傳感器實驗課件

第16章傳感器實驗

16.1實驗須知

16.2實驗儀器簡介

16.3電阻應(yīng)變式傳感器實驗

16.4差動變壓器式傳感器實驗

16.5電渦流式傳感器實驗

16.6電容式傳感器實驗

16.7霍爾式傳感器實驗

16.8光纖位移傳感器實驗

16.9光電傳感器實驗

16.1實驗須知

實驗的基本態(tài)度

進行任何科學(xué)實驗，實驗人員均應(yīng)具備一種最基本的態(tài)度——實事求是的態(tài)度。

我們這里所說的“實事求是”，就是說要把實驗中所得到的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及其規(guī)律性忠實地記錄下來，記錄下來的是實際觀測的情況，而不能以任何理由進行編造、修改或歪曲。

實驗中直接觀察到的現(xiàn)象和數(shù)字，也可能不夠準(zhǔn)確，或是錯誤的，此時就需要反復(fù)多次測量，并加以核對，或通過數(shù)據(jù)處理，或改進實驗方法來改善其準(zhǔn)確性。

只有遵循“實事求是”的態(tài)度，才能從實驗中獲得知識，并提高科學(xué)實驗的能力。

實驗的基本知識

1.實驗準(zhǔn)備

（1）實驗前必須認(rèn)真預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，明確實驗的目的和要求。

（2）根據(jù)實驗的要求，擬定實驗方案并熟悉實驗線路及其原理。

（3）熟悉實驗中所使用的儀器、設(shè)備的基本原理及使用方法。

（4）根據(jù)實驗的具體任務(wù)及理論根據(jù)，研究實驗的方法，并估計實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

2.實驗組織

一般實驗可能由幾個人合作進行，因此實驗時必須做好組織工作，實驗方案的擬定應(yīng)在組內(nèi)討論，實驗時應(yīng)明確分工，并且做到既分工又合作，這樣既能保證實驗質(zhì)量，又能使實驗人員受到全面訓(xùn)練。

3.實驗數(shù)據(jù)的記錄

（1）事先擬好實驗數(shù)據(jù)記錄表格，在表格中應(yīng)記下有關(guān)物理量的名稱、符號和單位，并要保證數(shù)據(jù)完整。實驗數(shù)據(jù)位數(shù)的取值是以實驗儀器所能達到的精度為依據(jù)的，同一條件下至少讀取兩次數(shù)據(jù)(研究不穩(wěn)定過程或動態(tài)過程的實驗除外)，而且只有當(dāng)兩次讀數(shù)比較接近時，才能改變操作條件，在另一條件下進行觀測。

（2）記錄實驗中使用的儀器、設(shè)備等的型號、規(guī)格及使用的條件等。（3）凡影響實驗效果或數(shù)據(jù)整理過程中必須的數(shù)據(jù)都需測取并記錄。如天氣條件、環(huán)境溫度、濕度等。

（4）實驗中的記錄數(shù)據(jù)應(yīng)以實際讀數(shù)為準(zhǔn)，但因客觀條件的原因，如由于測量條件的意外改變（如電源電壓及環(huán)境溫度的突然變化、機械沖擊、外界振動等），數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正常的情況或有粗大誤差時，應(yīng)在備注欄中加以說明。4.實驗過程的注意事項

（1）在進行實驗線路的接線、改接線或拆線之前，必須斷開電源，嚴(yán)禁帶電操作，避免在接線或拆線過程中，造成電源設(shè)備或部分實驗線路短路，進而損壞設(shè)備或?qū)嶒灳€路中的元器件。

（2）密切注意整個實驗系統(tǒng)的變化，應(yīng)使整個操作過程均在規(guī)定條件下進行。

（3）實驗過程中應(yīng)觀察現(xiàn)象，特別是發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象時更應(yīng)抓緊時機進行處理，并分析、研究產(chǎn)生不正?，F(xiàn)象的原因。5.整理實驗數(shù)據(jù)

（1）同一條件下測得一組數(shù)據(jù)時，應(yīng)舍去含有粗大誤差的數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理。

（2）整理數(shù)據(jù)時應(yīng)根據(jù)有效數(shù)字的運算法則，確定測量結(jié)果的數(shù)據(jù)位數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)整理時可采用列表法、圖解法，這視其具體情況而定，以盡可能準(zhǔn)確描述實驗結(jié)果或?qū)嶒灲Y(jié)論為最終目的。

6.實驗報告的內(nèi)容及要求

一份好的實驗報告，必須寫得簡單、明了，數(shù)據(jù)完整，交待清楚，結(jié)論明確，有討論，有分析，得出的公式或圖線有明確的使用條件。實驗報告的格式雖不必強求一致，但一般應(yīng)包括下列各項：

（1）實驗題目，實驗者及共同實驗人員、班級、日期；

（2）實驗?zāi)康募耙螅?/p>

16.2實驗儀器簡介

ZCY型傳感器實驗儀簡介

圖16－1為ZCY型傳感器實驗儀的外形圖。整個儀器由三部分組成，即激勵源（電源和信號源）、試驗臺和處理電路單元，三部分之間沒有內(nèi)部連接。各個傳感器實驗可用專用連接線或迭插式導(dǎo)線將所需單元在面板上進行連接。在實驗儀上可進行不同傳感器的靜態(tài)實驗、動態(tài)實驗和傳感器系統(tǒng)應(yīng)用實驗。通過實驗即可對各種不同傳感器及其測量線路原理有一個從理性到感性的認(rèn)識，對如何組成測量系統(tǒng)有一個直觀而具體的實踐過程。

圖16－1

ZCY型傳感器實驗儀的外形

試驗臺上的各部分傳感器如圖16－1上部所示。雙平行懸梁靠近固定端一側(cè)的上、下表面分別貼有受力狀態(tài)不同的應(yīng)變片——六片金屬箔式應(yīng)變片和兩片半導(dǎo)體應(yīng)變片。六片金屬箔式應(yīng)變片中四片為工作應(yīng)變片，兩片為補償應(yīng)變片。雙平行懸梁自由端裝有壓電加速度傳感器。振動平臺上裝有電渦流、霍爾、差動變壓器、電容等傳感器。振動平臺中心下面裝有激振線圈，振動控制信號通過激振線圈可以驅(qū)動雙平行懸梁和振動平臺，使之產(chǎn)生3～30Hz的低頻振動。在振動平臺中心可裝螺旋測微器，通過調(diào)整螺旋測微器可以改變立式振動臺的上下位置，同時也可以改變雙平行懸梁的應(yīng)力。傳感器的測量電路集中設(shè)置在一塊印刷板上，用于處理各種傳感器的輸出信號，有電橋、差動放大器、相敏檢波器、移相器、低通濾波器、電渦流式傳感器測量電路（渦流變換器）、電容式傳感器測量電路（電容變換器）等單元。差動放大器、相敏檢波器、移相器、低通濾波器等是公用的單元，用于各個傳感器的信號處理。各單元測量電路各自獨立，可以根據(jù)需要通過面板進行設(shè)置，組成不同的傳感器系統(tǒng)。

斜側(cè)面板是傳感器的激勵源（電源和信號源）和顯示單元。電源和信號源由三部分組成：0.9～10kHz音頻信號發(fā)生器輸出作為交流激勵信號、±2～±10V直流穩(wěn)壓電源、3～30Hz低頻信號發(fā)生器輸出作為振動平臺的振動控制信號。顯示單元采用數(shù)字式電壓/頻率（V/F）表，通過V/F功能開關(guān)進行電壓表、頻率表的功能切換。

虛擬儀器簡介

1.概述

傳統(tǒng)的測量儀器主要由三個功能塊組成：信號的采集與控制單元、信號的分析與處理單元、結(jié)果的表達與輸出單元。由于這些功能塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在，而儀器只能由生產(chǎn)廠家來定義、制造，因此，傳統(tǒng)儀器設(shè)計復(fù)雜、靈活性差，沒有擺脫獨立使用、手動操作的模式，整個測試過程幾乎僅限于簡單地模仿人工測試的步驟，在一些較為復(fù)雜和測試參數(shù)較多的場合下，使用起來很不方便。

虛擬測試儀器可以由用戶自己設(shè)計、自己定義，以滿足特定的功能需求。組建一套虛擬儀器系統(tǒng)，其設(shè)計方案有很多種，除了利用常見的DAQ插卡組成虛擬儀器測試系統(tǒng)外，還可以利用用戶現(xiàn)有的儀器設(shè)備的特殊功能作為硬件功能模塊，與計算機和控制軟件一起組成虛擬儀器測試系統(tǒng)。

圖16－2通用虛擬測試儀器系統(tǒng)構(gòu)成

16.3電阻應(yīng)變式傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

熟悉并掌握應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)及應(yīng)用；掌握直流和交流應(yīng)變電橋的組成和性能，比較單臂電橋、半橋差動電橋、全橋差動電橋的靈敏度和線性度；了解溫度對電阻應(yīng)變片測試系統(tǒng)的影響；了解電阻應(yīng)變式傳感器的基本應(yīng)用，掌握電子秤的標(biāo)定方法。

實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為ZCY型綜合傳感器實驗儀、10MHz超低頻雙蹤示波器和萬用表。在實驗儀上用到的單元和部件有：直流穩(wěn)壓電源、音頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、差動放大器、電橋、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、螺旋測微器和V/F表等。

實驗原理

1.電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)性能實驗原理

電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)性能實驗的基本原理是調(diào)整螺旋測微器以改變雙平行懸梁的應(yīng)變，此時粘貼在懸梁上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再通過轉(zhuǎn)換電路（測量電橋）將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，在數(shù)字電壓表上顯示出與應(yīng)變對應(yīng)的電壓值，實驗原理框圖如圖16－3所示。圖16－4為電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)性能實驗原理電路圖。測量電橋為直流電橋，R1、R2、R3、R4為四個橋臂電阻，可以接成單臂電橋、半橋差動電橋和全橋差動電橋的形式，RW1為電橋平衡調(diào)節(jié)電位器，UCC和USS為電橋電源。差動放大器為由集成運算放大器組成的增益可調(diào)的交直流差動放大器，可接成同相、反相及差動狀態(tài)，增益在1~100倍可調(diào)。輸出由直流電壓表顯示。

圖16－3電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)性能實驗原理框圖

圖16－4電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)性能實驗原理電路圖

2.電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗原理

電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗主要是通過改變懸梁的振動頻率，測量應(yīng)變式傳感器輸出的幅頻特性來實現(xiàn)的。圖16－5為電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗原理框圖。電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗原理電路圖如圖16－6所示。

圖16－5電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗原理框圖

3.溫度補償實驗原理

應(yīng)變片的環(huán)境溫度變化將引起應(yīng)變片的附加溫度誤差，電橋電路中的補償應(yīng)變片起溫度補償作用。電阻應(yīng)變式傳感器電橋溫度補償法實驗原理圖如圖16－7所示。圖16－7電阻應(yīng)變式傳感器電橋溫度補償法實驗原理圖

實驗內(nèi)容

1.電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)性能實驗

電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)實驗原理電路如圖16－4所示。

測量前首先要對差動放大器調(diào)零，即將放大器輸入端短接并接地，輸出端接數(shù)字電壓表，差動放大器增益逐漸調(diào)至最大，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器RW2，使電壓表顯示為零，然后對電橋調(diào)平衡。所謂電橋調(diào)平衡，是指懸梁處于水平位置時，使電橋的輸出為零。電橋調(diào)平衡時，轉(zhuǎn)動測微器將懸梁末端振動平臺中間的磁鐵與螺旋測微器相吸（完全可靠吸合），并使懸梁處于水平位置。此時再調(diào)節(jié)電位器RW1使測量電橋輸出為零。

將橋臂電阻R1、R2、R3和R4接成單臂電橋、半橋差動電橋和全橋差動電橋三種情況，分別測量三種電橋在不同的應(yīng)變（調(diào)整螺旋測微器可改變懸梁的應(yīng)變）時的輸出電壓，并比較三種電橋的輸出靈敏度和線性范圍。2.電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗

電阻應(yīng)變式傳感器動態(tài)性能實驗電路如圖16－6所示。將橋臂電阻接成全橋差動電橋的形式，對差動放大器調(diào)零，電橋調(diào)平衡。調(diào)節(jié)螺旋測微器使懸梁處于彎曲狀態(tài)，調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使電壓表讀數(shù)為最大。然后將低通濾波器的輸出連接到示波器直流輸入端，卸掉測微器，懸梁處于水平位置，通過調(diào)節(jié)RW1和RW2使示波器讀數(shù)為零。通過V/F功能開關(guān)切換到數(shù)字頻率表位置，測量振動平臺的振動控制信號的輸出頻率，然后改變懸梁的振動頻率，記錄對應(yīng)頻率下低通濾波器輸出電壓的峰峰值，繪制電阻應(yīng)變式傳感器實驗系統(tǒng)的幅頻特性曲線。

3.電阻應(yīng)變式傳感器電橋溫度補償法實驗

電阻應(yīng)變式傳感器電橋溫度補償法實驗原理圖如圖16－7所示。將橋臂電阻接成單臂電橋的形式，即R1為工作應(yīng)變片，R2、R3和R4為固定電阻。先對差動放大器調(diào)零，然后對電橋調(diào)平衡。將工作應(yīng)變片加熱，觀察電壓表讀數(shù)的變化。將R2用補償應(yīng)變片代替，重復(fù)以上實驗，并與不加補償片的結(jié)果比較，分析其結(jié)果。

4.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用——電子秤

電子秤實驗電路如圖16－4所示，橋臂電阻接成全橋差動電橋形式。卸掉螺旋測微器，對差動放大器調(diào)零，電橋調(diào)平衡。在振動臺中心加上電子秤最大量程砝碼，調(diào)節(jié)放大器增益，使電壓表顯示最大值；卸下全部砝碼，再進行系統(tǒng)調(diào)零。反復(fù)進行調(diào)試直到系統(tǒng)零點、量程準(zhǔn)確為止。對電子秤標(biāo)定，根據(jù)在零點和滿量程之間加的砝碼和相應(yīng)的輸出電壓關(guān)系作出U－W曲線。卸下全部砝碼，放上一未知重物，讀出電壓表的值，根據(jù)U－W曲線推算出未知重物的重量。

思考題

①單臂電橋、半橋差動電橋、全橋差動電橋的靈敏度與理論上求得的靈敏度是否相符，分析其產(chǎn)生誤差的可能原因。

②為什么可以用U－x曲線的斜率代表各自測量電橋的靈敏度？應(yīng)變片的靈敏度與電橋靈敏度之間是什么關(guān)系？

③電子秤為何要首先對其標(biāo)定，求出靈敏度，然后再測未知重物的重量？

④交流全橋系統(tǒng)是否也可作為電子秤使用？若能，試畫出其原理圖，并說明其實驗方法。

實驗報告要求

實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：

①實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗原理圖及主要方法步驟。

②結(jié)果分析。分別求出直流激勵和交流激勵下的三種測量電橋的靈敏度，并進行比較，得出結(jié)論，分析產(chǎn)生誤差的原因；求出平行懸梁的自振（共振）頻率；在直流電橋的應(yīng)用中，計算電子秤的靈敏度及未知重物的重量。

③實驗中遇到的問題及解決辦法。

16.4差動變壓器式傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

掌握差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性；掌握差動變壓器式傳感器的靜態(tài)和動態(tài)性能及測試方法；了解差動變壓器式傳感器零點殘余電壓的測試及其補償法；了解差動變壓器式傳感器的基本應(yīng)用。

實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為ZCY型綜合傳感器實驗儀、10MHz超低頻雙蹤示波器和萬用表。在實驗儀上用到的單元和部件有：差動變壓器、音頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、差動放大器、電橋、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、螺旋測微器和V/F表等。實驗原理

差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)形式是螺線管式，它由外部罩有有機玻璃的三個線圈（即一個初級線圈和兩個反向串聯(lián)的次級線圈）和插入線圈中央的軟磁鐵氧體磁棒（即鐵芯）組成，線圈固定在儀器基座上，鐵芯與振動平臺上固定支架的末端相連。初級線圈的電源由0.9～10kHz音頻信號發(fā)生器提供，次級線圈差動輸出給差動放大器。當(dāng)振動平臺上下移動時，帶動鐵芯上下移動，改變初級線圈與兩個次級線圈的互感系數(shù)，從而使次級線圈的差動輸出電壓發(fā)生變化。1.差動變壓器式傳感器的靜態(tài)性能實驗原理

差動變壓器式傳感器的靜態(tài)實驗原理框圖如圖16－8所示，圖16－9為靜態(tài)實驗原理電路圖。調(diào)整螺旋測微器帶動振動平臺移動，從而改變差動變壓器鐵芯在線圈中的上下位置，由示波器觀察鐵芯在不同位置時差動變壓器次級線圈差動輸出電壓波形的形狀和相位。

圖16－8差動變壓器式傳感器靜態(tài)實驗原理框圖

圖16－9差動變壓器式傳感器靜態(tài)實驗原理電路圖

2.差動變壓器式傳感器的動態(tài)性能實驗原理

差動變壓器式傳感器的動態(tài)性能實驗原理框圖如圖16－10所示，圖16－11為差動變壓器式傳感器動態(tài)實驗的原理電路圖。差動變壓器式傳感器存在一個激勵信號頻率f0，它可使差動變壓器式傳感器的靈敏度最大，此時差動變壓器式傳感器輸出電壓相位與激勵電壓相位基本一致；當(dāng)差動變壓器式傳感器的激勵信號頻率太低或太高時，差動變壓器的靈敏度都顯著降低。

圖16－10差動變壓器式傳感器動態(tài)性能實驗原理框圖

圖16－11差動變壓器式傳感器動態(tài)性能實驗原理電路圖

實驗內(nèi)容

1.差動變壓器式傳感器零點殘余電壓的補償

差動變壓器式傳感器零點殘余電壓的補償實驗原理電路如圖16－9所示。對差動放大器調(diào)零。分別斷開電阻r與差動放大器反向端以及電容C與差動放大器同向端的連接，調(diào)節(jié)螺旋測微器，使差動放大器輸出為最小，此時輸出的最小電壓為差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓，用示波器測量差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓（適當(dāng)提高示波器輸入通道的電壓靈敏度）。將電阻r與差動放大器的反向端連接，電容C與差動放大器同向端連接，將輸入通道的靈敏度進一步提高，調(diào)節(jié)電位器RW1和RW2，使差動放大器輸出為最小，從而對差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓進行了補償。比較經(jīng)補償后的零點殘余電壓與激勵電壓的波形、相位關(guān)系。

2.差動變壓器式傳感器靜態(tài)性能測試

差動變壓器式傳感器靜態(tài)實驗原理電路如圖16－9所示。先對差動放大器調(diào)零，再進行零點殘余電壓補償。調(diào)節(jié)螺旋測微器使差動變壓器的鐵芯位置由上至下變化，同時用示波器觀察差動放大器輸出波形的峰峰值（Up-p）的大小和相位的變化，記錄鐵芯位置（x）和對應(yīng)差動放大器輸出波形的峰峰值（Up-p），繪制x－Up-p關(guān)系曲線，由此計算出差動變壓器式傳感器的靈敏度和線性范圍。

3.差動變壓器式傳感器的動態(tài)性能研究

（1）原邊線圈激勵信號頻率對差動變壓器式傳感器的影響實驗電路圖如圖16－11所示。對差動放大器調(diào)零，并對差動變壓器零點殘余電壓進行補償。調(diào)節(jié)螺旋測微器到某一位置，使懸梁處于彎曲狀態(tài)，差動變壓器式傳感器的鐵芯離開（向上或向下）線圈中心位置，使差動放大器有一定量的輸出；調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器的檢波效率最高，將低通濾波器的輸出連接到示波器直流輸入端，記錄激勵頻率在50Hz～10kHz范圍變化時，差動變壓器式傳感器在對應(yīng)各激勵信號頻率時的輸出電壓，并繪制差動變壓器的激勵信號頻率與輸出電壓的關(guān)系曲線。（2）實驗系統(tǒng)的幅頻特性測試實驗電路如圖16－11所示。在前面實驗的基礎(chǔ)上，將低通濾波器的輸出連接到示波器直流輸入端，卸掉測微器，此時懸梁處于水平位置，通過調(diào)節(jié)電位器RW1和RW2，使示波器讀數(shù)近似為零。用實驗儀的頻率表測量振動平臺激振線圈控制信號的頻率，由振動平臺帶動差動變壓器的鐵芯上下振動，用示波器記錄對應(yīng)振動頻率下差動變壓器式傳感器輸出電壓信號的峰峰值，并繪制實驗系統(tǒng)的幅頻特性曲線。

思考題

①在實驗中，當(dāng)鐵芯從上至下移動時，次級輸出的相位是如何變化的?為什么？

②零點殘余電壓產(chǎn)生的主要原因是什么？消除零點殘余電壓一般可采用哪些方法。

③差動變壓器作為電子秤應(yīng)用前，是否需要進行標(biāo)定？比較應(yīng)變式及差動變壓器式傳感器電子秤應(yīng)用的原理和實現(xiàn)方法。實驗報告要求

實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：

①實驗?zāi)康?、實驗原理及實驗線路圖。

②實驗內(nèi)容及主要步驟，實驗中發(fā)現(xiàn)的問題。

③實驗數(shù)據(jù)及處理方法。

④實驗結(jié)果及分析。 16.5電渦流式傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

掌握電渦流式傳感器的工作原理、性能及基本組成；掌握電渦流式傳感器的靜態(tài)性能及測試方法；掌握不同材料的被測物體對電渦流式傳感器性能的影響；掌握電渦流式傳感器的基本應(yīng)用；了解電渦流式傳感器測量電路的組成及原理。

實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為ZCY型綜合傳感器實驗儀、10MHz超低頻示波器和萬用表。在實驗儀上用到的單元和部件有：電渦流式傳感器、音頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、差動放大器、電渦流式傳感器測量電路（渦流變換器）、電橋、鐵測片、鋁測片、螺旋測微器和V/F表等。

實驗原理

電渦流式傳感器是由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成的線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)。電渦流式傳感器實驗的基本原理是通過調(diào)節(jié)螺旋測微器改變固定在平臺上的被測導(dǎo)體與傳感器線圈之間的距離，從而改變電渦流式傳感器的電感量，通過調(diào)幅式測量電路（變換器）轉(zhuǎn)換成交變電壓輸出，該交變信號的幅值反映出導(dǎo)體與線圈之間的距離。當(dāng)被測導(dǎo)體材料不同時，電渦流變換器的輸出信號幅值不同。電渦流式傳感器的靜態(tài)實驗原理框圖如圖16－12所示。圖16－13為電渦流式傳感器實驗系統(tǒng)的電路圖。

圖16－12電渦流式傳感器的靜態(tài)實驗原理框圖

圖16－13電渦流式傳感器實驗系統(tǒng)電路圖

實驗內(nèi)容

1.電渦流式傳感器的靜態(tài)性能測試

實驗系統(tǒng)電路圖如圖16－13所示。被測物體為鐵片，調(diào)節(jié)螺旋測微器，使懸梁處于水平位置。用示波器觀察電渦流式傳感器中差動放大器的輸出波形，如電渦流傳感器的輸出沒有振蕩波出現(xiàn)，則調(diào)整傳感器線圈與被測物體之間的初始距離，直到振蕩波出現(xiàn)；調(diào)節(jié)螺旋測微器，從傳感器線圈與被測鐵片接觸開始，以此向下轉(zhuǎn)動測微頭，分別記下螺旋測微器的讀數(shù)（x）和示波器顯示電壓波形的峰峰值（Up-p），在坐標(biāo)紙上畫出Up-p－x曲線，計算出電渦流式傳感器的靈敏度和線性范圍。

2.被測物體材料對電渦流式傳感器特性的影響

實驗線路如圖16－13所示。被測物體換上鋁片，重復(fù)實驗內(nèi)容1的過程，作出Up-p－x曲線，分別求出不同金屬材料時的靈敏度和線性范圍，并分析被測物體材料對電渦流式傳感器特性的影響。

3.自擬實驗

①自擬電渦流式傳感器應(yīng)用實驗，進行懸梁振動幅頻特性的測試。

②自擬電渦流式傳感器電子秤應(yīng)用實驗，進行未知重物的測量。思考題

①電渦流式傳感器在被測物體不同時，測量系統(tǒng)輸出不同，這是為什么？

②如果電渦流式傳感器的線性范圍是0～1mm，則進行振動測量時的最佳工作點應(yīng)在線圈距被測物體幾毫米處？如果已知被測物體振動峰峰值為0.2mm，傳感器（被測物體）是否一定要裝在最佳工作點處？如果電渦流式傳感器僅用來測量振動系統(tǒng)固有頻率，工作點問題是否仍十分重要？

③用什么辦法可擴大此傳感器的線性范圍？

④利用實驗裝置的現(xiàn)有單元電路，你是否有辦法將渦流變換器的輸出信號變換成直流電壓信號并由表頭直接讀出振幅大小？

⑤電渦流式傳感器電子秤應(yīng)用實驗與前述各傳感器的電子秤應(yīng)用實驗比較，有何特點？

實驗報告要求

實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：

①實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容及主要操作方法、步驟。

②實驗數(shù)據(jù)、處理結(jié)果及實驗結(jié)果分析。

16.6電容式傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

掌握差動變面積式電容傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及基本組成；掌握電容式傳感器的靜態(tài)和動態(tài)性能及測試的基本方法；掌握電容式傳感器的基本應(yīng)用；了解電容式傳感器測量電路的工作原理及組成。

實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為ZCY型綜合傳感器實驗儀、10MHz超低頻示波器和萬用表。在實驗儀上用到的單元和部件有：差動電容式傳感器、低頻信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、測量電路（電容變換器）、差動放大器、電橋、低通濾波器、砝碼、螺旋測微器和V/F表等。

實驗原理

固定在基座上的兩組靜片和固定在振動平臺上的一組動片構(gòu)成平板差動變面積式電容傳感器。通過螺旋測微器移動振動平臺的上下位置，從而可改變差動電容的大小。實驗中由差動電容測量電路將差動電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。實驗原理框圖如圖16－14所示。圖16－15為差動電容式傳感器實驗原理電路圖。圖16－14差動電容式傳感器實驗原理框圖

圖16－15差動電容式傳感器實驗原理電路圖

實驗內(nèi)容

1.電容式傳感器的靜態(tài)性能測試和非線性特性的研究

電容式傳感器靜態(tài)靈敏度和非線性特性研究的實驗線路如圖16－15所示。調(diào)節(jié)螺旋測微器，使懸梁處于水平位置，動極板位于上、下兩定極板的中間位置。將差動放大器的增益旋鈕調(diào)至中間位置，對差動放大器調(diào)零；然后調(diào)節(jié)電位器RW1，使差動放大器輸出為零。調(diào)節(jié)螺旋測微器，使動極板向上移動到某一位置，然后調(diào)節(jié)螺旋測微器，由此向下移動動極板，分別記錄動極板位移x和對應(yīng)輸出電壓的大小，作出U－x曲線，求出差動電容式傳感器的靈敏度和線性范圍。由于電容式傳感器電容變化量小，且輸出阻抗高，因此為了抑制外界干擾，電容傳感器與測量電路連線采用屏蔽線連接。

2.電容式傳感器的幅頻特性研究

電容式傳感器幅頻特性實驗線路如圖16－15所示。卸下螺旋測微器，此時差動變面積式電容器的動極板一般處于兩定極板的中間位置。差動放大器增益旋鈕處于中間位置，對差動放大器調(diào)零，調(diào)節(jié)電位器RW1，使差動放大器輸出為零。調(diào)節(jié)振動平臺激振線圈的控制信號的幅度于一適當(dāng)值，在3～30Hz范圍不斷改變其頻率，并用頻率表測量各頻率值，記錄激振線圈控制信號為不同頻率時示波器顯示電壓波形（低通濾波器輸出）的峰峰值，根據(jù)實驗結(jié)果作出差動變面積式電容傳感器的幅頻特性曲線。

3.自擬實驗

自擬電容式傳感器的電子秤應(yīng)用實驗，并對未知物進行測重。

思考題

①常見電容式傳感器的測量電路有哪幾種？說說各自特點及應(yīng)用場合。

②試分析本實驗中的電容式傳感器測量電路的工作原理，并寫出測量電路輸出電壓U與差動電容(Cx2-Cx1)的關(guān)系式。

實驗報告要求

實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：

①實驗?zāi)康募皩嶒瀮?nèi)容。

②實驗原理圖、主要操作方法及實驗步驟。

③列出數(shù)據(jù)表格，作出U－x曲線，求出傳感器的靜態(tài)靈敏度和線性范圍。

④敘述差動電容式傳感器的電子秤應(yīng)用實驗的設(shè)計及實驗步驟，并進行數(shù)據(jù)處理,給出實驗結(jié)果。

⑤實驗遇到的問題及解決辦法，并對實驗結(jié)果進行分析。

16.7霍爾式傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

掌握霍爾式傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及基本組成；掌握霍爾式傳感器的靜態(tài)和動態(tài)性能及測試的基本方法；掌握霍爾式傳感器的基本應(yīng)用；了解霍爾式傳感器不等位電勢和寄生直流電勢補償?shù)脑砑胺椒ā?/p>

實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為ZCY型綜合傳感器實驗儀、10MHz超低頻示波器和萬用表。在實驗儀上用到的單元和部件有：霍爾式傳感器、低頻信號發(fā)生器、音頻振蕩器、穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、相敏檢波器、移相器、低通濾波器、螺旋測微器和V/F表等。

實驗原理

固定在基座上的磁路系統(tǒng)和固定在振動平臺上的霍爾片構(gòu)成霍爾式傳感器。通過調(diào)節(jié)螺旋測微器改變霍爾片在磁場中的位置，即改變霍爾片所處的磁感應(yīng)強度，使霍爾元件輸出的霍爾電勢發(fā)生變化，霍爾電勢的大小反映了霍爾片在磁場中位移的大小?；魻柺絺鞲衅鲗嶒灧譃橹绷骷詈徒涣骷顑刹糠帧?/p>

霍爾式傳感器直流激勵實驗原理框圖如圖16－16所示，圖16－17為直流激勵下霍爾式傳感器的實驗線路圖?；魻柺絺鞲衅髟谥绷骺刂齐娏髯饔孟?，霍爾片在磁場中間位置時，感受的磁感應(yīng)強度為零，此時測得的霍爾電勢為霍爾式傳感器的不等位電勢U0，通過補償電路可以對不等位電勢進行補償。圖16－17中的RW1為不等位電勢調(diào)節(jié)電位器。圖16－16霍爾式傳感器直流激勵實驗原理框圖

圖16－17霍爾式傳感器直流激勵實驗線路圖

霍爾式傳感器交流激勵實驗原理框圖如圖16－18所示，圖16－19為交流激勵下霍爾傳感器的實驗線路圖。在交流控制電流作用下，經(jīng)交流處理電路后，霍爾式傳感器的輸出大小反映了霍爾片的上下位移量。霍爾式傳感器在交流控制電流作用下，除了存在不等位電勢外，還有寄生直流電勢?；魻柶诓患油獯艌鰰r，可測量霍爾式傳感器的寄生直流電勢。圖16－20為寄生直流電勢的補償線路圖，RW1為不等位電勢調(diào)節(jié)電位器，RW2為寄生直流電勢調(diào)節(jié)電位器。

圖16－18霍爾式傳感器交流激勵實驗原理框圖

圖16－19霍爾式傳感器交流激勵實驗線路圖

圖16－20寄生直流電勢的補償線路

實驗內(nèi)容

1.霍爾式傳感器直流激勵特性的研究

霍爾式傳感器直流激勵特性研究實驗線路圖如圖16－17所示。調(diào)節(jié)差動放大器的增益為1，對差動放大器調(diào)零。

(1)不等位電勢測量與補償斷開電阻r與差動放大器同向端的連接，調(diào)節(jié)螺旋測微器，使差動放大器輸出為最小，此時輸出的最小電壓為霍爾式傳感器的不等位電勢，此時由電壓表讀出霍爾式傳感器的不等位電勢。將電阻r與差動放大器的同向端連接，調(diào)節(jié)電位器RW1，使差動放大器輸出為零，從而對不等位電勢進行了補償。

（2）直流激勵下輸入—輸出特性調(diào)節(jié)螺旋測微器，改變霍爾片的上下位置，分別記錄螺旋測微器的讀數(shù)和對應(yīng)的霍爾式傳感器的輸出電壓，由實驗數(shù)據(jù)計算霍爾式傳感器的靈敏度及其線性范圍。

2.霍爾式傳感器交流激勵特性的研究

（1）寄生直流電勢測量及補償寄生直流電勢的補償線路如圖16－20所示。調(diào)節(jié)差動放大器的增益為1，對差動放大器調(diào)零。

寄生直流電勢的補償是在直流激勵情況下，已對霍爾式傳感器的不等位電勢進行了補償?shù)幕A(chǔ)上進行的。斷開電容C與差動放大器反向端的連接，調(diào)節(jié)螺旋測微器，使差動放大器輸出為最小，此時輸出的最小電壓為霍爾式傳感器的寄生直流電勢。將電容C與差動放大器的反向端連接，調(diào)節(jié)電位器RW2，使差動放大器輸出為零，從而對寄生直流電勢進行了補償。

（2）交流激勵下輸入—輸出特性霍爾式傳感器交流激勵特性研究實驗線路圖如圖16－19所示。通過改變螺旋測微器的位置，分別記錄螺旋測微器的讀數(shù)和對應(yīng)的霍爾傳感器輸出，計算霍爾式傳感器的靈敏度及其線性范圍，并與直流激勵下的靈敏度及其線性范圍進行比較。思考題

①霍爾式傳感器實驗中差動放大器的作用是什么？

②圖16－19和圖16－20中，電位器RW1、RW2分別起什么作用？

③比較霍爾式傳感器與應(yīng)變式、差動變壓器式、電容式傳感器的應(yīng)用情況。

④在交流激勵下，為何都要使用移相器和相敏整流器？

⑤利用霍爾元件測量位移和振動時，使用上有何限制？

實驗報告要求

實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：

①實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、主要步驟及系統(tǒng)原理接線圖。

②實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。

③實驗結(jié)果的比較及分析。

16.8光纖位移傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

掌握光纖傳感器的原理及基本應(yīng)用；了解光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及響應(yīng)特性。

實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為ZCY型綜合傳感器實驗儀、10MHz超低頻雙蹤示波器和萬用表。在實驗儀上用到的單元和部件有：直流穩(wěn)壓電源、光纖式位移傳感器、光纖測量電路（光電轉(zhuǎn)換裝置）、螺旋測微器、振動平臺及V/F表等。

實驗原理

光纖式位移傳感器的實驗原理圖如圖16－21所示。光源為發(fā)光管VD1，其發(fā)出的光經(jīng)輸入光纖束a傳送，被照射到被測物體上，經(jīng)被測物體表面反射，經(jīng)輸出光纖束b，由光探測器（接收管VD2）檢測到光強度的大小。距離d變化時，接收管VD2檢測到的光強度不同，從而可進行位移測量。圖16－22為光纖位移傳感器實驗原理框圖。

光纖傳感器光源的發(fā)光強度應(yīng)穩(wěn)定，實驗裝置中采用了一個穩(wěn)定光強度的負(fù)反饋系統(tǒng)。在發(fā)光管VD1旁邊放置一個監(jiān)視光強度的接收管，該接收管接收的信號反映發(fā)光管VD1光強度的變化，由該接收管來控制發(fā)光管VD1的發(fā)光強度，使發(fā)光管VD1發(fā)出的光強度穩(wěn)定。

圖16－21光纖位移傳感器原理圖

圖16－22光纖位移傳感器實驗原理框圖

實驗內(nèi)容

1.光纖位移傳感器的靜態(tài)響應(yīng)

光纖位移傳感器的靜態(tài)響應(yīng)實驗原理圖如圖16－21所示。將實驗儀上的電渦流傳感器線圈從固定支架上拆下，裝上光纖傳感器的光纖部分；在與光纖探頭相對的振動平臺上安裝被測物體，將光纖a、b小心地裝入光電轉(zhuǎn)換裝置，直到不能再進入為止；然后用光電轉(zhuǎn)換裝置上的兩顆小螺釘分別將它們固定住。光電轉(zhuǎn)換裝置包括光源的控制電路及探測器的信號處理電路等。

將光電轉(zhuǎn)換裝置通電，預(yù)熱5分鐘左右。調(diào)節(jié)螺旋測微器，使被測物體與光纖之間的距離為0，這時電壓表讀數(shù)為零。調(diào)節(jié)螺旋測微器，改變被測物體與光纖探頭的距離，對光纖位移傳感器進行靜態(tài)標(biāo)定，并計算光纖傳感器的靈敏度和線性范圍。

2.光纖位移傳感器的幅頻特性

實驗原理圖如圖16－21所示。拆下螺旋測微器，根據(jù)“光纖傳感器的靜態(tài)響應(yīng)”中得到的線性范圍，調(diào)整光纖位移傳感器與被測物體表面之間的距離為線性范圍的一半。調(diào)節(jié)振動平臺激振線圈控制信號的幅度于一適當(dāng)值，在3～30Hz范圍內(nèi)不斷改變其頻率，并用頻率表測量頻率值。用示波器讀出光電轉(zhuǎn)換裝置的電壓輸出信號峰峰值，記錄激振線圈控制信號為不同頻率時示波器顯示波形（低通濾波器輸出的低頻信號）的峰峰值，根據(jù)實驗結(jié)果作出光纖位移傳感器的幅頻特性曲線。

思考題

①說明光纖傳感器的工作原理及其特點。

②如何改變光纖傳感器的靈敏度及線性范圍？

③光纖傳感器動態(tài)特性受哪些因素影響？

實驗報告要求

實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：

①實驗?zāi)康募爸饕襟E。

②實驗數(shù)據(jù)及其處理。

③實驗結(jié)果的分析。

④實驗中出現(xiàn)的問題及解決辦法。 16.9光電傳感器實驗

實驗?zāi)康?/p>

掌握光電傳感器的工作原理；掌握光電傳感器測量轉(zhuǎn)速的基本原理和實現(xiàn)方法；初步了解虛擬儀器測試系統(tǒng)的工作原理及其設(shè)計方法。

實驗設(shè)備

ZT－1轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺、光電傳感器、精密測速器、信號調(diào)理器、PCI－6024E數(shù)據(jù)采集卡