传感器实验指导书电气.docx
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传感器实验指导书电气
实验一电容传感器位移测量静态特性校准实验
一、实验目的
掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
熟悉位移传感器静态特性校准方法
进一步掌握计算传感器非线性度，迟滞误差和重复性误差的方法
二、实验原理
电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。
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，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥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。
三、实验所需部件
电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头。
图
（1）
四、实验步骤
1．按图
（1）接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。
2．装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。
3．以此为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。
记录数据，并作出V—X曲线，求得灵敏度。
X（mm）
0
V（v）
4．低频振荡器输出接“激振I”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。
五、注意事项
1．电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。
位移和振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变。
2．如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
3.由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并不回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向的采集。
实验二
（1）箔式应变片性能――应变电桥
一、实验目地：
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。
二、实验原理：
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。
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。
三、实验所需部件：
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。
2．按图
（2）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为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V。
图
（2）
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。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
4．以悬臂梁水平状态下电路输出电压为零为起点，旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，测微头每移动0.5mm（每圈是0.5mm）记录一个差动放大器输出电压值，并列表。
（或在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，进行上述实验）。
位移（圈）
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
电压
V
根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝△V／△X，并在坐标图上做出V－X关系曲线。
五、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。
实验二
（2）箔式应变片三种桥路性能比较
一、实验原理：
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/R、2△R／R、4△R／R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·∑R，电桥灵敏度Ku＝V／△R／R，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E、1/2E和E.。
由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
二、实验所需部件
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。
三、实验步骤：
1．在完成实验二
（1）的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图
（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。
2．重复实验二
（1）中3－4步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。
3．在同一坐标上描出V－X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
四、注意事项：
1．应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。
2．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。
3．由于进行位移测量时测微头要从零→正的最大值，又回复到零，再→负的最大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正△X的灵敏度与负的△X的灵敏度分开计算。
再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。
实验二（3）箔式应变片的温度效应
一、实验目的：
说明温度变化对应变测试系统的影响。
二、实验原理：
温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。
由此引起测试系统输出电压发生变化。
三、实验所需部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微头、加热器、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
四、实验步骤：
1．按图
（2）接线，开启电源，调整系统输出为零。
2．记录加热前测试系统感受的温度，可用温度计、热电偶或集成温度传感器测得。
3．开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度升高而发生的变化。
待电压读数基本稳定后记下电压值及温度升高值。
（加热时间不宜过长，否则会烧坏应变片，建议加热时间不超过2分钟）
4．求出温度漂移值△V／△T。
五、注意事项：
由于本仪器中所使用的BHF箔式应变片具有防自蠕变性能，因此温度系数还是比较小的。
实验二（4）应变电路的温度补偿
一、实验目的：
由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。
二、实验原理：
用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图（3）所示。
在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1＝R2。
当温度变化时两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1R4＝R2R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。
V
图（3）图（4）
三、实验所需部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微头、加热器、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
四、实验步骤：
1．按图（4）接好线路，图中R′和R″分别为箔式工作片和补偿片。
2．重复实验二（3）的1－4步骤，求出接入补偿片后系统的温度漂移，并与实验二（3）的结果进行比较。
五、注意事项：
应正确选择补偿片。
在面板的应变片接线端中，从左至右1－8对接线端分别是：
1－上梁半导体应变片，2－下梁半导体应变片。
3.5－上梁箔式应变工作片，4.6－下梁。
应变工作片，7.8－上、下梁温度补偿片。
电路中工作片与补偿片应在同一应变梁上。
实验三
（1）差动螺管式电感传感器位移测量
一、实验原理：
利用差动变压器的两个次级线圈和衔铁组成。
衔铁和线圈的相对位置变化引起螺管线圈电感值的变化。
次级二个线圈必须呈差动状态连接，当衔铁移动时将使一个线圈电感增加，而另一线圈的电感减小。
二、实验所需部件：
差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微头。
三、实验步骤：
1．差动变压器二个次级线圈组成差动状态，按图（5）接线，音频振荡器LV端做为恒流源供电，差动放大器增益适度。
差动变压器的两个线圈和电桥上的两个固定电阻R组成电桥的四臂，电桥的作用是将电感变化转换成电桥电压输出。
2．旋动测微头使系统输出为零，此时Lo′＝Lo″，此时衔铁大概在线圈的中间位置。
3．当衔铁上、下移动时，Lo′≠Lo″，电桥失去平衡就有输出，大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁移动方向有关，衔铁向上移动和向下移动时输出波形相位相差约180°，由于电桥输出是一个调幅波，因此必须经过相敏检波器后才能判断电压极性。
以衔铁位置居中为起点（系统输出为零），分别向上（逆时针方向，记为负位移）、向下（顺时针方向，记为正位移）每隔0.5mm（1圈）测试实验数据，记录V，X值，做出V－X曲线，求出灵敏度。
X（圈）
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
V（V）
0
图（5）
实验三
（2）激励频率对电感传感器的影响
一、实验目的：
说明在不同的激励频率影响下差动螺管式电感传感器的不同特性。
二、实验所需部件：
差动变压器、电桥、音频振荡器、差动放大器、双线示波器、测微头。
图（7）
三、实验步骤：
1．按图（7）接线，音频振荡器置5KHZ，幅值居中，差动放大器增益适度。
2．装上测微头，调整衔铁处于线圈中间位置，调节电桥使系统输出为最小（峰峰值最小）。
3．旋动测微头，移动衔铁，每隔0.5mm（1圈）从示波器读出VP-P值（峰峰值），填入表格（逆时针向上记为负位移，顺时针向下记为正位移）。
Xmm
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
VP-P（V）
4．改变音频振荡器频率，并重新调好零位，重复2－3步骤，将结果填入下表。
X（mm）
VP-P（V）
f（Hz）
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
1000
3000
7000
10K
5．根据所测数据在同一坐标上做出V－X曲线，计算灵敏度，并做出灵敏度与频率的关系曲线。
由此可以看出，差动螺管式电感传感器的灵敏度与频率特性密切相关，在某一个特定频率时，传感器最为灵敏，在其两边，灵敏度都有所下降，故测试系统中应选用这个激励频率。
实验四
（1）压电加速度式传感器
一、实验目的
了解压电加速度计的结构、原理和应用。
二、实验原理
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，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测。
三、实验所需部件
压电式传感器、电荷放大器（电压放大器）、低频振荡器、激振器、电压/频率表、示波器。
图（8）
四、实验步骤
1．观察了解压电式加速度传感器的结构：
由PZT双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。
2．按图（8）接线，低频振荡器输出接“激振II”端，开启电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。
3．当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形VP-P也最大，由此可以得出结论：
压电加速度传感器是一种对外力作用变化敏感的传感器。
4．用手轻轻敲击实验仪，观察示波器的输出波形变化。
五、注意事项
1．做此实验时，悬臂梁振动频率不能过低（1~3HZ），否则电荷放大器将无输出。
2．当振幅达到最大时，时间不宜过长，观察到现象就可以了。
实验四
（2）电涡流式传感器的静态标定
一、实验目的：
了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
二、实验原理：
电涡流式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感应产生电涡流，电涡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、导磁率、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。
将阻抗变化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。
三、实验所需部件：
电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表。
电压表
涡流变换器
图（9）
四、实验步骤：
1．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行（必要时可稍许调整探头角度）。
安装好测微头，如图（9）所示将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。
涡流变换器输出端接电压表20V档。
2．开启仪器电源，测微头位移将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。
3．用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。
涡流变换器中的振荡电路停振。
4．旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.125mm（1/4圈）记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。
将V、X数据填入下表，作出V－X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。
Xmm
0
0.125
0.25
0.375
0.5
0.625
0.75
0.875
1.0
1.125
1.25
V（V）
0
五、注意事项：
当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小（如果示波器探头阻抗太小，甚至会使变换器电路停振而无输出），或是使传感器在初始状态有一死区。
实验四（3）电涡流传感器电机测试实验
一、实验目的
了解电涡流式传感器的实际应用。
二、实验原理
当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，电涡流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。
三、实验所需部件
电涡流传感器、电涡流变换器、测速电机及转盘、电压/频率表、示波器。
四、实验步骤
1．电涡流线圈支架转一角度，安装于电机转盘上方，线圈与转盘面平行，在不碰擦的情况下相距越近越好。
2．电涡流线圈与涡流变换器相接，涡流变换器输出端接示波器，开启电机开关，调节转速，调整平面线圈在转盘上方的位置，用示波器观察，使变换器输出的脉动波较为对称。
3．仔细观察示波器中两相邻波形的峰值是否一样，如有差异则说明线圈与转盘面或是不平行，或是电机有振动现象。
4．将电压/频率表2KHz档接入涡流变换器输出端读取得脉动波形变化周期数值值，并与示波器读取的频率作比较。
转盘的转速=脉动波形数÷2
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