傳感器及檢測技術實驗報告

1、-. z.“傳感器與檢測技術實驗報告序號實驗名稱1電阻應變式傳感器實驗2電感式傳感器實驗3電容傳感器實驗*： 9：楊薛磊序號： 83實驗一電阻應變式傳感器實驗一應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。二、根本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程構造件的內部變形轉換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的各種非電物

2、理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。三、需用器件與單元：主機箱中的2V10V步進可調直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼； 4位數(shù)顯萬用表自備。四、實驗步驟：應變傳感器實驗模板說明：應變傳感器實驗模板由應變式雙孔懸臂梁載荷傳感器稱重傳感器、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應變片測量電路、差動放大器組成。實驗模板中的R1(傳感器的左下)、R2(傳感器的右下)、R3(傳感器的右上)、R4(傳感器的左上)為稱重傳感器上的應變片輸出口；沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為

3、電路初學者組成電橋接線方便而設；R5、R6、R7是350固定電阻，是為應變片組成單臂電橋、雙臂電橋半橋而設的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應變片溫度影響實驗時用。多芯插頭是振動源的振動梁上的應變片輸入口，做應變片測量振動實驗時用。1、將托盤安裝到傳感器上，如圖14所示。圖14 傳感器托盤安裝示意圖2、測量應變片的阻值：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R4的阻值變化，分析應變片的受力情況受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變小。圖15測量應變片的阻值示意圖3、實驗

4、模板中的差動放大器調零：按圖16示意接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關；調節(jié)放大器的增益電位器RW3適宜位置(先順時針輕輕轉到底，再逆時針回轉1圈)后，再調節(jié)實驗模板放大器的調零電位器RW4，使電壓表顯示為零。圖16差動放在器調零接線示意圖4、應變片單臂電橋實驗：關閉主機箱電源，按圖17示意圖接線，將2V10V可調電源調節(jié)到4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使主機箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點放置)，讀取相應的數(shù)顯表電壓值，記下實驗數(shù)據填入表1。圖1

5、7應變片單臂電橋實驗接線示意圖表1 應變片單臂電橋性能實驗數(shù)據重量(g)020406080100120140160180電壓(mV)0-4-9-14-19-23-27-32-36-405、根據表1數(shù)據作出曲線并計算系統(tǒng)靈敏度SV/WV輸出電壓變化量，W重量變化量和非線性誤差，=m/yFS 100式中m為輸出值屢次測量時為平均值與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g。實驗完畢，關閉電源。數(shù)據分析：系統(tǒng)靈敏度SV/W=0.224非線性誤差=m/yFS 100=1.02二應變片半橋性能實驗一、實驗目的：了解應變片半橋雙臂工作特點及性能。二、根本原理：應變片根本原理參閱實驗一。應

6、變片半橋特性實驗原理如圖21所示。不同應力方向的兩片應變片接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓Uo(12)(RR)E(12)KE 。圖21應變片半橋特性實驗原理圖三、需用器件與單元：主機箱中的2V10V步進可調直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。四、實驗步驟：1、按實驗一單臂電橋性能實驗中的步驟1和步驟3實驗。2、關閉主機箱電源，除將圖17改成圖22示意圖接線外，其它按實驗一中的步驟4實驗。讀取相應的數(shù)顯表電壓值，填入表2中。圖22 應變片半橋實驗接線示意圖表2 應變片半橋實驗數(shù)據重量(g)0204060 80 100 120

7、140160180電壓(mV)0816243341495866743、根據表2實驗數(shù)據作出實驗曲線，計算靈敏度SV/W，非線性誤差。實驗完畢，關閉電源。數(shù)據分析：系統(tǒng)靈敏度SV/W=0.413非線性誤差=m/yFS 100=2.05五、思考題：半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在：鄰邊。在鄰邊時,中點的電位變化的才能和另外的參考點進展比擬,如果不在臨邊,也就會出現(xiàn)當兩個應變片都發(fā)生變化時,與他們對應電阻的電位差可能會出現(xiàn)0的情況。舉個例子：兩個應變片的電阻分別為A和B,另外兩個電阻為C和D,假設A=B=C=D,則,在鄰邊時,當因為受力,A電阻大于B時,兩點間電位會低于C和D

8、,反之亦然；而如果不在臨邊,則A和C之間的電位變化和C與D之間的電位變化就沒有前面的規(guī)律了,也就無法判斷哪個應變片出現(xiàn)受力變化了。三應變片全橋性能實驗一、實驗目的：了解應變片全橋工作特點及性能。二、根本原理：應變片根本原理參閱實驗一。應變片全橋特性實驗原理如圖31所示。應變片全橋測量電路中，將應力方向一樣的兩應變片接入電橋對邊，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓Uo(RR)EKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。圖31應變片全橋特性實驗接線示意圖三、需用器件和單元：主機箱中的2V10V步進可調直流穩(wěn)壓電源、1

9、5V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。四、實驗步驟：1、實驗步驟與方法除了按圖32示意接線外參照實驗二，將實驗數(shù)據填入表3作出實驗曲線并進展靈敏度和非線性誤差計算。實驗完畢，關閉電源。圖32 應變片全橋性能實驗接線示意圖2、表3全橋性能實驗數(shù)據重量(g)204060 80 100 120140160180200電壓(mV)-17-34-51-67-84-100-117-134-151-1673、根據表/3實驗數(shù)據作出實驗曲線，計算靈敏度SV/W，非線性誤差。實驗完畢，關閉電源。數(shù)據分析：系統(tǒng)靈敏度SV/W=0.834非線性誤差=m/yFS 100=4.12四應變片單臂、半

10、橋、全橋性能比擬一、實驗目的：比擬單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結論。二、根本原理：如圖4 a、b、ca單臂b半橋c全橋圖4 應變電橋三、需用器件與單元：主機箱中的2V10V步進可調直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。四、根據實驗一、二、三所得的單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進展分析比擬。經實驗驗證闡述理由注意：實驗一、二、三中的放大器增益必須一樣。實驗完畢，關閉電源。實驗分析：全橋是半橋的兩倍，半橋是單臂的兩倍，也就是說，靈敏度：全=2*半=4*單實驗二電感式傳感器實驗一差動變壓器的性能實驗一、實驗目的：了解差

11、動變壓器的工作原理和特性。二、根本原理：差動變壓器的工作原理電磁互感原理。三、需用器件與單元：主機箱中的15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、差動變壓器、測微頭及實驗模板按圖116示意安裝、接線。實驗模板中的L1為差動變壓器的初級線圈，L2、L3為次級線圈，號為同名端；L1的鼓勵電壓必須從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節(jié)音頻振蕩器的頻率為4kHz5kHz、幅度為峰峰值Vp-p2V作為差動變壓器初級線圈的鼓勵電壓(示波器設置提示：觸發(fā)源選擇內觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1m

12、S10S*圍內選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、CH1靈敏度VOLTS/DIV在0.5V1V*圍內選擇、CH2靈敏度VOLTS/DIV在0.1V50mV*圍內選擇)。圖116差動變壓器性能實驗安裝、接線示意圖2、差動變壓器的性能實驗：使用測微頭時，當來回調節(jié)微分筒使測桿產生位移的過程中本身存在機械回程差，為消除這種機械回差可用如下方法實驗。調節(jié)測微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm 刻度線。松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)為較小值(越小越好

13、，變壓器鐵芯大約處在中間位置)時，擰緊緊固螺釘，再順時針方向轉動測微頭的微分筒12圈，記錄此時的測微頭讀數(shù)和示波器CH2通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)值為實驗起點值。以后，反方向(逆時針方向) 調節(jié)測微頭的微分筒，每隔*=0.2mm(可取6070點值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入表11(這樣單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的機械回差)。3、根據表11數(shù)據畫出*Vp-p曲線并找出差動變壓器的零點剩余電壓。實驗完畢，關閉電源。表11 差動變壓器性能實驗數(shù)據(表格不夠自己加*(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Vp-p(mV)1560152015001480

14、146014401400138013601320*(mm)2.02.22.42.62.83.03.23.43.63.8Vp-p(mV)1300126012201180114011001020980940900*(mm)4.04.24.44.64.85.05.25.45.65.8Vp-p(mV)820780700660500520460400320240*(mm)6.06.26.46.66.87.07.27.47.67.8Vp-p(mV)180120140220280360420500540620*(mm)8.08.28.48.68.89.09.29.49.69.8Vp-p(mV)6807408

15、008409009601020108011201160*(mm)10.010.210.410.610.811.011.211.411.611.8Vp-p(mV)1180122012601300134013601400140014201440*(mm)12.012.212.412.612.813.013.213.4Vp-p(mV)14601460150015401540154015401560由圖可知：剩余電壓為120mV五、思考題：1、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？答：不同點：這兩者差距極大，不可以互相替代。差動變壓器一般用于作為檢測元件，而一般變壓器一般作為電源變換部件或者信號轉換

16、部件。以E型為例。一般變壓器的2個E型鐵芯磁芯是固定在一起的緊耦合，不希望工作中有任何移動，否則會產生噪聲，大功率時甚至可能損壞。而差動變壓器的2個E型鐵芯磁芯則相反。差動變壓器一般分為變面積式和變氣隙式。變面積式差動變壓器的2個E型鐵芯磁芯不是固定在一起的，隨工作需要移動或者旋轉。差動變壓器有2個線圈，一個是鼓勵線圈，另一個是檢測線圈，一般在鼓勵線圈諸如一個固定頻率固定幅度的信號，通過在檢測線圈中的信號獲取差動變壓器的變化數(shù)據，進而可以計算出距離/角度或者速度。變氣隙式差動變壓器的2個E型鐵芯磁芯固定在一起，但是2個E型鐵芯磁芯之間間距較大，中間可以通過放置導體體改變氣隙大小。差動變壓器有2

17、個線圈，一個是鼓勵線圈，另一個是檢測線圈，一般在鼓勵線圈諸如一個固定頻率固定幅度的信號，通過在檢測線圈中的信號獲取差動變壓器中導體的位置變化數(shù)據，進而可以計算出距離或者速度。一樣點：都是由鐵芯和線圈組成，都是轉換電壓的元件。2、用直流電壓鼓勵會損壞傳感器。為什么？答：因為變壓器初級直接接到了直流電壓上，由于初級線圈直流電阻很低，這樣形成很大的直流電流。產生的熱量如果足夠大，可能將初級線圈燒毀，一般線圈都是不能直接接到直流電壓上的。3、如何理解差動變壓器的零點剩余電壓？用什么方法可以減小零點剩余電壓？答：1、由于兩次級線圈構造上的不對稱，因而兩次級電壓的幅值平衡點與相位平衡點兩者不重合引起的。2

18、、由于鐵芯材料B - H曲線的彎曲局部所引起的輸出電壓有高次諧波造成的。3、由于激磁電壓波形中的高次諧波引起的。方法：將差動變壓器輸出經相敏檢波器，檢波后即可見效零點剩余電壓。二差動變壓器測位移實驗一、實驗目的：了解差動變壓器測位移時的應用方法二、根本原理：差動變壓器的工作原理同上圖141差動變壓器測位移原理框圖三、需用器件與單元：主機箱中的2V10V步進可調直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、電壓表；差動變壓器、差動變壓器實驗模板、移相器/相敏檢波器/低通濾波器實驗模板；測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、相敏檢波器電路調試：將主機箱的音頻振蕩器的幅度調到最小幅度旋鈕逆時針輕輕轉

19、到底，將2V10V可調電源調節(jié)到2V檔，再按圖142示意接線，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節(jié)音頻振蕩器頻率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V用示波器測量。提示：正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)方式及其它設置，觸發(fā)源選擇內觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10S*圍內選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V*圍內選擇。當CH1、CH2輸入對地短接時移動光跡線居中后再去測量波形。調節(jié)相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個波形。到此，相敏檢波器電路已調試完畢，以后不要觸碰

20、這個電位器鈕。關閉電源。圖142相敏檢波器電路調試接線示意圖調節(jié)測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度值與軸套上的10mm刻度值對準。按圖143示意圖安裝、接線。將音頻振蕩器幅度調節(jié)到最小幅度旋鈕逆時針輕轉到底；電壓表的量程切換開關切到20V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關。圖143差動變壓器測位移組成、接線示意圖3、調節(jié)音頻振蕩器頻率f=5KHz、幅值Vp-p=2V用示波器監(jiān)測。4、松開測微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著差動變壓器銜鐵的位移方向移動測微頭的安裝套左、右方向都可以，使差動變壓器銜鐵明顯偏離L1初級線圈的中點位置，再調節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器輸出為全波整流波形示波器CH2的靈敏

21、度VOLTS/DIV在1V50mV*圍內選擇監(jiān)測。再慢悠悠仔細移動測微頭的安裝套，使相敏檢波器輸出波形幅值盡量為最小盡量使銜鐵處在L1初級線圈的中點位置并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘。5、調節(jié)差動變壓器實驗模板中的RW1、RW2二者配合交替調節(jié)使相敏檢波器輸出波形趨于水平線可相應調節(jié)示波器量程檔觀察并且電壓表顯示趨于0V。6、調節(jié)測微頭的微分筒，每隔*=0.2mm從電壓表上讀取低通濾波器輸出的電壓值，填入下表14。表14 差動變壓器測位移實驗數(shù)據表格不夠自己加*(mm)-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2V(mV)3102802502201901601

22、3090603000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.002050801101401702002302602907、根據表14數(shù)據作出實驗曲線并截取線性比擬好的線段計算靈敏度S=V*與線性度及測量*圍。實驗完畢關閉電源開關。數(shù)據分析：系統(tǒng)靈敏度SV/*=149.6線性度=m/yFS 100=1.26五、思考題：差動變壓器輸出經相敏檢波器檢波后是否消除了零點剩余電壓和死區(qū)？從實驗曲線上能理解相敏檢波器的鑒相特性嗎 答：消除了，可以得出檢相特性。三電渦流傳感器位移實驗一、實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、根本原理：電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應原理上

23、的傳感器。三、需用器件與單元：主機箱中的15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；、電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、測微頭、被測體(鐵圓片)、示波器。四、實驗步驟：1、觀察傳感器構造，這是一個平繞線圈。調節(jié)測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度值與軸套上的5mm刻度值對準。按圖224安裝測微頭、被測體鐵圓片、電渦流傳感器注意安裝順序：首先將測微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內，再將被測體鐵圓片套在測微頭的測桿上；然后在支架上安裝好電渦流傳感器；最后平移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相帖并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘，再按圖224示意接線。圖224 電渦流傳感器安裝、按線示意圖2、將電壓表量程切換開關切換到20V

24、檔，檢查接線無誤后開啟主機箱電源，記下電壓表讀數(shù)，然后逆時針調節(jié)測微頭微分筒，每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據列入表22在輸入端即傳感器二端可接示波器觀測振蕩波形。表22 電渦流傳感器位移*與輸出電壓數(shù)據表格不夠自己加*mm5.8705.9706.0706.1706.2706.3706.4706.5706.6706.770Vo(V)0.0000.0570.1660.2780.3960.5170.6390.7610.8861.015*mm6.8706.9707.0707.1707.2707.3707.4707.5707.6707.770Vo(V)1.1471.2821.4

25、151.5471.6871.8281.9712.1202.2602.410*mm7.8707.9708.0708.1708.2708.3708.4708.5708.6708.770Vo(V)2.5602.7102.8603.0103.1603.3103.4503.6003.7403.890*mm8.8708.9709.0709.1709.2709.3709.4709.5709.6709.770Vo(V)4.0304.1804,3204.4604.6004.7404.8705.0105.1405.270*mm9.8709.97010.07010.17010.27010.37010.47010.5

26、7010.67010.770Vo(V)5.4005.5305.6505.7705.8906.0106.1306.2406.3506.450*mm10.87010.97011.07011.17011.27011.37011.47011.57011.67011.770Vo(V)6.5806.6906.8006.8906.9907.0907.1807.2707.3407.430*mm11.87011.97012.07012.17012.27012.37012.47012.57012.67012.770Vo(V)7.5107.5907.6607.7307.8007.8707.9408.0008.0608.130*mm12.87012.97013.07013.17013.27013.37013.47013.57013.67013.770Vo(V)8.1908.2508.3108.3608.4108.4708.5308.5808