测试技术实验指导书1031综述.docx

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测试技术实验指导书1031综述

测试技术实验指导书

机电工程学院

CSY－3000型传感器与检测技术实验台

说　　明　　书

CSY3000型传感器与检测技术实验台是本公司为适应不同类别、不同层次的专业需要，在2000系列传感器与检测技术实验台的基础上，增加了一些光电传感器而最新推出的模块化的新产品。

CSY－3000型传感器与检测技术实验台，主要用于各大专院校、中专及职业技术院校开设的“自动检测技术”“传感器原理与技术”“工业自动化控制”“非电量电测技术”等课程的教学实验。

它是采用最新推出的模块化结构的产品。

实验台上采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础。

希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识的理解，并在实验的进行过程中通过信号的拾取、转换、分析、掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。

一、实验台的组成

CSY－3000型传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。

1、主机箱：

提供高稳定的±15V、±5V、＋5V、±2V～±10V（步进可调）、＋2V～＋24V（连续可调）直流稳压电源；直流恒流源0.6mA～20mA可调；音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；气压源0～20KPa（可调）；智能调节仪（器）；计算机通信口；主控箱面板上装有电压、电流、频率转速、气压、光照度数显表；漏电保护开关等。

其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能，在排除接线错误后重新开机一下才能恢复正常工作。

　　2、振动源：

振动台振动频率1Hz～30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。

　　3、转动源：

手动控制0～2400转／分；自动控制300～2200转／分。

　　4、温度源：

常温～200℃。

5、气压源0～20KPa（可调）；

　　6、传感器：

基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器、光照度探头、纯白高亮发光二极管、红外发光二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、反射式光电开关共二十六个（其中二个发光源）。

　　增强型：

基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器、色敏传感器。

　　7、调理电路（实验模板）：

基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波共十块模板。

增强型还增加与选配传感器配套的实验模板。

　　8、数据采集卡及处理软件，另附。

　　9、实验台：

尺寸为1600×800×750mm，实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。

二、电路原理

实验模板电路原理已印刷在面板上（实验模板上），实验接线图参见下文中的具体实验内容。

三、使用方法

1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。

　　2、将AC　220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。

　　3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。

4、合上调节仪（器）电源开关，在参数及状态设置好的情况下，调节仪的PV窗口显示测量值；SV窗口显示给定值。

5、合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。

6、数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。

四、仪器维护及故障排除

　1、维护

　⑴　防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面损坏。

　⑵　实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。

　2、故障排除

⑴　开机后数显表都无显示，应查AC　220V电源有否接通；主控箱侧面AC　220V插座中的保险丝是否烧断。

如都正常，则更换主控箱中主机电源。

　　⑵　转动源不工作，则手动输入＋12V（0—24V可调）电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压（将可调24V电源调节到电机相应的工作电压情况下），如无电压，更换主控箱中的转速控制板。

否则更换智能调节仪。

　　⑶　振动源不工作，检查主控箱面板上的低频振荡器有无输出（调节较大幅度后调节频率），如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。

　　⑷　温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。

如都正常，则更换温度源。

五、注意事项

1、在实验前务必详细阅读实验指南。

2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主控箱的面板和实验模板面板。

3、严禁将主控箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。

4、严禁将主控箱的±电源引入实验模板时接错。

　5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

　6、实验完毕后，请将传感器及实验模板放回原处。

7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。

六、随机附件详见装箱清单

实验一应变片单臂电桥性能实验

一、实验目的：

了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

二、基本原理：

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应

　　所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：

设其长为：

L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得

（1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：

（1—2）

式中：

dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr 

由材料力学得：

                εL=-μεr         （1—3）

式中：

μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度

   它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

（1）、金属导体的应变灵敏度K：

主要取决于其几何效应；可取

（1—5）

其灵敏度系数为：

K=

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

（2）、半导体的应变灵敏度：

主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。

在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

   半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

3、贴片式应变片应用

在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右

的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。

（a）丝式应变片                                       （b）箔式应变片

图1—1应变片结构图

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元件，与丝式应变片工作原理相同。

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。

5、测量电路

  为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图1—2应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1—3应变片单臂电桥性能实验原理图

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。

桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。

差动放大器输出为Vo。

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；4位数显万用表（自备）。

四、实验步骤：

应变传感器实验模板说明：

应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。

实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；