有數(shù)。主機面板上的鈕子開關都應選擇好正確的倒向。2. 了解測試系統(tǒng)的基本組成：合適的信號激勵源傳感器處理電路（傳感器狀態(tài)調節(jié)機構）儀表顯示（數(shù)據(jù)采集或圖象顯示）3. 實驗操作時，在用實驗連接線接好各系統(tǒng)并確認無誤后方可打開電源，各信號源之間嚴禁用連接線短路，主機與實驗模塊的直流電源連接線插頭與插座連接時尤要注意標志端對準后插入，如開機后發(fā)現(xiàn)信號燈、數(shù)字表有異常狀況，

13、應立即關機，查清原因后再進行實驗。4. 實驗連接線插頭為燈籠狀簧片結構，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉，使用時應避免搖晃。為延長使用壽命，操作時請捏住插頭連接疊插。5. 實驗指導中的“注意事項”不可忽略。傳感器的激勵信號不準隨意加大，否則可能會造成傳感器永久性的損壞。6. 本實驗儀為教學實驗用儀器，而非測量用儀器，各傳感器在其工作范圍內有一定的線性和精度，但不能保證在整個信號變化范圍都是呈線性變化。限于實驗條件，有些實驗只能做為定性演示（如濕敏、氣敏傳感器），能完成實驗指導書中的實驗內容，則整臺儀器正常。7. 本儀器的工作環(huán)境溫度40，需防塵。第二章 實驗指導實驗一 應變式電阻傳感器：單臂

14、、半橋、全橋比較一、實驗目的：1、觀察了解箔式應變片的結構及粘貼方式。 2、測試應變梁變形的應變輸出。3、了解箔式應變片在位移測量方面的應用。4、驗證單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關系。二、實驗原理：本實驗說明箔式應變片、直流電橋的原理和工作情況。 應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。電橋電路是最常用的非電量檢測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1/

15、 R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，當使用一個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R4=R，。已知單臂、半橋和全橋電路的R分別為R/ R、2R/ R、4R/ R。根據(jù)戴維南定理可以得出測試電橋近似等于ER，電橋靈敏度Ku=V/R/R，于是對于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度分別為1/4E、1/2E和E。由此可知，當E和電阻相對變化一定時，電橋的靈敏度與各橋臂阻值的大小無關。三、實驗所需部件： 直流穩(wěn)壓電源+4V、應變式傳感器實驗模塊、貼于主機工作臺懸臂梁上的箔式應變片、螺旋測微儀、數(shù)字電壓表。四、實驗步驟：（一）

16、單臂電橋位移測量1、連接主機與模塊電路電源連接線，差動放大器增益置于較大位置（順時針方向增益變大），差動放大器“+”“”輸入端Vi對地用實驗線短路，輸出端Vout接電壓/頻率表2V檔。開啟主機電源，用差放調零電位器調整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線，調零后模塊上的“差放增益、差放調零”電位器均不應再變動。2、觀察貼于主機懸臂梁根部的應變片的位置與方向，按圖1將所需實驗部件連接成測試橋路，圖中R1、R2、R3分別為模塊上的固定標準電阻（350），R為應變片（可任選上梁或下梁中的一個工作片，無應變時其電阻均為350），圖中每兩個節(jié)點之間可理解為一根實驗連接線，注意連接方式，勿使直流激勵電源

17、短路。圖1將螺旋測微儀螺旋管調至10mm刻度（或其它便于記錄的位置），裝于應變懸臂梁前端永久磁鋼上，并調節(jié)螺旋測微儀支柱高度使懸臂梁基本處于水平位置，擰緊支柱固定螺釘。3、確認接線無誤后開啟主機電源開關，并預熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。調節(jié)模塊上的WD電位器，使橋路輸出為零，此時將螺旋測微儀所在刻度設為原點（0）位置。4、用螺旋測微儀帶動懸臂梁分別向上移動（設為正位移）和向下移動（設為負位移）各5mm ,每移動0.5mm記錄一個輸出電壓值，并記入下表：位移(mm )-5.0-1.5-1.0-0.500.51.01.55.0電壓(V)根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)在坐標圖上做出VX曲線，計算靈敏度S：S=。

18、注：上下移動時，也可以從上往下移動（從+5mm到-5mm），或相反方向進行均可。（二）單臂、半橋、全橋比較1、在完成單臂電橋的基礎上，依次將圖（1）中的固定電阻R1，換接應變計組成半橋、將固定電阻R2 、R3，換接應變計組成全橋。2、重復實驗（一）中實驗3-4步驟，完成半橋與全橋測試實驗。3、在同一坐標上描出V-X曲線，比較三種橋路的靈敏度，并做出定性的結論。注意事項：應變計接入橋路時，要注意應變計的受力方向，一定要接成差動形式，即鄰臂受力方向相反，對臂受力方向相同，如接反則電路無輸出或輸出很小。五、思考問答：1、懸臂梁根端的各應變片隨著懸臂梁的上下移動，其電阻值如何相應地發(fā)生變化？2、實驗中

19、，如果懸臂梁在較大范圍上下移動，應變片能正常工作嗎？為什么？六、注意事項：1、實驗前應檢查實驗連接線是否完好，學會正確插拔連接線（直接上下插取，無須旋轉扭動連接線插頭，否則易使插孔松動），這是順利完成實驗的基本保證。2、由于懸臂梁彈性恢復的滯后及應變片本身的機械滯后，所以當螺旋測微儀回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零，此時可一次或多次將螺旋測微儀反方向旋動一個較大位移，使電壓值回到零后再進行反向采集實驗。3、做單臂電橋實驗時，由于應變片的零漂和蠕變現(xiàn)象的客觀存在，橋路中的三個精密電阻與應變片的零漂值一致的可能性很小，如果沒有采用補償?shù)脑挘瑔伪垭姌驕y試電路必然會出現(xiàn)輸出電壓漂移現(xiàn)象，這

20、是真實地反映了應變片的特性，但是只要采用了半橋或全橋測試電路，系統(tǒng)就會非常穩(wěn)定，這是因為同一批次的應變片的漂移和蠕變特性相近，接成半橋和全橋形式后根據(jù)橋路的加減特性原理就起到了非常好的補償作用，這也是應變片在實際應用中無一例外地采用全橋（或半橋）測試電路的原因。4、因為是小信號測試，所以調零后做實驗時電壓表應置2V檔，實驗中要盡量避免外界信號干擾。5、在金屬箔式應變片接口中，從左至右6片金屬箔式片分別是：第1、3工作片與第2、4工作片受力方向相反，第5、6片為上、下梁的溫度補償片，請注意應變片接口上所示符號表示的相對位置。實驗二差動變面積式電容傳感的靜態(tài)及動態(tài)特性一、 實驗目的：了解差動變面積

21、式電容傳感器的原理及其特性。二、 實驗原理差動式同軸變面積電容的兩組電容片Cx1與Cx2作為雙T電橋的兩臂，當電容量發(fā)生變化時，橋路輸出電壓發(fā)生變化。（圖1）三、 所需單元及部件：電容傳感器、電容傳感器實驗模塊、激振器I、測微儀四、實驗步驟：1、觀察電容傳感器結構：傳感器由一個動極與兩個定級組成，連接主機與實驗模塊的電源線及傳感器接口，按圖（1）接好實驗線路，增益適當。2、打開主機電源，用測微儀帶動傳感器動極位移至兩組定極中間，調整調零電位器，此時模塊電路輸出為零。3、前后位移動極，每次0.5mm，直至動靜極完全重合為止，記錄數(shù)據(jù)，作出V-X曲線，求出靈敏度。X（mm）V0（v）4、移開測微儀

22、，在主機振動平臺旁的安裝支架上裝上電容傳感器，在振動平臺上裝好傳感器動極，用手按動平臺，使平臺振動時電容動極與定極不碰擦為宜。5、開啟“激振I”開關，振動臺帶動動極在定極中上下振動，用示波器觀察輸出波形。注意事項：電容動極須位于環(huán)型定極中間，安裝時須仔細作調整，實驗時電容不能發(fā)生擦片，否則電壓信號會發(fā)生突變。實驗三 PSD光電位置傳感器實驗一、實驗目的：了解PSD光電位置傳感器的原理及其特性。二、實驗原理：PSD（Position sensitive detector）是一種新型的橫向光電效應器件，當入射光點照在光敏面上時由于光生載流子的流動產(chǎn)生光生電流I，經(jīng)運算后即可知光點的位置。（圖1）P

23、SD器件工作原理三、實驗所需部件：PSD傳感器、固體激光器、位移裝置、PSD光電位置傳感器實驗模塊、電壓表、示波器四、實驗步驟：1、觀察PSD器件及安裝位置，激光器置于PSD組件中，調節(jié)反射體（被測物）與激光管的位置大約為7080mm ,模塊輸出V0端接電壓表及示波器，連接主機與實驗模塊的電源線及傳感器探頭。2、開啟主機電源，連接激光器電源并調節(jié)激光光點，激光束射到被測物體后其漫反射光經(jīng)透鏡聚焦入射PSD光敏面（激光器的光點位置可以旋轉調整，以提高PSD器件的光電流輸出），調節(jié)位移裝置，使光斑位于PSD光敏面中點（通過觀察窗口確認），調節(jié)模塊“增益”旋鈕，用示波器觀察，輸出波形不應有自激，此時

24、模塊電路輸出為零。3、分別向前和向后位移被測體，每位移0.1mm記錄一電壓值，并記入下表：XmmV0mv作出V-X曲線，計算靈敏度，分析工作線性。4、用遮擋物蓋住觀察窗口，使PSD器件不受背景光影響，重新進行位移測試，看結果是否有變化。注意事項：本實驗儀中的固體激光器只能作為實驗光源之用，嚴禁實驗者用激光光束照射人的眼睛，否則將會造成視力不可恢復的傷害。需注意的是由于背景光的影響及變化，可能會使多次實驗的結果有所不同。溫度傳感器設計一、 實驗目的：了解熱電偶、P-N結、熱敏電阻的工作特性，測溫原理及轉換電路。二、 基本原理：1 熱電偶測溫原理：兩種不同的導體互相焊接成閉合回路時，當兩個接點溫度

25、不同時回路中就會產(chǎn)生電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應，產(chǎn)生電流的電動勢叫做熱電勢。通常把兩種不同導體的這種組合稱為熱電偶。2 晶體二極管或三極管的PN結電壓是隨溫度變化的。例如硅管的PN結的結電壓在溫度每升高1時，下降約2.1mV，利用這種特性可作成各種各樣的PN結溫度傳感器。它具有線形好，時間常數(shù)?。?.22秒），靈敏度高等優(yōu)點，其不足之處是離散性大互換性較差。3 熱敏電阻的溫度系數(shù)有正有負，因此分為兩類：PTC熱敏電阻（正溫度系數(shù)）與NTC熱敏電阻（負溫度系數(shù)）。一般NTC熱敏電阻測量范圍較寬，主要用于溫度測量；而PTC突變型熱敏電阻的溫度范圍較窄，一般用于恒溫加熱控制或溫度開關，也用于彩電中作

26、自動消磁元件。有些功率PTC也作為發(fā)熱元件用。PTC緩變型熱敏電阻可用作溫度補償或作溫度測量。 三、 設計舉例溫度-頻率轉換電路 溫度-頻率轉換器電路圖上圖是一個溫度-頻率轉換電路。該電路利用RC電路充放電過程的指數(shù)函數(shù)和熱敏電阻的指數(shù)函數(shù)相比較的方法來改善熱敏電阻的非線性。該轉換器由溫度-電壓轉換電路（A1，A2，A3）、RC充放電電路、電壓比較A4和延時電路組成。其改善熱敏電阻RT的非線性原理如下：溫度-電壓轉換電路由熱敏電阻RT和運算放大器A1A3組成，產(chǎn)生一個與溫度相對應的電壓U+，加到比較器A4的正端。運算放大器A1為差動放大器A2提供一個低電壓的輸入的信號，其目的是減小熱敏電阻自身發(fā)熱所引起的誤差。A2輸出再由反相放大器A提高信號幅值。該幅值為RC電路（見A4反相輸入端）中的電容C上充電電壓為該轉換器是把RC電路充電過程中電容C上的電壓UC與溫度-電壓轉換電路的輸出電壓U+相比較，當RCU+時，比較器的輸出電壓由正變負，此負跳變電壓觸發(fā)延時電路（T1，T2），使延時電路輸出窄脈沖，驅動開關電路BG，為電容器C構成放電通路；當UCU+時，比較器A4輸出由負變正，延時電路輸出低電位，BG截止，電容器C開始一個新的充電周期。當溫度恒定時，輸出一個將與該溫度相對應的頻率信號。當溫度改變時，U+改變，使比較器