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1、传感器技术试验指导书丁松 权义萍南京工业大学自动化学院2022-04-1510目 录试验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较试验3 试验二直流全桥的应用电子秤试验7试验三试验四试验五试验六试验七电容式传感器的位移特性试验9压电式传感器振动试验11直流鼓励时霍尔式传感器位移特性试验13电涡流传感器综合试验15光纤传感器的位移特性试验18试验一 金属箔式应变片单臂、半桥性能比较试验一、试验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理和性能。二、根本原理：电阻丝在外力作用下发生气械变形时，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： RRK 式中 RR 为电阻丝电阻相对
2、变化，K 为应变灵敏系数, = l/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= EK /4。不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量一样时，其桥路输出电压 UO2EK 2。三、需用器件与单元：应变式传感器试验模板、应变式传感器电子秤、砝码、数显表、 15V 电源、4V 电源、万用表自备。四、试验步骤：1、依据图11应变式传感器电子秤已装于应变传感器模板上。传感器
3、中各应变片已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。可用万用表进展测量判别，R R12R R34350 ，加热丝阻值为 50 左右图 11应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V从主控台引入，检查无误后，合上主控台电源开关，将试验W3模板调整增益电位器 R顺时针调整大致到中间位置，再进展差动放大器调零，方i法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端 V 相连，W4调整试验模板上调零电位器 R，使数显表显示为零数显表的切换开关打到 2Vw3、w4档。关闭主控箱电源留意：当 RR的位置一旦确定，就不能转变。始终到做完试验三为止。1、5、673、将应变式传感器的其中一个
4、电阻应变片 R即模板左上方的 R接入电桥作为一15、67个桥臂与 RRR 接成直流电桥RRR 模块内已接好，接好电桥调零电位器 RW1，接上桥路电源4V从主控台引入如图 12 所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调整 RW1，使数显表显示为零。图 12 应变式传感器单臂电桥试验接线图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的数显表值，重量(g)电压(mv)直到 200g或 500 g砝码加完。登记试验结果填入表 11，关闭电源。5、依据表 11 计算系统灵敏度S U/ W U 输出电压变化量， W 重量变化量和非线性误差= m/yf1F.S100式中 m 为输出
5、值屡次测量时为平均值与拟合直线的最大偏差：y满量程输出平均值，此处为 200g或 500g。F S6、更改电桥接法，重复以上步骤。重量电压图 13 应变式传感器半桥试验接线图表 12 半桥测量时，输出电压与加负载重量值依据表 12 计算系统灵敏度S U/ W 和非线性误差= m/yf2F.S100五、思考题：1、 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。2、 半桥试验时，假设对于肯定的输入，输出值很小或没有输出，为何？3、 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：1对边2邻边。试验二 直流全桥的应用电子秤试验一、试验目的：了解
6、应变直流全桥的应用及电路的标定。二、根本原理：电子秤试验原理为试验一，全桥测量原理，通过对电路调整使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲V改为重量纲g即成为一台原始电子秤。三、需用器件与单元：应变式传感器试验模板、应变式传感器、砝码四、试验步骤：1、按试验一中 2 的步骤，将差动放大器调零，应变式传感器试验模板按全桥接线，合上主控台电源开关，调整电桥平衡电位 RW1，使数显表显示 0.00V。2、将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调整电位器 R增益即满量程调整使数W3显表显示为 0.200V(2V 档测量)或0.200V。3、拿去托盘上的全部砝码，调整电位器 R零位调整使数显表显示为
7、0.0000V。W44、重复 2、3 步骤的标定过程，始终到准确为止，把电压量纲V 改为重量纲 g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表 21。6、依据上表，计算误差与非线性误差。五、思考题1、全桥测量中，当两组对边R 、R13为对边电阻值 R 一样时，即 R1R ，R32R ，4重量g电压(mv)而 R R12时，是否可以组成全桥：1可以2不行以。2、某工程技术人员在进展材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。FR3R1R4R2FFR1R3R2R4F图 21 应变式传感器受拉时传感器圆周面开放图试验三 电容式传
8、感器的位移试验一、试验目的：了解电容式传感器构造及其特点。二、根本原理：利用平板电容 C Ad 和其它构造的关系式通过相应的构造和测量电路可以选择 、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只转变其中一个参数，则可以有测谷物枯燥度 变测微小位移变 d和测量液位变 A等多种电容传感器。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器试验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。四、 试验步骤：1、 按图 31 安装示意图将电容传感器装于电容传感器试验模板上，判别 CX1和 C时，留意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。X2不然得调换接头。一般接线：二个静片分别是 1
9、号和 2 号引线，动极板为 3号引线。2、 将电容传感器电容 C 和 C 的静片接线分别插入电容传感器试验模板 C 、12x1C插孔上，动极板连接地插孔见图 31。x2图 31 电容传感器位移试验接线图3、 将电容传感器试验模板的输出端 Vo1与数显表单元 Vi相接插入主控箱 Vi孔，Rw 调整到中间位置。4、 接入15V 电源，旋动测微头推动电容器传感器动极板位置，每间隔 0.2mmX(mm)V(mv)登记位移 X 与输出电压值，填入表 31。表 31电容传感器位移与输出电压值5、 依据表 31 数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差 。f五、 思考题：试设计利用 的变化测谷物湿度的
10、传感器原理及构造？表达一下在设计中应考虑哪些因素？试验四 压电式传感器测振动试验一、试验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、根本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。观看试验用压电加速度计构造工作时传感器感受与试件一样频率的振动，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外表电荷。三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器试验模板。双踪示波器。四、试验步骤：1、压电传感器已装在振动台面上。2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的鼓励源插孔。图 41 压电式传感器性能试验接线图3、
11、将压电传感器输出两端插入到压电传感器试验模板两输入端，见图 41，与传感器外1壳相连的接线端接地，另一端接 R。将压电传感器试验模板电路输出端 V，接 R 。o1602将压电传感器试验模板电路输出端 V，接入低通滤波器输入端 Vi，低通滤波器输出0V 与示波器相连。4、合上主控箱电源开关，调整低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观看示波器波形。5、转变低频振荡器的频率，观看输出波形变化。6、用示波器的两个通道同时观看低通滤波器输入端和输出端波形。试验五 直流鼓励时霍尔式传感器位移特性试验一、验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。二、根本原理：HH依据霍尔效应，霍尔电势 UK IB，当霍尔元件
12、处在梯度磁场中运动时，它就可以进展位移测量。三、需用器件与单元：霍尔传感器试验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。四、试验步骤：1、将霍尔传感器按图51 安装。霍尔传感器与试验模板的连接按图52 进展。1、3 为电源4V，2、4 为输出。W12、开启电源，调整测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调整 R使数显表指示为零。图51霍尔传感器安装示意图3、图55-2 霍尔传感器位移直流鼓励试验接线图3、向轴向方向推动，每转动 0.2mm 登记一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表 51。表 51Xmm V(mv)作出 VX 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。五、思考题：本试验中霍尔元
13、件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？试验六 电涡流传感器综合试验一、 试验目的：了解电涡流传感器的工作原理和特性；不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响； 实际应用中其位移特性与被测体的外形和尺寸有关。二、 根本原理：通过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，因此可以进展位移测量。不同的被测体材料对电涡 流传感器性能的影响。实际应用中，由于被测体的外形，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性。三、 需用器件与单元：电涡流传感器试验模板、电涡流传感器、直流电源
14、、数显单元、测微头、铁圆片，铜的被测体圆盘，不同外形铝被测体二个。四、试验步骤：1、依据图 61 安装电涡流传感器。图 81 电涡流传感器安装示意图图 6-1 电涡流传感器安装示意图XmmV(v)图 62 电涡流传感器位移试验接线图2、观看传感器构造，这是一个平绕线圈。3、将电涡流传感器输出线接入试验模板上标有L 的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。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、将试验模板输出端 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、用连结导线从主控台接入 15V 直流电源接到模板上标有15V 的插孔中。7、使测微头与传
15、感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，登记数显表读数，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 61。表 61 电涡流传感器位移X 与输出电压数据8、依据表 61 数据，画出 VX 曲线，依据曲线找出线性区域及进展正、负位移测量时XmmV(v)XmmV(v)Xmm被测体 1被测体 2的最正确工作点，试计算量程为 1mm、3 mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度可以用端基法或其它拟合直线。9、将原铁圆片换成铝和铜圆片，重复试验二十五步骤，进展被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表 62 和表 63。表 62 被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据表 63 被测体
16、为铜圆片时的位移与输出电在数据10、 在测微头上分别用三种不同的被测铝圆盘进展电涡位移特性测定，分别记入表 6-4。表 64 不同尺寸时的被测体特性数据依据表 64 数据计算目前范围内三种被测体 1 号、2 号的灵敏度、并说明理由。五、思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，假设需要测量 5mm 的量程应如何设计传感器？2、当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进展测试？3、目前现有一个直径为 10mm 的电涡流传感器，需对一个轴直径为 8mm 的振动进展测量？试说明具体的测试方法与操作步骤。试验七 光纤传感器的位移特性试验一、 试验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、 根本
17、原理：本试验承受的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成 Y 型光纤，半园分布即双 D 型一束光纤端部与光源相接放射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距 X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距 X 有关，因此可用于测量位移。三、 需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器试验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。四、 试验步骤：1、依据图 71 安装光纤位移传感器，二束光纤插入试验板上的座孔上。其内部已和发光管 D 及光电转换管T 相接。图 71 光纤传感器安装示意图2、将光纤试验模板输出端 VO1与数显单元相连，见图 72。18XmmV(v)图 72 光纤传感器位移试验接线图3、调整测微头，使探头与反射面圆平板接触。4、试验模板接入15V 电源，合上主控箱电源开关，调 RW、使数显表显示为零。5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔 0.1mm 读出数显表值，将其填入表 71。表 71 光纤位移传感器输出电压与位移数据6、依据表 71 数据，作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算在量程 1mm 时灵敏度和非线性误差。五、思考题：光纤位移传感器测位移时对被测体的外表有些什么要求？19