传感器新实验指导书.docx
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传感器新实验指导书
《检测与转换技术》
实验指导书
实验报告书
学生姓名:
学号:
电子电气工程学院
自动化系
实验目录
实验一金属箔式应变片特性实验1
1.1金属箔式应变片——单臂电桥性能实验1
1.2金属箔式应变片——半桥性能实验3
1.3金属箔式应变片——全桥性能实验4
实验二电涡流传感器变换特性实验6
2.1电涡流传感器的位移特性实验6
2.2被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验8
2.3被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验9
实验三电容式传感器位移特性实验10
实验四直流激励时霍尔式传感器位移特性实验12
实验一金属箔式应变片特性实验
金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
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。
对单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。
三、需要器件与单元:
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源
四、试验步骤:
1、根据图1,应变式传感器已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
图1应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,将实验模板调节增益电位器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数显表电压输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器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。
3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的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。
图2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子秤上放置一只砝码,读取数显表数值,依次增加砝码和读取相应的数显表数值,直到200g砝码加完。
记下试验结果填入表1,关闭电源。
表1
重量(g)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
正行程
反行程
5、根据上表计算系统灵敏度S,S=Δu/ΔW(Δu为输出电压变化量;ΔW为重量变化量)。
计算线性误差(端基线性度):
δf1=Δm/yF.S×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,yF.S为满量程输出平均值,此处为200g。
金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的:
比较半桥与单臂电桥的不同性能,了解其特点。
二、基本原理:
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。
当两片应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压Uo2=EKε/2。
三、需要器件与单元:
同实验1.1。
四、实验步骤:
1、传感器安装同实验1.1。
做实验1.1中2的步骤,实验模板差动放大器调零。
2、根据图3接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片,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边。
接入桥路电源±4V,调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零,实验步骤3、4同实验1.1中4、5的步骤,将实验数据记入表2,计算灵敏度S=Δu/ΔW,非线性误差(端基线性度)δf2。
若实验时无数值显示,说明R2与R1为相同受力状态应变片,应更换另一个应变片。
图3应变式传感器半桥实验接线图
表2半桥测量时输出电压与加负载重量值
重量(g)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
正行程
反行程
金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的:
了解全桥测量电路的优点。
二、基本原理:
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ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,其桥路输出电压Uo3=KEε。
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。
三、需用器件和单元:
同实验1.1。
四、实验步骤:
图4全桥性能实验接线图
1、传感器安装同实验1.1。
2、根据图4接线,实验方法与1.2相同。
将实验结果填入表3;进行灵敏度和非线性误差(端基线性度)计算。
表3全桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
正行程
反行程
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。
1、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。
桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差,是因为:
(1)电桥测量原理上存在非线性
(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。
2、全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥:
(1)可以
(2)不可以。
实验二电涡流传感器变换特性实验
2.1电涡流传感器的位移特性实验
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。
三、需要器件与单元:
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤:
1、根据图5安装电涡流传感器。
图5电涡流传感器安装示意图
图6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、将电涡流传感器的输出插入Ti孔中。
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、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模板上标有+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。
将结果写入表4。
表4电涡流传感器位移X与输出电压数据
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
V(v)
正行程
反行程
8、根据表4中的数据,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和3mm时的灵敏度和线性度(端基线性度)。
2.2被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验
一、实验目的:
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、基本原理:
电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。
三、需用器件与单元:
除与实验2.1相同外,另加铜和铝的被测体小圆盘。
四、实验步骤:
1、传感器安装与实验2.1相同。
2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。
3、重复实验2.1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和表6。
表5被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
V(v)
正行程
反行程
表6被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
V(v)
正行程
反行程
4、根据表5和表6分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差(端基线性度)。
5、分别比较实验2.1和本实验所得结果进行小结。
2.3被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验
一、实验目的:
了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。
二、基本原理:
电涡流传感器在实际应用中,由于被测体的形状、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,所以在实际测量中,往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。
三、需用器件与单元:
直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同面积的铝被测体、数显单元。
四、实验步骤:
1、传感器安装见图5,与前面静态特性实验相同。
2、按照测静态特性实验要求连接好测量线路。
3、在测微头上分别用两种不同的被测铝(小圆盘、小圆柱体)进行电涡流位移特性测定,分别记入表7。
表7不同尺寸时的被测体特性数据
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
被测体1
正行程
反行程
被测体2
正行程
反行程
4、根据表7数据计算目前范围内二种被测体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,如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器?
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时,如何根据量程使用选用传感器?
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的振动进行测量,试说明具体的测试方法与操作步骤。
实验三电容式传感器位移特性实验
一、实验目的:
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:
利用平板电容C=εA/d和其它结构的关系式,通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d三个参数,保持二个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(ε变)、测微小位移(d变)和测量液位(A变)等多种电容传感器。
三、需用器件与单元:
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤:
1、按图7安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。
图7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板,实验线路见图8。
图8电容传感器位移实验接线图
3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw调节到中间位置。
4、接入±15V电源,旋动测微头推进电容传感器动极板位置,每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表8。
表8电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
V(mv)
正行程
反行程
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V(mv)
正行程
反行程
5、根据表8数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差(端基线性度)δf。
五、思考题:
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素?
实验四直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
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,它就可以进行位移测量。
三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、数显单元。
四、实验步骤:
1、将霍尔传感器按图9安装。
霍尔传感器与实验模板的连接按图10进行。
1、3为电源±4V,2、4为输出。
图9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10霍尔传感器位移直流激励实验接线图
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9。
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(端基线性度)。
表9
X(mm)
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
V(mv)
正行程
反行程
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V(mv)
正行程
反行程
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?
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