检测与转换技术实验指导书.docx
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检测与转换技术实验指导书
《检测与转换技术》
实验指导书
适用专业:
电气工程、信息工程
课程代码:
8426920
总学时:
48总学分:
3
编写单位:
测控技术与仪器系
编写人:
王萍陈高燕
审核人:
审批人:
批准时间:
2010年8月20日
目录
实验一应变电阻特性实验（实验代码1）……………………………………………2
实验二热电式传感器试验（实验代码2）……………………………………………6
实验三基于上位机检测的光电测速、测频率综合实验（实验代码3）……………9
实验四基虚拟仪器的霍尔式传感器的直流激励特性综合实验（实验代码4）……11
附录1：
成绩考核办法……………………………………………………………………14
附录2：
推荐教材、参考书………………………………………………………………14
实验一箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥性能比较与半导体应变片性能比较试验
一、实验目的和任务
1．观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；
2．测试应变梁变形的应变输出；
3．比较各桥路间的输出关系；
4．比较金属应变片与半导体应变片的各种的特点。
二、实验内容
1．测量直流单臂，半桥和全桥的输出特性；
2． 比较温度对单臂，半桥和全桥性能的影响；
3． 对单臂、半桥和全桥的灵敏度，线性度进行比较；
4．采用单臂电桥进行测量，对金属应变片、半导体应变片进行灵敏度的比较。
三、实验仪器、设备及材料
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。
四、实验原理
1.金属箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥性能
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路，转换成电信号输出显示。
优点:
稳定性和温度特性好；缺点:
灵敏度系数小。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时，
；当二个应变片组成差动状态工作，则有
；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，
。
由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。
单臂电桥测试原理如图1.1所示。
如果R1＝R2＝R3＝R4，则
从上式中可以看出电桥中相邻两臂的应变片受力应相反。
2.半导体材料的压阻效应
半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为半导体材料的压阻效应。
对于长l，截面积S，电阻率ρ的条形半导体应变片，在轴向力F作用下：
应变灵敏系数
式中，E—半导体应变片材料的弹性模量；
πL—半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。
特点：
灵敏系数高（其灵敏度是金属应变片的几十倍），可测微小应变，机械迟滞和横向效应小，体积小。
但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿。
五、主要技术重点、难点
测试方法的理解和运用。
六、实验步骤
1．调零。
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化，调零后关闭仪器电源。
2．按图1.1将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为金属箔式应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电压为零为起点，向上或向下移动5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。
位移mm
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
电压
V
-0.12
-0.1
-0.07
-0.05
-0.03
0
0.03
-0.05
0.08
0.09
0.12
6.直流半桥：
保持差动放大器增益不变，将R2换成与应变片R工作状态相反的另一金属箔式应变片，（若R拉伸，换上去的应为压缩片）形成半桥。
重复单臂电桥的步骤；
位移mm
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
电压
V
-0.24
-0.2
-0.13
-0.10
-0.06
0
0.06
0.11
0.14
0.2
0.25
7直流全桥：
保持差动放大器增益不变，将R1换成与应变片R工作状态相反的另一金属箔式应变片，（若R拉伸，换上去的应为压缩片），将R3换成与应变片R工作状态相同的另一金属箔式应变片，形成全桥。
重复单臂电桥的步骤。
位移mm
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
电压
V
-0.48
-0.38
-0.26
-0.21
-0.11
0
0.12
0.21
0.27
0.38
0.49
（注：
以上实验数据作为参考，请同学们稍加更改）
七、实验报告要求
1.用表格形式列出金属箔式应变片单臂、半桥、全桥实验数据；
2.分别在坐标纸上绘出三种情况下的输出特性曲线（X-V曲线）并在同一坐标纸上描出此三条曲线，讨论三种情况下的线性误差，灵敏度；
3.用表格形式列出半导体应变片单臂电桥实验数据，在坐标纸上绘出金属箔式应变片单臂电桥和半导体应变片单臂电桥情况下的输出特性曲线（X-V曲线）并在同一坐标纸上描出此二条曲线，以便比较灵敏度，讨论这二种情况下的线性误差，灵敏度。
例：
直流单臂电桥
1、 数据表
2、X-V曲线
3、最大线性误差
式中
为非线性误差。
︱
︱输出值与理论直线的最大偏差绝对值。
此处理论曲线取两端点的连线。
满量程输出
＝︱VH－VL︱为上下限标称值之差的绝对值，此处下限VL＝0所以
＝VH。
4、 灵敏度
此处近似为输出特性曲线两端点连接直线的斜率。
最后在同一坐标纸上作出三种情况下的输出特性曲线。
通过以上比较可以得出什么样的结论？
并回答为什么应变片传感器常采用半桥式或全桥形式？
5、重复以上步骤，比较半导体应变片和金属箔式应变片，通过以上比较可以得出什么样的结论？
并回答为什么采用半导体应变片来测量微应变？
为什么尽管金属应变片的灵敏度很小，但仍在许多场合得到应用？
八、实验注意事项
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰；
2．接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂；
3．稳压电源不要对地短路；
4.进行上述实验时激励电压，差动放大器增益、测微头起始点位置等实验条件必须一致，否则就无可比性。
九、思考题
1.为什么需要将放大器增益放到最大后再进行调零？
2.应变片的安装位置如何？
3.半导体应变片的特点是什么？
4.增益放在什麽位置好？
5.你怎样确定零点、量程和测量范围？
实验二热电式传感器试验
一、实验目的和任务
1、观察了解热电偶的结构；
2、熟悉热电偶的工作特性；
3、学会查阅热电偶分度表；
二、实验内容
1.采用K型热电偶进行测温
2.并通过计算算出环境温度对温度测量的影响；
三、实验仪器、设备及材料
热电偶、温度变换器、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）。
四、实验原理
热电偶测温：
热电偶是热电式传感器的一种，它可将温度变化转化成电势的变化，其工作原理是建立在热电效应的基础上的。
即将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料的性质和结点的温度有关。
因此只要保持冷端温度t0不变，当加热结点时，热电偶的输出电势E会随温度t变化，通过测量此电势即可知道两端温差，从而实现温度的测量。
本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶（K型）。
五、主要技术重点、难点
热电偶的冷端处理，所测温度的计算与修正。
六、实验步骤
热电偶的测温试验步骤
1）调节差动放大器输出为零。
开启仪器总电源并将仪器左下角的±15V电源开关置于“开”的位置。
差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底）“+、-”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后，差动放大器的两个电位器的位置不要变化；
2）将热电偶接入差动放大器的双端输入，记录数字表显示的电压值Ut；
3）打开加热开关，观察差动放大器输出电压的变化，每隔1-2分钟记录一次电压值，待温度不再上升时（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数，并求出温度值；
4）本仪器上热电偶是由两支铜－康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。
用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1；
E（t,to）=E（t,t1）+E（t1,to）
实际电动势测量所得电势温度修正电动势
式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，to为热电偶参考端温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度。
查阅铜－康铜热电偶分度表，求出加热端温度t；
图2.1热电偶测温电路
七、实验报告要求
1、 记录热电偶（UE~t）测量数据并计算各点温度：
室温t=20℃
序号
1
2
3
4
5
最后值
UT/V
0.215
0.239
0.273
0.306
0.339
0.339
T/℃
2、画出测温的电路并进行相关说明，本试验将两热电偶串联使用，说明所测的温度的特点；
3、 算出热电偶所处的稳定状态温度，详细列出所有算法并说明理由；
4、 说明环境温度对热电偶测温的影响，提出对冷端的处理方法；
八、实验注意事项
1.本仪器所使用的热电偶是由两只铜-康铜热电偶串接而成的，热电偶的冷端为室温，热端在悬臂梁上。
放大器的增益为100倍，计算热电势时应考虑进去。
2.因为仪器中差动放大器放大倍数≈100倍，所以用差动放大器放大后的热电势并非十分精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。
3.测出热电偶的输出电压，记入数据表。
九、思考题
1、 热电偶分度表是如何做出回来的？
2、为何将两热电偶串联使用？
（注：
以上表中热电式单位是mv，t=（ut+0.792mv）/200，其中ut为各点测量电势，算出t后再查表就知道各点温度）
实验三基于上位机检测的光电测速、测频率综合实验
一、实验目的和任务
在工业生产和科学实验中，转速测量是一个很重要的问题。
通过该试验，达到以下综合目的：
1、了解光电转速传感器的工作原理；
2、掌握光电测速的系统结构；
3、学会通过测量脉冲计算转速；
4、了解计算机测速的基本环节；
5、了解光电转速中环境光对测速的影响。
二、实验内容
1.采用光电转速传感器进行测速；
2.采用频率计通过测量光电转速传感器的脉冲计算转速；
3.采用示波器通过测量光电转速传感器的脉冲计算转速；
4.通过数据采集板，经过RS232与计算机通信进行速度的测量与显示。
5.采用人为干扰的方法，观察环境光对光电测速的影响。
三、实验仪器、设备及材料
光电传感器、光电变换器、测速电机及转盘、电压/频率表2KHZ档、示波器、数据采集卡、计算机。
四、
实验原理
光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。
其工作原理如图4.1所示。
光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成，通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。
信号盘结构如图3.2所示，盘上共有2个齿，将信号盘与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支架上，垂直于转速盘，当转速盘旋转时，光电传感器就输出矩形脉冲信号，每2个脉冲对应电动机1转。
信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。
图3.2采用频率计通过测量光电转速传感器的脉冲计算转速；图3.3采用示波器测转速。
光敏晶体管的特性：
图3.4硅光敏管的伏安特性
（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管
图3.5硅和锗光敏管的光谱特性
光电信号的转换：
光电耦合器（如图3.6中虚线所示）将速度信号转换为电脉冲，再进行放大和整形，光电脉冲转换电路如图3.6所示。
转速的计算：
在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。
设固定的测量时间T（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r／min），则f-=pN／60，际转速值N=60f／p。
计算机测试：
CSY系列传感器综合测试仪负责提供底层的多种传感器的测试信号；数据采集卡完成信号的放大、A/D转换并通过RS232串口将CSY系列传感器实验仪的测试信号送入计算机，如图3.7所示。
数据采集卡已安装于仪器内部，其信号输入端即为仪器上电压/频率表的VI端。
十二位A/D转换，精度为1/2048，量程分200Mv、1V、10V三档，可以根据实验采集电压范围选择量程，以获得较高精度。
采集速度分单次和连续两种模式，连续采集主要是对动态信号，速度1-7档从20000次/秒—100次/秒，用户可以根据动态信号的频率选定采集速度。
通讯约定（串行口RS232）：
波特率2400，1位停止位，无奇偶校验。
安装：
数据采集卡使用计算机的COM1～4口进行通讯，故计算机上的其他串行设备的安装必须做到：
BIOS中的设置正确，中断号不能和通信口所占用的中断号相冲突。
“转速”测试最低转速为7.62转/秒，信号频率（脉冲信号）均要通过“转速”插口送入采集卡中。
上位测试界面如图3.8所示。
图3.8上位测试界面
五、主要技术重点、难点
对测试系统的整体把握。
六、实验步骤
1、光电传感器“光电”端接光电变换器端，VF端接示波器和电压/频率表2KHZ；
2、注意安装好光电传感器位置，勿与信号盘盘面相擦；
3、开启电源，打开电机开关，调节电机转速，采用频率法和周期法进行测速：
1）采用频率测量法：
将VF端接电压/频率表2KHZ，调节转速n1,测得频率f1；调节转速n2,测得频率f2,分别算出相应的转速；
2）采用周期法：
将VF端接示波器，调节转速n1,测得具有一定周期T1的方波；调节转速n2,测得具有一定周期T2的方波,分别算出相应的转速,并测出方波的幅值。
注意：
步骤1）和2）可同时进行，用示波器观察光电转换器VF端，读出波形频率，与频率表所示频率比较；
4、观察老师做微机检测与转换的演示试验：
将CSY实验仪器的通信电缆与PC机的COM口相连接，在PC机上打开测试界面，将VF端接电压/频率表2KHZ，调节转速n1,观察PC机所测得频率f1；调节转速n2,观察PC机所测得频率f2,与前两种测试的方法相对比；
5、人为干扰：
通过手电将一较强光源照射仪器转盘上方，观察测试方波是否正常。
低速
中速
高速
频率测试法测试
350
830
1250
计算转速
（注：
转速=60f/2以上实验数据作为参考，请同学们稍加更改）
七、实验报告要求
1、分别记录好采用频率、周期测量法所测的数据，分别算出相应的转速并说明计算原理，并测脉冲的幅值，比较波器与频率表的测试结果，说明测量差别的原因；
2、 说明微机检测系统的构成以及测试原理；
3、 说明人为干扰产生的现象，从光敏晶体管的频谱特性入手分析其原因，说明光电传感器在一般的环境下测量不受日光影响的原因；
4、 说明本测试系统对速度的分辨力，并提出提高其分辨力的方法。
八、实验注意事项
光电传感器勿与信号盘盘面相擦，否则易使电机堵转。
九、思考题
1、 CSY实验仪器的速度信号是如何提供的？
2、微机检测系统是如何构成的？
通信的速度对测试有何影响？
3、如果要想提高测试的分辨率，应采用什么样的措施？
实验四基于虚拟仪器的霍尔式传感器的直流激励特性综合实验
一、实验目的和任务
1．了解霍尔式传感器的工作原理；
2．熟悉霍尔式传感器的结构；
3．学会用霍尔传感器做静态位移测试；
4．了解基于LABVIEW的测试系统构成。
二、实验内容
1．测量霍尔式传感器的直流激励特性；
2． 通过霍尔式传感器进行位移的测量；
3． 练习如果确定测试范围；
4．进行LABVIEW的测试系统的演示实验。
三、实验仪器、设备及材料
直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头
。
四、实验原理
在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压VH，这种现象就是霍尔效应，VH称为霍尔电压：
VH＝KHIB
霍尔元件一旦制成，KH为常数。
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
霍尔传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成，当霍尔元件通以恒定的电流时，霍尔元件就有电势输出。
如图4.1（a）所示的两块永久磁铁相同极性相对放置，将霍尔元件置于中间，其磁感应强度为零，这个位置可以作为位移的零点。
当霍尔器件在Z轴方向位移Z时，霍尔器件有一电压UH输出，其输出特性如图9-20（b）所示。
只要测出UH值，即可得到位移的数值。
位移传感器的灵敏度与两块磁钢间距离有关，距离越小，灵敏度越高。
一般要求其磁场梯度大于0.03T／mm，这种位移传感器的分辨率优于106m。
如果浮力、压力等参数的变化能转化为位移的变化，便可测出液位、压力等参数。
本设计中通过调节测微头来调节霍尔器件在磁场中的位移。
其测量推导如下：
VH＝KHIB
B=kBx
VH＝KHIkBx
K=KHIkB
VH=Kx
图4.1霍尔位移测量
测量原理图如图4.2所示。
基于虚拟仪器的测试：
所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统，其中最有代表性的图形化编程软件就是美国NI公司推出的Labview（laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench即实验室虚拟仪器工作平台）。
CSY系列传感器实验仪自带数据采集卡，其厂家自行开发了一个很简单的数据采集上位界面，但难以满足多种测试与数据处理功能。
本实验充分利用现有的CSY系列传感器实验仪，通过串口与计算机通信，并在LabVIEW软件环境下实现传感器信号采集与显示，并可将MATLAB与LabVIEW相结合，利用其强大的计算功能对数据进行分析处理，实现数据分析、曲线拟合、结果判定等功能，提升了传统仪器的性能，实现了仪器功能的开放。
CSY系列传感器综合测试仪负责提供底层的多种传感器的测试信号；数据采集卡完成信号的放大、A/D转换并通过RS232串口将CSY系列传感器实验仪的测试信号送入计算机。
在LabVIEW下开发的程序称为虚拟仪器，通过编制软件可以在有限的设备基础上实现虚拟仪器VI（VirtualInstrument）的各种自定义功能，大大扩展了仪器的功能。
测试系统结构如图4.3所示。
测试所设计的虚拟电压表如图4.4所示。
五、
主要技术重点、难点
零点和测试范围的确定。
六、实验步骤
1．调零。
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。
拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
调零后关闭仪器电源；
2.按图4.2接线；装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置；
3.将差动放大器增益放在适度的位置（认真理解“适度”的含义）；
4.开启电源，调节电桥WD，使差放输出为零；
5.上、下移动振动台，使差放正负电压输出对称；
6．上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值。
7.如所测的数据不对称，应重新调整零点再测；
8.最后将测微头的移动范围超过3.5mm，观察将出现什么现象；
9.观察老师做基于LABVIEW的测试的演示实验：
将CSY实验仪器的通信电缆与PC机的COM口相连接，在PC机上打开LABVIEW的测试界面，调出如图4.4所示虚拟电压表进行测试。
七、实验报告要求
1.上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值并记入下表，作出V－X曲线，求出灵敏度及线性。
X（mm）
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
V（v）
-0.52
-0.45
-0.39
-0.33
0
0.031
0.38
0.46
0.53
2.说明为了使使差放正负电压输出对称，如何确定测量的零点；
3.说明如何调节“适度”的差动放大器增益；
4.如将测微头的移动至极限位置，分析观察的现象；
5.说明基于LABVIEW的测试系统的构成以及测试原理，列举其优越性。
八、实验注意事项
直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件。
九、思考题
1.霍尔元件的可测量那些量？
2.集成霍尔传感器有什么特点？
3.基于LABVIEW的测试系统与CSY仪器厂家设计的计算机测试有什么相同点？
各有什么特点？
附录1成绩考核办法
每个实验成绩采用满分100分评分，加权法计算总成绩：
基本实验成绩考核：
每一个基本实验成绩=实验室成绩×50%+实验报告成绩×50%
总成绩＝基本实验成绩之和/实验次数
对在综合性实验中有创新思维和提出新的合理实验思路、实验方案或对实验结果的分析有独特之处的学生，可根据其所取得的成绩给予加分。
附录2：
推荐教材、参考书
1、推荐教材：
常健生.检测与转换技术[M]（新版）.机械工业出版社,2004.
2、参考书：
[1]张洪润，张亚凡等编著.传感技术
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