传感器与检测实验指导书.docx
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传感器与检测实验指导书
传感器与检测技术实验指导书
电气工程学院自动化专业
专业名称
班级
学生姓名
学号
实验成绩
辽宁工业大学
2013年9月
目录
实验一电阻应变式传感器特性实验1
实验二电容传感器特性实验5
实验三电涡流式传感器特性实验8
实验四压电式传感器特性实验12
实验五光电式传感器特性实验15
实验六热电式传感器特性实验20
附录一CSY2000系列传感器实验台说明书26
附录二CSY-V8.1软件操作说明书27
实验一电阻应变式传感器特性实验
一、实验目的
1.熟悉电阻应变式传感器的结构。
2.了解单臂、半桥和全桥测量电路工作原理和性能。
3.比较单臂与半桥、全桥的不同性能,了解各自特点及全桥测量电路的优点。
二、基本原理
1.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。
2.对半桥测量电路而言,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相同时,其桥路输出电压UO2=EKε/2。
3.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,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=EKε。
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、实验仪器及材料
1.应变式传感器实验模板(应变式传感器-电子秤)、砝码盘、砝码;
2.主控箱(数显表、±15V电源、±4V电源、电源地)。
四、实验步骤
1.打开实验台左下面的柜门,取出装有如图应变式传感器(电子秤)模板。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模板上,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,应变式传感器安装示意图。
2.打开实验台右下面的抽屉,取出托盘和短圆柱形砝码
图1—1应变传感器安装图
3.关闭主控箱电源,按下面提示为实验模板连线(图中电桥4臂电阻还没就位)。
(1)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,输出端与主控台面板上数显表输入端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(注意:
当Rw3、Rw4的位置一旦确定,就不能改变)。
(2)将应变式传感器的4个电阻应变片(即模板左上方的R1R2R3R4)接入电桥,接好电桥调零电位器RW1,接上桥路电源±4V(从主控台引入)如实验模版图所示。
检查接线无误后,打开主控台电源。
调节RW1,使数显表显示为零。
4.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值,直到200g(或500g)砝码加完。
记下实验结果填入表1-1。
5、半桥测量
(1)将应变式传感器的其中2个电阻应变片R1R2(即模板左上方的R1R2)接入电桥作为2个桥臂与R6、R7接成直流电桥(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(从主控台引入)参照实验模版图。
检查接线无误后,合上主控台电源开关。
调节RW1,使数显表显示为零。
(2)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,直到200g(或500g)砝码加完。
记下实验结果填入表1-1中(半桥)。
6.单臂测量
(1)将应变式传感器的其中一个电阻应变片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(从主控台引入)参照实验模版图。
检查接线无误后,合上主控台电源开关。
调节RW1,使数显表显示为零。
(2)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,直到200g(或500g)砝码加完。
记下实验结果填入表1-1中(单臂)。
(3)关闭电源。
五、实验数据处理与分析
1、按表1-1所记录的实验数据,在同一坐标系下绘制三种电路下的输入输出曲线。
表1-1全桥、半桥、单臂电桥输出电压与加负载重量值
重量
(g)
全桥电压
(mV)
半桥电压
(mV)
单臂全桥电压(mV)
1.分析、总结实验过程,记录实验数据。
2.根据表1-1计算系统灵敏度K=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差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满量程输出平均值,此处为200g(或500g)。
3.根据表1-2、根据表1-3重复计算系统灵敏度S、非线性误差δf1。
4.回答思考题。
六、思考题
1.全桥测量中,档两组对边(R1、R3为对边)电阻值相同时,即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥。
2.某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片,如何利用这两片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻。
3.从单臂、半桥到全桥,U-X关系曲线的非线性度是否下降了?
为什么?
4.全桥接法对应变片有没有温度补偿作用?
为什么?
实验二电容传感器特性实验
一、实验目的
1.了解电容式传感器结构及其特点;
2.掌握差动电容传感器的工作原理。
二、实验内容及原理
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中三个参数中,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(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。
三、实验仪器及材料
1.电容传感器、测微头;
2.电容传感器实验模板、相敏检波、滤波模板;
3.数显单元、直流稳压源;
4.铜导线若干。
四、实验步骤
1.关闭主控箱电源,准备接线;
2.按安装示意图2-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上,将电容传感器通过专用连接电缆与电容传感器实验模板插孔相连,利用普通导线连接数显单元和±15V直流稳压源;
3.接通主控箱电源;
图2—1安装示意图
4.接法正确则测微头左右移动时,数显表有正、负输出。
不然得调换接头;
5.电位器RW调到最大;
6.调整测微头,使刻度指示在4mm左右;
7.调整测微头整体位置,使数显表在2V量程上接近0mV,(在±200mV之间,)实现粗调,用定位螺丝轻轻固定住测微头,防止整体转动;
8.旋动测微头,使数显表在2V量程上接近0mV,(在±5mV之间,)实现细调;
9.旋动测微头,使刻度指示减少1mm,确定当前位置-1mm,记录输出电压值;
10.旋动测微头推进电容器传感器动极板位置,每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表2-1中。
五、实验数据处理与分析
1.分析、总结实验过程,利用实验数据绘制输出电压与位移的关系曲线。
表2-1电容传感器位移与输出电压值
位移(mm)
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
电压(mV)
2.根据表2-1数据计算电容传感器的系统灵敏度K和非线性误差δf。
六、思考题
1.电容传感器实验模板上的L1、L2的作用是什么?
2.是否可以选用其它测量电路?
3.电容器传感器的3种测量方法,输出和输入是非线性关系的是哪种?
通常用怎样的测量电路来解决?
成绩给定:
实验预习
操作过程
数据分析
思考题
综合成绩
教师签字:
实验三电涡流式传感器特性实验
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.了解电涡流传感器的结构及应用。
二、实验内容及原理
高频反射式电涡流传感器和金属测片(三种—铁片、铝片和铜片)安装于振动台上,如图3-1所式,将电涡流传感器的线圈通以高频电流,则激励线圈产生磁场,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。
图3—1电涡流传感器安装示意图
三、实验仪器
⒈实验平台、直流电源、数显单元;
⒉电涡流传感器、振动台、测微头、(铁、铜、铝圆片);
⒊电涡流传感器实验模板;
4.铜导线若干;
四、实验步骤
图3—2电涡流传感器位移实验接线图
1.关闭主控箱电源,观察传感器结构;
2.将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中,作为振荡器的一个元件,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;
3.将实验模板输出端Vo与与通信接口(A)相连(或将V0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);
4.开启主控箱电源开关;
5.双击计算机桌面CSY-V8.1.EXE图标,进入实验系统,进行实验设置,选择静态实验;
6.使测微头与传感器线圈端部接触,点击开始按扭,出现静态测量值,改变测微头位置,每0.2mm点击下一步,测量8mm的数据。
注:
也可直接由数显单元读取电压值,记录数据,分析1mm、3mm、5mm线性区域的灵敏度和线性度。
五、实验数据处理与分析
1、分析、总结实验过程,利用表3-1中实验数据,绘制输入输出曲线。
表3—1
位移(mm)
V(mV)铁
位移(mm)
V(mV)铜
位移(mm)
V(mV)铝
2.采用端基法,分析3mm线性区域的灵敏度和线性度。
六、思考题
1、请举电涡流传感器应用的例子;
2、总结电涡流传感器的特点;改变被测金属片对测量结果的影响。
3、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?
成绩给定:
实验预习
操作过程
数据分析
思考题
综合成绩
教师签字:
实验四压电式传感器特性实验
一、实验目的
1.了解压电式传感器的原理、压电加速度传感器的构成及应用。
2..熟悉和掌握压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、实验原理
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表面电荷。
压电式传感器测量振动系统由低频振荡源、压电传感器、电荷放大器、同相放大器和低通滤波器组成。
三、实验仪器
⒈实验平台;
⒉压电传感器,振动台;
⒊压电式传感器实验模板;
⒋检波、移相、低通滤波器模板;
⒌铜导线若干;
四、实验步骤
1.关闭主控箱电源,准备接线;
2.压电传感器已装在振动台面上;
3.将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔;
4.将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端,见图4-1,与传感器外壳相连的接线端接地,另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1,接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与通信接口(A)相连,同时将低通滤波器输入与通信接口(B)相连;
5.合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动,计算机中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变化;
6.在低频振荡器某一频率和某一幅值下进行数据分析,并记录实验结果。
图4-1压电式传感器性能实验接线图
五、实验处理与分析
1.记录压电加速度传感器测量振动的波形,并说明低通滤波器在测量线路中的作用。
2.绘制压电加速度测量系统的结构图。
六、思考题
1、哪些因素影响测量精度?
2、如何提高压电加速度测量系统的灵敏度?
成绩给定:
实验预习
操作过程
数据分析
思考题
综合成绩
教师签字:
实验五光电式传感器特性实验
一、实验目的
1.了解光电式传感器的原理以及光电传感器类型、特性。
2.熟悉和掌握光电传感器的测量转速的原理、方法及应用。
3.本实验为光电传感器特性测量和光电传感器的应用两部分内容的综合。
二、实验原理
光电式转速传感器有反射型和透射型二种,本实验装置是透射型的,传感器端部有发光管和光电管,发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接受转换成电信号,由于转盘上有6个孔,形成相间的6个间隔,转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲,将电脉冲进行计数处理即可得到转速值。
三、实验仪器
⒈实验平台;
⒉调节仪单元、频率转速表;
⒊转动源(含光电传感器)、+5V直流稳压电源及2-24V转速调节电源;
⒋铜导线若干。
四、实验步骤
(一)要求:
利用所列实验单元,实现测量光电传感器的特性。
参考步骤如下:
1.光电转速传感器已安装在转动电源板上,把三源板上的+5V、地、光电输出端分别与主控箱上的+5V、地、频率/转速表的Fin相连。
频率/转速表转换开关打到转速档。
将转动源2-24V输出旋到最小。
2.电源板上2-12V输入端与主控箱上的转速调节源相连。
3.转动电源板上2-12V输入端与主控箱上的数显表Vin、地相连。
4.合上主控箱电源开关,使电机转动并从数显表上观察电机转速。
5.从2V开始调解转速源,每增加0.5V记录电机转速和电压值。
(记录在表5-1)
6.调解转速调节源为5V,关闭电源。
7.转动电源板上+5V、地、光电输出端分别与主控箱上转速调节电源、地、频率/转速表的Fin相连。
连接转动电源板上2-12V与主控箱上+5V、地。
8.主控箱上转速调节电源与主控箱上的数显表Vin、地相连。
9.减小主控箱上转速调节电源,直到频率/转速表不计数,记录电压值在表5-2中。
图5-1光电传感器实现的转速控制接线图
图5-2光电传感器实现的转速控制接线图
(二)、要求:
利用调节仪单元、频率转速表、转动源(含光电传感器)、+5V直流稳压电源及2-24V转速调节电源实现如图5-3所示的转速控制系统。
参考步骤如下:
1.合上电源开关为ON,合上调节仪单元中的“温度源开关”或“调节仪电源”为开;控制方式开关为外。
2.调节仪设置:
PV——测量值显示窗;
SV——给定值显示窗;
SET键——功能键;
▲——数据增加键;
▼——数据减少键;
——数据移位键;
ALM1——报警指示灯;
ALM2——手动指示灯(兼报警);
AT——自整定工作指示灯
OUT——调节输出指示灯
仪表参数设置:
按住SET键并保持2秒钟,进入参数设置状态,PV显示菜单,SV显示相应PV菜单的参数值。
再按一下SET键┅┅仪表依次显示菜单及各参数值。
此时,分别按▲、▼、
键可进行参数值数据修改。
按住▲键不放,接着按▼键,可返回显示上一参数。
先按住
键不放接着按SET键可退出参数设置状态。
如果没有按键操作,约30秒后仪表会自动退出参数设置状态。
参数设定表:
参数(菜单)代号
参数含义
说明
设置值
HIAL
上限报警
必须设置
9999
LOAL
下限报警
必须设置(随HIAL改动)
-1999
dHAL
正偏差报警
取消报警
9999
dLAL
负偏差报警
取消报警
9999
dF
回差
可设0~0.3
0
ctrl
控制方式
允许从面板启动(AT)自整定功能
1
M50
保持参数
可不人为设置,由AT自动设置
5170
P
速率参数
可不人为设置,由AT自动设置
0
t
滞后时间
可不人为设置,由AT自动设置
30
ctl
输出周期
0.5~2秒
11
Sn
输入规格
K设1E设50~5V设34Pt100设21
33
dIP
小数点位置
小数点位数(分辨率)
0
dIL
输入下限显示值
设置
250
dIH
输入上限显示值
设置
2500
CJC
热电偶冷端补偿温度
无效
不设(默认值)
SC
主输入平移修正
可修正仪表的显示误差
0
OP1
输出方式
时间比例输出方式必须设置
1
OPL
输出下限
设置
0
OPH
输出上限
设置
100
CF
系统功能选择
调节输出正、反作用(1正、0反)
0
bAud
兼报警定义
上限报警继电器输出
17
Addr
地址
无效
不设
dL
输入滤波
0~20
1
run
运作状态
1自动;0手动
2
LOC
参数修改级别
不准改动808
不设(默认值808)
EPI—EP8
现场参数定义
不改动
不设(默认值)
3.关闭主控箱漏电保护开关,把三源板上的+5V、接地与主控箱上的+5V、地端相连。
光电传感器输出端、地端分别与主控箱调节仪单元的控制输入+端、-端相连。
4.将调节仪单元中的控制输出+端、-端分别与三源板转动源单元中的“转动电源”(2-24V)+端、-端相连。
将调节仪单元的信号输出+端、-端分别与主控箱面板中的频率/转速表输入Fin端、地端相连。
5.合上电源开关,在仪表正常的情况下,按▲键、▼键在SV窗口可改变转速设置值,并从数显表上观察电机转速控制。
图5-3光电传感器实现的转速控制系统原理图
五、实验数据分析与处理
1.分析、总结实验过程,利用表5-1的实验数据,简述光电传感器测速原理。
表5-12-12V直流源与转速
电压(V)
转速
2.利用表5—2的数据说明光电传感器所需的供电电压。
表5-2转速停止计数
电压(V)
转速
六、思考题
1.制作转盘透射孔时,孔数最佳确定方法是什么?
2.分析光电转速传感器的工作条件?
给出一种实用的光电转速传感器型号及参数。
3.分析该系统工作,光电传感器能否用其它传感器实现?
成绩给定:
实验预习
操作过程
数据分析
思考题
综合成绩
教师签字:
实验六热电式传感器特性实验
一、实验目的
1.熟悉几种常用的热电偶、热电阻和集成温度传感器的基本原理。
2.掌握上述常用传感器的适用场合、性能与应用。
3.了解测温系统构成,学会温度传感器测量电路设计方法。
二、实验原理
集成温度传器测温原理:
将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上,它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出,一般用于-50℃-+150℃之间温度测量,温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时,晶体管的基极――发射极电压与温度成线性关系。
为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。
集成温度传感器有电压型和电流型二种,电流输出型集成温度传感器,在一定温度下,它相当于一个恒流源。
因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。
具有很好的线性特性。
本实验采用的是国产的AD590。
它只需要一种电源(+4V-+30V)。
即可实现温度到电流的线性变换,然后在终端使用一只取样电阻(本实验中为R2见图6-1)即可实现电流到电压的转换。
它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。
热电阻测温原理:
利用导体电阻随温度变化的特性,热电阻用于测量时,要求其材料电阻温度系数大,稳定性好,电阻率高,电阻与温度之间最好有线性关系。
常用铂电阻和铜电阻、铂电阻在0-630.74℃以内,电阻Rt与温度t的关系为:
Rt=Ro(1+At+Bt2)
Ro系温度为0℃时的电阻。
本实验Ro=100℃。
A=3.9684×10-2/℃,B=-5.847×10-7/℃2,铂电阻现是三线连接,其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。
热电偶测温原理:
当两种不同的金属组成回路,产生的二个接点有温度差,会产生热电势,这就是热电效应。
温度高的接点就是工作端,将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。
三、实验仪器
⒈实验平台;
⒉温度控制单元、加热源、铂热电阻;
⒊集成温度传感器、温度传感器实验模板、两端有插头的100Ω电阻一个、数显单元;
⒋铜导线若干。
四、实验步骤
仪表操作:
将Pt100传感器按入主控箱调节仪单元中的“Pt100输入”端口(传感器引线标记相同的两根接入“Pt100输入”上方二端口,传感器另外一根引线接入“Pt100输入”下方一端口);合上主控箱的漏电保护开关为ON,再合上调节仪单元中的“温度开关”为开,合上“控制方式”开关为内。
仪表参数设置:
按住SET键并保持2秒钟,进入参数设置状态,PV显示菜单,SV显示相应PV菜单的参数值。
再按一下SET键┅┅仪表依次显示菜单及各参数值。
此时,分别按▲、▼、
键可进行参数值数据修改。
按住▲键不放,接着按▼键,可返回显示上一参数。
先按住
键不放接着按SET键可退出参数设置状态。
如果没有按键操作,约30秒后仪表会自动退出参数设置状态。
参数设定表:
参数(菜单)代号
参数含义
说明
设置值
HIAL
上限报警
必须设置
在实验温度值
LOAL
下限报警
必须设置(随HIAL改动)
在实验温度值
参数(菜单)代号
参数含义
说明
设置值
dHAL
正偏差报警
取消报警
9999
dLAL
负偏差报警
取消报警
9999
dF
回差
可设0~0.3
0
ctrl
控制方式
允许从面板启动(AT)自整定功能
1
M50
保持参数
可不人为设置,由AT自动设置
107
P
速率参数
可不人为设置,由AT自动设置
364
t
滞后时间
可不人为设置,由AT自动设置
113
ctl
输出周期
0.5~2秒
10
Sn
输入规格
K设1E设50~5V设34Pt100设21
21
dIP
小数点位置
小数点位数(分辨率)
设1(分辨率0.1℃)
dIL
输入下限显示值
无效
不设(默认值)
dI
输入上限显示值
无效
不设(默认值)
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- 传感器 检测 实验 指导书