实验指导书单台.docx
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实验指导书单台
实验一 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、实验仪器
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±5V电源、万用表(自备)。
三、实验原理
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
(1-1)
式中
为电阻丝电阻相对变化;
为应变灵敏系数;
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组件。
如图1-1所示,将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧,弹性体受到压力发生形变,应变片随弹性体形变被拉伸,或被压缩。
图1-1双孔悬臂梁式称重传感器结构图
通过这些应变片转换弹性体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,如图1-2所示R5=R6=R7=R为固定电阻,与应变片一起构成一个单臂电桥,其输出电压
(1-2)
为电桥电源电压;
式1-2表明单臂电桥输出为非线性,非线性误差为L=
。
图1-2单臂电桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1.应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上,可用万用表测量判别,R1=R2=R3=R4=350Ω。
2.差动放大器调零。
从主控台接入±15V、±5V电源,检查无误后,合上主控台电源开关,将差动放大器的输入端Ui短接,输出端Uo2接数显电压表(选择2V档)。
调节电位器Rw3使电压表显示为0V。
关闭主控台电源。
3.按图1-2连线,将应变式传感器的其中一个应变电阻(如R1)接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。
4.加托盘后电桥调零。
电桥输出接到差动放大器的输入端Ui,检查接线无误后,合上主控台电源开关,预热五分钟,先调节Rw1使电压表显示近似为零,再调节Rw4约中间位置。
备注:
在后面的测量过程中不能再改变Rw1、Rw3。
5.在应变传感器托盘上放置一只砝码,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砝码加完,记下实验结果,填入下表。
重量(g)
电压(mV)
6.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
1.根据实验所得数据计算系统灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量);
2.计算单臂电桥的非线性误差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为满量程(200g)输出平均值。
六、注意事项
实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器,量程为1kg,最大超程量为120%。
因此,加在传感器上的压力不应过大,以免造成应变传感器的损坏!
实验二差动变压器性能实验
一、实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、实验仪器
差动变压器模块、测微头、差动变压器、信号源、±15V直流电源、虚拟示波器。
三、实验原理
差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。
铁芯连接被测物体,移动线圈中的铁芯,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的感应电动势发生变化,一只次级感应电动势增加,另一只感应电动势则减小,将两只次级线圈反向串接(同名端连接)引出差动输出。
输出的变化反映了被测物体的移动量。
四、实验内容与步骤
图7-1差动变压器与测微头安装图
图7-2差动变压器接线原理图
1.根据图7-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。
2.将传感器引线插头插入实验模块的插座中,按图7-2接线(1、2接音频信号,3、4为差动变压器输出),音频信号由“信号源音频端口”输出,从实验台上接入±15V直流电源到实验模块上。
确保无误后,开启实验台上电源,调节音频信号输出的频率和幅度(用频率/转速表和虚拟示波器软件监视),使输出信号频率为4-5KHz,幅度为Vp-p=2V。
3.用虚拟示波器的AD1观测差动变压器的输出,旋动测微头,使虚拟示波器观测到的波形峰-峰值Vp-p为最小值。
这时可以左右移动测微头,假设其中一个方向为正位移,另一个方向为负位移,从Vp-p最小开始旋动测微头,每隔0.2mm从虚拟示波器上读出输出电压Vp-p值,填入下表7-1,再从Vp-p最小处反向位移做实验。
在实验过程中,注意左、右位移时,初、次级波形的相位关系。
五、实验报告
1.实验中差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。
根据表7-1画出Vop-p-X曲线,作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。
表(7-1)差动变压器位移X值与输出电压数据表。
V(mV)
X(mm)
实验二(续)差动变压器零点残余电压补偿实验
一、实验目的
了解差动变压器零点残余电压补偿的方法。
二、实验仪器
差动变压器模块、测微头、差动变压器、信号源、±15V直流电源、虚拟示波器。
(同实验七)
三、实验原理
由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称,初级线圈的纵向排列不均匀性,次级线圈的不均匀、不一致性,铁芯的B-H特性非线性等,因此当铁芯处于差动线圈中间位置时其输出并不为零,称其为零点残余电压。
四、实验内容与步骤
1.安装好差动变压器,利用示波器观测并调整信号源的音频输出为4kHz,2V峰-峰值;按图8-1接线。
2.实验模块R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。
3.用示波器监测放大器输出;
4.调整测微头,使放大器输出信号最小。
5.依次调整RW1、RW2,使示波器显示的电压输出波形幅值降至最小。
6.此时示波器显示即为零点残余电压的波形。
7.记下差动变压器的零点残余电压值峰-峰值(Vp-p)。
(注:
这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压=V零点p-p×K,K为放大倍数)。
8.可以看出,经过补偿后的残余电压的波形是一不规则波形,这说明波形中有高频成分存在。
图8-1差动变压器零点残余电压补偿接线原理图
9.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
分析经过补偿的零点残余电压波形。
六、注意事项
实验过程中加在差动变压器原边的音频信号幅值不能过大,以免烧毁差动变压器传感器
实验三电涡流传感器的特性实验
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、实验仪器
电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表。
三、实验原理
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,因此可以进行位移测量。
四、实验内容与步骤
1.按图19-1安装电涡流传感器。
图19-1传感器安装示意图
2.在测微头端部装上铁质金属圆盘,作为电涡流传感器的被测体。
调节测微头,使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端,固定测微头。
图19-2电涡流传感器接线示意图
3.传感器连接按图19-2,将电涡流传感器连接线接到模块上标有“
”的两端,实验模块输出端Uo与直流电压表输入端Ui相接。
直流电压表量程切换开关选择电压20V档,模块电源用2号导线从实验台上接入+15V电源。
4.合上实验台上电源开关,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。
将结果列入表19-1。
表19-1
X(mm)
UO(V)
五、实验报告
1.根据表19-1数据,画出U-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,并计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度(可以用端点法或其它拟合直线)。
实验三(续)被测体材质、面积大小对电涡流传感器特性的影响实验
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、实验仪器
除实验十九所需仪器外,另加铜和铝的被测体圆盘。
三、实验原理
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。
在实际应用中,由于被测体的材料、形状和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。
四、实验内容与步骤
1.安装图及接线图与实验十九相同。
2.重复实验十九的步骤,将铁质金属圆盘分别换成铜质金属圆盘和铝质金属圆盘。
将实验数据分别记入下面表20-1、20-2。
表20-1铜质被测体
X(mm)
V(V)
表20-2铝质被测体
X(mm)
V(V)
2.重复实验二十的步骤,将被测体换成比上述金属圆片面积更小的被测体,将实验数据记入下表20-3。
表20-3小直径的铝质被测体
X(mm)
V(V)
五、实验报告
1.根据表20-1、表20-2和表20-3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差(线性度)。
实验四电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解电容传感器的结构及特点,电容传感器的位移测量原理。
二、实验仪器
电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套
三、实验原理
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器,它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理:
(11-1)
式中,S为极板面积,d为极板间距离,ε0真空介电常数,εr介质相对介电常数,由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时,电容量C随之发生改变,如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数,就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型:
改变极间距离的变间隙式,改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式,如图11-1两只平板电容器共享一个下极板,当下极板随被测物体移动时,两只电容器上下极板的有效面积一只增大,一只减小,将三个极板用导线引出,形成差动电容输出。
图11-1差动电容传感器原理图
四、实验内容与步骤
1.按图11-2将电容传感器安装在传感器固定架上,将传感器引线插入电容传感器实验模块插座中。
图11-2电容传感器安装示意图
2.将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。
3.将实验台上±15V电源接到传感器模块上。
检查接线无误后,开启实验台电源,用电压表2V档测量“电容传感器模块”的输出,将电容传感器调至中间位置,调节Rw,使得数显直流电压表显示为0(2V档)。
(Rw确定后不要改动)
4.旋动测微头推进电容传感器的共享极板(下极板),每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化,填入下表11-1。
表11-1
X(mm)
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
V(mV)
五、实验报告
1.根据表11-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
实验五压电式传感器振动实验
一、实验目的
了解压电式传感器测量振动的原理和方法。
二、实验仪器
振动源、信号源、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块。
三、实验原理
压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成(观察实验用压电式加速度计结构)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压电陶瓷片上,由于压电效应,压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。
四、实验内容与步骤
1.将压电传感器安装在振动梁的圆盘上。
2.将振荡器的“低频输出”接到转动源的“低频输入”,并按下图30-1接线,合上主控台电源开关,调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置,使振动梁的振幅逐渐增大。
3.将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端Ui1,Uo1接Ui2,Uo2接移相检波低通模块低通滤波器输入Ui,输出Uo接示波器,观察压电传感器的输出波形Uo。
图30-1压电传感器振动实验接线图
五、实验报告
1.改变低频输出信号的频率,记录振动源不同振动幅度下压电传感器输出波形的频率和幅值。
并由此得出振动系统的共振频率。
振动频率(Hz)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
18
20
22
24
26
30
Vp-p(V)
实验六直流激励时霍尔传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔传感器的原理与应用。
二、实验仪器
霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。
三、实验原理
根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,其中KH为灵敏度系数,由霍尔材料的物理性质决定,当通过霍尔组件的电流I一定,霍尔组件在一个梯度磁场中运动时,就可以用来进行位移测量。
四、实验内容与步骤
1.将霍尔传感器按图13-1安装,霍尔传感器引线接到霍尔传感器模块的9芯航空插座上。
按图13-2接线。
2.从实验台上接入±15V电源到霍尔传感器模块上。
检查接线无误后,开启实验台电源,直流数显电压表选择“2V”档,将测微头的起始位置调到“1cm”处,手动调节测微头的位置,先使霍尔片大概在磁钢的中间位置(数显表大致为0),固定测微头,再调节Rw1使数显表显示为零。
3.分别向左、右不同方向旋动测微头,向右为负,向左为正,每隔0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入下表:
X(mm)
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
U(mV)
图13-1霍尔传感器直流激励接线图
五、实验报告
作出U-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
实验六(续)霍尔测速实验
一、实验目的
了解霍尔组件的应用—测量转速。
二、实验仪器
霍尔传感器、+5V、0-30V直流电源、转动源、频率/转速表。
三、实验原理
利用霍尔效应表达式:
UH=KHIB,当被测圆盘上装上N只磁性体时,转盘每转一周磁场变化N次,每转一周霍尔电势就同频率相应变化,输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。
四、实验内容与步骤
1.安装根据图15-1,霍尔传感器已安装于传感器支架上,且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。
图15-1霍尔传感器安装示意图
2.将+5V电源接到转动源上“霍尔”输出的电源端,“霍尔”输出接到频率/转速表(切换到测转速位置)。
“0-30V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端(输出电压调到零)。
3.合上实验台上电源,调节0-30V输出,可以观察到转动源转速的变化。
也可通过虚拟示波器的第一通道AD1,用虚拟示波器软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。
五、实验报告
1.分析霍尔组件产生脉冲的原理。
实验七光纤传感器位移特性实验
一、实验目的
了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。
二、实验仪器
光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。
三、实验原理
反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。
其原理如图22-1所示:
光纤采用Y型结构,两束光纤一端合并在一起组成光纤探头,另一端分为两支,分别作为光源光纤和接收光纤。
光从光源耦合到光源光纤,通过光纤传输,射向反射面,再被反射到接收光纤,最后由光电转换器接收,转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。
当反射表面位置确定后,接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。
显然,当光纤探头紧贴反射面时,接收器接收到的光强为零。
随着光纤探头离反射面距离的增加,接收到的光强逐渐增加,到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。
反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量,具有探头小,响应速度快,测量线性化(在小位移范围内)等优点,可在小位移范围内进行高速位移检测。
图22-1反射式光纤位移传感器原理图22-2光纤位移传感器安装示意图
四、实验内容与步骤
1.光纤传感器的安装如图22-2所示,将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。
探头对准镀铬反射板,调节光纤探头端面与反射面平行,距离适中;固定测微头。
接通电源预热数分钟。
2.将测微头起始位置调到14cm处,手动使反射面与光纤探头端面紧密接触,固定测微头。
3.实验模块从主控台接入±15V电源,打开实验台电源。
4.将模块输出“Uo”接到直流电压表(20V档),仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。
5.旋动测微器,使反射面与光纤探头端面距离增大,每隔0.1mm读出一次输出电压U值,
填入下表22-1
表22-1
X(mm)
Uo(V)
实验七(续)光纤传感器的测速实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器用于测转速的方法。
二、实验仪器
光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、直流稳压电源、数显直流电压表、频率/转速表、转动源、示波器。
三、实验原理
利用光纤位移传感器探头对旋转被测物反射光的明显变化产生电脉冲,经电路处理即可测量转速。
四、实验内容与步骤
1.将光纤传感器安装在转动源传感器支架上,使光纤探头对准转动盘边缘的反射点,探头距离反射点1mm左右(在光纤传感器的线性区域内)。
2.用手拨动一下转盘,使探头避开反射面(避免产生暗电流),接好实验模块±15V电源,模块输出Uo接到直流电压表输入。
调节Rw使直流电压表显示为零。
(Rw确定后不能改动)
3.将模块输出Uo接到频率/转速表的输入“f/n”。
4.合上主控台电源,选择不同电源0~24V(不要超过24V)驱动转动源,可以观察到转动源转速的变化。
也可用示波器观测光纤传感器模块输出的波形。
并将数据填入下表:
驱动电压V(V)
8V
10V
12V
14V
16V
18V
20V
22V
转速n(rpm)
五、实验报告
1.分析光纤传感器测量转速原理。
2.根据记录的驱动电压和转速,作V-n曲线。
六、注意事项
光纤请勿成锐角曲折,以免造成内部断裂,端面尤其要注意保护,否则会光通量损耗加大造成灵敏度下降。
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