传感器技术实验指导书重点Word文档格式.docx

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2.三源板部分

热源：

0~220V交流电源加热，温度可控制在室温~120oC

转动源：

2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500RPM（转/分）

振动源：

装有振动台1Hz—30Hz（可调）

3.处理（模块）电路部分

包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、温度检测与调理、压力检测与调理等共十个模块。

4.数据采集、分析部分

为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了USB数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件）。

14位A/D转换、采样速度达300kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图等处理，能对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务。

二、实验内容

结合本装置的数据采集系统，不用外配示波器，可以完成大部分常用传感器的实验及应用。

实验一、金属箔应变片的性能研究

实验1金属箔式应变片――单臂电桥性能实验

一、实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、实验仪器：

应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±

15V、±

4V电源、万用表（自备）。

三、实验原理：

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1

图1-2

通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

Uo=（1-1）

E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=。

四、实验内容与步骤

1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．从主控台接入±

15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw4，使电压表显示为0V。

Rw4的位置确定后不能改动。

关闭主控台电源。

3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源±

4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。

4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。

重量（g）

电压（mV）

表1－1

五、实验报告

根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×

100％，式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；

yF·

S为满量程（200g）输出平均值。

六、注意事项

加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

实验2金属箔式应变片――半桥性能实验

比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

同实验一

图2-1

实验3金属箔式应变片――全桥性能实验

了解全桥测量电路的优点。

同实验一。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：

Uo=KEε（3-1）

E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源±

4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使电压表显示为零。

图3-1

4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压

表显示0.020V左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表3-1，关闭电源。

表3-1

根据记录表3-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf3

六、思考题

比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

实验4直流全桥的应用——电子称实验

了解直流全桥的应用及电路的定标

电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。

1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将电路调零

2．将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.00V，若不为0.00V，再次调节Rw4调零。

4．重复2、3步骤的定标过程，直到精确为止，把电压量纲改为重量量纲即可以称重。

5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表，关闭电源。

表4-1

根据计入表4-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf4

实验二、霍尔转速传感器测速实验

了解霍尔组件的应用—测量转速。

霍尔传感器、+5V、2-24V直流电源、转动源、频率/转速表。

三、实验原理；

利用霍尔效应表达式：

UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。

1．安装根据图15-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。

图15-1

2．将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。

“2-24V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。

3．合上主控台电源，调节2-24V输出，可以观察到转动源转速的变化。

也可通过通信接口的第一通道CH1，用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。

1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。

实验三、压电式传感器振动实验

了解压电式传感器的原理；

掌握压电式传感器测量振动的原理和方法。

振动源、低频振荡器、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块

压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。

1．压电传感器已安装在振动梁的圆盘上。

2．将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按下图19-1接线，合上主控台电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅最大（达到共振）。

3．将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端Ui1，用上位机观察压电传感器的输出波形Uo。

图19-1

1．改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值。

实验四、热敏电阻的特性研究

实验1PT100温度控制实验

了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理。

智能调节仪、PT100、温度源。

位式调节

位式调节（ON/OFF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。

位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。

PID智能模糊调节

PID智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（AT）功能使得无需设置控制参数。

在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。

温度控制基本原理

由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。

本实验仪采用PID智能模糊+位式双重调节控制温度。

用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可以节约实验时间。

当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Pt100的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。

PID智能温度控制原理框图如图27-1所示。

图27-1PID智能温度控制原理框图

三、实验内容与步骤

1．在控制台上的“智能调节仪”单元中“控制对象”选择“温度”，并按图27-2接线。

2．将2-24V输出调节调到最大位置，打开调节仪电源。

3．按住3秒，PV窗口显示“”进入智能调节仪参数设定，继续按键直到PV窗口显示“”，按、使SV窗口显示21，按“”可改变小数点位置。

4．继续按键使PV窗口显示“”，按、使SV窗口显示1。

按住“”键同时按住3秒可回到初始状态，跳出参数设置。

5．按住3秒，PV窗口显示“”进入智能调节仪参数设定，按、使SV窗口显示50（上限报警值），按“”可改变小数点位置。

6．继续按键直到PV窗口