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文檔簡介

1、傳感器原理與應用實驗指導書陳小玲、韓克王立功、柳秀山編廣東技術師范學院電子與信息學院目錄實驗一金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較1實驗二電容式傳感器的位移特性實驗7實驗三差動變壓器的性能實驗9實驗四電渦流傳感器位移特性實驗11實驗五光纖溫度傳感器性能實驗13實驗六壓電式傳感器測量振動實驗14實驗七霍爾、 光電轉速傳感器測速實驗16實驗八超聲波傳感器測距實驗錯誤!未定義書簽。實驗九熱釋電遠紅外傳感器輻射特性錯誤!未定義書簽。實驗十光敏電阻的伏安特性錯誤!未定義書簽。實驗十一光敏二極管的伏安特性錯誤!未定義書簽。實驗十二光敏三極管的伏安特性錯誤!未定義書簽。實驗十三光電耦合器件的輸出特性及電流

2、傳輸比錯誤!未定義書簽。實驗十四光電耦合器件的交流耦合實驗錯誤!未定義書簽。實驗十五光電池的伏安特性錯誤!未定義書簽。附錄一多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件使用說明錯誤!未定義書簽。附錄二溫控儀表操作說明錯誤!未定義書簽。課程類型:學科專業(yè)課課程代碼:課程總學時:實驗課程性質:非獨立設課課程實驗學時:12綜合性、設計性實驗項目數(shù):2個 4學時 適用專業(yè):電子與通信類開課時間:三年級一學期開課單位:電子與信息學院撰寫人:陳小玲審定人:王立功實驗一金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較一、實驗目的與要求比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度,得出相應的結論。二、實驗類型綜合型三、實驗原理及說明電阻絲在

3、外力作用下發(fā)生機械變形時,其電阻值發(fā)生變化,這就是電阻應變效應,描述電阻應變效應的關系式為:R / RK式中R / R 為電阻絲電阻的相對變化,K 為應變靈敏系數(shù),l / l 為電阻絲長度相對變化,金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件,通過它轉換被測部位的受力狀態(tài)變化,電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化,電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。單臂電橋輸出電壓U O1EK/ 4 。不同受力方向的兩片應變片接入電橋作為鄰邊,電橋輸出靈敏度提高,非線性得到改善。當兩片應變片阻值和應變量相同時,其橋路輸出電壓Uo2= EK / 2 。全橋測量電路中,將受力性質相同的兩應變片接入電橋

4、對邊,不同的接入鄰邊,當應變片初始阻值:R1= R2= R3= R4,其變化值R1=R2=R3= R4 時,其橋路輸出電壓 Uo3= KE。其輸出靈敏度比半橋提高了一倍。四、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1應變式傳感器實驗模塊測量模塊2應變式傳感器感受待測信號3砝碼使應變式傳感器受力14±15V 電源、 ±4V 電源提供電源5數(shù)顯表顯示電壓值五、實驗步驟應變式傳感器已裝于應變傳感器模塊,如圖1-1 所示。傳感器中各應變片已接入模塊的左上方的R1、R2、 R3、 R4,其中 R1= R2= R3= R4=350 ,加熱絲阻值為50左右。應變片托盤引出線彈性體固定墊

5、圈限程螺絲模塊固定螺絲應變片加熱絲圖 1-1應變式傳感器安裝示意圖一)單臂電橋實驗1、模塊的差分式放大電路調(diào)零。接入模塊電源±15V(從主控箱引入) ,將實驗模塊調(diào)節(jié)增益電位器Rw3 順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置,再進行差動放大器調(diào)零,方法為將差放的正、負輸入端與地短接,輸出端與主控箱面板上的數(shù)顯表電壓輸入端Vi 相連,檢查無誤后, 合上主控箱電源開關,調(diào)節(jié)實驗模塊上調(diào)零電位器Rw4 ,使主控箱的電壓表顯示為零(表的切換開關打到 200mV 或 2V 檔)。關閉主控箱電源。 (注意:實驗過程中單臂、半橋、全橋的放大器增益必須相同) 。2、接單臂電橋。根據(jù)圖 1-2 和 1-3 接線。將應

6、變式傳感器的其中一個應變片 R1(即模塊左上的 R1)接入電橋作為一個橋臂與 R5 、R6、R7 接成直流電橋 ( R5、R6、R7 模塊內(nèi)已連接好) ,接好電橋調(diào)零電位器 Rw 1,接上橋路電源 ±4V(從主控箱引入) 。檢查接線無誤后,合上主控箱電源開關。調(diào)節(jié) Rw 1,使數(shù)顯表顯示為零。3、在電子秤上放置一只砝碼,讀取數(shù)顯表數(shù)值,依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值,直到500g(或 200g)砝碼加完。記下實驗結果填入表1-1,關閉電源。表 1-1單臂電橋輸出電壓與加負載重量值重量( g)20406080100120140160180200電壓(mv )2接主控箱 接數(shù)顯表電源輸

7、出V i 地加熱R1接主控箱+4V-4V 接主控箱電源輸出電源輸出圖 1-2應變式傳感器單臂電橋實驗接線圖二)半橋實驗1、模塊的差分式放大電路調(diào)零。方法同上。2、接半橋電路。根據(jù)圖 1-4 和 1-5 接線。 R1、 R2 為實驗模塊左上方的應變片,注意R2 應和 R1受力狀態(tài)相反,即將傳感器中兩片受力相反(一片受拉、一片受壓)的電阻應變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±4V ,調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1 進行橋路調(diào)零。R5R1RW1送差分運放R8R6R7+4V-4V圖 1-3 單臂電橋接線圖3接主控箱電接數(shù)顯表接主控箱電 源輸出 Vi 地源輸出圖 1-4應變式傳感器半橋實驗接線圖R2

8、R1RW1送差分運放R8R6R7+4V-4V圖 1-5 單臂電橋接線圖3、在電子秤上放置一只砝碼,讀取數(shù)顯表數(shù)值,依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值,直到 500g(或 200g)砝碼加完。記下實驗結果填入表1-2。表 1-2半橋測量時,輸出電壓與加負載重量值重量( g)20 40 6080 100 120 140160 180 200電壓(mv )三)全橋實驗1、模塊的差分式放大電路調(diào)零。方法同上。2、接全橋電路。根據(jù)圖 1-6 和 1-7 接線。將應變片傳感器的4 個應變片接成全橋。4圖 1-6 應變式傳感器全橋實驗接線圖R1R2RW1送差分運放R8R4R3+4V-4V圖 1-7 全橋接線圖

9、3、橋路調(diào)零。接好電橋后,檢查接線無誤后,合上主控箱電源開關。調(diào)零電位器Rw 1,使主控箱的電壓表顯示為零。4、測實驗數(shù)據(jù)。在電子秤上放置一只砝碼,讀取數(shù)顯表數(shù)值,依次增加砝碼和讀取相應的電壓表的數(shù)值。記下實驗結果填入表1-3,關閉電源。表 1-3全橋輸出電壓與加負載重量值重量( g)20406080100120140160180200電壓(mv )六、實驗數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)表 1-1 計算系統(tǒng)靈敏度S,S=u /W (u 輸出電壓變化量;W 重量變5化量)計算線性誤差:f1 =m/ y F ?S×100% ,式中m 為輸出值(多次測量時為平均值)與擬合直線的最大偏差:y F ?S

10、滿量程輸出平均值,此處為200g。七、思考題1、全橋測量中, 當兩組對邊 ( R1、R3 為對邊) 電阻值 R 相同時, 即 R1= R 3, R2= R4 ,而 R1R2 時,是否可以組成全橋: (1)可以 ( 2)不可以。2、某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片,如何利用這四片電阻應變片組成電橋,是否需要外加電阻?FFR3R1R4R2R3R1R4R2FF圖 1-4應變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖6實驗二電容式傳感器的位移特性實驗一、實驗目的與要求了解電容式傳感器結構及其特點。二、實驗原理及說明利用平板電容CA / d 和其他結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選

11、擇、A 、d 三個參數(shù)中,保持兩個參數(shù)不變,而只改變其中一個參數(shù),則可以有測谷物干燥度(變)、測微小位移(d 變)和測量也為(A 變)等多種電容傳感器。三、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1電容傳感器實驗模塊測量模塊2電容傳感器感受待測信號3直流穩(wěn)壓電源提供電源4數(shù)顯表顯示電壓值四、實驗內(nèi)容和步驟1、按圖 2-1 安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模塊上。差動變壓器模塊測量架測微頭電容傳感器圖 2-1電容、差動傳感器安裝示意圖2、將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗模塊上標有 Ti 的插孔中, 實驗接線圖如圖 2-2 所示。3、將電容傳感器實驗模塊的輸出端V o1 與主控箱的數(shù)顯

12、表單元V i 相接(插入主控箱 V i 孔), Rw 調(diào)節(jié)到中間位置。4、接入 ±15V 電源,旋動測微頭推進電容傳感器動極板位置,每隔0.2mm 記下位移 X 與輸出電壓值,填入下表。X( mm)V ( mv )7接主控箱電源輸出V i 接主控箱數(shù)地 顯表圖 2-2電容傳感器位移實驗接線圖五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)下上表數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S 和非線性誤差f 。六、思考題試設計利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結構。能否敘述一下在設計中應考慮哪些因素?8實驗三差動變壓器的性能實驗一、實驗目的與要求了解差動變壓器的工作原理和特性。二、實驗原理及說明差動變壓器由一只初級線圈和

13、兩只次級線圈及一個鐵芯組成,根據(jù)內(nèi)外層排列不同,有二段式和三段式,本實驗采用三段式結構。當傳感器隨著被測體移動時,由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化,促使次級線圈感應電勢產(chǎn)生變化,一只次級感應電勢增加,另一只感應電勢則減少,將兩只次級線圈反向串接(同名端連接),就引出差動輸出。其輸出電勢反映出被測體的移動量。三、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1差動變壓器實驗模塊測量模塊2差動變壓器傳感器感受待測信號3測微頭測位移4直流電源提供電源5音頻信號源產(chǎn)生音頻信號6雙線示波器觀察輸入輸出信號四、實驗內(nèi)容和步驟1、根據(jù)圖2-1,將差動變壓器裝在差動變壓器實驗模塊上。2、將差動傳感器輸出線

14、插入差動傳感器實驗模塊上標有Ti 的插孔中。 模塊上電路按照圖3-2 接線,音頻振蕩器信號接1、 2 端,音頻振蕩器信號從主控箱中的L V 端子輸出,調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率,輸出頻率為45KHz (可用主控箱的數(shù)顯表的頻率檔 fi 來監(jiān)測,即 L V 與 f i 連接,同時轉速 /頻率表調(diào)至頻率檔) 。調(diào)節(jié)幅度使輸出幅度為峰 -峰值 V p-p=2V (可用示波器監(jiān)測) 。接接第第21一通二36通道道示45示波器波器插座管腳編號圖 3-2雙線示波器與差動變壓器連接示意圖93、旋動測微頭,使示波器第二通道顯示的波形峰-峰值 V p-p 為最?。ㄨF芯約在中間位置)。這時可以左右位移,假設其中一個方向

15、為正位移,則另一個方向位移為負。從 V p-p 最小開始旋動測微頭, 每隔 0.2mm 從示波器上讀出輸出電壓V p-p 值填入表 3-1。再從 V p-p 最小處反向位移做實驗,在實驗過程中,注意左、右位移時,初、次級波形的相位關系。表 3-1 差動變壓器位移X 值與輸出電壓 V p-p 數(shù)據(jù)表X ( mm)-+V p-(p mv)最小相位五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓大小。根據(jù)表 3-1 畫出 Vop-p-X 曲線,作出量程為±1mm 、 ±3mm 靈敏度和非線性誤差。六、思考題1、用差動變壓器測量較高頻率的振幅,

16、例如1KHz 的振動幅值,可以嗎?差動變壓器測量頻率的上限受什么影響?2、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同。10實驗四電渦流傳感器位移特性實驗一、實驗目的與要求了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、實驗原理及說明通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場,當有導電體接近時,因導電體渦流效應產(chǎn)生渦流損耗,而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關,因此可以進行位移測量。三、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1電渦流傳感器實驗模塊測量模塊2電渦流傳感器感受待測信息3測微頭測位移4直流電源提供電源5鐵圓片被測體6數(shù)顯單元顯示電壓值四、實驗內(nèi)容和步驟1、根據(jù)圖4-1 安裝電渦流傳感器。被測體電渦流傳感器

17、模塊測微頭測量架圖 4-1電渦流傳感器安裝示意圖2、將電渦流傳感器輸出線接入實驗模塊上標有Ti 的插孔中, 作為振蕩器的一個元件。3、在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片,作為電渦流傳感器的被測體。4、將實驗模塊輸出端V o 與主控箱的輸入端V i 相接。主控箱的電壓表量程切換開關選擇電壓20V 檔。5、使測微頭與傳感器線圈端部接觸,開啟主控箱電源開關,記下數(shù)顯表讀數(shù),然后每隔0.2mm 讀一個數(shù),直到輸出幾乎不變?yōu)橹埂⒔Y果填入表4-1。11表 4-1電渦流傳感器位移X 與輸出電壓數(shù)據(jù)X( mm)V ( v)五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)表 4-1 數(shù)據(jù),畫出V-X 曲線,試計算量程為1mm 、 3mm

18、、 5mm 時的靈敏度和線性度(可以用端基法或其它擬合直線)。六、思考題1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關,如果需要測量±5mm 的量程應如何設計傳感器?2、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時,如何根據(jù)使用量程選用傳感器?12實驗五光纖溫度傳感器性能實驗一、實驗目的與要求運用光纖溫度傳感器完成溫度信號的傳輸測量。二、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1光纖溫度傳感器實驗模塊測量模塊2熱電偶 E型感測溫度信號3溫度控制源使應變式傳感器受力4數(shù)顯表顯示電壓值三、實驗內(nèi)容和步驟1、將 YL 系列溫度測量控制儀的“加熱方式”、“冷卻方式”撥至“內(nèi)控”方式。選用 E 型熱電偶,插在控

19、制儀上方的測溫孔中,而熱電偶傳感器的輸出線分別對應接至控制儀面板的傳感器(+)和( -)端;同時將溫度測量控制儀的標準信號輸出Vo到光纖溫度傳感器實驗模塊的輸入,將光纖溫度傳感器實驗模塊的輸出Vo 接主控箱的電壓表Vi 。2、接通 YL 系列溫度測量控制儀的電源,同時設定給定溫度值為50oC,適當調(diào)節(jié)光纖溫度傳感器實驗模塊的放大倍數(shù)旋鈕(RW1 為粗調(diào)旋鈕、RW2 為細調(diào)旋鈕) 。3、重新設定給定溫度值為100oC,從 50 oC 開始每隔1 個t(t = 5oC)讀出數(shù)顯表輸出電壓與溫度值,并記入下表。E 型熱電偶溫度和輸出電壓數(shù)據(jù)T(oC)556065707580859095100V( v

20、)13實驗六壓電式傳感器測量振動實驗一、實驗目的與要求了解壓電傳感器的測量振動的原理和方法。二、實驗原理及說明壓電式傳感器由慣性質量塊和受壓的壓電陶瓷片等組成。工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動,質量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片上,由于壓電效應,壓電陶瓷片上產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷。三、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1壓電式傳感器實驗模塊測量模塊2壓電傳感器感受待測信號3振動臺產(chǎn)生振動4檢波移相低通濾波器模塊信號濾波5雙線示波器觀測輸入輸出信號四、實驗內(nèi)容和步驟1、壓電傳感器吸在振動臺模塊上。將低頻振蕩器信號接入到振動源的低頻輸入源插孔。2、將壓電傳感器輸出兩

21、端插入到壓電傳感器實驗模塊兩輸入端,見圖 6-1,屏蔽線接地。 將壓電傳感器實驗模塊電路輸出端V o1(如增益不夠大,則 V o1 接入 IC2 ,V o2接入低通濾波器)接入低通濾波器輸入端V i,低通濾波器輸出V o 與示波器相連。(注:濾波器為有源低通濾波器,即+15V 、地、 -15V 要接主控箱的+15V 、地、 -15V )接主控箱電源輸出接V i 主控箱數(shù)地顯表圖 6-1壓電式傳感器性能實驗接線圖143、合上主控箱電源開關,調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率與幅度旋鈕使振動臺振動,用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形。4、改變低頻振蕩器頻率,觀察輸出波形變化。15實驗七霍爾、

22、光電轉速傳感器測速實驗一、實驗目的與要求了解霍爾、光電轉速傳感器測量轉速的原理及方法。二、實驗類型綜合型三、實驗原理及說明利用霍爾效應表達式UH = K H IB ,當被測圓盤上裝上N 只磁性體時, 圓盤每轉一周,磁場就變化N 次,霍爾電勢相應變化N 次,輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉物的轉速。光電式轉速傳感器有反射型和直射型兩種,本實驗裝置是反射型的,傳感器端部有發(fā)光管和光電管,發(fā)光管發(fā)出的光源射在轉盤上,反射后由光電管接收轉換成電信號,由于轉盤上有黑白相間的間隔,轉動時將獲得與轉速及黑白間隔數(shù)有關的脈沖,將電脈沖計數(shù)處理即可得到轉速值。四、實驗主要儀器設備和材料序 號名 稱主要用途1轉動源單元測量模塊2霍爾轉速傳感器感受待測信號3光電轉速傳感器感受待測信號4直流電源 +5V 、 2-24V提供電源5數(shù)顯轉速 / 頻率表

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