检测与转换技术实验指导书新.docx
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检测与转换技术实验指导书新
检测与转换技术
实验指导书
岳舟编
湖南人文科技学院通控系
二○一○年
概述
YL系列传感器与测控技术综合实验台是为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的集信号检测、仪表控制为一体的新产品。
YL系列传感器与测控技术综合实验台主要用于各大、专院校开设的“传感器原理”、“检测与转换技术”、“非电量电测技术”、“工业自动化仪表与控制”、“微机原理与接口技术”、“机械量电测”等课程的实验教学。
YL系列传感器与测控技术综合实验台采用的传感器大部分是工业结构，便于学生加强对书本知识的理解；运用模块化的设计思想，使实验贯穿整个教学过程，真正做到理论与实践的有机结合；标准信号采集卡和控制功能的加入，拓宽了实验面，提高了实验水平。
更有助于课程设计、毕业设计的开展，能够使学生在实验过程中通过信号的拾取、转换、分析，大大提高其作为一名科技工作者应当具备的基本操作技能与动手能力
目录
实验一金属箔式应变片——电桥性能实验1
实验二压电式传感器测量振动实验5
实验三霍尔式传感器实验7
实验四电容式传感器实验10
实验五电涡流传感器实验13
实验一金属箔式应变片——电桥性能实验
一、实验目的
1、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。
2、比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
3、了解全桥测量电路的特点。
二、实验设备与器件
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±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：
式中
为电阻丝电阻的相对变化，K为应变灵敏系数，
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的受力状态变化，电桥的作用是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。
单臂电桥输出电压
。
不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当两片应变电阻值和应变量相同时，其桥路输出电压
。
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：
R1=R2=R3=R4其变化值
R1=
R2=
R3=
R4时，其桥路输出电压
。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
四、实验内容
1、单臂电桥
1）根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
图1-1应变式传感器安装示意图
2）接入模块电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，调节实验模块上调零电位器Rw4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。
关闭主控箱电源。
图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图
3）将应变式传感器得其中一个应变片R1（即模块左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V（从主控箱引入）如图1-2所示。
检查接线无误后，合上主控箱电源开关。
调节Rw1，使数显表显示为零。
4）在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应得数显表值，直到500g（或200g）砝码加完。
记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
表1-1单臂电桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
5）根据表1-1计算系统灵敏度S，S=△u/△W（△u输出电压变化量；△W重量变化量）；计算线性误差：
δf1=△m/yF·S×100%，式中△m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差值，yF·S满量程输出平均值，此处为500g或200g。
2、差动半桥
1）传感器安装同单臂电桥，见图1-1。
做单臂电桥2）的步骤，实验模块差动放大器调零。
2）根据图1-3接线。
R1、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻变边。
接入桥路电源
，调节调零电位器Rw1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中的4、5的步骤，将实验数据记入表1-2，计算灵敏度
，非线性误差
。
若实验时无数值显示说明R1与R2为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。
图1-3应变式传感器半桥实验接线图
表1-2半桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
3、差动全桥
1、传感器安装同单臂电桥，见图1-1。
2、根据图1-4接线，实验方法与差动半桥相同。
将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。
表1-3全桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
图1-4应变式传感器全桥实验接线图
五、实验报告
在预习报告的基础上写出详细实验过程；计算系统灵敏度S，S=△u/△W（△u输出电压变化量；△W重量变化量）；计算线性误差：
δf1=△m/yF·S×100%。
六、预习要求
1、复习教材有关内容，理解金属箔式应变片的工作原理，熟悉实验步骤。
2、写出预习实验报告。
在预习实验报告中，要求写出金属箔式应变片的工作原理。
实验二压电式传感器测量振动实验
一、实验目的
了解压电式传感器的测量振动的原理和方法。
二、实验设备与器件
振动源模块、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模块、压电式传感器实验模块、双线示波器。
三、实验原理
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。
（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压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
四、实验内容
1、首先将压电传感器装在振动源模块上。
2、将低频振荡器信号接入到振动源德低频输入源插孔。
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模块两输入端，见图2-1，屏蔽线接地。
将压电传感器实验模块电路输出端Vo1（如增益不够大，则Vo1接入IC2，Vo2接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出Vo与示波器相连。
图2-1压电式传感器性能实验接线图
4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
5、改变低频振荡器频率，观察输出波形变化。
6、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。
五、实验报告
在预习报告的基础上写出详细实验过程；给出输入输出波形及其分析报告。
六、预习要求
1、复习教材有关内容，理解压电式传感器的工作原理，熟悉实验步骤。
2、写出预习实验报告。
在预习实验报告中，要求写出压电式传感器的工作原理。
实验三霍尔式传感器实验
一、实验目的
1、了解霍尔式传感器原理与应用。
2、了解交流激励式霍尔片的特性。
二、实验设备与器件
霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、数显单元、相敏检波、移相、滤波模块、双线示波器。
三、实验原理
根据霍尔效应、霍尔电势
，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。
交流激励式霍尔元件与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。
四、实验内容
1、直流激励时霍尔式传感器的位移特性
1）将霍尔传感器按图3-1安装。
霍尔传感器与实验模块的连接按图3-2进行。
1、3为电源±4V，2、4为输出。
图3-1霍尔传感器安装示意图
2）开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。
图3-2霍尔传感器位移直流激励接线图
3）旋转测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表3-1。
表3-1
X（mm）
V（mv）
作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
2、交流激励式霍尔式传感器的位移特性
1）传感器安装见图3-1，实验模块上连线见图3-3。
图3-3交流激励式霍尔传感器位移实验接线图
2）调节音频振荡器频率和幅度旋钮，从Lv输出用示波器测量，使输出为1KHz、峰-峰值为4V，引入电路中（激励电压从音频输出端Lv输出频率1KHz，幅值为4V峰-峰值，注意电压过大会烧坏霍尔元件）。
3）调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器Rw1、Rw2使显示为零。
4）调节测微头使霍尔传感器产生一个较大的位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器Rw和相敏检波器Rw，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。
5）使数显表显示为零，然后旋动测微头，记下每转动0.2mm时表头读数，填入表5-2.
表3-2交流激励式输出电压和位移数据
X（mm）
V（mv）
6）根据表3-2作出V-X曲线，计算不同量程时的非线性误差。
五、实验报告
在预习报告的基础上写出详细实验过程；作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
六、预习要求
1、复习教材有关内容，理解霍尔传感器的工作原理，熟悉实验步骤。
2、写出预习实验报告。
在预习实验报告中，要求写出霍尔传感器的工作原理。
实验四电容式传感器实验
一、实验目的
1、了解电容式传感器结构及其特点。
2、了解电容式传感器的动态性能的测量原理和方法。
二、实验设备与器件
电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、相敏检波、滤波模块、数显单元、直流稳压源、双线示波器、振动源模块。
三、实验原理
利用平板电容
和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择
、A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（
变）、测微小位移（d变）和测量尺寸（A变）等多种电容传感器。
利用电容式传感器动态响应好，可以非接触测量的特点，进行动态位移测量。
四、实验内容
1、电容式传感器的位移特性。
1）按图4-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
图4-1差动变压器电容传感器安装示意图
2）将电容传感器连线插入电容传感器实验模块，实验线路见图4-2。
图4-2电容传感器位移实验接线图
3）将电容传感器实验模块的输出端Vo1与数显表单元Vi相连（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。
4）接入±15V电源，旋动侧微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表4-1。
表4-1电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
V（mv）
5）根据表4-1数据计算电容传感器得系统灵敏度S和非线性误差δf。
2、电容传感器动态特性
1）传感器安装见图4-3，按图4-1接线。
实验模块输出端Vo1接滤波器输入端，滤波器输出端Vo接示波器一个通道（示波器X轴为20ms/div，Y轴视输出大小而改变）。
调节传感器连接支架高度，使Vo1输出在零点附近。
图4-3差动变压器振动测量安装示意图
2）主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选6~12KHz之间，幅度旋钮初始置0。
3）输入
15V电源到实验模块，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动适中，注意观察示波器上显示的波形。
4）保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率。
从示波器测出传感器输出的Vo1峰-峰值。
保持低通振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Vo1峰-峰值。
五、实验报告
在预习报告的基础上写出详细实验过程；计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
六、预习要求
1、复习教材有关内容，理解电容传感器的工作原理，熟悉实验步骤。
2、写出预习实验报告。
在预习实验报告中，要求写出电容传感器的工作原理。
实验五电涡流传感器实验
一、实验目的
1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
2、了解不同的被测物体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、实验设备与器件
电涡流传感器、电涡流传感器实验模块、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
三、实验原理
通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
四、实验内容
1、电涡流传感器位移特性。
1）根据图5-1安装电涡流传感器。
图5-1电涡流传感器安装示意图
图5-2电涡流传感器位移实验接线图
2）观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。
3）将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。
4）在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5）将实验模块输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
6）用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+15V的插孔中。
7）使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
将结果列入表5-1。
8）根据表5-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm、5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或者其它拟合直线）。
表5-1电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
V（v）
2、被测物体材质对电涡流传感器的特性影响
1）传感器的安装见图5-1。
2）将原铁圆片换成铜和铝圆片。
3）重复上述八个步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表5-2和表5-3。
表5-2被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
X（mm）
V（v）
表5-3被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
X（mm）
V（v）
4）根据表5-2和表5-3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。
5）比较实验二十四和本实验所得的结果，并进行小结。
五、实验报告
在预习报告的基础上写出详细实验过程；计算电涡流传感器的系统灵敏度和线性度。
六、预习要求
1、复习教材有关内容，理解电涡流传感器的工作原理，熟悉实验步骤。
2、写出预习实验报告。
在预习实验报告中，要求写出电涡流传感器的工作原理。
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