传感与检测实验1.docx
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传感与检测实验1
实验
（一）金属箔式应变片性能——单臂电桥1
【实验目的】
了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。
【实验原理】
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的电源的原理和工作情况。
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Rl、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△Rl/Rl、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，ΣR＝△R/R；当两个应变片组成差动状态工作，则有ΣR＝2△R/R；用四个应变片组成二个差对工作，且R1=R2=R3=R4，ΣR＝2△R/R。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
【所需单元及部件】
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。
【旋钮初始位置】
直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。
【实验步骤】
（1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
（2）将差动放大器调零：
用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）与地短接。
将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭主、副电源。
（3）根据图接线。
Rl、R2、R3为电桥单元的固定电阻；Rx=R4为应变片。
将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的Wl，使F/V表显示为零，然后将F/V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。
（4）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F/V表显示最小，再旋动测微头，使F/V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
（5）往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F/V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即△X=0.5mm记一个数值填入下表：
位移（mm）
电压（mV）
（6）据所得结果计算灵敏度s=△V/△X（式中△x为梁的自由端位移变化，△V为相应F/V表显示的电压相应变化）。
（7）实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
【注意事项】
（1）电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。
（2）做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
（3）Wl、W2是电位器。
问题：
（1）本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求?
（2）根据所给的差动放大器电路原理图，分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。
实验
（二）金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较2
【实验目的】
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
【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ΣR分别为△R/R、2△R/R、4△R/R。
根据戴维定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于ΣR.E4，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为E/4、E/2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。
【所需单元和部件】
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
【有关旋钮的初始位置】
直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2v档，差动放大器增益打到最大。
【实验步骤】
（1）按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。
（2）按图l接线，图中Rx=R4为工作片，r及Wl为电桥平衡网络。
（3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到±4V档。
选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器Wl，使表头显示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。
（4）旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。
位移（mm）
电压（mV）
（5）保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥Wl使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：
位移（mm）
电压（mV）
（6）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即Rl换成↓，R2换成↑）。
组桥时，只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。
接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W，同样使F/V表显示零。
重复（4）过程将读出数据填入下表：
位移（mm）
电压（mV）
（7）在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。
【注意事项】
（1）在更换应变片时应将电源关闭。
（2）在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。
（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。
（4）直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。
（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验（三）差动变压器性能11
【实验目的】
了解差动变压器式电感传感器的原理和工作情况；
【实验原理】
差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等。
初级线圈作为差动变压器激励部分，相当于变压器的原边。
而次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，形成变压器的副边。
根据内外层排列不同，差动变压器有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。
传感器随着被测物体移动时，由于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小，将两只次级反相串接，就为其差动输出，该输出电势则反映出被测物体的移动量。
【所需单元及部件】
差动变压器式电感传感器、音频振荡器、测微器、V/F表、双通道示波器。
【有关旋钮初始位置】
音频振荡器4KHz——8KHz，双线示波器第一通道灵敏度500mV/div，第二通道灵敏度10mV/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭。
【实验步骤】
（1）根据图接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双踪示波器连接起来，组成一个测量线路。
开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入和输出端，调节差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。
（2）用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。
（3）转动测微头使测微头与振动平台吸合，再向上转动测微头5mm，使振动平台往上位移。
（4）向下旋钮测微头，使振动平台产生位移。
每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度S=△V/△X（式中△V为电压变化，△X为相应振动平台的位移变化），作V-X关系曲线。
读数过程中应注意初、次级波形的相应关系。
位移（mm）
电压（mV）
【注意事项】
（l）差变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口（LV插口）输出。
（2）差变压器的两个次级线圈必须接成差动形式（即同名端相连。
这可通过信号相位有否变化判别之）。
（3）差变压器与示波器的连线应尽量短一线，以避免引入干扰。
思考：
（1）根据实验结果，指出线性范围。
（2）当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化?
（3）用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出阻抗端信号为最小，这个最小电压是什么?
由于什么原因造成?
注意：
示波器第二通道为悬浮工作状态。
实验（四）差动螺管式（自感式）传感器的静态位移性能16
【实验目的】
了解差动螺管式传感器的原理
【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，而另一个线圈电感减小。
【所需单元及部件】
音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低频滤波器、电压表、测微头、示波器、差动变压器二组次级线圈与铁芯、主、副电源。
【有关旋钮的初始位置】
音频振荡器5KHz，幅度旋到适中位置，差动放大器增益适当，主、副电源关闭。
【实验步骤】
（1）按图接线，组成一个电感电桥测量系统。
（2）装上测微头，调整铁芯到中间位置。
（3）开启主、副电源，音频振荡器频率置5KHz～8KHz之间，以差放输出波形不失真为好，音频幅度为2Vp-p。
用类似于实验一（3）的方法，利用示波器和电压表，调整各平衡及调零旋钮，使F/V表读数为零（F/V表始终调不到零，说明差动变压器的铁芯不处在中间位置，可适当调节测微头）。
（6）转动测微头，同时记下实验数据，填入下表：
（建议每隔0.20mm读数）
位移（mm）
电压（mV）
作出V-X曲线，计算出灵敏度。
关闭主、副电源。
【注意事项】
（1）此实验只用原差动变压器的两次线圈，注意接法。
（2）音频振荡器必须从LV插口输出。
实验（五）电涡流式传感器的静态标定19
【实验目的】
了解涡流式传感器的原理及工作性能
【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成电压v输出，则输出电压是距离x的单值函数。
【所需单元及部件】
涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。
【实验步骤】
（1）装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头
（2）观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。
（3）用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至F/V表，电压表置于20V档，如图，开启主、副电源。
（4）用示波器观察涡流变换器输入端的波形。
如发现没有振荡波形出现，再将传感器远离被测体。
（5）调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示波器及电压表的数值，填入下表。
建议每隔0.10mm读数，到线性严重变坏为止。
根据实验数据，在座标纸上画出。
V-X曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度。
（最好能用误差理论的方法求出，线性范围内的线性度、灵敏度）。
（6）实验完毕关闭主、副电源。
X（mm）
Vp-p（V）
V（V）
【注意事项】
被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。
实验（六）差动变面积式电容传感器实验30
【实验目的】
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
【实验原理】
电容式传感器有多种形式，本仪器中差动变面积式。
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，与两组静片之间的重叠面积发生变化，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Cxl，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cxl和Cx2接入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。
【所需单元及部件】
电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器
【有关旋钮的初始位置】
差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档。
【实验步骤】
（1）根据图接线。
（2）将F/V表打到20V，调节测微头，使输出为零。
（3）转动测微头，每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。
X（mm）
V（mV）
退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法，记下X（mm）及V（mv）值。
X（mm）
V（mV）
（4）计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。
（5）卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。
实验（七）霍尔式传感器的特性——直流激励23
【实验目的】
了解霍尔式传感器的原理与特性。
【实验原理】
霍尔式传感器是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。
当霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
【所需单元及部件】
霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F/V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。
【有关旋钮初始位置】
差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置20V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。
【实验步骤】.
（1）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。
（2）开启主、副电源将差动放大器调零后，增益最小，关闭主电源，根据图接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
（3）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
（4）开启主、副电源，调整W1使电压表指示为零。
（5）上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0．5mm读一个数，将读数填入下表：
X（mm）
V（V）
X（mm）
V（V）
作出V—X曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。
可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。
（6）实验完结关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。
【注意事项】
（1）由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。
（2）一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。
（3）激励电压不能过2V，以免损坏霍尔片（±4V就有可能损坏霍尔片）
实验（八）霍尔式传感器的特性——交流激励25
【实验目的】
了解交流激励霍尔片的特性
【所需单元及部件】
霍尔片、磁路系统、音频振荡、差动放大器、测微头、电桥、移相器、相敏检敏、低通滤波器、主、副电源、F/V表、示波器、振动平台。
【有关旋钮初始位置】
音频振荡器lKHz，放大器增益最大，主、副电源关闭。
【实验步骤】
（1）开启主、副电源将差放调零，关闭主、副电源。
（2）调节测微头脱离振动平台并远离振动台。
（3）按图接线，开启主、副电源，将音频振荡器的输出幅度调到5Vp-p值，差放增益值最小。
利用示波器和F/V表（F/V表置20V档）、调整好W1、W2及移相器。
检查磁路系统，使霍尔片既靠近极靴又不致于卡住和歪斜。
再转动测微头，使振动台吸合并继续调节测微头使F/V表显示零。
（4）旋动测微头，每隔0.1mm记下表头读数，填入下表:
X（mm）
V（V）
X（mm）
V（V）
【注意事项】
（l）由Wl、W2是代用的，因此交流不等位电势可能不能调得很小。
（2）交激励信号必须从电压输出端0或LV输出，幅度应限制在峰-峰值5V以下，以免霍尔片产生自热现象。
实验（九）差动变压器（互感式）的应用——振动测量14
【实验目的】
了解差动变压器的实际应用。
【所需单元及部件】
音频振荡器、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、激振器、测微头、电桥、F/V表、示波器、主、副电源。
【有关旋钮初始位置】
音频振荡4KHz-8KHz，差动放大器增益最大，低频振荡器频率钮置最小，幅度旋钮置中。
【实验步骤】
（1）按图接线，调节测微头远离振动台（不用测微头）将低频振荡器输出Vo接入激振振动台线圈一端，线圈另一端接地，开启主副电源，调节低频振荡器幅度钮置中，频率从最小慢慢调大，让振动台起振并幅度适中（如振动幅度太小可调大幅度旋钮）。
（2）将音频钮置5KHz，幅度钮置2Vp-p。
用示波器观察各单元，即：
差放、检波、低通输出的波形（示波器X轴扫描为5-10ms/div，Y轴CHl或CH2旋钮打到0.2～2V）。
（3）保持低频振荡器幅度不变，调节低频振荡器的频率，用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值记下实验数据填入下表：
f（Hz）
3
4
5
6
7
8
10
12
16
20
25
Vp-p（V）
根据实验结果作出梁的振幅-频率（幅频）特性曲线，指出振动平台白振频率（谐振频率）的大致值。
（4）实验完毕，关闭主、副电源。
【注意事项】
适当选择低频激振电压，以免振动平台在自振频率附近振幅过大。
【问题】
如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何。
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