工程測試實驗指導(dǎo)書課案

1、使用說明CSYioa傳感器系統(tǒng)實驗儀是用于檢測類課程教學(xué)實驗的多功能教學(xué)儀器。其特點是集被測體、各種傳感器、信號激勵源、處理電路和顯示器于一體，可以組成一個完整的測試系統(tǒng)。通過實驗指導(dǎo)書所提供的實驗舉例，能完成包含光、磁、電、溫度、位移、振動、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的測試實驗。通過這些實驗，實驗者可對各種不同 的傳感器及測量電路原理和組成有直觀的感性認識，并可在本儀器上開發(fā)出新的實驗內(nèi)容。實驗儀主要由實驗工作臺、處理電路、信號與顯示電路三部分組成。實驗儀的傳感器配置及布局是：一、位于儀器頂部的實驗工作臺部分，左邊是一副平行式懸臂梁，梁上裝有應(yīng)變式、熱敏式、熱電式、P-N結(jié)溫度式和壓電加速度五種傳感器。平行

2、梁上梁的上表面和下梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別咖號 *和 表示。其中六片為金屬箔式片（ BHF-350 ）。橫向所貼的兩片為 溫度補償片，用符號和表示。片上標有“ BY ”字樣的為半導(dǎo)體式應(yīng)變片，靈敏系數(shù)130。熱敏式：上梁表面裝有玻璃珠狀的半導(dǎo)體熱敏電阻MF-51 ,負溫度系數(shù)，25C時阻值為810K。P-N結(jié)溫度式：根據(jù)半導(dǎo)體P-N結(jié)溫度特性所制成的具有良好線性范圍的集成溫度傳感器。壓電加速度式：位于懸臂梁自由端部，由PZT-5雙壓電晶片、銅質(zhì)量塊和壓簧組成，裝在透明外殼中。實驗工作臺左邊是由裝于機內(nèi)的另一副平行梁帶動的圓盤式工作臺。圓盤周圍一圈安裝有（依逆時針方向）電感

3、式（差動變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式、壓阻式等傳感器。電感式（差動變壓器）：由初級線圈Li和兩個次級線圈 L。繞制而成的空心線 圈，圓柱形鐵氧體鐵芯置于線圈中間，測量范圍10mm。電容式：由裝于圓盤上的一組動片和裝于支架上的兩組定片組成平行變面積 式差動電容，線性范圍3mm。磁電式：由一組線圈和動鐵（永久磁鋼）組成，靈敏度0.4V/m/s?；魻柺剑喊雽?dǎo)體霍爾片置于兩個半環(huán)形永久磁鋼形成的梯度磁場中，線性范圍3mm。電渦流式：多股漆包線繞制的扁平線圈與金屬渦流片組成的傳感器，線性范圍 1mm。光電式傳感器裝于電機側(cè)旁。兩副平行式懸臂梁頂端均裝有置于激振線圈內(nèi)的永久磁鋼，右邊圓盤式工

4、作 臺由“激振I”帶動，左邊平行式懸臂梁由“激振 II”帶動。為進行溫度實驗，左邊懸臂梁之間裝有電加熱器一組，加熱電源取自15V直流電源，打開加熱開關(guān)即能加熱，工作時能獲得高于溫度30C左右的升溫。以上傳感器以及加熱器、激振線圈的引線端均位于儀器下部面板最上端一排。實驗工作臺上還裝有測速電機一組及控制、調(diào)速開關(guān)。兩支測微頭分別裝在左、右兩邊的支架上。二、信號及儀表顯示部分：位于儀器上部面板低頻振蕩器：130Hz輸出連續(xù)可調(diào)，Vp-p值20V，最大輸出電流1.5A , Vi端插口可提供用作電流放大器。音頻振蕩器：0.4KHz10KHz 輸出連續(xù)可調(diào)，Vp-p值20V, 180 、0 為反相輸出，

5、Lv端最大功率輸出 1.5A。直流穩(wěn)壓電源：土 15V，提供儀器電路工作電源和溫度實驗時的加熱電源，最 大輸出1.5A。土 2V 10V，檔距2V，分五檔輸出，提供直流信號源，最大輸出電 流 1.5A。數(shù)字式電壓/頻率表：3位顯示，分 2V、20V、2KHz、20KHz四檔，靈敏度2 50mV，頻率顯示 5Hz20KHz。指針式直流毫伏表：測量范圍500Mv、50mV、5mV三檔，精度 2.5%。三、處理電路：位于儀器下部面板電橋：用于組成應(yīng)變電橋，面板上虛線所示電阻為虛設(shè)，僅為組橋提供插座。R2、R3為350 Q標準電阻， Wd為直流調(diào)節(jié)電位器，Wa為交流調(diào)節(jié)電位器。差動放大器：增益可調(diào)直流

6、放大器，可接成同相、反相、差動結(jié)構(gòu)，增益1- 100倍。光電變換器：提供光纖傳感器紅外發(fā)射、接收、穩(wěn)幅、變換，輸出模擬信號電 壓與頻率變換方波信號。四芯航空插座上裝有光電轉(zhuǎn)換裝置和兩根多模光纖（一根 接收，一根發(fā)射）組成的光強型光纖傳感器。電容變換器：由高頻振蕩、放大和雙 T 電橋組成。移相器：允許輸入電壓 20Vp-p ，移相范圍 40（隨頻率不同有所變化） 。 相敏檢波器：集成運放極性反轉(zhuǎn)電路構(gòu)成，所需最小參考電壓 0.5Vp-p ，允許 最大輸入電壓W 20Vp-p。電荷放大器：電容反饋式放大器，用于放大壓電加速度傳感器輸出的電荷信號。渦流變換器：變頻式調(diào)幅變換電路，傳感器線圈是三點式振

7、蕩電路中的一個 元件。溫度變換器（信號變換器） ：根據(jù)輸入端熱敏電阻值、光敏電阻及 P-N 結(jié)溫度 傳感器信號變化輸出電壓信號相應(yīng)變化的變換電路。低通濾波器：由 50Hz 陷波器和 RC 濾波器組成，轉(zhuǎn)折頻率 35Hz 左右。使用儀器時打開電源開關(guān)，檢查交、直流信號源及顯示儀表是否正常。儀器 下部面板左下角處的開關(guān)控制處理電路的工作電源，進行實驗時請勿關(guān)掉。指針式毫伏表工作前需輸入端對地短路調(diào)零，取掉短路線后指針有所偏轉(zhuǎn)是 正?，F(xiàn)象，不影響測試。實驗時請非常注意實驗指導(dǎo)書中實驗內(nèi)容后的“注意事項” ，要在確認接線無 誤的情況下開啟電源，盡量避免電源短路情況的發(fā)生，加熱時“15V ”電源不能直接

8、接入應(yīng)變片、 熱敏電阻和熱電偶。 實驗工作臺上各傳感器部分如相對位置不太正 確可松動調(diào)節(jié)螺絲稍作調(diào)整， 原則上以按下振動梁松手， 周邊各部分能隨梁上下振 動而無碰擦為宜。附件中的稱重平臺是在實驗工作臺左邊的懸臂梁旁的測微頭取開后裝于頂端 的永久磁鋼上方，銅質(zhì)砝碼（20 克 /個）做稱重實驗之用。實驗開始前請檢查實驗連接線是否完好，以保證實驗順利進行。本實驗儀需防塵，以保證實驗接觸良好，儀器正常工作溫度-10 C 40 C。實驗一箔式應(yīng)變片性能單臂電橋一、實驗?zāi)康模?. 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(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、實驗原理：本實驗說明箔式

9、應(yīng)變片及單臂直流電橋的原理和工作情況。應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼 在測試體表面，當測件受力發(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)換成電信號輸出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，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Ri、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為 Ri / Ri、A R2/ R2、A R3/ R3、A R4/ R4,當使用一個應(yīng)變片時，_ A_2AR R ;當二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，則有 R;用四個應(yīng)變片組RR4 ar成二個差動對工作，且 Ri= R2

10、 = R3= R4= R,、R =R由此可知，單臂，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。三、實驗所需部件：直流穩(wěn)壓電源（土 4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應(yīng)變片、懸臂梁、稱重砝 碼、電壓表。四、實驗步驟：1 調(diào)零。開啟儀器電源，差動放大器增益置 100倍（順時針方向旋到底），“+、 -”輸入端用實驗線對地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線。調(diào)零后電位器位置不要變化。如需使用毫伏表，則將毫伏表輸入端對地短路，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針 居“零”位。拔掉短路線，指針有偏轉(zhuǎn)是有源指針式電壓表輸入端懸空時的正常情 況。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。2 按圖將實驗部

11、件用實驗線連接成測試橋路。橋路中Ri、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)變片（可任選上、下梁中的一片工作片）。直流激勵電源為土 4V。3 確認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 在懸臂梁稱重平臺上依次放上砝碼（20g/個），進行上述實驗）砝碼g電壓V根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)計算靈敏度S, S= V/A W,并在坐標圖上做出V W關(guān)系曲線。五、注意事項：1.實驗前應(yīng)檢查實驗接插線是否完好, 以避免引入干擾。2 接插線插入插孔，以保證接觸良好, 線內(nèi)導(dǎo)線斷裂。3. 穩(wěn)壓電源不要對地短路。連接電路時應(yīng)盡量使用較短的接插線，切忌用力拉

12、扯接插線尾部，以免造成11實驗二 箔式應(yīng)變片三種橋路性能比較一、實驗?zāi)康模? 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。5 測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。6 比較各橋路間的輸出關(guān)系。二、實驗原理：說明實際使用的應(yīng)變電橋的性能和原理。已知單臂、半橋和全橋電路的刀R分別為 R/R、2 R/ R、4 R/ R。根據(jù)戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓近似等于1/4 E 刀R，電橋靈敏度 Ku = V/ R/ R,于是對應(yīng)于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度度分別為1/4E、1/2E和E.。由此可知， 當 E 和電阻相對變化一定時， 電橋及電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無 關(guān)。三、實驗所需部件直流穩(wěn)壓電源( 4V 檔)

13、、電橋、差動放大器、箔式應(yīng)變片、懸臂梁、稱重砝 碼、電壓表。四、實驗步驟：1在完成實驗一的基礎(chǔ)上，不變動差動放大器增益和調(diào)零電位器，依次將圖(1)中電橋固定電阻 &、R2、R3換成箔式應(yīng)變片，分別接成半橋和全橋測試系統(tǒng)。2 重復(fù)實驗一中 34 步驟，測出半橋和全橋輸出電壓并列表，計算靈敏度。3在同一坐標上描出 VW 曲線，比較三種橋路的靈敏度，并做出定性的結(jié) 論。五、注意事項：1應(yīng)變片接入電橋時注意其受力方向，一定要接成差動形式。2 直流激勵電壓不能過大，以免造成應(yīng)變片自熱損壞。實驗三半導(dǎo)體應(yīng)變計性能一、實驗?zāi)康模毫私獍雽?dǎo)體應(yīng)變計的靈敏度和溫度效應(yīng)。二、實驗原理：II? 口 /古 nl 戸dR

14、 dp 丄 dl ds dp 丄 dl .,小、.,、.、由于材料的阻值 R = p -,則（1 2口），當應(yīng)變s R p l s p l AlAR/ R心 p/ p，靈敏度 K（1 2）;對于箔式應(yīng)變片，K箔 1 + 2l-卩，主要是由形變引起。對于半導(dǎo)體應(yīng)變計，K半（ p / p ） /刀，主要由電阻率變化引起。由于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”特別明顯，可以反映出很微小的形變， 所以K半要大于K箔，但是受溫度影響大。圖（4）三、實驗所需部件：直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動放大器、半導(dǎo)體應(yīng)變計、測微頭、電壓表、溫度計 （可用儀器中的 P- N結(jié)溫度傳感器或熱電偶作測溫參考）。四、實驗步驟：1 按圖（4

15、）接線，R是半導(dǎo)體應(yīng)變計，另一臂電阻是電橋上固定電阻。開 啟電源后預(yù)熱數(shù)分鐘。2 按單臂電橋?qū)嶒灢襟E調(diào)整懸臂梁位置，調(diào)整系統(tǒng)輸出，用測微頭進行位移， 記錄V , X數(shù)據(jù)，（每次移動0.5mm）作出V X曲線，求出靈敏度。3 重新調(diào)整測試系統(tǒng)輸出為零。記錄加溫前的工作溫度T。4 打開“加熱”開關(guān)，觀察隨溫度升高系統(tǒng)輸出電壓溫漂情況。待電壓穩(wěn)定后測得溫升，求出系統(tǒng)的溫漂V/ T。X(mm)V(v)五、注意事項：此實驗中直流激勵電壓只能用土2V，以免引起半導(dǎo)體自熱。實驗四光電傳感器轉(zhuǎn)速測試一、實驗?zāi)康模毫私夤怆婇_關(guān)的原理和應(yīng)用。二、實驗原理：光電開關(guān)由紅外發(fā)射、接收及整形電路組成，為遮斷式工作方式。

16、三、實驗所需部件：光電傳感器、光電變換器、測速電機及轉(zhuǎn)盤、電壓/頻率表 2KHZ檔、示波器。四、實驗步驟：1 光電傳感器“光電”端接光電變換器豐端，“光電輸出”須先接入“轉(zhuǎn)速信號入”端，經(jīng)整形電路輸出，在“轉(zhuǎn)速信號出”端口讀取頻率信號。Vf端接示波器和電壓/頻率表 2KHZ。2 安裝好光電傳感器位置，勿與轉(zhuǎn)盤盤面相擦。3開啟電源，打開電機開關(guān)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。用示波器觀察光電轉(zhuǎn)換器Vf端（轉(zhuǎn)速信號出端），并讀出波形頻率，與頻率表所示頻率比較。4. 電機轉(zhuǎn)速=方波頻率* 25 將一較強光源照射儀器轉(zhuǎn)盤上方，觀察測試方波是否正常。6.由此可以得出結(jié)論，光電開關(guān)受外界影響較小，工作可靠性較高。實驗五電

17、容式傳感器位移測量一、實驗?zāi)康恼莆针娙菔絺鞲衅鞯墓ぷ髟砗蜏y量方法。二、實驗原理電容式傳感器有多種形式，本儀器中是差動平行變面積式。傳感器由兩組定片 和一組動片組成。當安裝于振動臺上的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的相 對面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動電容。如將上層定片與動片 形成的電容定為 Cxi，下層定片與動片形成的電容定為Cx2，當將Cxi和Cx2接入雙T型橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān)。三、實驗所需部件電容傳感器、電容變換器、差動放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測微頭。CxiX2電容變換器低通差放 電壓表I I四、實驗步驟1 按上圖接線，電容變換器和差動放大器的增益適度。