傳感器原理及應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)二

傳感器原理及應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)二機(jī)械61劉小蒙2006010397傳感器原理及應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)二一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器、霍爾傳感器、光纖傳感器的使用和靜態(tài)特性。二實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介：CSY系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀是集被測(cè)體、各種傳感器、信號(hào)激勵(lì)源、處理電路和顯示器于一體，組成一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)儀主要由實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)、處理電路、信號(hào)與顯示電路三部分組成。傳感器系列實(shí)驗(yàn)二所用的傳感器位于實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)右邊，裝在圓盤(pán)式工作臺(tái)的四周，依次為（依逆時(shí)針?lè)较颍╇姼惺剑ú顒?dòng)變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式、壓阻式等傳感器。光纖傳感器的一端已固定在“光電變換器”上，另一端為活動(dòng)的圓柱形探頭，可根據(jù)要求加以固定。本實(shí)驗(yàn)只做電渦流傳感器、霍爾傳感器和光纖傳感器，相應(yīng)的處理電路及顯示電路請(qǐng)看下面的講義。當(dāng)傳感器的輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出—輸入特性稱(chēng)為靜態(tài)特性，靜態(tài)特性包括：線(xiàn)性度、靈敏度、分辨率、閾值等，本實(shí)驗(yàn)只對(duì)前兩項(xiàng)進(jìn)行研究。三實(shí)驗(yàn)任務(wù)：電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定了解光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)會(huì)用光纖傳感器做位移測(cè)試了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理，學(xué)會(huì)用霍爾傳感器做靜態(tài)位移測(cè)試了解半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的工作特性和溫度效應(yīng)（補(bǔ)充）電渦流式傳感器一．實(shí)驗(yàn)原理：電渦流傳感器由平面線(xiàn)圈和金屬片組成，它是基于電磁感應(yīng)原理制成的。由電磁場(chǎng)理論可知，在受到交變電磁場(chǎng)作用的任何導(dǎo)體中，都會(huì)產(chǎn)生電渦流。成塊的金屬置于變化的磁場(chǎng)中，或者在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線(xiàn)在金屬內(nèi)是閉合的，所以稱(chēng)為渦流。電渦流傳感器的作用原理如左下圖：R2LR2L1L2I1I2U1R1M渦流式傳感器與被測(cè)金屬的等效電路H1H2I1I2U1等效等效金屬片金屬片把線(xiàn)圈與被測(cè)導(dǎo)體等效為相互耦合的兩個(gè)線(xiàn)圈，如右上圖所示。設(shè)R1為線(xiàn)圈的電阻；L1為線(xiàn)圈電感；R2為短路環(huán)的電阻；L2為短路環(huán)電感；M為線(xiàn)圈與短路環(huán)間的互感，隨二者之間距離X減少而增大；U1為激勵(lì)電壓。由等效電路可寫(xiě)出兩個(gè)電壓平衡方程式：解上面的聯(lián)立方程可得到，從而求出受金屬影響后空心線(xiàn)圈的等效阻抗為從上式可看出線(xiàn)圈阻抗的實(shí)部即有效電阻隨M的增加而增加；虛部即等效電感隨M的增加而減少，這樣使線(xiàn)圈阻抗發(fā)生了變化。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)線(xiàn)圈中通以高頻交變電流后，與其平行的金屬片上感應(yīng)產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線(xiàn)圈的阻抗Z，而渦流的大小與金屬片的電阻率，導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線(xiàn)圈的距離X都有關(guān)。當(dāng)平面線(xiàn)圈、被測(cè)體（金屬片）、激勵(lì)源已確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗Z只與距離X有關(guān)，將阻抗變化通過(guò)“渦流變換器”轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)V輸出，則輸出電壓是距離X的單值函數(shù)。二．實(shí)驗(yàn)步驟：1．電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、工作特性。1.2實(shí)驗(yàn)所需部件：電渦流傳感器、渦流變換器、螺旋測(cè)微儀、電壓表、（示波器）1.3實(shí)驗(yàn)步驟：（1）安裝好電渦流線(xiàn)圈與金屬片，注意兩者必須保持平行，安裝好測(cè)微儀，將電渦流線(xiàn)圈接入渦流變換器輸入端。渦流變換器輸出端接數(shù)字電壓表20V檔。（2）開(kāi)啟主機(jī)電源，用測(cè)微儀帶動(dòng)渦流片移動(dòng)，當(dāng)渦流片完全緊貼線(xiàn)圈時(shí)輸出電壓為零（可適當(dāng)改變支架中的線(xiàn)圈角度），然后旋動(dòng)測(cè)微儀使渦流片離開(kāi)線(xiàn)圈，從電壓表有讀數(shù)時(shí)每隔0.25mm記錄一個(gè)電壓值，測(cè)量20組數(shù)據(jù)記錄如下:X/mm10.1009.8509.6009.3509.1008.8508.6008.3508.100U/v-0.02-0.83-1.26-1.66-2.04-2.42-2.77-3.14-3.477.8507.6007.3507.1006.8506.6006.3506.1005.8505.6005.350-3.814.11-4.41-4.69-4.96-5.2-5.43-5.64-5.83-6.01-6.16圖形繪制如下:霍爾式傳感器一．實(shí)驗(yàn)原理：霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器。本實(shí)驗(yàn)所用的霍爾傳感器，由兩個(gè)產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的環(huán)形磁鋼和霍爾元件組成?；魻栐ㄒ院愣娏鲿r(shí)，霍爾電勢(shì)的大小正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中上、下移動(dòng)時(shí)，輸出的霍爾電勢(shì)V取決于其在磁場(chǎng)中的位移量，所以測(cè)得霍爾電勢(shì)的大小便可獲知霍爾元件的靜位移。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1．霍爾式傳感器的直流激勵(lì)特性1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)、工作原理，學(xué)會(huì)用霍爾傳感器做靜態(tài)位移測(cè)試。1.2實(shí)驗(yàn)所需部件：霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓源（2V）、電位器、差動(dòng)放大器、數(shù)字電壓表、測(cè)微儀。實(shí)驗(yàn)原理圖:－－＋WDR+2V差放電壓表1.3實(shí)驗(yàn)步驟：（1）按上圖接線(xiàn)，確認(rèn)霍爾元件直流激勵(lì)電壓為2V，另一激勵(lì)端接地，差動(dòng)放大器增益適度（即在梯度場(chǎng)邊緣使其輸出達(dá)到10V左右）。（2）用螺旋測(cè)微儀調(diào)節(jié)振動(dòng)平臺(tái)使霍爾元件置于梯度磁場(chǎng)中間，開(kāi)啟電源，并調(diào)節(jié)電橋直流電位器WD，使輸出為零。上下移動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使差放正負(fù)電壓輸出對(duì)稱(chēng)。（3）從中點(diǎn)開(kāi)始，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀，上下移動(dòng)霍爾元件各3.5mm，每變化0.5mm讀取相應(yīng)的電壓值，并記入下表：X/mm-9.46-8.94-8.16-7.11-5.28-3.49-1.7101.74V/mV-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.53.545.326.958.179.019.531.01.52.02.53.03.5作出V-X曲線(xiàn)，注意事項(xiàng)：直流激勵(lì)電壓只能是2V，不能接+2V(4V)否則銻化銦霍爾元件會(huì)燒壞。2．霍爾傳感器的應(yīng)用——電子秤2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫f(shuō)明線(xiàn)性霍爾傳感器的實(shí)際應(yīng)用。2.2實(shí)驗(yàn)所需部件：霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓源（2V）、電位器、差動(dòng)放大器、電壓表、砝碼。2.3實(shí)驗(yàn)步驟：（1）實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路同上。移開(kāi)測(cè)微儀，使輸出為零。系統(tǒng)靈敏度盡量大(輸出以不飽和為標(biāo)準(zhǔn))，且工作在線(xiàn)性區(qū)。（2）以振動(dòng)圓盤(pán)作為稱(chēng)重平臺(tái)，逐個(gè)放上砝碼，依次記下表頭讀數(shù)。（3）移走稱(chēng)重砝碼，在平臺(tái)上放置一未知重量的物品，記下表頭讀數(shù)，根據(jù)V-W曲線(xiàn)求得其重量。W/kg0.020.040.060.080.100.12U/mV-0.76-1.59-2.43-3.37-4.29-5.21放重物時(shí)U=4.71mVV-W圖如下：由圖像可得重物質(zhì)量m=0.108kg試驗(yàn)注意事項(xiàng)：（1）稱(chēng)重時(shí)，霍爾式傳感器應(yīng)工作在梯度磁場(chǎng)中，所以砝碼和被稱(chēng)重物都不應(yīng)太重。（2）砝碼應(yīng)置于平臺(tái)的中間部分，避免平臺(tái)傾斜。光纖傳感器一．實(shí)驗(yàn)原理：反射式光纖傳感器工作原理如下圖所示：光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖合并于一端組成光纖探頭，一束作為接收，另一束為光源發(fā)射，紅外二極管發(fā)出的紅外光經(jīng)光源光纖照射至被測(cè)物，由被測(cè)物反射的光信號(hào)經(jīng)接收光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，反射光的強(qiáng)弱表示了反射物與光纖探頭的距離，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)就可得知位置量的變化。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：光纖傳感器——位移測(cè)量1．實(shí)驗(yàn)所需部件：光纖（光電轉(zhuǎn)換器）、光電變換器、支架、電壓表、示波器、螺旋測(cè)微儀、反射片。2．實(shí)驗(yàn)步驟：（1）觀察光纖結(jié)構(gòu)：本實(shí)驗(yàn)儀所配的光纖探頭為半圓型結(jié)構(gòu)，由數(shù)百根導(dǎo)光纖維組成，一半為光源光纖，一半為接收光纖。（2）將原裝在電渦流線(xiàn)圈支架上的電渦流線(xiàn)圈取下，裝上光纖探頭，探頭垂直對(duì)準(zhǔn)反射片中央（鍍鉻圓鐵片），裝上螺旋測(cè)微儀支架，以帶動(dòng)反射鏡片位移。（3）開(kāi)啟主機(jī)電源，光電變換器VO（光纖輸出）端接數(shù)字電壓表，首先旋動(dòng)測(cè)微儀使探頭緊貼反射鏡片（如兩表面不平行可稍許扳動(dòng)光纖探頭角度），此時(shí)輸出VO≈0，然后旋動(dòng)測(cè)微儀，使反射鏡片離開(kāi)探頭，每隔0.25mm記錄一數(shù)值并記入下表：X/mm9.3509.1008.8508.6008.3508.1007.8507.6007.350U0/V0.150.480.720.931.131.301.451.561.647.1008.6806.6006.3506.1005.8505.6005.3505.1004.8501.71.731.741.731.701.661.611.561.491.434.6004.3504.1003.8503.6003.3503.1002.8502.6002.3501.371.301.241.181.121.061.010.950.900.862.1001.8501.6001.3501.1000.8500.6000.3500.1000.820.780.740.700.670.640.610.580.56隨著位移逐漸加大，可觀察到光纖傳感器輸出特性曲線(xiàn)的前坡與后坡波形，作出V-X曲線(xiàn)，通常測(cè)量用的是線(xiàn)性較好的前坡范圍，為什么？（為了描繪出完整的曲線(xiàn)，至少測(cè)量50組數(shù)據(jù)。）(說(shuō)明：x坐標(biāo)