CSY系列传感器与检测技术实验台解读.docx
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CSY系列传感器与检测技术实验台解读
CSY－2000系列传感器与检测技术实验台
说明书
一、实验台的组成
CSY－2000系列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、实验台桌等组成。
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；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）；温度（转速）智能调节仪；计算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数
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）。
转动源：
手动控制0－2400转／分；自动控制300－2400转／分。
温度源：
常温－180℃。
3、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（AD590）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、气敏传感器共十八个。
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、指纹传感器等。
4、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。
增强型增加与选配传感器配套的实验模板。
5、数据采集卡及处理软件，另附。
6、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模板的面板上，实验接线图参见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AC220V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（温度开关）电源开关，调节仪的PV显示测量值；SV显示设定值。
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。
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AC220V电源有否接通；主机箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。
如都正常，则更换主机箱中主机电源。
⑵转动源不工作，则手动输入＋12V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，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。
⑶振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，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机箱的面板和实验模板面板。
3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。
4、请勿将主机箱的±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。
8、实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。
实验一金属箔式应变片―单臂电桥性能实验
实验学时：
2学时
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
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、基本原理：
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
的应变敏感元件，通过它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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。
三、需用器件与单元：
主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、421位数显万用表（自备）。
四、实验步骤：
应变传感器实验模板说明：
实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电
阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。
1、根据图1〔应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。
传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。
传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4。
当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。
常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。
〕安装接线。
2、放大器输出调零：
将图1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi＝0）；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
3、应变片单臂电桥实验：
拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原（见图1接线图）。
调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。
记下实验结果填入表1画出实验曲线。
图1应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
表1
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
4
7
11
14
17
21
24
28
31
35
4、根据表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δ，δ=Δm/yFS×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：
yFS满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：
（1）正（受拉）应变片
（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
实验六差动变压器的性能实验
实验学时：
2学时
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的：
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理：
差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据
内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。
当差
动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而
使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
三、需用器件与单元：
主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。
四、实验步骤：
附：
测微头的组成与使用
测微头组成和读数如图9—1测微头读数图
图9-1测位头组成与读数
测微头组成：
测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：
测微头的安装套便于在支架座上固定安装，
轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），
另一排是半毫米刻线（０.５ｍｍ／格）；微分筒前部圆周表面上刻50
等分的刻线（０.０１ｍｍ／格）。
用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。
微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图9—1甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图9—1乙已过零则读２.５１４ｍｍ；如图9—1丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。
测微头使用：
测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的
工具。
一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。
当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
1、将差动变压器和测微头（参照附：
测微头使用）安装在实验模板的支架座上，差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；＊号为同名端，如下图9－2。
2、按图9—2接线，差动变压器的原边Ｌ１的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节
音频振荡器的频率为4－5KHz（可用主机箱的频率表输入Fin来监测）；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（可用示波器监测：
X轴为0.2ms/div）。
3、松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p为较小值（变压器铁芯大约处在中间位置），拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值（零点残余电压）并定为位移的相对零点。
这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最小开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm（可取10—25点）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表9，再将测位头退回到Vp-p最小处开始反方向做相同的位移实验。
在实验过程中请注意：
⑴从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。
⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化（没有回到原来起始位置）是正常的，做实验时位移取相对变化量△Ｘ为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
图9-2差动变压器性能实验安装、接线图
4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。
根据表9画出Vop-p－X曲线，作出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。
实验完毕，关闭电源。
表9
正行程
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
V（mv）
420
560
700
850
950
1100
1250
1400
1500
1650
X（mm）
10.200
10.400
10.600
10.800
11.000
11.200
11.400
11.600
11.800
12.000
编号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
V（mv）
1800
1900
21000
23000
24000
25000
26000
27000
29000
30000
X（mm）
12.200
12.400
12.600
12.800
13.000
13.200
13.400
13.600
13.800
14.000
反行程
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
V（mv）
160
25
110
260
400
520
660
800
950
1100
X（mm）
9.800
9.600
9.400
9.2000
9.000
8.800
8.600
8.400
8.200
8.000
编号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
V（mv）
1200
1350
1500
1650
1750
1900
11000
12000
13000
15000
X（mm）
7.800
7.600
7.400
7.200
7.000
6.800
6.600
6.400
6.200
6.000
五、思考题：
1、用差动变压器测量振动频率的上限受什么影响？
2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
实验学时：
2学时
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的：
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理：
根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运
动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：
主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
四、实验步骤：
1、霍尔传感器和测微头的安装、使用参阅实验九。
按图14示意图接线（实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ），将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档。
2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。
图14霍尔传感器（直流激励）位移实验接线示意图
3、以某个方向调节测微头2ｍｍ位移，记录电压表读数作为实验起始
点，再反方向调节测微头每增加0.2mm记下一个读数（建议做4ｍｍ位
移），将读数填入表14。
表14
正向行程
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
10.000
10.100
10.200
10.300
10.400
10.500
10.600
10.700
10.800
10.900
V（mv）
0
0.003
0.007
0.010
0.013
0.017
0.020
0.024
0.027
0.031
编号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
X（mm）
11.000
11.100
11.200
11.300
11.400
11.500
11.600
11.700
11.800
11.900
V（mv）
0.035
0.038
0.042
0.047
0.051
0.055
0.059
0.064
0.068
0.073
编号
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
X（mm）
12.000
12.100
12.200
12.300
12.400
12.500
12.600
12.700
12.800
12.900
V（mv）
0.079
0.083
0.088
0.093
0.096
0.100
0.103
0.105
0.107
0.109
反向行程
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
10.000
9.900
9.800
9.700
9.600
9.500
9.400
9.300
9.200
9.100
V（mv）
0
-0.37
-0.100
-0.164
-0.217
-0.285
-0.356
-0.424
-0.483
-0.554
编号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
X（mm）
9.000
8.900
8.800
8.700
8.600
8.500
8.400
8.300
8.200
8.100
V（mv）
-0.624
-0.671
-0.759
-0.817
-0.891
-0.977
-1.046
-1.113
-1.183
-1.266
编号
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
X（mm）
8.000
7.900
7.800
7.700
7.600
7.500
7.400
7.300
7.200
7.100
V（mv）
-1.343
-1.414
-1.483
-1.565
-1.634
-1.693
-1.745
-1.795
-1.842
-1.920
作出V－X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。
实
验完毕，关闭电源。
五、思考题：
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
实验十压电式传感器测振动实验
实验学时：
2学时
实验类型：
（验证）
实验要求：
（选修）
一、实验目的：
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
（观察实验用压电加速度计结构）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晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元：
主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。
四、实验步骤：
1、按图18所示将压电传感器安装在振动台面上（与振动台面中心的磁钢吸合），振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。
2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出的波形。
3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4、改变振动源的振荡频率（调节主机箱低频振荡器的频率），观察输出波形变化。
实验完毕，关闭电源。
图18压电传感器振动实验安装、接线示意图
实验十一电涡流传感器位移实验
实验学时：
2学时
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：
通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，
并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、
厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。
电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测
体（铁圆片）。
四、实验步骤：
1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
测微头的读数与使用可参阅实验九；根据图19安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。
2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
将数据列入表19。
表19电涡流传感器位移X与输出电压数据
X（mm）
5.000
5.100
5.200
5.300
5.400
5.500
5.600
5.700
5.800
5.900
V（v）
5.31
5.51
5.66
5.81
5.96
6.10
6.23
6.36
6.47
6.60
X（mm）
6.000
6.100
6.200
6.300
6.400
6.500
6.600
6.700
6.800
6.900
V（v）
6.71
6.82
6.93
7.02
7.12
7.21
7.30
7.40
7.47
7.55
X（mm）
7.000
7.100
7.200
7.300
7.400
7.500
7.600
7.700
7.800
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V（v）
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X（mm）
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V（v）
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X（mm）
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V（v）
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X（mm）
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V（v）
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X（mm）
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V（v）
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9.08
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X（mm）
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