传感器实验报告.docx
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传感器实验报告
第一次实验做实验一金属箔式应变计性能——应变电桥实验二金属箔式应变计三种桥路性能比较
第二次实验做实验十四电感式传感器一一差动变压器性能实验十五差动变压器零残电压的补偿
第三次实验实验二十五电容式传感器性能
第四次实验实验二十二霍尔式传感器一一直流激励特性
CSY2001型传感器系统综合实验台使用说明
实验台简介:
CSY2001型实验台分主机与实验模块二部分。
主机:
传感器实验平台:
装有气敏、电容、PSD光电位置、热释电红外、光电(光断续器)、光电阻、集成温度、半导体热敏、铂热电阻、PN结温敏、热电偶、电涡流、磁电、压电
加速度、霍尔、湿敏(RH、CH)、电感、双孔悬臂梁称重、半导体应变、金属箔式应变、MPX扩散硅压阻、光纤位移、光栅等二十余种经典和新型的传感器(传感器的种类可根据用户的需要增减)。
以及进行实验所需的两副双平行悬臂梁和螺旋测微仪、位移平台、温控电加热炉、支架、平台、旋转测速电机等,传感器接口位于仪器面板下侧排列。
主机内装有:
直流稳压电源:
+2V~+10V分五档输出,最大输出电流1.5A
+15V、+9V(12V)、激光电源,最大输出电流1.5A
音频信号源:
0.4KHz-10KHz输出连续可调,最大Vp-p值20V
0°、180°端口反相输出
0°、LV端口功率输出,最大输出电流1.5A
1800端口电压输出,最大输出功率300mw
低频信号源:
1Hz~30Hz输出,连续可调,最大输出电流1.5A,最大Vp-p值20V,激振I、II的信号频率源。
转换开关的作用:
当倒向Vo侧时,低频信号源正常使用,Vo端输出低频信号,倒向Vi侧时,断开低频信号电路,Vi作为电流放大器输入端,输出端仍为Vo端。
电压/频率表:
31/2位数字表、电压显示0~2V、0~20V两档,频率显示0~2KHz、0~20KHz两档,灵敏度w50mv。
温控电加热器:
由热电偶控温的300W电加热炉,最高炉温400C,实验控温150C。
提供温度传感器热源及热电偶测温、标定及应变传感器加热等功能。
通信接口:
标准RS232口,提供实验仪与计算机通信接口。
数据采集卡:
12位A/D转换,信号输入端为电压/频率表的“IN”端。
气压源:
电动气泵,气压输出w20KP;气压表:
满量程40KP。
实验模块电源统一为四芯标准接口
传感器性能、参数指标:
气敏传感器(MO3),对酒精敏感,测量范围10-2000ppm灵敏度Ro/R>5电容式传感器:
平行变面积差动式电容,线性范围》3mm。
热释电红外传感器:
光谱范围7~15卩m,光频响应0.5~10HZ。
光电传感器:
红外发光管、光敏三极管及施密特整形电路组成的光断续器。
光电阻:
半导体材料制成的光敏传感器,阻值范围10MQ~nKQo
集成温度传感器:
电流型集成温度传感器,测量范围-55-150C。
热电偶:
标准热电偶镍铬一镍硅(K分度),被校热电偶镍铬一铜镍(E分度)。
半导体热敏电阻:
MF51,负温度系数,测温范围-50-300C。
铂热电阻:
Pt100测温范围w650C。
PN结温敏二极管:
测温范围-40-150E,精度1%
光纤位移传感器:
导光型光纤传感器,线性范围1.5mm
电涡流传感器:
量程0-3mm,由扁平线圈和多种金属涡流片组成。
磁电传感器:
灵敏度0.4V/m/S,动铁与线圈组成。
霍尔传感器:
梯度磁场与锑化铟霍尔元件组成,测量范围+2.5mm
压电加速度传感器:
PZT双压电晶片,频响>5Hn
湿敏电容:
测量范围:
0-99%RH线性度+2%
湿敏电阻:
测量范围:
0-99%RH阻值范围10M「~7:
K'J
差动变动器:
测量范围+5mm。
称重传感器:
称重范围w500克,精度1%。
半导体应变计:
BY型,灵敏系数120。
金属箔式应变计:
BHF环氧基底防蠕变,工作片X4,温度补偿片X2,灵敏度系数2.06。
压阻式传感器:
MPX压阻式差压传感器,量程0-50KP,精度1%。
实验一金属箔式应变计性能——应变电桥
实验目的:
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。
实验原理:
本实验说明箔式应变片及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,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R1/R1、AR2/R2、△R3/R3、AR4/R4,当使用一个应变片时,
Ar2也R
RR;当二个应变片组成差动状态工作,则有R二处;用四个应变片
R4也RR
组成二个差动对工作,且R1=R2=R3=R4=R,7R=。
R
实验所需部件:
直流稳压电源(+4V),公共电路模块
(一)(电桥、差动放大器部分)贴于悬臂梁上的箔式应变计,螺旋测微仪,数字电压表。
实验步骤:
1、连接主机与模块电路电源连接线,差动放大器增益置于最大位置(顺时针方向旋到底),差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。
输出端接电压表2V档。
开启主机电源,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,调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向,按图
(1)将所需实验部件连接成测试桥路,图中Ri、R2、R3分别为固定标准电阻,R为应变计(可任选上梁或下梁中的一个工作片),图中每两个节之间可理解为一根实验连接线,注意连接方式,勿使直流激励电源短路。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上,并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
3、确认接线无误后开启主机,并预热数分钟,使电路工作趋于稳定。
调节模块上的WD电位器,使桥路输出为零。
4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值,并记入下表:
位移mm
电压V
根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线,计算灵敏度S:
S=V•X
注意事项:
1、实验前应检查实验连接线是否完好,学会正确插拔连接线,这是顺利完成实验的基本保证。
2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后,所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零,此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移,使电压值回到零后再进行反向采集实验。
3、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开后方能读取刻度输出电压数,否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移使电压信号出现偏差。
实验二金属箔式应变计三种桥路性能比较
实验原理:
已知单臂、半桥和全桥电路的刀R分别为△R/R、△2R/R、4厶R/R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于14•E•刀•刀R,电桥灵敏度Ku=V/A
R/R,于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。
由此可
知,当E和电阻相对变化一定时,电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
实验所需部件:
直流稳压电源(+4V、公共电路模块(电桥、差动放大器部分)、箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表。
实验步骤:
1、在完成实验一的基础上,依次将图(1、中的固定电阻R1,换接应变计组成半桥、将固定电阻R2、R3,换接应变计组成全桥。
2、重复实验一中实验3-4步骤,完成半桥与全桥测试实验。
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。
注意事项:
应变计接入桥路时,要注意应变计的受力方向,一定要接成差动形式,即邻臂受力方向相反,对臂受力方向相同,如接反则电路无输出或输出很小
实验十四电感传感器一一差动变压器性能
实验目的:
了解差动变压器的基本结构及原理,通过实验验证差动变压器的基本特性。
实验原理:
电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器,差动变压器由衔铁、初级线圈和二级线圈组成,初级线圈做为差动变压器激励用,相当于变压器原边。
次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成,相当于变压
器副边。
差动变压器是开磁路,工作是建立在互感基础上的,其原理及输出特性见图(6)。
实验所需部件:
差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器
实验步骤:
1、按图(7)接线,差动变压器初级线圈必须从音频信号源LV功率输出端接入,双线示波器第一通道灵敏度500mv/格,第二通道10mv/格。
2、打开主机电源,调整音频输出信号频率,输出Vp-p值2V,以示波器第二
通道观察到波形不失真为好。
3、用手上下提压改变变压器磁芯在线圈中位置,观察示波器第二通道所示
波形能否过零翻转,否则改接次级二个线圈的串接端
4、用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动,从示波器中读出次级输出电压Vp-p值,同时注意初次级线圈波形相位。
位移mm
电压Vp-p
根据表格所列结果,作出V-X曲线,指出线性工作范围。
5、仔细调节测微仪使次级输出波形无法再小时,即为差动变压器零点残余
电压,提高示波器第二通道灵敏度,观察残余电压波形,分析其频率成分
注意事项:
示波器第二通道为悬浮工作状态(即示波器探头二根线都不接地)
实验十五差动变压器零残电压的补偿
实验目的:
由于零残电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区,如此电压经过放大器还会使放大器未级趋向饱和,影响电路正常工作,因此必须采用适当的方法进行补偿使之减小。
实验原理:
零残电压中主要包含两种波形成份:
1、基波分量:
这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等
效电路参数(M、L、R)不同,线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损,线圈中线间电容的存在,都使得激励电流与所产生的磁通不同相。
2、高次谐波:
主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起,由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响,使激励电流与磁通波形不一致,产生了非正弦波(主要是三次谐波)磁通,从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
减少零残电压的办法是:
(1)从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对
称。
(2)采用相敏检波电路。
(3)选用补偿电路
(图8)
实验所需部件:
差动变压器、公共电路模块
(一)、音频信号源、螺旋测微仪、示波器实验步骤:
1、按图(8)接线,示波器第一通道500mv/格,第二通道1V/格,(根据波形大小适当调整)差动放大器增益置最大。
2、打开主机电源,调节音频输出频率,以第二通道波形不失真为好(为此音频信号频率可调至10KHZ左右),音频幅值Vp-p2V。
调节铁芯在线圈中的位置,使差动放大器输出的电压波形最小,再调节电桥中WD、WA电位器,使输出更趋减小。
3、提高示波器二通道灵敏度,将零残电压波形与激励电压波形作比较。
注意事项:
音频信号一定要调整到次级线圈输出波形基本无失真,否则补偿效果将不明显。
此电路中差动放大器的作用是将次级线圈的二端输出改为单端输出。
实验二十二霍尔式传感器一一直流激励特性
实验原理:
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件,当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。
霍尔元件通以恒定电流时,就有霍尔电势输出,霍尔电势的大小正比于磁场强度(磁场位置),当所处的磁场方向改变时,霍尔电势的方向也随之改变。
实验所需部件:
霍尔传感器、直流稳压电源(2V)、公共电路模块
(一)、电压表、测微仪
实验步骤:
1、连接主机与实验模块电源及传感器接口,确认霍尔元件直流激励电压为
2V,另一激励端接地,实验接线按图(11)所示,差动放大器增益10倍左右
2、用螺旋测微仪调节振动平台使霍尔元件置于梯度磁场中间,并调节电桥直流电位器Wd,使输出为零。
3、从中点开始,调节螺旋测微仪,上下移动霍尔元件各3.5mm,每变化0.5mm读取相应的电压值,并记入下表:
作出V-X曲线,求得灵敏度和线性工作范围。
如出现非线性情况,请查找原因注意事项:
直流激励电压只能是2V,不能接±2V(4V)否则锑化铟霍尔元件会烧坏。
实验二十五电容式传感器性能
实验原理:
差动式平行变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂,当电容量发生变化时,桥路输出电压发生变化。
电容传感器、电容传感器实验模块、激振器I、测微仪
实验步骤:
1、观察电容传感器结构:
传感器由一组动片和两组定片组成,连接主机与实验模块的电源线及传感器接口,按图(13)接好实验线路,增益不宜太大。
2、打开主机电源,用测微仪带动传感器动片位移至两组定片中间,此时电路输出为零。
3、向上和向下位移动片,每次0.5mm,直至动片静片完全重合为止,记录
数据,作出V-X曲线,求出灵敏度
Xmm
Vo(v)
4、移开测微仪,在平台上用加减砝码的方法带动电容动片位移,比较两种实验方法的结果,并分析原因。
5、开启“激振I”开关,振动台带动动片在定片中振动,用示波器观察输出波形。
注意事项:
1、电容动片与定片之间距离须相等,必要时可作调整,实验时电容不能发
生擦片,否则信号会发生突变
2、电容动片是由悬臂梁带动的,由于钢梁弹性恢复的滞后,实验时虽然测
微仪刻度回到初始位置,但实验模块输出电压并不一定回到零位,此时可反复几
次反方向旋动测微仪,使输出电压过零后再回到初始位置,开始反方向的实验。
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