传感器技术与应用 实验指导书Word下载.docx

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2、掌握应变片测试方法及典型转换电路原理；

3、通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态特性性能指标的过程和方法。

二、实验内容和要求

1、观察金属箔式应变片的结构、贴片方式以及接桥方式；

2、测试应变梁变形时的应变输出；

3、比较应变片不同接桥方式对电桥输出结果的影响。

4、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。

三、实验主要仪器设备和材料

1、CYS型传感器系统综合实验仪

本次实验所用模块包括：

①悬臂梁及金属箔式应变片；

②电桥模块；

③差动放大器；

④直流稳压电源（±

4Ｖ档）；

⑤测微头；

⑥毫伏表。

2、若干接插连接实验导线。

3、万用表（非必需）。

四、实验方法、步骤及结果测试

一）实验原理

应变片是最常用的测力传感元件。

当使用应变片进行测试时，首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。

当测件受力发生变形，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值也随之发生相应变化。

之后，再通过测量转换电路，将电阻值变化转换成电压信号输出显示。

直流电桥是最常用的一种电测转换电路。

当电桥的相对臂电阻阻值乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。

若设电桥桥臂的四个电阻初始值分别为：

R1＝R2＝R3＝R4＝R，当测试体表面产生变形，则其电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3和△R4/R4。

当使用一个应变片时，可组成半桥单臂电桥，在电阻变化量△R较小的情况下，电桥输出电压为U0＝

；

当使用二个应变片差动联接，组成半桥双臂电桥，则有U0＝

而用四个应变片组成全桥形式，则输出电压为U0＝

。

由此可见，半桥单臂、半桥双臂和全桥电路的灵敏度是依次增大的。

通过本实验，可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂、半桥双臂电桥和全桥的原理及工作性能。

二）实验步骤及结果测试

1、仪表及电路调零

任何测试仪器或仪表，在使用前均需调零。

本实验需要调零的部件是毫伏表、直流电桥和差动放大器。

①毫伏表调零。

将综合实验仪上的毫伏表输入端对地短接，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。

拔掉短接线，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差动放大器调零。

开启仪器电源，将差动放大器增益调至适中位置（调节旋钮旋到中位附近），差动放大器的“＋、－”输入端用实验线对地短路，放大器输出端接毫伏表或数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压至零。

然后拔掉短接实验线。

注意：

调零后，放大器增益调节旋钮和“调零”电位器的位置不要改变。

若两者任一旋钮位置有变，需重新进行调零。

2、半桥单臂接桥方式测试

①接桥。

按图１半桥单臂电桥测试接线原理图，将实验模块用实验线连接成测试电桥。

桥路中R1、R2、R3（因实验设备不同，实验设备上的电阻标记可能有差异）和WＤ为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为箔式应变片（可任选悬臂梁上、下面上的任一金属箔式应变片作为工作片）。

直流激励电源为±

4Ｖ。

图1半桥单臂电桥测试接线原理图

②测微头置位。

测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上。

初始时，测微头一般位于悬臂梁上方，不与梁接触。

测微头置位，即是调节测微头旋转，通过顶杆使应变梁处于基本水平状态。

此时可认为悬臂梁上的应变片不受力，其电阻为应变片初始值。

③直流电桥平衡调整

确定按图1接线无误后，开启仪器电源，并预热数分钟。

调整直流电桥WD电位器，使测试系统电压输出为零。

此时可认为电桥处于平衡状态。

④加载测试

a、旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上或向下的移动，以水平状态下输出电压为零。

测微头每转一圈，对应垂直移动0.5mm，相应记录差动放大器的一个输出电压值。

向上或向下各移动5mm，记录十组数据，填入下表：

位移x（mm）

电压V（mv）

b、以与①相反的旋转方向（反向加载），用同样的方法测试，记录数据，填入下表：

3、半桥双臂接桥方式测试

保持差动放大器增益不变，将R1换成为与应变片R工作状态相反的另一应变片，形成半桥双臂电桥，调好零点，用同样方法，测出数据，填入下表：

4、全桥接桥方式测试

保持放大器增益不变，将R3、R2两个电阻换成另两片应变片，接成一个直流全桥电路，调好零点，将测出数据填入下表：

电压V（mv）

注意事项：

●接通电源前，应仔细检查各电路连接是否正确，防止电源和信号源短路。

●用应变片组桥时应注意各应变片的受力状态。

●毫伏表和差动放大器使用前都要调零。

●显示仪表量程宜从高档转换到低档，信号幅值宜从小到大。

五、实验报告要求

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求执行。

2、在同一坐标纸上，绘出以上每种测试条件下的测量数据（输入－输出）x－Ｖ曲线，绘出数据表格要标明物理量和单位。

3、分析实验数据，依此计算传感器的灵敏度和线性度？

并认真绘制出传感器性能曲线。

4、比较三种接桥方法的灵敏度。

5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。

六、思考题

1、若要计算系统的回程误差，测试数据该如何处理？

2、图１中，若R和R1～R3均为应变片，接桥时未能接成差动形式，系统能否正常工作？

为什么？

3、实验中，在电桥的三种状态（半桥单臂、半桥双臂和全桥）下测试，为什么要求保持差动放大器的增益不变？

实验二电容式传感器静特性测试与动特性观测

电容式传感器静特性测试与动特性观测

一、实验目的

1、掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。

2、掌握电容传感器特性的实验测试方法。

3、了解电容式传感器的工程应用。

1、观察传感器综合实验仪上电容式传感器的结构型式。

2、了解电容变换器的转换原理（参见附录二）。

3、电容式传感器静特性测试。

4、电容式传感器动态测试。

5、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。

①电容式传感器；

②电容变换器；

④低通滤波器；

⑤低频振荡器；

⑥测微头。

⑦毫伏表或数字电压表。

2、双线示波器及实验连接导线若干。

一）实验原理及方法

根据两金属极板间电容的计算式C＝εS／δ，可知电容式传感器有三种型式。

本实验仪器中为差动变面积型，电容传感器由两组定片和一组动片组成。

当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组定片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为两差动式电容。

若将上层定片与动片形成的电容设为CX1，下层定片与动片形成的电容设为CX2，当将CX1和CX2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容接入其它转换电路）时，则电路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。

电容式传感器的实验原理框图如下：

图2电容传感器实验原理框图

1、相关仪表和电路调零

差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。

2、电容传感器静态特性测试

①按图2原理接线。

将电容变换器的增益调至适中。

电容变换器的转换原理图详见附录二。

②旋动测微头，使测微头与振动台接触，并带动振动台移动。

当电容动片位于两电容定片对称位置时，此时差动放大器输出应为零。

③以此为起点，向上或向下每次0.5mm（测微头旋转一圈）移动动片，直至动片与一组定片全部重合为止。

记录数据，并作出x－V曲线。

④以相反方向逐步旋转测微头至初始位置，用与③相同方法，记下x（mm）及V（mv）。

3、电容传感器动态特性观测

①将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线；

②接通激振器I（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低通和差放输出波形，并记录波形。

③改变激振器I频率，重复观测，注意波形的变化。

注意事项

●电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍作调整。

位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。

●如果用示波器观察到差动放大器输出端波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减少。

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；

2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤；

3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。

并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等特性指标。

4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。

1、实验原理图2中，信号处理过程是先滤波再放大，能否先放大再滤波？

观察两种状态下的波形输出。

2、拟合直线的选取方法有哪几种？

不同拟合直线得出的传感器静态特性指标的数值会一致吗？

此时该如何合理评价传感器的特性？

实验三霍尔传感器的应用――位移及振幅测量

霍尔传感器的应用――位移及振幅测量

1.了解霍尔位移传感器的工作原理与结构，学会用霍尔传感器进行位移测试；

2.了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。

1、观察传感器系统综合实验仪上霍尔位移传感器的结构；

2、直流激励下，用霍尔位移传感器进行静态位移测试；

3、直流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试；

4、交流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试；

5、进行实验前，先预习信号幅值调制的原理。

①直流稳压电源；

②霍尔传感器；

③电桥；

④差动放大器；

⑤毫伏表；

⑥测微头；

⑦移相器；

⑧相敏检波器；

⑨低通滤波器；

⑩音频振荡器。

2、双线示波器；

3、接插连接实验导线若干。

实验台上的霍尔传感器，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。

当保持霍尔元件的控制电流Ｉ恒定，在与霍尔元件控制电流相垂直的方向上就有霍尔电势输出。

霍尔元件在梯度磁场中上下移动时，输出的霍尔电势U0取决于其在磁场中的位移量x，即U0＝kx，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的位移量。

1、霍尔传感器静态位移测试

①相关仪表和电路调零

②按图3直流激励接线；

图3　霍尔传感器静态位移测试原理图

③旋转测微头，使测微头顶杆与振动圆盘接触。

调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件基本位于梯度磁场中间位置。

④开启电源，调节测微头和电位器WＤ，使差放输出为零。

⑤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。

电压U0（mv）

2、直流激励下霍尔传感器振动测试

①仍按图3直流激励接线，使系统调零。

并松开测微头，使其脱离振动台。

②将低频振荡器接“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。

③进一步提高低频振荡器振幅，用示波器观察差动放大器输出波形，当波形出现顶部消峰时，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电压已不再随位移量的增加而线性增加。

④改变激振器I频率，进行观测，注意波形的变化。

⑤记录输出波形。

3、交流激励下霍尔传感器振动测试

①按图4交流激励接线。

图中180°

为交流电源，从音频振荡器相应端取得。

②调节电桥与移相器，提压振动圆盘，使低通滤波器输出电压正负对称。

③接通低频振荡器，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，并加以描述。

图4　交流激励下霍尔传感器振动测试原理图

④分别记录差动放大器输出、相敏检波器输出、低通滤波器输出波形。

2、在理解基础上扼要书写实验原理、实验方法和步骤；

3、根据直流激励下静态位移测试数据，在坐标纸上绘出霍尔位移传感器实验曲线。

并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度。

4、在交流激励下的振动测试中，观察记录到了各环节输出波形变化规律，给出相应合理的解释。

1、霍尔元件用作位移测量时，为什么只允许工作在梯度磁场范围？

2、解释在激励源为交流且信号变化也是交变时需采用相敏检波器的原因？

实验四振动信号的多种传感器测量与比较

振动信号的多种传感器测量与比较

一、实验目的

1.振动信号的获取可用不同类型的传感器，但不同类型的传感器有其适用范围和场合。

本次实验用三种不同传感器对振动台振动信号检测，旨在实验中观察了解其适应范围；

2.了解电涡流传感器、磁电式传感器和压电式传感器在振动检测中的测试方法及工程应用。

二、实验内容和要求

1、电涡流传感器的振动测试。

了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性及测试方法；

2、磁电式传感器的振动测试。

了解磁电式传感器结构、原理及实际应用：

振动位移、速度、加速度的检测；

3、压电式传感器的振动测试。

了解压电加速度计的结构、原理和工作特性，掌握压电式加速度计的实际应用：

振动加速度的直接检测。

三、实验主要仪器设备和材料

本次实验所用公共模块包括：

②差动放大器；

③电压／频率表（或毫伏表）；

④低频振荡器；

⑤低通滤波器。

此外，用不同传感器进行测试时还用到以下模块。

a、电涡流传感器测振：

电涡流传感器、电涡流变换器；

b、压电式传感器测振：

压电式传感器、电荷放大器（或电压放大器）；

c、磁电式传感器测振：

磁电式传感器。

2、双线示波器和接插连接实验导线若干。

四、实验方法、步骤及结果测试

1、电涡流传感器振动测试原理

电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生涡电流，涡电流的大小影响线圈的阻抗Ｚ，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、磁导率、厚度、温度以及与线圈的距离x有关。

当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Ｚ只与x距离有关。

将阻抗变换经涡流变换器变换成电压Ｖ输出，则输出电压是距离x的单值函数。

当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。

电涡流传感器的实验原理接线图如下：

图5电涡流传感器与涡流变换器的连接

2、磁电式传感器的振动测试原理

磁电式传感器是一种能将非电量的变化转为感应电动势的传感器，所以也称为感应式传感器。

根据电磁感应定律，W匝线圈中的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通ψ的变化率：

e＝－Wdψ/dt。

仪器中的磁电式传感器由动铁与感应线圈组成，永久磁钢做成的动铁产生恒定的直流磁场，当动铁与线圈有相对运动时，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势，e与磁通变化率成正比，是一种动态测量用传感器。

磁电式传感器的实验原理接线图如下：

图6磁电式传感器实验原理图

3、压电式传感器的振动测试原理

压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。

压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，会在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的检测。

压电式传感器的接线图及实验原理如下：

图7压电加速度传感器与电荷放大器连接图8压电传感器实验原理图

1、电涡流传感器振动测试观察

a、将电涡流线圈支架转一角度，置于圆盘振动台上方，线圈与圆盘面平行，固定在一个合适位置，使圆盘振动时不碰擦传感器为好。

b、电涡流线圈与涡流变换器按图5连接，涡流变换器输出端接示波器。

另外，低频振荡器接“激振Ｉ”。

开启电源，调节振荡频率和幅度，观察输出波形。

c、记录波形和读取振动信号周期。

2、磁电式传感器的振动测试观察

a、按图6所示接线。

磁电式传感器端口接差动放大器两输入端，差动放大器输出端接示波器。

b、开启电源，加入激励使圆盘振动台振动，调节振荡频率和幅度，观察输出波形的变化。

c、由低至高调节悬臂梁振动频率，观察所测波形的变化趋势。

d、将“激振Ｉ”与“磁电”端接线互换，接通低频振荡器，观察差动放大器的输出波形。

并与原磁电式传感器波形比较。

由d可得出结论：

磁电式传感器是一种磁→电、电→磁转换的双向式传感器。

4、掌握LABVIEW信号分析功能模块的使用方法。

5、传感器系统综合实验仪的多种传感器信号的数据采集与信号分析处理。

1、通过课外资料阅读和上网资料查询，了解PCI-6024E数据采集卡的技术性能参数，数据采集卡连接电缆引脚功能定义等。

2、通过实验观察分析，了解基于数据采集卡进行数据采集的计算机测试系统硬件组成原理和基本构架。

3、选取传感器系统综合实验仪上的多种传感器（至少2~3种），制订实验方案，搭建测量某些工程量的实验系统。

4、进行PCI-6024E数据采集卡的参数设置；

5、选取易用、中级或高级数据采集模块进行图形化编程，实现模拟信号采集；

6、进行信号波形的时域指标测量与显示。

7、进行信号波形的频域分析测量与显示。

以上内容的第2项、第3、5项的“搭建实验系统”和“模拟信号采集”以及第6~7项的“测量与显示”部分在实验学时内完成；

在课外时间要求完成第1项和其它几项内容的软件编程部分；

第4项内容在实验室进行教学演示。

1.CYS型传感器系统综合实验仪；

2.安装了LABVIEW软件的计算机一台；

3.NI公司PCI-6024E数据采集卡一块；

4.数据采集卡接口板和68针扁平电缆一条；

5.教学演示盒一个。

6.连接导线若干条。

传感器系统综合实验仪上有多种型式的传感器，也有相应的各种传感器转换电路。

而且可借助实验仪产生多种工程量（如位移、速度、加速度、力、转速、振动、温度等），并可将它们转换为相应的电压信号。

这些电信号输出通道，可接入接口端子板相应的通道，再通过专用68针扁平电缆，就可与数据采集卡相应通道建立起联系。

计算机测试系统的基本原理框图如图9所示。

图9计算机测试系统的基本原理框图

硬件系统建立后，需要进行软件编程。

本次实验的软件编程平台是基于LABVIEW，借助它的数据采集功能模块和信号分析功能模块，以图形化语言编程，相对简单。

1、传感器系统的调试

按实验一～实验四的实验原理和方法，选择传感器系统综合实验仪上的2~3种传感器，并将其接入相应的转换电路，通过适当的调节，使其输出电压能随被测工程量变化。

上述调试完成后，断掉传感器实验仪电源和计算机电源！

将上述传感器信号输出口接入接口端子板的适当通道。

连接68针扁平电缆。

2、计算机正常启动后，运行LABVIEW软件。

3、运行Measurement&

Automation，进行PCI-6024E数据采集卡的参数设置（参见附录三）；

4、传感器信号的数据采集。

LabVIEW中的传统数据采集函数位于后面板Functions→NIMeasurement→DataAcquisition，包括模拟输入、模拟输出、数字输入输出、计数器、校准与设置、信号调理、传统DAQ通道。

如图10所示。

模拟数据采集函数按功能划分为不同的等级：

a、易用函数图10LabVIEW的数据采集函数

易用函数执行最简单的数据采集操作，通常由中级函数构成，只提供最基本的输入输出接口。

b、中级函数

中级函数由高级函数构成，比易用函数给用户更多的对错误进行处理的机会。

c、实用函数

实用函数由中级函数组成，比易用函数具有更多的输入输出参数，具备更多的硬件操作功能，能够更有效地控制硬件。

图11LabVIEW的不同模拟数据采集

d、高级函数

高级函数是对数据采集驱动程序最底层地接口，很少使用。

当需要使用某些易用函数或中级函数不具备的特殊数据采集功能是，就有必要使用高级函数，它从数据采集驱动程序返回最多的状态信息。

下面以使用传统数据采集方法进