實驗指導7個實驗(b5)

1、陳敏-傳感與檢測實驗指導實驗前的預習知識CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀是用于檢測儀表類課程教學實驗的多功能教學儀器。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)。完成相關課程要求的數十種實驗，包含光、磁、電、溫度、位移、振動、轉速等內容的測試實驗。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。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，梁上裝有應變式、熱敏式、P-N結溫度式、熱電式和壓電加速度五種傳感器。平行梁上梁的上

2、表面和下梁的下表面對應地貼有八片應變片，受力工作片分別用符號 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”字樣的為半導體式應變片，靈敏系數130。（CSY10B型應變梁上只貼有半導體應變計。）熱電式（熱電偶）：串接工作的兩個銅一康銅熱電偶(T分度)分別裝在上、下梁表面，冷端溫度為環(huán)境溫度。分度表見實驗指導書。（CSY10B 型上梁表面安裝一支K分度標準熱電偶。）熱敏式：上梁表面裝有玻璃珠狀的半導體熱敏電阻MF-51，負溫度系數，25時阻值為810K。P-N結溫度式：根據半導體P-N結溫度特性所制成的具有良好線性范圍的集成溫度傳

3、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w霍爾片置于兩個半環(huán)形永久磁鋼形

4、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。MPX壓阻式：摩托羅拉擴散硅壓力傳感器，差壓工作，測壓范圍050KP。精度1%。（CSY10B）濕敏傳感器：高分子濕敏電阻，測量范圍：099%RH。氣敏傳感器：MQ3型，對酒精氣敏感，測量范圍10-2000PPm，靈敏度RO/R5。光敏傳感器：半導體光導管，光電阻與暗電阻從nM至nK雙孔懸臂梁稱重傳感器：稱重范圍0500g，精度1%。光電式傳感器裝于電機側旁。兩副平行式懸臂梁頂端均裝有置于激振線圈內的永久磁鋼，右邊圓盤式工作臺由“激振I”帶動，左邊平行式懸臂梁由“激振II”帶動。

5、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，打開加熱開關即能加熱,工作時能獲得高于溫度30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、調速開關。（CSY10B裝有激振轉換開關）兩支測微頭分別裝在左、右兩邊的支架上。（CSY10B只有右邊一支）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，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，Vp-p值20V，180°、0°為反

6、相輸出，Lv端最大功率輸出1.5A。直流穩(wěn)壓電源：±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。±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。12 數字式電壓/頻率表：3 位顯示，分2V、20V、2KHz、20KHz四檔，靈敏度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%。數字式溫度計：K分度熱電偶測溫，精度±1。（CSY10B型）三、處理電路：位于儀器下部面板電橋：用于組成應變電橋，面板上虛線所示電阻為虛設，僅為組橋提供插座。R1、R

7、2、R3為350標準電阻，WD為直流調節(jié)電位器，WA為交流調節(jié)電位器。差動放大器：增益可調直流放大器，可接成同相、反相、差動結構，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：集成運放極性反轉電路構成，所需最小參考電壓0.5Vp-p，允許最大輸入電壓20Vp-p。電荷放大器：電容反饋式放大器，用于

8、放大壓電加速度傳感器輸出的電荷信號。電壓放大器：增益5倍的高阻放大器。渦流變換器：變頻式調幅變換電路，傳感器線圈是三點式振蕩電路中的一個元件。溫度變換器（信號變換器）：根據輸入端熱敏電阻值、光敏電阻及P-N結溫度傳感器信號變化輸出電壓信號相應變化的變換電路。低通濾波器：由50Hz陷波器和RC濾波器組成，轉折頻率35Hz左右。使用儀器時打開電源開關，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控制處理電路的工作電源，進行實驗時請勿關掉。指針式毫伏表工作前需輸入端對地短路調零，取掉短路線后指針有所偏轉是正?，F象，不影響測試。注意：本儀器是實驗性儀器，各電路完成的實驗主要目的是對

9、各傳感器測試電路做定性的驗證，而非工程應用型的傳感器定量測試。各電路和傳感器性能建議通過以下實驗檢查是否正常：1應變片及差動放大器，參考附圖2進行單臂、半橋和全橋實驗，各應變片是否正常可用萬用表電阻檔在應變片兩端測量其阻值。各接線圖兩個節(jié)點間即為一實驗接插線，接插線可多根迭插，并保證接觸良好。2半導體應變片，進行半導體應變片直流半橋實驗。3熱電偶，按附圖4接線，加熱器打開即可，觀察隨溫度升高熱電勢的變化。4熱敏式，按附圖5接線，進行“熱敏傳感器實驗”，電熱器加熱升溫，觀察隨溫度升高“V0”端輸出電壓變化情況，注意熱敏電阻是負溫度系數。5P-N結溫度式，進行P-N結集成溫度傳感器測溫實驗，注意電

10、壓表2V檔顯示值為絕對溫度T(K氏溫度)。6進行“移相器實驗”，用雙蹤示波器觀察兩通道波形。7進行“相敏檢波器實驗”，相敏檢波端口序數請參照附圖6，其中4端為參考電壓輸入端。8進行“電容式傳感器特性”實驗，接線參照附圖7。當振動圓盤帶動動片上下移動時，電容變換器V0端電壓應正負過零變化。9進行“光纖傳感器位移測量”，光纖探頭可安裝在原電渦流線圈的橫支架上固定，端面垂直于鍍鉻反射片，旋動測微頭帶動反射片位置變化，從“V0”端讀出電壓變化值。光電變換器“F0”端輸出頻率變化方波信號。測頻率變化時可參照“光纖傳感器轉速測試”步驟進行。10進行光電式傳感器測速實驗，VF端輸出的是頻率信號。11. 進行

11、光敏電阻測光實驗，信號變換器輸出電壓變化范圍1V。12. 進行氣敏傳感器特性實驗，特別注意加熱電壓一定不能±2V。13. 進行濕敏傳感器特性演示實驗，注意控制激勵信號的頻率及幅值。14. 進行擴散硅壓力傳感器實驗，試驗傳感器差壓信號輸出情況。15將低頻振蕩器輸出信號送入低通濾波器輸入端、輸出端用示波器觀察，注意根據低通輸出幅值調節(jié)輸入信號大小。16進行“差動變壓器性能”實驗，檢查電感式傳感器性能，實驗前要找出次級線圈同名端，次級所接示波器為懸浮工作狀態(tài)。17進行“霍爾式傳感器直流激勵特性”實驗，接線參照附圖9，直流激勵信號絕對不能大于2V!否則一定會造成霍爾元件燒壞。18進行“磁電式

12、傳感器”實驗，磁電傳感器兩端接差動放大器輸入端，差動放大器增益適當控制,用示波器觀察輸出波形，參見附圖12。19進行“壓電加速度傳感器”實驗，接線參見附圖13,傳感器引線屏蔽層必須接地。此實驗與上述第12項內容均無定量要求。20進行“電渦流傳感器的靜態(tài)標定”實驗，接線參照圖11，其中示波器觀察波形端口應在渦流變換器的左上方，即接電渦流線圈處，右上端端口為振蕩信號經整流后的直流電壓。21如果儀器是帶微機接口和實驗軟件的，請參閱數據采集及處理說明。數據采集卡已裝入儀器中，其中A/D轉換是12位轉換器，無漏碼最大分辨率1/2048（即0.05%），在此范圍內的電壓值可視為容許誤差。所以建議在做小信號

13、實驗（如應變電橋單臂實驗）時選用合適的量程（如200mv），以正確選取信號,減小誤差。儀器后部的RS232接口請接計算機串行口工作。所接串口須與實驗軟件設置一致，否則計算機將收不到信號。儀器工作時需良好的接地，以減小干擾信號，并盡量遠離電磁干擾源。儀器的型號不同，傳感器種類不同，則檢查項目也會有所不同，請自行根據儀器型號選擇實驗內容。上述檢查及實驗能夠完成則整臺儀器各部分均為正常。實驗時請非常注意實驗指導書中實驗內容后的“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”電源不能直接接入應變片、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

14、可松動調節(jié)螺絲稍作調整，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，銅質砝碼做稱重實驗之用。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-1040。實驗一箔式應變片性能單臂電橋一、實驗目地：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。二、實驗原理：本實驗說明箔式應變片及單臂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，當測件受力發(fā)生形變，應變片的敏

15、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。三、實驗所需部件：直流穩(wěn)壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、測微頭、（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表。四、實驗步驟： 1調零。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。輸出端接數字電壓表，用“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，調整“調零”電位器，使指針居“零”位。拔掉短路線，指針有偏轉是有源指針式電壓表輸入端懸空時的正常情況。調零后關閉儀器電源。2按圖（

16、1）將實驗部件用實驗線連接成測試橋路。橋路中R1、R2、R3、和WD為電橋中的固定電阻和直流調平衡電位器，R為應變片（可任選上、下梁中的一片工作片）。直流激勵電源為±4V。測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調節(jié)使應變梁處于基本水平狀態(tài)。3確認接線無誤后開啟儀器電源，并預熱數分鐘。調整電橋WD電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。4旋動測微頭，帶動懸臂梁分別作向上和向下的運動，以懸臂梁水平狀態(tài)下電路輸出電壓為零為起點，向上和向下移動各5mm，測微頭每移動0.5mm記錄一個差動放大器輸出電壓值，并列表。（或在雙孔懸臂梁稱重平臺上依次放上砝碼，進行上述實驗）。4V RR4V R RWDV圖 （1）

17、位移mm電壓V電壓V電壓V電壓V電壓V電壓V實驗小組每一位同學操作一次，記錄數據添入表中。根據表中所測數據計算靈敏度S，SVX，并在坐標圖上做出VX關系曲線。五、注意事項： 1實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應盡量使用較短的接插線，以避免引入干擾。 2接插線插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內導線斷裂。3穩(wěn)壓電源不要對地短路。實驗二 箔式應變片測量電路的非線性補償一、 目的：1、 了解箔式應變片測量電路的非線性補償方法；2、 測試并計算非線性補償值。二、 實驗原理：說明實際使用的應變電橋的性能和原理。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

18、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R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，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；根據戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓為1/2E.。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。是沒有非線性的測量電路。三、實驗所需部件 直流穩(wěn)壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、測微頭、（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表。三、實驗步驟： 1在完成實驗一的基礎上，不變動差動放大器增益和調零電位器，依次將圖（1）中電橋固定電阻R1、R2、R3換成箔

19、式應變片，分別接成半橋測試系統(tǒng)。2重復實驗一中34步驟，測出單臂和半橋輸出電壓并列表，計算非線性。位移mm電壓V電壓V電壓V電壓V電壓V電壓V3在同一坐標上描出VX曲線，比較箔式應變片單臂、半橋測量電路的非線性，并做出定性的結論。理論直線可以用端基法求取。四、注意事項： 1應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，以免造成應變片自熱損壞。3思考實驗中出現的問題實驗三 箔式應變片測量電路靈敏度比較一目的1、了解箔式應變片測量電路的靈敏度測試方法；2、測試比較各種電路的靈敏度二實驗原理：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，

20、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R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，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R1R2R3R4R，。已知單臂、半橋和全橋電路的R分別為R/R、2RR、4RR。根據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·R，電橋靈敏度KuVRR，于是對應于單臂、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。由此可知，單臂，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。二、實驗所

21、需部件 直流穩(wěn)壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、測微頭、（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表。三、實驗步驟： 1在完成實驗一的基礎上，不變動差動放大器增益和調零電位器，依次將圖（1）中電橋固定電阻R1、R2、R3換成箔式應變片，分別接成半橋和全橋測試系統(tǒng)。2重復實驗一中34步驟，測出半橋和全橋輸出電壓并列表，計算靈敏度。位移mm電壓V電壓V電壓V電壓V電壓V電壓V3在同一坐標上描出VX曲線，比較二種橋路的靈敏度，并做出定性的結論。四、注意事項： 1應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，以免造成應變片自熱損壞。3思考實驗中的問題。實驗

22、四光纖位移傳感器位移測量一、實驗原理： 反射式光纖位移傳感器的工作原理如圖（7）所示，光纖采用Y型結構，兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭，在傳感系統(tǒng)中，一支為接收光纖，另一支為光源光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經光源光纖照射至反射體，被反射的光經接收光纖至光電轉換器，光電元件將接收到的光信號轉換為電信號。其輸出的光強決定于反射體距光纖探頭的距離，通過對光強的檢測而得到位置量。輸出電壓（V）位移0 1 2 3 4 5 6 7mm光源光纖接收光纖X反射體X圖（7）反射式光纖位移傳感器原理圖及輸出特性曲線二、實驗所需部件：光纖、光電轉換器、光電變換器、低頻振蕩器、示波器、電壓

23、表、支架、反射片、測微頭。三、實驗步驟： 1觀察光纖結構：本儀器中光纖探頭為半圓型結構，由數百根光導纖維組成，一半為光源光纖，一半為接收光纖。 2將原裝在電渦流線圈支架上的電渦流線圈取下，裝上光纖探頭，探頭對準鍍鉻反射片（即電渦流片）。3振動臺上裝上測微頭，開啟電源，光電變換器Vo端接電壓表。旋動測微頭，帶動振動平臺，使光纖探頭端面緊貼反射鏡面（必要時可稍許調整探頭角度），此時Vo輸出為最小。然后旋動測微頭，使反射鏡面離開探頭，每隔0.25mm取一Vo電壓值填入下表。4通過實驗數據求取最佳測量范圍，作出VX曲線。X00.250.50.751.01.251.51.752.02.252.52.75

24、3.03.253.53.754.0VVVX4.254.504.755.05.255.55.756.06.256.56.757.0VVV得出輸出電壓特性曲線如圖(7)所示，分前坡和后坡，通常測量是采用線性較好的前坡。找出前坡中點。四、注意事項： 1光電變換器工作時Vo最大輸出電壓以2V左右為好，如增益過高可能導致FO端無法讀取頻率值，可通過調節(jié)增益電位器控制。2實驗時請保持反射鏡片的潔凈與光纖端面的垂直度。 3工作時光纖端面不宜長時間直照強光，以免內部電路受損。 4注意背景光對實驗的影響,光纖勿成銳角曲折。 5每臺儀器的光電轉換器都是與儀器單獨調配的，請勿互換使用，光電轉換器應與儀器編號配對，以

25、保證儀器正常使用。實驗五霍爾式傳感器的直流激勵特性實驗1.本次實驗的目的和要求了解霍爾式傳感器的結構、工作原理，學會用霍爾傳感器做靜態(tài)位移測試。直流激勵電壓須嚴格限定在2V，絕對不能任意加大，以免損壞霍爾元件。2.實驗內容或原理霍爾式傳感器是由工作在兩個環(huán)形磁鋼組成的梯度磁場和位于磁場中的霍爾元件組成。當霍爾元件通以恒定電流時，霍爾元件就有電勢輸出?；魻栐谔荻却艌鲋猩?、下移動時，輸出的霍爾電勢V取決于其在磁場中的位移量X，所以測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾元件的靜位移。3.需用的儀器或試劑等直流穩(wěn)壓電源、電橋、霍爾傳感器、差動放大器、電壓表、測微頭。4.實驗步驟WDR2V差放 電壓表圖（5）按圖（5）接線，裝上測微頭，