用户使用手册
1 前 言
CSY 系列传感器与
检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
技术实验台主要用于各大、中专院校及职业院校开设的“传感器原理与技术”“自动化检测技术”“非电量电测技术”“工业自动化仪表与控制”“机械量电测”等课程的实验教学。
CSY 系列传感器与检测技术实验台上采用的大部分传感器虽然是教学传感器(透明结构便于教学),但其结构与线路是工业应用的基础,希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识的理解,并在实验的进行过程中,通过信号的拾取,转换,分析,掌握应具有的基本的操作技能与动手能力。
CSY2000与3000系列传感器与检测技术实验台是本公司多年生产传感技术教学实验装置的基础上,为适应不同类别、不同层次的专业需要而设计的新产品。
其优点在于:
1、适应不同专业的需要,不同专业可以有不同的菜单,本公司还可以为用户的特殊要求 制作模板。
2、能适应不断发展的形势,作为信息拾取的工具,传感器发展很快,可以不断补充新型 的传感器模板。
3、可以利用实验台的信号源、实验电路、传感器用于学生课程设计、毕业设计和自制装 置。
为了让老师、学生尽快熟悉掌握实验台的使用方法,本手册列举了一些实验示范例子,老师、学生通过实验示范例子举一反三可以自己组织开发很多实验顶目。
本手册由于编写时间、水平所限,难免有疏漏错误之处,热切期望老师与学生们提出宝贵的意见,予以完善,谢谢。
目录
CSY-2000型传感器与检测技术实验台说明书 (5)
CSY-3000型传感器与检测技术实验台说明书 (8)
示范实验目录
2000系列基本实验举例
实验一应变片单臂电桥性能实验 (11)
实验二应变片半桥性能实验 (17)
实验三应变片全桥性能实验 (18)
实验四应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 (20)
实验五应变片直流全桥的应用—电子秤实验 (21)
实验六应变片温度影响实验 (22)
实验七移相器、相敏检波器实验 (23)
实验八应变片交流全桥(应变仪)的应用—振动测量实验 (27)
实验九压阻式压力传感器测量压力特性实验 (30)
*实验十压阻式压力传感器应用—压力计实验 (32)
实验十一差动变压器的性能实验 (32)
实验十二激励频率对差动变压器特性影响实验 (37)
实验十三差动变压器零点残余电压补偿实验 (38)
实验十四差动变压器测位移特性实验 (39)
实验十五差动变压器的应用—振动测量实验 (41)
实验十六电容式传感器测位移特性实验 (43)
实验十七线性霍尔传感器测位移特性实验 (45)
实验十八线性霍尔传感器交流激励时位移特性实验 (48)
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验 (50)
实验二十磁电式转速传感器测转速实验 (51)
实验二十一压电式传感器测振动实验 (53)
实验二十二电涡流传感器测量位移特性实验 (57)
实验二十三被测体材质对电涡流传感器特性影响实验 (60)
实验二十四被测体面积大小对电涡流传感器特性影响实验 (61)
实验二十五电涡流传感器测量振动实验 (62)
实验二十六光纤位移传感器测位移特性实验 (63)
实验二十七光电传感器测量转速实验 (66)
实验二十八光电传感器控制电机转速实验 (67)
实验二十九温度源的温度调节控制实验 (75)
实验三十 Pt100铂电阻测温特性实验 (79)
实验三十一Cu50铜电阻测温特性实验 (85)
实验三十二 K热电偶测温特性实验 (86)
实验三十三 K热电偶冷端温度补偿实验 (92)
实验三十四 E热电偶测温特性实验 (95)
实验三十五集成温度传感器(AD590)的温度特性实验 (96)
实验三十六气敏传感器实验 (99)
实验三十七湿度传感器实验 (100)
实验三十八数据采集系统实验—静态举例 (102)
实验三十九数据采集系统实验—动态举例 (104)
3000系列实验(包含2000系列基本实验外,还包含以下实验。)
实验四十光源的光照度标定实验 (105)
实验四十一光敏电阻特性实验 (107)
实验四十二光敏二极管特性实验 (110)
实验四十三光敏三极管特性实验 (112)
实验四十四硅光电池特性实验 (113)
实验四十五透射式光电开关实验 (115)
实验四十六反射式红外光电接近开关实验 (116)
2000、3000系列增强型实验(包含基本实验外,可以选配以下实验。) 实验四十七 PSD位置传感器测位移实验
实验四十八扭矩传感器测量实验
实验四十九超声波传感器测距实验
实验五十 CCD传感器应用实验
实验五十一光栅位移传感器位移测量实验
实验五十二被动红外热释电探测实验
实验五十三指纹传感器演示实验
实验五十四光纤压力、温度实验
备注:1、带*号实验为思考实验;学生也可以参考示范实验例子组建开发其它实验项目。
2、同类型传感器实验方法及接线方式都很类似。
3、选配实验资料附带在所选配的实验装置上或提供光盘。
CSY-2000型传感器与检测技术实验台
说明书
一、实验台的组成
CSY-2000型传感器与检测技术实验台由主机箱、传感器、实验电路(实验模板)、转动源、振动源、温度源、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。
1、主机箱:提供高稳定的±15V、±5V、+5V、±2V~±10V(步进可调)、+2V~+24V (连续可调)直流稳压电源;音频信号源(音频振荡器)1KHz~10KHz(连续可调);低频信号源(低频振荡器)1Hz~30Hz(连续可调);传感器信号调理电路;智能调节仪;计算机通信口;主机箱上装有电压、气压等相关数显表。其中,直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载保护功能,在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。
2、振动源(动态应变振动梁与振动台):振动频率3Hz~30Hz可调(谐振频率9Hz~12 Hz左右);
3、转动源:手动控制0转/分~2400转/分、自动控制300~2200转/分。
4、温度源:常温~200℃。
5、气压源:0~20Kpa(连续可调)。
6、传感器:基本型有箔式应变片(350Ω)传感器(秤重200g)、扩散硅压力传感器(20Kpa)、差动变压器(±4mm)、电容式位移传感器(±2.5mm)、霍尔式位移传感器(±1mm)、霍尔式转速传感器(2400转/分)、磁电转速传感器(250转/分~2400转/分)、压电式传感器、电涡流传感器(1mm)、光纤位移传感器(1mm)、光电转速传感器(2400转/分)、集成温度(AD590)传感器(室温~120℃)、K热电偶(室温~150℃)、E热电偶(室温~150℃)、Pt100铂电阻(室温~150℃)、Cu50铜电阻(室温~100℃)、湿敏传感器(10~95%RH)、气敏传感器(50~ 2000ppm)等。
增强型:基本型基础上可选配扭矩传感器(25N2m)、超声位移传感器(200~1500mm)、PSD位置传感器(±2mm)、CCD传感器、光栅位移传感器(25mm)、红外热释电传感器、指纹传感器(演示)等。
7、调理电路(实验模板):基本型有电桥及调平衡网络、差动放大器、电压放大器、电荷放大器、电容变换器、电涡流变换器、光电变换器、温度变换器、移相器、相敏检波器、
低通滤波器。增强型增加相应的配套实验模板。
8、数据采集处理软件,另附。
9、实验台:尺寸为160038003750mm,实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。
二、电路原理
实验电路原理已印刷在面板上(实验模板上) ,实验接线图参见文中的具体实验内容。
三、使用方法
1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档;电流表显示选择旋钮打到200mA档;步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档;其余旋钮都打到中间位置。
2、将AC 220V电源线插头插入市电插座中,合上电源开关,数显表显示0000,表示实验台已接通电源。
3、做每个实验前应先阅读实验指南,每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线(实验中用到可调直流电源时,应在该电源调到实验值后再接到实验线路中),检查无误后方可接通电源。
4、合上调节仪(器)电源开关,设置调节仪(器)参数;调节仪(器)的PV窗显示测量值; SV窗显示设定值(具体内容参见实验)。
5、数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。
四、仪器维护及故障排除
1、维护
⑴防止硬物撞击、划伤实验台面;防止传感器跌落地面。
⑵实验完毕要将传感器、配件及连线全部整理放置好。
2、故障排除
⑴开机后数显表都无显示,应查AC 220V电源有否接通;主机箱侧面AC 220V 插座中的保险丝是否烧断。如都正常,则更换主机箱中主机电源。
⑵转动源不工作,则手动输入+12V电压,如不工作,更换转动源;如工作正常,应查调节仪设置是否准确;控制输出Vo有无电压,如无电压,更换主机箱中的转速控制板。
⑶振动源不工作,检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出,如无输出,更换信号板;如有输出,更换振动源的振荡线圈。
⑷温度源不工作,检查温度源电源开关有否打开;温度源的保险丝是否烧断;调节仪设置是否准确。如都正常,则更换温度源。
五、注意事项
1、在实验前务必详细阅读用户手。
2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱及面板。
3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地(⊥)短接,因短接时间长易造成电路故障。
4、请勿将主机箱的±电源引入实验电路时接错。
5、在更换接线时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。
6、实验完毕后,请将传感器及附件放回原处。
7、如果实验台长期未通电使用,在实验前先通电十分钟预热,再检查按一次漏电保护按钮是否有效。
8、实验接线时,要握住手柄插拔实验线,不能拉扯实验线。
六、随机附件详见装箱清单。
CSY-3000型传感器与检测技术实验台
说明书
CSY—3000型传感器与检测技术实验台是本公司为适应不同类别、不同层次的专业需要,在2000系列传感器与检测技术实验台的基础上,增加了一些光电传感器而最新推出的模块化的新产品。
CSY-3000型传感器与检测技术实验台,主要用于各大专院校、中专及职业技术院校开设的“自动检测技术”“传感器原理与技术”“工业自动化控制”“非电量电测技术”等课程的教学实验。它是采用最新推出的模块化结构的产品。实验台上采用的大部分传感器虽然是教学传感器(透明结构便于教学),但其结构与线路是工业应用的基础。希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识的理解,并在实验的进行过程中通过信号的拾取、转换、分析、掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。
一、实验台的组成
CSY-3000型传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。
1、主机箱:提供高稳定的±15V、±5V、+5V、±2V~±10V(步进可调)、+2V~+24V (连续可调)直流稳压电源;直流恒流源0.6mA~20mA可调;音频信号源(音频振荡器)1KHz~ 10KHz(连续可调);低频信号源(低频振荡器)1Hz~30Hz(连续可调);气压源0~20KPa (可调);智能调节仪(器);计算机通信口;主控箱面板上装有电压、电流、频率转速、气压、光照度数显表;漏电保护开关等。其中,直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能,在排除接线错误后重新开机一下才能恢复正常工作。
2、振动源:振动台振动频率1Hz~30Hz可调(谐振频率9Hz左右)。
3、转动源:手动控制0~2400转/分;自动控制300~2200转/分。
4、温度源:常温~200℃。
5、气压源0~20KPa(可调);
6、传感器:基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器(光电断续器)、集成温度传感器、K型热电偶、E 型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器、光照度探头、纯白高亮
发光二极管、红外发光二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、反射式光电开关共二十六个(其中二个发光源)。
增强型:基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD传感器、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器。
7、调理电路(实验模板):基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/低通滤波共十块模板。增强型还增加相应的配套实验模板。
8、数据采集卡及处理软件,另附。
9、实验台:尺寸为160038003750mm,实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。
二、电路原理
实验模板电路原理已印刷在面板上(实验模板上) ,实验接线图参见下文中的具体实验内容。
三、使用方法
1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档;电流表显示选择旋钮打到200mA档;步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档;其余旋钮都打到中间位置。
2、将AC 220V电源线插头插入市电插座中,合上电源开关,数显表显示0000,表示实验台已接通电源。
3、做每个实验前应先阅读实验指南,每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线(实验中用到可调直流电源时,应在该电源调到实验值后再接到实验线路中),检查无误后方可接通电源。
4、合上调节仪(器)电源开关,在参数及状态设置好的情况下,调节器的PV窗口显示测量值;SV窗口显示给定值。
5、合上气源开关,气泵有声响,说明气泵工作正常。
6、数据采集卡及处理软件使用方法另附手册。
四、仪器维护及故障排除
1、维护
⑴防止硬物撞击、划伤实验台面;防止传感器及实验模板跌落地面损坏。
⑵实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。
2、故障排除
⑴开机后数显表都无显示,应查AC 220V电源有否接通;主机箱侧面AC 220V 插
座中的保险丝是否烧断。如都正常,则更换主机箱中主机电源。
⑵转动源不工作,则手动输入+12V(0—24V可调)电压,如不工作,更换转动源;如工作正常,应查调节器设置是否准确;控制输出Vo有无电压,如无电压,更换主机箱中的转速控制板。否则更换智能调节器。
⑶振动源不工作,检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出(调节较大幅度后调节频率),如无输出,更换信号板;如有输出,更换振动源的振荡线圈。
⑷温度源不工作,检查温度源电源开关有否打开;温度源的保险丝是否烧断;调节器设置是否准确。如都正常,则更换温度源。
五、注意事项
1、在实验前务必详细阅读用户手册。
2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱的面板和实验模板面板。
3、严禁将主机箱的电源、信号源输出端与地(⊥)短接,因短接时间长易造成电路故障。
4、严禁将主机箱的±电源引入实验模板时接错。
5、在更换接线时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。
6、实验完毕后,请将传感器及实验模板放回原处。
7、如果实验台长期未通电使用,在实验前先通电十分钟预热,再检查按一次漏电保护按钮是否有效。
六、随机附件详见装箱清单
示范实验
实验一应变片单臂电桥性能实验
一、实验目的:了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理:电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形,然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化,再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测,如力、压力、加速度、力矩、重量等,在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1、应变片的电阻应变效应
所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变,这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例:设其长为:L、半径为r、材料的电阻率为ρ时,根据电阻的定义式得
(1—1)
当导体因某种原因产生应变时,其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式(1—1)全微分得电阻变化率 dR/R为:
(1—2)
式中:dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr
由材料力学得:εL= - μεr (1—3)
式中:μ为材料的泊松比,大多数金属材料的泊松比为0.3~0.5左右;负号表示两者的变化方向相反。将式(1—3)代入式(1—2)得:
(1—4)
式(1—4)说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变(几何效应)和本身特有的导电性能(压阻效应)。
2、应变灵敏度
它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
(1)、金属导体的应变灵敏度K:主要取决于其几何效应;可取
(1—5)
其灵敏度系数为:
K=
金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化,拉伸时电阻增大,压缩时电阻减小,且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
(2)、半导体的应变灵敏度:主要取决于其压阻效应;dR/R<≈dρ?ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率,是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同,可以是正(使电阻增大)的或负(使电阻减小)的压阻效应。也就是说,同样是拉伸变形,不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应,其灵敏度系数较大,一般在100到200左右。
3、贴片式应变片应用
在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片,贴片式半导体应变片(温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏)很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜(扩散出敏感栅),制成扩散型压阻式(压阻效应)传感器。
*本实验以金属箔式应变片为研究对象。
4、箔式应变片的基本结构
金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上,粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成,如图1—1所示。
(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片
图1—1应变片结构图
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,与丝式应变片工作原理相同。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。
5、测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求,因此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种,单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差;双臂输出是单臂的两倍,性能比单臂有所改善;全桥工作时的输出是单臂时的四倍,性能最好。因此,为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图1—2(a)、(b)、(c)所示。
(a)单臂(b)半桥(c)全桥
图1—2 应变片测量电路
(a)、单臂
Uo=U①-U③
=〔(R1+△R1)/(R1+△R1+R5)-R7/(R7+R6)〕E
={〔(R7+R6)(R1+△R1)-R7(R5+R1+△R1)〕/〔(R5+R1+△R1)(R7+R6)〕}E
设R1=R5=R6=R7,且△R1/R1=ΔR/R<<1,ΔR/R=Kε,K为灵敏度系数。
则Uo≈(1/4)(△R1/R1)E=(1/4)(△R/R)E=(1/4)Kε E
(b)、双臂(半桥)
同理:Uo≈(1/2)(△R/R)E=(1/2)Kε E
(C)、全桥
同理:Uo≈(△R/R)E=Kε E
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3 应变片单臂电桥性能实验原理图
图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻,R1为应变片; R W1和R8组成电桥调平衡网络,E为供桥电源±4V。桥路输出电压Uo≈(1/4)(△R4/R4)E=(1/4)(△R/R)E=(1/4)Kε E 。差动放大器输出为Vo。
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流
1位数显万用表(自备)。
稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码; 4
2
四、实验步骤:
应变传感器实验模板说明:应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器(称重传感器)、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口;没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体,其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设;R5、R6、R7是350Ω固定电阻,是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥(半桥)而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口,做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口,做应变片测量振动实验时用。
1、将托盘安装到传
感器上,如图1—4所示。
图1—4 传感器托盘安装示意图
2、测量应变片的阻值:当传感器的托盘上无重物时,分别测量应变片R1、R2、R
3、R4 的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化,分析应变片的受力情况(受拉的应变片:阻值变大,受压的应变片:阻值变小。)。
图1—5测量应变片的阻值示意图
3、实验模板中的差动放大器调零:按图1—6示意接线,将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关;调节放大器的增益电位器R W3合适位置(先顺时针轻轻转到底,再逆时针回转1圈)后,再调节实验模板放大器的调零电位器R W4,使电压表显示为零。
图1—6差动放大器调零接线示意图
4、应变片单臂电桥实验:关闭主机箱电源,按图1—7示意图接线,将±2V~±10V可调电源调节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1,使主机箱电压表显示为零;在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置),读取相应的数显表电压值,记下实验数据填入表1。
图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图
表1 应变片单臂电桥性能实验数据
5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S=ΔV/ΔW(ΔV输出电压变化量,ΔW重
量变化量)和非线性误差δ,δ=Δm/yFS 3100%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:yFS满量程输出平均值,此处为200g。实验完毕,关闭电源。
实验二应变片半桥性能实验
一、实验目的:了解应变片半桥(双臂)工作特点及性能。
二、基本原理:应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边,输出灵敏度提高,非线性得到改善。其桥路输出电压Uo≈(1/2)(△R/R)E=(1/2)Kε E 。
图2—1 应变片半桥特性实验原理图
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤:
1、按实验一(单臂电桥性能实验)中的步骤1和步骤3实验。
2、关闭主机箱电源,除将图1—7改成图2—2示意图接线外,其它按实验一中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值,填入表2中。
图2—2 应变片半桥实验接线示意图
表2 应变片半桥实验数据
3、根据表2实验数据作出实验曲线,计算灵敏度S=ΔV/ΔW,非线性误差δ。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
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。
实验三应变片全桥性能实验
一、实验目的:了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理:应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。应变片全桥测量电路中,将应力方向相同的两应变片接入电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。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Uo≈(△R/R)E=KεE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性得到改善。
图3—1应变片全桥性能实验接线示意图
三、需用器件和单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤:
实验步骤与方法(除了按图3—2示意接线外)参照实验二,将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕,关闭电源。
图3—2 应变片全桥性能实验接线示意图
表3全桥性能实验数据
五、思考题:
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。
*实验四应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目的:比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,得出相应的结论。
二、基本原理:如图4 (a)、(b)、(c)
(a)单臂(b)半桥(c)全桥
图4 应变电桥
(a)、Uo=U①-U③
=〔(R1+△R1)/(R1+△R1+R2)-R4/(R3+R4)〕E
=〔(1+△R1/R1)/(1+△R1/R1+R2/R2)-(R4/R3)/(1+R4/R3)〕E 设R1=R2=R3=R4,且△R1/R1<<1。
Uo≈(1/4)(△R1/R1)E
所以电桥的电压灵敏度:S=Uo/(△R1/R1)≈kE=(1/4)E
(b)、同理:Uo≈(1/2)(△R1/R1)E
S=(1/2)E
(C)、同理:Uo≈(△R1/R1)E
S=E
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤:根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度,从理论上进行分析比较。经实验验证阐述理由(注意:实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。实验完毕,关闭电源。
实验五应变片直流全桥的应用—电子秤实验
一、实验目的:了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理:常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图5—1。本实验只做放大器输出Vo实验,通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。
图5—1 数字电子称原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤:
1、按实验一中的1和3步骤实验。
2、关闭主机箱电源,按图3—2 (应变片全桥性能实验接线示意图)示意接线,将
±2V~±10V可调电源调节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1,使主机箱电压表显示为零;
3、将10只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器R W3(增益即满量程调节)使数显表显示为0.200V(2V档测量)。
4、拿去托盘上的所有砝码,调节电位器R W4(零位调节)使数显表显示为0.000V。
5、重复3、4步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量纲V改为重量纲g,将砝码依次放在托盘上称重;放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕,关闭电源。
实验六 应变片的温度影响实验
一、实验目的:了解温度对应变片测试系统的影响。
二、基本原理:电阻应变片的温度影响,主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数,应变栅的线膨胀系数与弹性体(或被测试件)的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时,在被测体受力状态不变时,输出会有变化。
三、需用器件与单元:主机箱中±2V ~±10V (步进可调)直流稳压电源、±15V 直流稳压电源、电压表;应变传感器实验模板、托盘、砝码、加热器(在实验模板上,已粘贴在应变传感器左下角底部)。
四、实验步骤:
1、按照实验三实验。
2、将200g 砝码放在托盘上,在数显表上读取记录电压值U o1。
3、将主机箱中直流稳压电源+5V 、⊥接于实验模板的加热器+5V 、⊥插孔上,数分钟后待数显表电压显示基本稳定后,记下读数Uot ,Uot-U o1即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差:
实验完毕,关闭电源。
%10001
1ot ?-=U U U o δ
实验七移相器、相敏检波器实验
一、实验目的:了解移相器、相敏检波器的工作原理。
二、基本原理:
1、移相器工作原理:
图7—1为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。图中,IC-1、R1、R2、R3、C1
图7—1 移相器原理图与模板上的面板图
构成一阶移相器(超前),在R2=R1的条件下,可证明其幅频特性和相频特性分别表示为: K F1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)
K F1(ω)=1
ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1
其中:ω=2лf,f为输入信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器(滞后),在R5=R4条件下的特性为:
K F2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)
K F2(ω)=1
ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωRwC3
由此可见,根据幅频特性公式,移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式,相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然,当移相电位器Rw=0,上式中ΦF2=0,因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角:
即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1
若调整移相电位器Rw,则相应的移相范围为:ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3已知R3=10kΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定,即
可计算出图7—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。
2、相敏检波器工作原理:
图7—2为相敏检波器(开关式)原理图与实验模板上的面板图。图中,AC为交流参考电压输入端,DC为直流参考电压输入端,Vi端为检波信号输入端,Vo端为检波输出端。
图7—2 相敏检波器原理图与模板上的面板图
原理图中各元器件的作用:C5-1交流耦合电容并隔离直流;IC5-1反相过零比较器,将参考电压正弦波转换成矩形波(开关波+14V ~ -14V);D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V(0 ~ -14V);Q5-1是结型场效应管,工作在开、关状态;IC5-2工作在倒相器、跟随器状态;R5-6限流电阻起保护集成块作用。
关键点:Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7=0V时,Q5-1导通,使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器,即V3=-V1;当V7<0V时,Q5-1截止(相当于断开), IC5-2成为跟随器,即V3=V1。相敏检波器具有鉴相特性,输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图7—3为相敏检波器的工作时序图。
图7—3相敏检波器工作时序图
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器;移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板;双踪示波器(自备)。
四、实验步骤:
(一)移相器实验
1、调节音频振荡器的幅度为最小(幅度旋钮逆时针轻轻转到底),按图7—4示意接线,
检查接线无误后,合上主机箱电源开关,调节音频振荡器的频率(用示波器测量)为f=1kHz,
幅度适中(2V≤Vp-p≤8V)。
图7—4移相器实验接线图
2、正确选择双线(双踪)示波器的“触发”方式及其它设置(提示:触发源选择内触发
CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS~10μS范围内选择、触发方式选择AUTO 。垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、灵敏度VOLTS/DIV在1V~5V 范围内选择),调节移相器模板上的移相电位器(旋钮),用示波器测量波形的相角变化。
3、调节移相器的移相电位器(逆时针到底0kΩ~顺时针到底10kΩ变化范围),用示波器可测定移相器的初始移相角(ΦF=ΦF1)和移相范围△ΦF。
4、改变输入信号频率为f=9kHz,再次测试相应的ΦF和△ΦF。测试完毕关闭主电源。
(二)相敏检波器实验
1、调节音频振荡器的幅度为最小(幅度旋钮逆时针轻轻转到底),将±2V~±10V可调电源调节到±2V档。按图7—5示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节音频振荡器频率f=5kHz,峰峰值Vp-p=5V(用示波器测量);结合相敏检波器工作原理,分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系(跟随关系,波形相同)。*提示:示波器设置除与(一)移相器实验2中的垂直输入耦合方式选择直流耦合DC外,其它设置都相同;但当CH1、CH2输入对地短接时,将二者光迹线移动到显示屏中间(居中)后再进行测量波形。
图7—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图
2、将相敏检波器的DC参考电压改接到-2V(-Vout),调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示的两个波形幅值相等(相敏检波器电路已调整完毕,以后不要触碰这个电位器钮),观察相敏检波器的输入、输出波形关系(倒相作用,反相波形)。关闭电源。
3、按图7—6示意图接线,合上主机箱电源,调节移相电位器钮(相敏检波器电路上一步已调好不要动),结合相敏检波器的工作原理,分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。注:一般要求相敏检波器工作状态Vi检波信号与参考电压AC相位处于同相或反相。
图7—6相敏检波器检波实验接线示意图
4、将相敏检波器的AC参考电压改接到180°,调节移相电位器,观察相敏检波器的输入、输出波形关系。关闭电源。
五、思考题:通过移相器、相敏检波器的实验是否对二者的工作原理有了更深入的理解。作出相敏检波器的工作时序波形,能理解相敏检波器同时具有鉴幅、鉴相特性吗?
实验八应变片交流全桥的应用(应变仪)—振动测量实验
一、实验目的:了解利用应变交流电桥测量振动的原理与方法。
二、基本原理:图8—1是应变片测振动的实验原理方块图。当振动源上的振动台受到F(t)作用而振动,使粘贴在振动梁上的应变片产生应变信号dR/R,应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波,再经差动放大器放大为u1(t),u1(t)经相敏检波器检波解调为u2(t),u2(t)经低通滤波器滤除高频载波成分后输出应变片检测到的振动信号u3(t)(调幅波的包络线),u3(t)可用示波器显示。图中,交流电桥就是一个调制电路,W1(R W1)、r(R8)、W2(R W2)、C是交流电桥的平衡调节网络,移相器为相敏检波器提供同步检波的参考电压。这也是实际应用中的动态应变仪原理。
图8—1 应变仪实验原理方块图
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器;应变式传感器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器模板、振动源、双踪示波器(自备)、万用表(自备)。
四、实验步骤:
1、相敏检波器电路调试:正确选择双线(双踪)示波器的“触发”方式及其它设置(提示:触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS~10μS范围内选择、触发方式选择AUTO 。垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V~5V范围内选择)并将光迹线居中(当CH1、CH2输入对地短接时)。调节音频振荡器的幅度为最小(幅度旋钮逆时针轻轻转到底),将±2V~±10V可调电源调节到±2V档。按图8—2示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节音频振荡器频率f=1kHz,峰峰值Vp-p=5V(用示波器测量);调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形(相敏检波器电路已调整完毕,以后不要触碰这个电位器钮)。相敏检波器电路调试完毕,关闭电源。
图8—2相敏检波器电路调试接线示意图
2、将主机箱上的音频振荡器、低频振荡器的幅度逆时针慢悠悠转到底(无输出),再按图8—3示意接线(接好交流电桥调平衡电路及系统,应变传感器实验模板中的R8、R W1、C、R W2为交流电桥调平衡网络,将振动源上的应变输出插座用专用连接线与应变传感器实验模板上的应变插座相连,因振动梁上的四片应变片已组成全桥,引出线为四芯线,直接接入实验模板上已与电桥模型相连的应变插座上。电桥模型二组对角线阻值均为350Ω,可用万用表测量)。
图8—3 应变交流全桥振动测量实验接线示意图
注:传感器专用插头(黑色航空插头)的插、拔法:插头要插入插座时,只要将插头上
的凸锁对准插座的平缺口稍用力自然往下插;插头要拔出插座时,必须用大姆指用力往内按住插头上的凸锁同时往上拔。
3、调整好有关部分,调整如下:(1)检查接线无误后,合上主机箱电源开关,用示波器监测音频振荡器Lv的频率和幅值,调节音频振荡器的频率、幅度使Lv输出1kHz左右,幅度调节到10Vp-p (交流电桥的激励电压)。(2)用示波器监测相敏检波器的输出(图中低通滤波器输出中接的示波器改接到相敏检波器输出),用手按下振动平台的同时(振动梁受力变形、应变片也受到应力作用)仔细调节移相器旋钮,使示波器显示的波形为一个全波整流波形。(3)松手,仔细调节应变传感器实验模板的R W1和R W2(交替调节)使示波器(相敏检波器输出)显示的波形幅值更小,趋向于无波形接近零线。
4、调节低频振荡器幅度旋钮和频率(8Hz左右)旋钮,使振动平台振动较为明显。拆除示波器的CH1通道,用示波器CH2(示波器设置:触发源选择内触发CH2、水平扫描速度TIME/DIV 在50mS~20mS范围内选择、触发方式选择AUTO ;垂直显示方式为显示CH2、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、垂直显示灵敏度VOLTS/DIV在0.2V~50mV范围内选择)分别显示观察相敏检波器的输入V i和输出V o及低通滤波器的输出V o波形。
5、低频振荡器幅度(幅值)不变,调节低频振荡器频率(3Hz~25Hz),每增加2Hz用示波器读出低通滤波器输出V o的电压峰-峰值,填入表8画出实验曲线,从实验数据得振动梁的谐振频率为。实验完毕,关闭电源。
表8应变交流全桥振动测量实验数据
实验九压阻式压力传感器测量压力特性实验
一、实验目的:了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。
二、基本原理:扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应,在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜(扩散出P型或N 型电阻条)组成电桥。在压力(压强)作用下弹性元件产生应力,半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化,引起电阻的变化,经电桥转换成电压输出,则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图9—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。
图9—1 压阻式压力传感器压力测量实验原理
三、需用器件与单元:主机箱中的气压表、气源接口、电压表、直流稳压电源±15V、±2V~±10V(步进可调);压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。
四、实验步骤:
1、按9—2示意图安装传感器、连接引压管和电路:将压力传感器安装在压力传感器实验模板的传感器支架上;引压胶管一端插入主机箱面板上的气源的快速接口中(注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压,则可轻松拉出),另一端口与压力传感器相连;压力传感器引线为4芯线(专用引线),压力传感器的 1端接地,2端为输出Vo+,3端接电源+4V,4端为输出Vo-。具体接线见图9—2。
图9—2压阻式压力传感器测压实验安装、接线示意图
2、将主机箱中电压表量程切换开关切到2V档;可调电源±2V~±10V调节到±4V档。实验模板上R W1用于调节放大器增益、R W2用于调零,将R W1调节到的1/3位置(即逆时针旋到底再顺时针旋3圈)。合上主机箱电源开关,仔细调节R W2使主机箱电压表显示为零。
3、合上主机箱上的气源开关,启动压缩泵,逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮,此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中,同时观察气压表和电压表的变化。
4、调节流量计旋钮,使气压表显示某一值,观察电压表显示的数值。
5、仔细地逐步调节流量计旋钮,使压力在2kPa~18kPa之间变化(气压表显示值),每上升1kPa气压分别读取电压表读数,将数值列于表8。
表8压阻式压力传感器测压实验数据
6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。
7、如果本实验装置要成为一个压力计,则必须对电路进行标定,方法采用逼近法:输入4kPa气压,调节R w2(低限调节),使电压表显示0.3V(有意偏小),当输入16kPa气压,调节Rw1(高限调节)使电压表显示1.3V(有意偏小);再调气压为4kPa,调节Rw2(低限调节),使电压表显示0.35V(有意偏小),调气压为16kPa,调节R w1(高限调节)使电压表显示1.4V(有意偏小);这个过程反复调节直到逼近自己的要求(4kpa对应0.4V,16kpa对应1.6V)即可。实验完毕,关闭电源。
*实验十压阻式压力传感器应用—压力计
要求:利用传感器实验台模拟压力计,测量范围为2kPa~18kPa
提示:参考实验九自己组织实验,关键在于实验电路的标定。
实验十一差动变压器的性能实验
一、实验目的:了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理:差动变压器的工作原理电磁互感原理。差动变压器的结构如图11—1所示,由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接(*同名端相接),以差动电势输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响),它的等效电路如图11—2所示。图中U1为一次绕组激励电压;M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感:L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻;L21、L22分别为两个二次绕组的电感;R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器,当衔铁处于中间位置时,两个二次绕组互感相同,因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接,所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21,这时互感M1大,M2小,
图11—1差动变压器的结构示意图图11—2差动变压器的等效电路图
因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势,这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内,衔铁位移越大,差动输出电动势就越大。同样道理,当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零,但由于移动方向改变,所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
由图11—2可以看出一次绕组的电流为:
二次绕组的感应动势为:
由于二次绕组反向串接,所以输出总电动势为:
其有效值为:
差动变压器的输出特性曲线如图11—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势,E2为差动输出电动势,x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性,而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势,这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在,使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏,给测量带来误差,此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法:
图11—3 差动变压器输出特性
1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理,消除内部的残余应力,使其性能均匀稳定。
2、选用合适的测量电路,如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性,减小零点残余电动势。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图11—4是其中典型的几种减小零点残余电动
势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件,当调整W1、W2时,可使零点残余电动势减小。
(a) (b) (c)
图11—4 减小零点残余电动势电路
三、需用器件与单元:主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器;差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。
四、实验步骤:
附:测微头的组成与使用
测微头组成和读数如图11—5
测微头读数图
图11—5测位头组成与读数
测微头组成:测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用:测微头的安装套便于在支架座上固定安装,轴套上的主尺有两排刻度线,标有数字的是整毫米刻线(1mm/格),另一排是半毫米刻线(0.5mm/格);微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01mm/格)。
用手旋转微分筒或微调钮时,测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格,测杆沿轴方向移动微小位移0.01mm,这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值,注意半毫米刻线;再读与主尺横
线对准微分筒上的数值、可以估读1/10分度,如图11-5甲读数为3.678mm,不是3.178mm;遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时,应看微分筒的示值是否过零,如图11—5乙已过零则读2.514mm;如图11—5丙未过零,则不应读为2mm,读数应为1.980mm。
测微头使用:测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前,首先转动微分筒到10mm处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量),再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上,移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时,被测体就会随测杆而位移。
1、差动变压器、测微头及实验模板按图11—6示意安装、接线。实验模板中的L1为差动变压器的初级线圈,L
2、L3为次级线圈,*号为同名端;L1的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节音频振荡器的频率为4kHz~5kHz、幅度为峰峰值Vp-p=2V作为差动变压器初级线圈的激励电压(示波器设置提示:触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS~10μS范围内选择、触发方式选择AUTO 。垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、CH1灵敏度VOLTS/DIV在0.5V~1V范围内选择、CH2灵敏度VOLTS/DIV在0.1V~50mV范围内选
择)。
图11—6差动变压器性能实验安装、接线示意图
2、差动变压器的性能实验:使用测微头时,当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差,为消除这种机械回差可用如下a、b两种方法实验,建议用b方法可以检测到差动变压器零点残余电压附近的死区范围。
a、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格),使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm 刻度
线。松开安装测微头的紧固螺钉,移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p(峰峰值)为较小值(越小越好,变压器铁芯大约处在中间位置)时,拧紧紧固螺钉。仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值(零点残余电压)并定为位移的相对零点。这时可假设其中一个方向为正位移,另一个方向位移为负,从Vp-p最小开始旋动测微头的微分筒,每隔△X=0.2mm(可取30点值)从示波器上读出输出电压Vp-p值,填入下表4,再将测位头位移退回到Vp-p最小处开始反方向(也取30点值)做相同的位移实验。在实验过程中请注意:⑴从Vp-p最小处决定位移方向后,测微头只能按所定方向调节位移,中途不允许回调,否则,由于测微头存在机械回差而引起位移误差;所以,实验时每点位移量须仔细调节,绝对不能调节过量,如过量则只好剔除这一点粗大误差继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。⑵当一个方向行程实验结束,做另一方向时,测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化(没有回到原来起始位置)是正常的,做实验时位移取相对变化量△X为定值,与测微头的起始点定在哪一根刻度线上没有关系,只要中途测微头微分筒不回调就不会引起机械回程误差。
*b、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格),使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm 刻度线。松开安装测微头的紧固螺钉,移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p(峰峰值)为较小值(越小越好,变压器铁芯大约处在中间位置)时,拧紧紧固螺钉,再顺时针方向转动测微头的微分筒12圈,记录此时的测微头读数和示波器CH2通道显示的波形Vp-p(峰峰值)值为实验起点值。以后,反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒,每隔△X=0.2mm(可取60~70点值)从示波器上读出输出电压Vp-p值,填入表11(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差)。
3、根据表11数据画出X-Vp-p曲线并找出差动变压器的零点残余电压。实验完毕,关闭电源。
表11 差动变压器性能实验数据
1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同?
2、用直流电压激励会损坏传感器。为什么?
3、如何理解差动变压器的零点残余电压?用什么方法可以减小零点残余电压?
实验十二 激励频率对差动变压器特性的影响
一、实验目的:了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。
二、基本原理:差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式: o U =222
21)(p p i
L R U M M ωω+-
表示,式中L p 、R p 为初级线圈电感和损耗电阻,i U 、ω为激励电压和频率,M 1、M 2为初级与两次级间互感系数,由关系式可以看出,当初级线圈激励频率太低时,若R P 2>ω2L P 2
,则输出电压Uo 受频率变动影响较大,且灵敏度较低,只有当ω2L P 2>>R P 2时输出Uo 与ω无关,当然ω过高会使线圈寄生电容增大,对性能稳定不利。 三、需用器件与单元:主机箱中的±15V 直流稳压电源、音频振荡器;差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。
四、实验步骤:
1、差动变压器及测微头的安装、接线同实验十一,参见图11—6。
2、检查接线无误后,合上主机箱电源开关,调节主机箱音频振荡器L V 输出频率为1kHz 、幅度V p-p =2V(示波器监测)。 调节测微头微分筒使差动变压器的铁芯处于线圈中心位置即输出信号最小时(示波器监测V p-p 最小时)的位置。
3、调节测微头位移量△X 为2.50mm ,差动变压器有某个较大的V p-p 输出。
4、在保持位移量不变的情况下改变激励电压(音频振荡器)的频率从1kHZ ~9kHZ(激励电压幅值2V 不变)时差动变压器的相应输出的V p-p 值填入表12。
表12
5、作出幅频(F—V p-p )特性曲线。实验完毕,关闭电源。
实验十三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概念及补偿方法。
二、基本原理:由于差动变压器次级两线圈的等效参数不对称,初级线圈的纵向排列的不均匀性,铁芯B-H特性的非线性等,造成铁芯(衔铁) 无论处于线圈的什么位置其输出电压并不为零,其最小输出值称为零点残余电压。在实验十一(差动变压器的性能实验)中已经得到了零点残余电压,用差动变压器测量位移应用时一般要对其零点残余电压进行补偿。本实验采用实验十一基本原理中((c)补偿线路减小零点残余电压。
三、需用器件与单元:主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器;测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、双踪示波器(自备)。
四、实验步骤:
1、根据图13接线,差动变压器原边激励电压从音频振荡器的L V插口引入,实验模板中的R1 、C1 、R W1、R W2为交流电桥调平衡网络。
2、检查接线无误后合上主机箱电源开关,用示波器CH1通道监测并调节主机箱音频振荡器L V输出频率为4kHz~5kHz左右、幅值为2V峰峰值的激励电压。
3、调整测微头,使放大器输出电压(用示波器CH2通道监测)最小。
4、依次交替调节R W1、R W2,使放大器输出电压进一步降至最小。
图13 零点残余电压补偿实验接线示意图
5、从示波器上观察,(注:这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压,所以经补偿后的零点残余电压:V零点p-p=V0,K是放大倍数约为7倍左右。)差动变压器的零点残余电压值(峰峰值)与实验十一(差动变压器的性能实验)中的零点残余电压比较是否小很多。
实验完毕,关闭电源。
实验十四差动变压器测位移实验
一、实验目的:了解差动变压器测位移时的应用方法
二、基本原理:差动变压器的工作原理参阅实验十一(差动变压器性能实验)。差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区,选用合适的测量电路,如采用相敏检波电路,既可判别衔铁移动(位移)方向又可改善输出特性,消除测量范围内的死区。图14—1是差动变压器测位移原理框图。
图14—1差动变压器测位移原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表;差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板;测微头、双踪示波器。
四、实验步骤:
1、相敏检波器电路调试:将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小(幅度旋钮逆时针轻轻转到底),将±2V~±10V可调电源调节到±2V档,再按图14—2示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节音频振荡器频率f=5kHz,峰峰值Vp-p=5V(用示波器测量。提示:正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置,触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS~10μS范围内选择、触发方式选择AUTO ;垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V~5V范围内选择。当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。)。调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。到此,相敏检波器电路已调试完毕,以后不要触碰这个电位器钮。关闭电源。
图14—2相敏检波器电路调试接线示意图
2、调节测微头的微分筒,使微分筒的0刻度值与轴套上的10mm刻度值对准。按图14—3示意图安装、接线。将音频振荡器幅度调节到最小(幅度旋钮逆时针轻转到底);电压表的量程切换开关切到20V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关。
图14—3差动变压器测位移组成、接线示意图
3、调节音频振荡器频率f=5KHz、幅值Vp-p=2V(用示波器监测)。
4、松开测微头安装孔上的紧固螺钉。顺着差动变压器衔铁的位移方向移动测微头的安装套(左、右方向都可以),使差动变压器衔铁明显偏离L1初级线圈的中点位置,再调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形(示波器CH2的灵敏度VOLTS/DIV在
1V~50mV范围内选择监测)。再慢悠悠仔细移动测微头的安装套,使相敏检波器输出波形幅值尽量为最小(尽量使衔铁处在L1初级线圈的中点位置)并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。
5、调节差动变压器实验模板中的R W1、R W2(二者配合交替调节)使相敏检波器输出波形趋于水平线(可相应调节示波器量程档观察)并且电压表显示趋于0V。
6、调节测微头的微分筒,每隔△X=0.2mm从电压表上读取低通滤波器输出的电压值,填入下表14。
表14 差动变压器测位移实验数据
7、根据表14数据作出实验曲线并截取线性比较好的线段计算灵敏度S=△V/△X与线性度及测量范围。实验完毕关闭电源开关。
五、思考题:差动变压器输出经相敏检波器检波后是否消除了零点残余电压和死区?从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗?
实验十五差动变压器的应用—振动测量实验
一、实验目的:了解差动变压器测量振动的方法。
二、基本原理:由实验十一(差动变压器性能实验)基本原理可知,当差动变压器的衔铁连接杆与被测体接触连接时就能检测到被测体的位移变化或振动。
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器;差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板;振动源、双踪示波器。
四、实验步骤:
1、相敏检波器电路调试:参见实验十四中的步骤1及图14—2。
2、将差动变压器卡在传感器安装支架的U型槽上并拧紧差动变压器的夹紧螺母,再安装到振动源的升降杆上,如图15所示。调整传感器安装支架使差动变压器的衔铁连杆与振动台接触,再调节升降杆使差动变压器衔铁大约处于L1初级线圈的中点位置。
图15 差动变压器振动测量安装、接线图
2、将音频振荡器和低频振荡器的幅度电位器逆时针轻轻转到底(幅度最小),按图15接线,并调整好有关部分,调整如下:(1)检查接线无误后,合上主机箱电源开关,用示波器CH1通道监测音频振荡器L V的频率和幅值,调节音频振荡器的频率、幅度旋钮使L V输出4kHz~5kHz左右、V op-p=2V。(2)用示波器CH2通道观察相敏检波器输出(图中低通滤波器输出中接的示波器改接到相敏检波器输出),用手往下按住振动平台(让传感器产生一个大位移)仔细调节移相器的移相电位器钮,使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。(3)手离开振动台,调节升降杆(松开锁紧螺钉转动升降杆的铜套)的高度,使示波器显示的波形幅值为最小。(4)仔细调节差动变压器实验模板的R W1和R W2(交替调节)使示波器(相敏检波器输出)显示的波形幅值更小,趋于一条接近零点线(否则再调节R W1和R W2)。(5)调节低频振荡器幅度旋钮和频率(8Hz左右)旋钮,使振动平台振荡较为明显。用示波器观察相敏检波器的输入、输出波形及低通滤波器的输出波形 [正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV :在50mS~20mS范围内选择;VOLTS/DIV:1V~0.1V范围内选择)设置]。
3、定性地作出相敏检波器的输入、输出及低通滤波器的输出波形。实验完毕,关闭主机箱电源。
实验十六电容式传感器的位移实验
一、实验目的:了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:
1、原理简述:电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件,将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C=εA/d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,则可以有测干燥度(ε变)、测位移(d变)和测液位(A变)等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形,虽还有球面形和锯齿形等其它的形状,但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器,差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图16—1所示:它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R;圆柱的半径为r;圆柱的长为x,则电容量为C=ε2πx/ln(R/r)。图中C1、C2是差动连接,当图中的圆柱产生?X位移时,电容量的变化量为?C =C1-C2=ε2π2?X/ln(R/r),式中ε2π、ln(R/r)为常数,说明?C与?X位移成正比,配上配套测量电路就能测量位移。
图16—1 实验电容传感器结构
3、测量电路(电容变换器):测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是图16—2的二极管环路充放电电路。
图16—2 二极管环形充放电电路
在图16—2中,环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和C X1、C X2(实验差动电容位移传感器)组成。
当高频激励电压(f>100kHz)输入到a点,由低电平E1跃到高电平E2时,电容C X1和C X2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由a点经D3到b点,再对C X1充电到O点(地);另一路由由a点经C4到c点,再经D5到d点对C X2充电到O点。此时,D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内,由a到c点的电荷量为:
Q1=C X2(E2-E1) (16—1)
当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时,电容C X1和C X2均放电。C X1经b点、D4、c点、C4、a点、L1放电到O点;C X2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到a点的电荷量为:
Q2=C X1(E2-E1) (16—2)
当然,(16—1)式和(16—2)式是在C4电容值远远大于传感器的C X1和C X2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图16—2中实线、虚线箭头所示。
在一个充放电周期内(T=t1+t2),由c点到a点的电荷量为:
Q=Q2-Q1=(C X1-C X2)(E2-E1)=△C X△E (16—3)
式中:C X1与C X2的变化趋势是相反的(传感器的结构决定的,是差动式)。
设激励电压频率f=1/T,则流过ac支路输出的平均电流i为:
i=f Q=f△C X△E (16—4)
式中:△E—激励电压幅值;△C X—传感器的电容变化量。
由(16—4)式可看出:f、△E一定时,输出平均电流i与△C X成正比,此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出,再经R w转换成电压输出V o1=I R w。由传感器原理已知?C与?X位移成正比,所以通过测量电路的输出电压V o1就可知?X位移。
4、电容式位移传感器实验原理方块图如图16—3
图16—3电容式位移传感器实验方块图
三、需用器件与单元:主机箱±15V直流稳压电源、电压表;电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤:
1、按图16—4示意安装、接线。
图16—4 电容传感器位移实验安装、接线示意图
2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法:逆时针转到底再顺时传3圈)。
3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关,旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V ,再转动测微头(同一个方向)6圈,记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后,反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数(这样转12圈读取相应的电压表读数),将数据填入表16(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。
表16 电容传感器位移实验数据
△△△和非线性误差δ及测量范围。实验完毕关闭电源开关。
实验十七线性霍尔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:霍尔式传感器是一种磁敏传感器,基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化(或以磁场为媒体)转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图17—1(带正电的载流子)所示,把一块宽为b,厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中,并在导电板中通以纵向电流I,此时在板
图17—1霍尔效应原理
的横向两侧面A ,A 之间就呈现出一定的电势差,这一现象称为霍尔效应(霍尔效应可以用洛伦兹力来解释),所产生的电势差U H 称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为:
U H =R H d
IB =K H IB 式中:R H =-1/(ne)是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数,称为霍尔系数;
K H = R H /d 灵敏度系数,与材料的物理性质和几何尺寸有关。
具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件,霍尔元件大多采用N 型半导体材料(金属材料中自由电子浓度n很高,因此R H 很小,使输出U H 极小,不宜作霍尔元件),厚度d 只有1μm 左右。
霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构,与霍尔元件相比,它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。
本实验采用的霍尔式位移(小位移1mm ~2mm )传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组成,其它很多物理量如:力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图17—2 (a)、(b)所示。将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置着,线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点,其磁感应强度为0,
(a)工作原理 (b)实验电路原理
图17—2霍尔式位移传感器工作原理图
设这个位置为位移的零点,即X =0,因磁感应强度B =0,故输出电压U H =0。当霍尔 元件沿X 轴有位移时,由于B ≠0,则有一电压U H 输出,U H 经差动放大器放大输出为V 。 V 与X 有一一对应的特性关系。
*注意:线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端,另外二端是输出端。接线时,电源输入激励端与输出端千万不能颠倒,否则霍尔元件就损坏。
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表;霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
四、实验步骤:
1、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格),使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm 刻度线。按图17—3示意图安装、接线,将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档,±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源调节到±4V档。
2、检查接线无误后,开启主机箱电源,松开安装测微头的紧固螺钉,移动测微头的安装套,使传感器的PCB板(霍尔元件)处在两园形磁钢的中点位置(目测)时,拧紧紧固螺钉。再调节R W1使电压表显示0。
图17—3 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图
3、测位移使用测微头时,当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差,为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验:顺时针调节测微头的微分筒3周,记录电压表读数作为位移起点。以后,反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格),每隔△X=0.1mm(总位移可取3~4mm)从电压表上读出输出电压Vo值,将读数填入表17(这样可以消除测微头的机械回差)。
表17 霍尔传感器(直流激励)位移实验数据
4、根据表17数据作出V-X实验曲线,分析曲线在不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
实验十八线性霍尔传感器交流激励时的位移性能实验
一、实验目的:了解交流激励时霍尔式传感器的特性。
二、基本原理:交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样,基本工作原理相同,不同之处是测量电路。
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表;测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器模板、双踪示波器。
四、实验步骤:
1、相敏检波器电路调试:将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小(幅度旋钮逆时针轻轻转到底),将±2V~±10V可调电源调节到±2V档,再按图18—1示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节音频振荡器频率f=1kHz,峰峰值Vp-p=5V(用示波器测量。提示:正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置,触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS~10μS范围内选择、触发方式选择AUTO ;垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V~5V范围内选择。当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。)。调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。到此,相敏检波器电路已调试完毕,以后不要触碰这个电位器钮。关闭电源。
图18—1相敏检波器电路调试接线示意图
图18—2 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图
2、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格),使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm 刻度线。按图18—2示意图安装、接线,将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关。
3、松开测微头安装孔上的紧固螺钉。顺着传感器的位移方向移动测微头的安装套(左、右方向都可以),使传感器的PCB板(霍尔元件)明显偏离两园形磁钢的中点位置(目测)时,再调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形(示波器CH2的灵敏度VOLTS/DIV在50mV~1V范围内选择监测)。再仔细移动测微头的安装套,使相敏检波器输出波形幅值尽量为最小(尽量使传感器的PCB板霍尔元件处在两园形磁钢的中点位置)并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。再仔细交替地调节实验模板上的电位器R W1、R W2使示波器CH2显示相敏检波器输出波形基本上趋为一直线并且电压表显示为零(示波器与电压表二者兼顾,但以电压表显示零为准)。
4、测位移使用测微头时,当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差,为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验:顺时针调节测微头的微分筒3周,记录电压表读数作为位移起点。以后,反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格),每隔△X=0.1mm(总位移可取3~4mm)从电压表上读出输出电压Vo值,将读数填入表18(这样可以消除测微头的机械回差)。
表18交流激励时霍尔传感器位移实验数据
5、根据表18数据作出V-X实验曲线,分析曲线在不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
根据对实验曲线的分析再与实验十七比较,线性霍尔传感器测静态位移时采用什么激励电源为好(直流或交流)?
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验
一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。
二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。
图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤:
1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V 开始记录每增加1V 相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n (电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件?
实验二十 磁电式传感器测转速实验
一、实验目的:了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理:磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器,也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律,一个匝数为N 的线圈在磁场中切割磁力线时,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈两端就会产生出感应电势,线圈中感应电
势: 。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化
率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已定)后,使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种:一种是让线圈和磁力线作相对运动,即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势;另一种则是把线圈和磁钢部固定,靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻,从而改变通过线圈的磁通。因此,磁电式传感器可分成两大类型:动磁式及可动衔铁式(即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器,实验原理框图如图20—1所示。当转动盘上嵌
dt d N e Φ-=
入6个磁钢时,转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化,感应电势e通过放大、整形由频率表显示f,转速n=10f。
图20—1磁电传感器测转速实验原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、电压表、频频\转速表;磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤:
磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外(传感器探头中心与转盘磁钢对准),其它完全与实验十九相同;请按图20—2示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕,关闭电源。
图20—2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图
五、思考题:
磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度,甚至不能测量。如何创造条件保证磁电式转速传感器正常测转速?能说明理由吗?
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的:了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理:压电式传感器是一和典型的发电型传感器,其传感元件是压电材料,它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量,在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应:
具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有两类压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1 压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看,它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中,e a为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;Q为压电晶片表面上的电荷;C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源
(c) 并联(d)压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容C a上的电压值,作为压电传感器的输出。因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上,放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
表18交流激励时霍尔传感器位移实验数据
5、根据表18数据作出V-X实验曲线,分析曲线在不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
根据对实验曲线的分析再与实验十七比较,线性霍尔传感器测静态位移时采用什么激励电源为好(直流或交流)?
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验
一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。
二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。
图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤:
1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V 开始记录每增加1V 相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n (电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件?
实验二十 磁电式传感器测转速实验
一、实验目的:了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理:磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器,也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律,一个匝数为N 的线圈在磁场中切割磁力线时,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈两端就会产生出感应电势,线圈中感应电
势: 。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化
率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已定)后,使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种:一种是让线圈和磁力线作相对运动,即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势;另一种则是把线圈和磁钢部固定,靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻,从而改变通过线圈的磁通。因此,磁电式传感器可分成两大类型:动磁式及可动衔铁式(即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器,实验原理框图如图20—1所示。当转动盘上嵌
dt d N e Φ-=
入6个磁钢时,转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化,感应电势e通过放大、整形由频率表显示f,转速n=10f。
图20—1磁电传感器测转速实验原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、电压表、频频\转速表;磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤:
磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外(传感器探头中心与转盘磁钢对准),其它完全与实验十九相同;请按图20—2示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕,关闭电源。
图20—2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图
五、思考题:
磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度,甚至不能测量。如何创造条件保证磁电式转速传感器正常测转速?能说明理由吗?
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的:了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理:压电式传感器是一和典型的发电型传感器,其传感元件是压电材料,它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量,在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应:
具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有两类压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1 压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看,它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中,e a为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;Q为压电晶片表面上的电荷;C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源
(c) 并联(d)压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容C a上的电压值,作为压电传感器的输出。因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上,放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
表18交流激励时霍尔传感器位移实验数据
5、根据表18数据作出V-X实验曲线,分析曲线在不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
根据对实验曲线的分析再与实验十七比较,线性霍尔传感器测静态位移时采用什么激励电源为好(直流或交流)?
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验
一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。
二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。
图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤:
1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V 开始记录每增加1V 相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n (电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件?
实验二十 磁电式传感器测转速实验
一、实验目的:了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理:磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器,也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律,一个匝数为N 的线圈在磁场中切割磁力线时,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈两端就会产生出感应电势,线圈中感应电
势: 。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化
率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已定)后,使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种:一种是让线圈和磁力线作相对运动,即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势;另一种则是把线圈和磁钢部固定,靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻,从而改变通过线圈的磁通。因此,磁电式传感器可分成两大类型:动磁式及可动衔铁式(即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器,实验原理框图如图20—1所示。当转动盘上嵌
dt d N e Φ-=
入6个磁钢时,转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化,感应电势e通过放大、整形由频率表显示f,转速n=10f。
图20—1磁电传感器测转速实验原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、电压表、频频\转速表;磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤:
磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外(传感器探头中心与转盘磁钢对准),其它完全与实验十九相同;请按图20—2示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕,关闭电源。
图20—2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图
五、思考题:
磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度,甚至不能测量。如何创造条件保证磁电式转速传感器正常测转速?能说明理由吗?
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的:了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理:压电式传感器是一和典型的发电型传感器,其传感元件是压电材料,它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量,在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应:
具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有两类压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1 压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看,它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中,e a为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;Q为压电晶片表面上的电荷;C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源
(c) 并联(d)压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容C a上的电压值,作为压电传感器的输出。因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上,放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
表18交流激励时霍尔传感器位移实验数据
5、根据表18数据作出V-X实验曲线,分析曲线在不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
根据对实验曲线的分析再与实验十七比较,线性霍尔传感器测静态位移时采用什么激励电源为好(直流或交流)?
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验
一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。
二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。
图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤:
1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V 开始记录每增加1V 相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n (电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件?
实验二十 磁电式传感器测转速实验
一、实验目的:了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理:磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器,也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律,一个匝数为N 的线圈在磁场中切割磁力线时,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈两端就会产生出感应电势,线圈中感应电
势: 。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化
率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已定)后,使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种:一种是让线圈和磁力线作相对运动,即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势;另一种则是把线圈和磁钢部固定,靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻,从而改变通过线圈的磁通。因此,磁电式传感器可分成两大类型:动磁式及可动衔铁式(即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器,实验原理框图如图20—1所示。当转动盘上嵌
dt d N e Φ-=
入6个磁钢时,转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化,感应电势e通过放大、整形由频率表显示f,转速n=10f。
图20—1磁电传感器测转速实验原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、电压表、频频\转速表;磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤:
磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外(传感器探头中心与转盘磁钢对准),其它完全与实验十九相同;请按图20—2示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕,关闭电源。
图20—2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图
五、思考题:
磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度,甚至不能测量。如何创造条件保证磁电式转速传感器正常测转速?能说明理由吗?
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的:了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理:压电式传感器是一和典型的发电型传感器,其传感元件是压电材料,它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量,在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应:
具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有两类压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1 压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看,它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中,e a为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;Q为压电晶片表面上的电荷;C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源
(c) 并联(d)压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容C a上的电压值,作为压电传感器的输出。因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上,放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
表18交流激励时霍尔传感器位移实验数据
5、根据表18数据作出V-X实验曲线,分析曲线在不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
根据对实验曲线的分析再与实验十七比较,线性霍尔传感器测静态位移时采用什么激励电源为好(直流或交流)?
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验
一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。
二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。
图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤:
1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V 开始记录每增加1V 相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n (电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件?
实验二十 磁电式传感器测转速实验
一、实验目的:了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理:磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器,也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律,一个匝数为N 的线圈在磁场中切割磁力线时,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈两端就会产生出感应电势,线圈中感应电
势: 。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化
率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已定)后,使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种:一种是让线圈和磁力线作相对运动,即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势;另一种则是把线圈和磁钢部固定,靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻,从而改变通过线圈的磁通。因此,磁电式传感器可分成两大类型:动磁式及可动衔铁式(即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器,实验原理框图如图20—1所示。当转动盘上嵌
dt d N e Φ-=
入6个磁钢时,转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化,感应电势e通过放大、整形由频率表显示f,转速n=10f。
图20—1磁电传感器测转速实验原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、电压表、频频\转速表;磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤:
磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外(传感器探头中心与转盘磁钢对准),其它完全与实验十九相同;请按图20—2示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕,关闭电源。
图20—2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图
五、思考题:
磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度,甚至不能测量。如何创造条件保证磁电式转速传感器正常测转速?能说明理由吗?
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的:了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理:压电式传感器是一和典型的发电型传感器,其传感元件是压电材料,它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量,在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应:
具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有两类压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1 压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看,它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中,e a为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;Q为压电晶片表面上的电荷;C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源
(c) 并联(d)压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容C a上的电压值,作为压电传感器的输出。因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上,放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
4、压电式加速度传感器和放大器等效电路
压电传感器的输出信号很弱小,必须进行放大,压电传感器所配接的放大器有两种结构形式:一种是带电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比;另一种是带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷量成正比。
电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容C c敏感。当电缆长度变化时,C c就变化,使得放大器输入电压e i变化,系统的电压灵敏度也将发生变化,这就增加了测量的困难。电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。它是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略
图21—3是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。
去传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻R i影响时,有
Q=e i(Ca+Cc+Ci)+(e i-e y)C f……(21—1)。
式中,e i为放大器输入端电压;e y为放大器输出端电压e y=-K e i;K为电荷放大器开环放大倍数;C f为电荷放大器反馈电容。将e y=-K e i代入式(21—1),可得到放大器输出端电压e y 与传感器电荷Q的关系式:设C=Ca+Cc+Ci
e y=-KQ/[(C+C f)+KC f]……(21—2)
当放大器的开环增益足够大时,则有KC f>>C+C f(21—2)简化为
e y=-Q/C
f ……(21—3)
式(21—3)表明,在一定条件下,电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比,而与电缆的分布电容无关,输出灵敏度取决于反馈电容。所以,电荷放大器的灵敏度调节,都是采用切换运算放大器反馈电容的办法。采用电荷放大器时,即使连接电缆长度达百米以上,其灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器的主要优点。
5、压电加速度传感器实验原理图
压电加速度传感器实验原理、电荷放大器由图21—4(a)、(b)所示。
图21—4(a) 压电加速度传感器实验原理框图
图21—4(b) 电荷放大器原理图
三、需用器件与单元:主机箱±15V直流稳压电源、低频振荡器;压电传感器、压电传感器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板;振动源、双踪示波器。
四、实验步骤:
1、按图21—5所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合),振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器,其它连线按图示意接线。
图21—5 压电传感器振动实验安装、接线示意图
2、将主机箱上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零),调节低频振荡器的频率在6~8Hz左右。检查接线无误后合上主机箱电源开关。再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率)。
3、用示波器的两个通道[正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV :在50mS~20mS范围内选择;VOLTS/DIV:0.5V~50mV范围内选择)设置]同时观察低通滤波器输入端和输出端波形;在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4、改变低频振荡器的频率(调节主机箱低频振荡器的频率),,观察输出波形变化。实验完毕,关闭电源。
实验二十二电涡流传感器位移实验
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:电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体(导电体—金属涡流片)组成,如图22.1.1所示。根据电磁感应原理,当传感器线圈(一个扁平线圈)通以交变电流(频率较高,一般为1MHz~ 2MHz)I1时,线圈周围空间会产生交变磁场H1,当线圈平面靠近某一导体面时,由于线圈磁通链穿过导体,使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2,而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈,这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感,最终原线圈反馈一等效电感,从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环,这样就可得到如图22.1.2的等效电路。图中R1、L1为传感器线
图22.1.1 电涡流传感器原理图图22.1.2 电涡流传感器等效
电路图
圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈,其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M,它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组:
通过解方程组,可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为:
线圈的等效电感为:
线圈的等效Q值为:
Q=Q0{[1-(L2ω2M2)/(L1Z22)]/[1+(R2ω2M2)/(R1Z22)]}
式中:Q0 —无涡流影响下线圈的Q值,Q0=ωL1/R1;
Z22—金属导体中产生电涡流部分的阻抗,Z22=R22+ω2L22。
由式Z、L和式Q可以看出,线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Q值都是该系统互感系数平方的函数,而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发,可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。因此Z、L、Q均是x的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的,其函数特征为"S"型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、Q 的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变,而其余参数不变,则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后,并保持环境温度不变,则只与距离x有关。于此,通过传感器的调理电路(前置器)处理,将线圈阻抗Z、L、Q的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化,电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
为实现电涡流位移测量,必须有一个专用的测量电路。这一测量电路(称之为前置器,也称电涡流变换器)应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如图22—2所示:
图22—2 电涡流位移特性实验原理框图
根据电涡流传感器的基本原理,将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数,用相应的测量电路(前置器)来测量。
本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路,电路原理如图22—3所示。电路组成:⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器,产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中,传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。⑶Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。
电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体(导电体)间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的,它与被测物之间没有直接的机械接触,具有很宽的使用频率范围(从0~10Hz)。当无被测导体时,振荡器回路谐振于f0,传感器端部线圈Q0为定值且最高,对应的检波输出电压V o最大。当被测导体接近传感器线圈时,线圈Q值发生变,振荡器的谐振频率发生变化,谐振曲线变得平坦,检波出的幅值V o变小。V o变化反映了位移x的变化。电涡流传感器在位移、振动、转速、探伤、厚度测量上得到应用。
图22—3电涡流变换器原理图
三、需用器件与单元:主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表;、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片)、示波器。
四、实验步骤:
1、观察传感器结构,这是一个平绕线圈。调节测微头的微分筒,使微分筒的0刻度值与轴套上的5mm刻度值对准。按图22—4安装测微头、被测体铁圆片、电涡流传感器(注意安装顺序:首先将测微头的安装套插入安装架的安装孔内,再将被测体铁圆片套在测微头的测杆上;然后在支架上安装好电涡流传感器;最后平移测微头安装套使被测体与传感器端面相帖并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉),再按图22—4示意接线。
图22—4 电涡流传感器安装、按线示意图
2、将电压表量程切换开关切换到20V档,检查接线无误后开启主机箱电源,记下电压表读数,然后逆时针调节测微头微分筒,每隔0.1mm读一个数,直到输出V o变化很小为止并将数据列入表22(在输入端即传感器二端可接示波器观测振荡波形)。
表22 电涡流传感器位移X与输出电压数据
3、根据表22数据,画出V-X实验曲线,根据曲线找出线性区域比较好的范围计算灵敏度和线性度(可用最小二乘法或其它拟合直线)。实验完毕,关闭电源。
实验二十三被测体材质对电涡流传感器特性影响
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:涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关,因此不同的导体材料就会有不同的性能。
三、需用器件与单元:主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表;电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铜、铝圆片)。
四、实验步骤:
1、实验步骤与方法与实验二十二相同。
2、将实验二十二中(图22—4)的被测体铁圆片换成铝和铜圆片,进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试(重复实验二十二步骤),分别将实验数据列入表23-1和表23-2中。
表23-1被测体为铝圆片时的位移实验数据
表23-2被测体为铜圆片时的位移实验数据
3、根据表22、23-1、23-2的实验数据在同一坐标上画出实验曲线进行比较。实验完毕,关闭电源。
实验二十四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:了解电涡流传感器的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:主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表;电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、二个面积不同的铝被测体。
四、实验步骤:
1、传感器、测微头、被测体安装、接线见图22—4,实验步骤和方法与实验二十二相同。
2、在测微头的测杆上分别用二种不同面积的被测铝材对电涡流传感器的位移特性影响进行实验,并分别将实验数据列入表24。
表24 同种铝材的面积大小对电涡流传感器的位移特性影响实验数据
3、根据表24数据画出实验曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
根据实验曲线分析应选用哪一个作为被测体为好?说明理由。
实验二十五电涡流传感器测量振动实验
一、实验目的:了解电涡流传感器测振动的原理与方法。
二、基本原理:根据电涡流传感器位移特性,根据被测材料选择合适的工作点即可测量振动。
三、需用器件与单元:主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表、低频振荡器;电涡流传感器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板;振动源、升降杆、传感器连接桥架、电涡流传感器、被测体(铁圆片)、示波器(自备)。
四、实验步骤:
1、将被测体(铁圆片)放在振动源的振动台中心点上,按图25安装电涡流传感器(传感器对准被测体)并按图接线。
图25电涡流传感器测振动安装、接线示意图
2、将主机箱上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零);电压表的量程切换开关切到20V档。仔细检查接线无误后开启主机箱电源。调节升降杆高度,使电压表显示为2V左右即为电涡流传感器的最佳工作点安装高度(传感器与被测体铁圆片静态时的最佳距离)。
3、调节低频振荡器的频率为8Hz左右,再顺时针慢慢调节低频振荡器幅度旋钮,使振动台小幅度起振(振动幅度不要过大,电涡流传感器非接触式测微小位移)。用示波器[正确选择示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV :在50mS~20mS范围内选择;VOLTS/DIV:0.5V~ 50mV范围内选择)设置]监测涡流变换器的输出波形;再分别改变低频振荡器的振荡频率、幅度,分别观察、体会涡流变换器输出波形的变化。实验完毕,关闭电源。
实验二十六 光纤位移传感器测位移特性实验
一、实验目的:了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理:光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。光纤具有很多优异的性
能,例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能,径细、质软、重量轻的机械性能,绝缘、无感应的电气性能,耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方(如高温区),或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纤传感器主要分为两类:功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型)。功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤,构成“传”和“感”合为一体的传感器。这里光纤不仅起传光的作用,而且还起敏感作用。工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数,如光的强度、相位、偏振、频率等,它们的改变反映了被测量的变化。由于对光信号的检测通常使用光电二极管等光电元件,所以光的那些参数的变化,最终都要被光接收器接收并被转换成光强度及相位的变化。这些变化经信号处理后,就可得到被测的物理量。应用光纤传感器的这种特性可以实现力,压力、温度等物理参数的测量。非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用,由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统,光纤在此仅起传输作用。
本实验采用的是传光型光纤位移传感器,它由两束光纤混合后,组成Y 形光纤,半园分布即双D 分布,一束光纤端部与光源相接发射光束,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d ,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,如图26—1所示。
发射光
接收光
(a)光纤测位移工作原理 (b)Y 形光纤
图26—1 Y 形光纤测位移工作原理图
传光型光纤传感器位移量测是根据传送光纤之光场与受讯光纤交叉地方视景做决定。当
光纤探头与被测物接触或零间隙时(d=0),则全部传输光量直接被反射至传输光纤。没有提供光给接收端之光纤,输出讯号便为“零”。当探头与被测物之距离增加时,接收端之光纤
接收之光量也越多,输出讯号便增大,当探头与被测物之距离增加到一定值时,接收端光纤全部被照明为止,此时也被称之为“光峰值”。达到光峰值之后,探针与被测物之距离继续增加时,将造成反射光扩散或超过接收端接收视野。使得输出之讯号与量测距离成反比例关系。如图26—2曲线所示,一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。
图26—2 光纤位移特性曲线
三、器件与单元:主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表;Y型光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面(抛光铁圆片)。
四、实验步骤:
1、观察光纤结构:二根多模光纤组成Y形位移传感器。将二根光纤尾部端面(包铁端部)对住自然光照射,观察探头端面现象,当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时,在探头端观察面为半圆双D形结构。
2、按图26—3示意安装、接线。⑴安装光纤:安装光纤时,要用手抓捏两根光纤尾部的包铁部分轻轻插入光电座中,绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔,插入时不要过分用力,以免损坏光纤座组件中光电管。⑵测微头、被测体安装:调节测微头的微分筒到5mm处(测微头微分筒的0刻度与轴套5mm刻度对准)。将测微头的安装套插入支架座安装孔内并在测微头的测杆上套上被测体(铁圆片抛光反射面),移动测微头安装套使被测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。
图26—3 光纤传感器位移实验接线示意图
3、将主机箱电压表的量程切换开关切换到20V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关。调节实验模板上的R W、使主机箱中的电压表显示为0V。
4、逆时针调动测微头的微分筒,每隔0.1mm(微分筒刻度0~10、10~20……)读取电压表显示值填入表26。
表26 光纤位移传感器输出电压与位移数据
5、根据表26数据画出实验曲线并找出线性区域较好的范围计算灵敏度和非线性误差。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求?
实验二十七光电传感器测转速实验
一、实验目的:了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理: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(光电断续器也称光耦),传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管,发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号,由于转盘上有均匀间隔的6个孔,转动时将获得与转速有关的脉冲数,脉冲经处理由频率表显示f,即可得到转速n=10f。实验原理框图如图27—1所示。
图27—1 光耦测转速实验原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;转动源、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源上)。
四、实验步骤:
1、将主机箱中的转速调节0~24V旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表;再按图27—2所示接线,将主机箱中频率/转速表的切换开关切换到转速处。
图27—2 光电传感器测速实验接线示意图
2、检查接线无误后,合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
3、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据);画出电机的V-n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
已进行的实验中用了多种传感器测量转速,试分析比较一下哪种方法最简单、方便。
实验二十八光电传感器控制电机转速实验
一、实验目的:了解光电传感器(光电断续器—光耦)的应用。学会智能调节器的使用。
二、基础原理:利用光电传感器检测到的转速频率信号经F/V转换后作为转速的反馈信号,该反馈信号与智能人工调节仪的转速设定比较后进行数字PID运算,调节电压驱动器改变直流电机电枢电压,使电机转速趋近设定转速(设定值:400转/分~2200转/分)。转速控制原理框图如图28—1所示。
图28-1 转速控制原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、+5V直流稳压电源;转动源、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源上)。
附:智能调节器简介:
(一)、概述:
主机箱中所装的调节仪表为人工智能工业调节仪,仪表由单片机控制,具有热电阻、热电偶、电压、电流、频率TTL电平等多种信号自由输入(通过输入规格设置),手动自动切换,主控方式在传统PID控制算法基础上,结合模糊控制理论创建了新的人工智能调节PID控制算法,在各种不同的系统上,经仪表自整定的参数大多数能得到满意的控制效果,具有无超调,抗扰动性强等特点。
此外仪表还具有良好的人机界面,仪表能根据设置自动屏蔽不相应的参数项,使用户更觉简洁易接受。
(二)、主要技术指标:
1、基本误差:≤±0.5%F.S±1个字,±0.3%F.S±1个字
2 、冷端补偿误差:≤±2.0℃
3 、采样周期: 0.5秒
4 、控制周期:继电器输出与阀位控制时的控制周期为2~120秒可调,其它为2秒。
5 、报警输出回差(不灵敏区): 0.5或5
6 、继电器触点输出: AC250V/7A(阻性负载)或AC250V/0.3A(感性负载)
7 、驱动可控硅脉冲输出:幅度≥3V,宽度≥50μS的过零或移相触发脉冲(共阴)
8 、驱动固态继电器信号输出:驱动电流≥15mA,电压≥9V
9 、连续PID调节模拟量输出: 0~10mA(负载500±200Ω), 4~20mA(负载250±100Ω),或 0~5V(负载≥100kΩ), 1~5V(负载≥100kΩ)
10 、电源: AC90V~242V(开关电源), 50/60Hz,或其它特殊定货
11 、工作环境:温度0~50.0℃,相对湿度不大于85%的无腐蚀性气体及无强电磁干扰的场所
(三)、调节器面板说明:
面板上有PV测量显示窗、SV给定显示窗、4个指示灯窗和4个按键组成。如图28-2所示。
图28-2调节仪面板图
面板中1、PV--测量值显示窗
2、SV--给定值显示窗
3、AT--自整定灯
4、ALM1--AL1动作时点亮对应的灯
5、ALM2--手动指示灯(兼程序运行指示灯)
6、OUT--调节控制输出指示灯
7、SET--功能键
8、?--数据移位(兼手动/自动切换及参数设置进入)
9、▼--数据减少键(兼程序运行/暂停操作)
10、▲--数据增加键(兼程序复位操作)
(五)、参数及状态设置方法:
1、第一设置区
上电后,按SET键约3秒,仪表进入第一设置区,仪表将按参数代码1~20依次在上显示窗显示参数符号,下显示窗显示其参数值,此时分别按、▼、▲三键可调整参数值,长按▼或▲可快速加或减, 调好后按SET键确认保存数据,转到下一参数继续调完为止,长按SET将快捷退出, 也可按SET + 直接退出。如设置中途间隔10秒未操作,仪表将自动保存数据,退出设置状态。
仪表第11项参数LoCK为密码锁,为0时允许修改所有参数,为1时只允许修改第二设置区的给定值“SP”,大于1时禁止修改所有参数。用户禁止将此参数设置为大于50, 否则将有可能进入厂家测试状态。
2、第二设置区
上电后,按▲键约3秒,仪表进入第二设置区,此时可按上述方法修改设定值“SP”。
3、手动调节:上电后,按键约3秒进入手动调整状态,下排第一字显示“H”,此时可设置输出功率的百分比; 再按键约3秒退出手动调整状态。
当仪表控制对象为阀门时,手动值>50为正转,否则为反转,输出的占空比固定为100%。
4、在常规运行时,上显示窗显示测量值,下显示窗显示设定值SV,按▼键,下显示窗能切换成显示主控输出值,此时第1数码管显示“F”,后三位显示0~100的输出值。
(六)、自整定方法:
仪表首次在系统上使用,或者环境发生变化,发现仪表控制性能变差,则需要对仪表的某些参数如P、I、D等数据进行整定,省去过去由人工逐渐摸索调整,且难以达到理想效果的繁琐工作,具体时间根据工况长短不一,以温度控制(反向)为例,方法如下:首先设置好给定值后将自整定参数AT设置为1,A-M灯开始闪烁,仪表进入自整定状态,此时仪表为两位式控制方式,仪表经过三次震荡后,自动保存整定的P、I、D参数,A-M灯熄灭,自整定过程全部结束。
注:①一旦自整定开启后,仪表将禁止改变设定值。
②仪表整定时中途断电,因仪表有记忆功能,下次上电会重新开始自整定。
③自整定中,如需要人为退出,将自整定参数AT设置为0即可退出,但整定结果无效。
④按正确方法整定出的参数适合大多数系统,但遇到极少数特殊情况控制不够理想时,可适当微调P、I、D的值。人工调节时,注意观查系统响应曲线, 如果是短周期振荡(与自整定或位式控制时振荡周期相当或约长), 可减小P(优先), 加大I及D; 如果是长周期振荡(数倍于位式控制时振荡周期), 可加大I(优先), 加大P、D; 如果是无振荡而有静差,可减小I(优先),加大P; 如果是最后能稳定控制但时间太长,可减小D(优先), 加大P, 减小I。调试时还可采用逐试法,即将P、I、D参数之一增加或减少30-50%,如果控制效果变好,则继续增加或减少该参数,否则往反方向调整,直到效果满意为止,一班先修改P, 其次为I, 还不理想则最后修改D参数。修改这三项参数时, 应兼顾过冲与控制精度两项指标。
输出控制阀门时,因打开或关闭周期太长,如自整定结果不理想,则需在出厂值基础上人工修改PID参数(一般在出厂值基础上加大P,减小I及为了避免阀门频繁动作而应将D调得较小)。
(七)、通讯:
1、接口规格
为与PC机或PLC编控仪联机以集中监测或控制仪表,仪表提供232、485两种数字通讯接口,光电隔离,其中采用232通讯接口时上位机只能接一台仪表,三线连接,传输距离约15米;采用485通讯接口时上位机需配一只232-485的转换器,最多能接64台仪表,二线连接,传输距离约一千米。
2、通讯
协议
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⑴、通讯波特率为1200、2400、4800、9600四档可调,数据格式为1个起始位、8个数据位,2个停止位,无校验位。
⑵、上位机发读命令
(地址代码+80H)+(地址代码+80H)+〔52H(读)〕+(要读的参数代码)+(00H)+ (00H)+〔校验和(前六字节的和/80H的余数)〕
⑶、上位机发写命令
(地址代码+80H)+(地址代码+80H)+〔57H(写)〕+(要写的参数代码)+(参数值高8位)+(参数值低8位)+〔校验和(前六字节的和/80H的余数)〕
⑷、仪表返回
(测量值高8位)+(测量值低8位)+(参数值高8位)+(参数值低8位)+(输出值) +(仪表状态字节)+〔校验和(前六字节的和/80H的余数)〕
⑸、上位机对仪表写数据的程序段应按仪表的规格加入参数限幅功能,以防超范围的数据写入仪表,使其不能正常工作,各参数范围见《四参数代码及符号》
⑹、上位机发读或写指令的间隔时间应大于或等于0.3秒,太短仪表可能来不及应答
⑺、仪表未发送小数点信息,编上位机程序时应根据需要设置
⑻、测量值为32767(7FFFH)表示HH(超上量程),为32512(7F00H)表示LL(超下量程)
⑼、其它
①每帧数据均为7个字节,双字节均高位在前,低位在后。
②仪表报警状态字节为:
位状态=1 为报警,位状态=0 为非报警
四、实验步骤:
1、设置调节器转速控制参数:按图28—3示意接线。检查接线无误后,合上主机箱上的总电源开关;将控制对象开关拨到Fin位置后再合上调节器电源开关,仪表上电后,仪表的上显示窗口(PV)显示随机数或HH或LL;下显示窗口(SV)显示控制给定值(实验值)。按SET 键并保持约3秒钟,即进入参数设置状态。在参数设置状态下按SET键,仪表将按参数代码1~20依次在上显示窗显示参数符号[(四)、参数代码及符号],下显示窗显示其参数值,此时分别按、▼、▲三键可调整参数值,长按▼或▲可快速加或减, 调好后按SET键确认保存数据,转到下一参数继续调完为止,长按 SET将快捷退出, 也可按SET + 直接退出。如设置中途间隔10秒未操作,仪表将自动保存数据,退出设置状态。
图28—3 控制电机转速实验接线示意图
具体设置转速控制参数方法步骤如下:
(1)、首先设置Sn (输入方式):按住SET键保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态,PV 窗显示AL-1(上限报警)。再按SET键11次,PV窗显示Sn (输入方式),按▼、▲键可调整参数,使SV窗显示u。
(2)、再按SET键, PV窗显示oP-A(主控输出方式) ,按▼、▲键修改参数值,使SV窗显示5。
(3)、再按SET键,PV窗显示oP-b (副控输出方式),按▼、▲键修改参数值,使SV窗显示1。
(4)、再按SET键,PV窗显示ALP (报警方式) ,按▼、▲键修改参数值,使SV窗显示1。
(5)、再按SET键,PV窗显示CooL (正反控制选择),按▼键,使SV窗显示0。
(6)、再按SET键,PV窗显示P-SH (显示上限),长按▲键修改参数值,使SV窗显示9999。
(7)、再按SET键,PV窗显示P-SL (显示下限) ,长按▼键修改参数值,使SV窗显示0。
(8)、再按SET键,PV窗显示Addr (通讯地址),按、▼、▲三键调整参数值,使SV 窗显示1。
(9)、再按SET键,PV窗显示bAud (通讯波特率) ,按、▼、▲三键调整参数值,使SV窗显示9600。
(10)、长按SET键快捷退出,再按住SET键保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态,PV 窗显示AL-1(上限报警);按、▼、▲三键可调整参数值,使SV窗显示2500。
(11)、再按SET键,PV窗显示Pb (传感器误差修正) ,按▼、▲键可调整参数值,使SV 窗显示0。
(12)、再按SET键,PV窗显示P (速率参数) ,按、▼、▲键调整参数值,使SV窗显示1。
(13)、再按SET键,PV窗显示I (保持参数) ,按、▼、▲三键调整参数值,使SV窗显示950。
(14)、再按SET键,PV窗显示d (滞后时间),按、▼、▲键调整参数值,使SV窗显示10。
(15)、再按SET键,PV窗显示FILt (滤波系数) ,按▼、▲、键可修改参数值,使SV 窗显示1。
(16)、再按SET键,PV窗显示dp (小数点位置) ,按▼、▲键修改参数值,使SV窗显0。
(17)、再按SET键,PV窗显示outH (输出上限),按、▼、▲三键调整参数值,使SV 窗显示200。
(18)、再按SET键,PV窗显示outL (输出下限) ,长按▼键,使SV窗显示0后释放▼键。
(19)、再按SET键,PV窗显示At (自整定状态),按▼键,使SV窗显示0。
(20)、再按SET键,PV窗显示LoCK (密码锁),按▼键,使SV窗显示0。
(21)、长按SET键快捷退出,转速控制参数设置完毕。
2、按▲键约3秒,仪表进入“SP”设定值(实验给定值)设置,此时可按上述方法按、▼、▲三键在400~2200转/分范围内任意设定实验给定值(SV窗显示给定值,如1000转/分钟),观察PV窗测量值的变化过程(最终在SV设定值调节波动)。做其它任意一个转速值控制实验时,只要重新设置“SP”给定值(其它参数不要改变)。设置方法:按住▲键约
3秒,仪表进入“SP”给定值(实验值)设置,此时可按、▼、▲三键修改给定值,使SV 窗显示值为新做的转速控制实验值,进入控制电机转速过程,观察PV窗测量值的变化过程五、思考题:
按SET键并保持约3秒钟,即进入参数设置状态,只大范围改变控制参数P或I或d 的其中之一设置值(注:其它任何参数的设置值不要改动),观察PV窗测量值的变化过程。这说明了什么问题?实验完毕,关闭电源。
实验二十九温度源的温度调节控制实验
一、实验目的:了解温度控制的基本原理及熟悉温度源的温度调节过程,学会智能调节器和温度源的使用(要求熟练掌握),为以后的温度实验打下基础。
二、基本原理:当温度源的温度发生变化时温度源中的P t100热电阻(温度传感器)的阻值发生变化,将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能调节仪,经智能调节仪的电阻--电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号(加热)或继电器触发信号(冷却),使温度源的温度趋近温度设定值。温度控制原理框图如图29—1所示。
图29—1温度控制原理框图
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、转速调节可调直流稳压电源;温度源、P t100温度传感器。
四、实验步骤:
温度源简介:温度源是一个小铁箱子,内部装有加热器和冷却风扇;加热器上有二个测温孔,加热器的电源引线与外壳插座(外壳背面装有保险丝座和加热电源插座)相连;冷却风
扇电源为+24V(或12V) DC,它的电源引线与外壳正面实验插孔相连。温度源外壳正面装有电源开关、指示灯和冷却风扇电源+24V(12V) DC插孔;顶面有二个温度传感器的引入孔,它们与内部加热器的测温孔相对,其中一个为控制加热器加热的传感器P t100的插孔,另一个是温度实验传感器的插孔;背面有保险丝座和加热器电源插座。使用时将电源开关打开(o 为关,-为开)。从安全性、经济性即具有高的性价比考虑且不影响学生掌握原理的前提下温度源设计温度≤160℃。
1、智能调节器的简介及面板按键说明参阅实验二十八附言。
2、设置调节器温度控制参数:在温度源的电源开关关闭(断开)的情况下,按图29-2示意接线。检查接线无误后,合上主机箱上的总电源开关;将主机箱中的转速调节旋钮顺时针转到底,再将调节器的控制对象开关拨到R t.V i位置后再合上调节器电源开关,仪表上电后,仪表的上显示窗口(PV)显示随机数或HH;下显示窗口(SV)显示控制给定值(实验值)。按SET键并保持约3秒钟,即进入参数设置状态。在参数设置状态下按SET键,仪表将按参数代码1~20依次在上显示窗显示参数符号[实验二十八的(四)、参数代码及符号],下显示窗显示其参数值,此时分别按、▼、▲三键可调整参数值,长按▼或▲可快速加或减, 调好后按SET键确认保存数据,转到下一参数继续调完为止,长按 SET将快捷退出, 也可按SET + 直接退出。如设置中途间隔10秒未操作,仪表将自动保存数据,退出设置状态。
图29—2 温度源的温度调节控制实验接线示意图
具体设置转速控制参数方法步骤如下:
(1)、首先设置Sn (输入方式):按住SET键保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态,PV 窗显示AL-1(上限报警)。再按SET键11次,PV窗显示Sn (输入方式),按▼、▲键可调整参数值,使SV窗显示Pt1。
(2)、再按SET键, PV窗显示oP-A (主控输出方式) ,按▼、▲键修改参数值,使SV 窗显示2。
(3)、再按SET键,PV窗显示oP-b (副控输出方式) ,按▼、▲键修改参数值,使SV窗显示1。
(4)、再按SET键,PV窗显示ALP (报警方式) ,按▼、▲键修改参数值,使SV窗显示1。
(5)、再按SET键,PV窗显示CooL (正反控制选择) ,按▼键,使SV窗显示0。
(6)、再按SET键,PV窗显示P-SH (显示上限) ,长按▲键修改参数值,使SV窗显示180。
(7)、再按SET键,PV窗显示P-SL (显示下限) ,长按▼键修改参数值,使SV窗显示-1999。
(8)、再按SET键,PV窗显示Addr (通讯地址) ,按、▼、▲三键调整参数值,使SV 窗显示1。
(9)、再按SET键,PV窗显示bAud (通讯波特率) ,按、▼、▲三键调整参数值,使SV窗显示9600。
(10)、长按SET键快捷退出,再按住SET键保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态,PV 窗显示AL-1(上限报警);按、▼、▲三键可调整参数值,使SV窗显示实验给定值(如100℃)。
(11)、再按SET键,PV窗显示Pb (传感器误差修正) ,按▼、▲键可调整参数值,使SV 窗显示0。
(12)、再按SET键,PV窗显示P (速率参数) ,按、▼、▲键调整参数值,使SV窗显示280。
(13)、再按SET键,PV窗显示I (保持参数) ,按、▼、▲三键调整参数值,使SV窗显示380。
(14)、再按SET键,PV窗显示d (滞后时间) ,按、▼、▲键调整参数值,使SV窗显示70。
(15)、再按SET键,PV窗显示FILt (滤波系数) ,按▼、▲、键可修改参数值,使SV 窗显示2。
(16)、再按SET键,PV窗显示dp (小数点位置) ,按▼、▲键修改参数值,使SV窗显1。
(17)、再按SET键,PV窗显示outH (输出上限) ,按、▼、▲三键调整参数值,使SV
窗显示110。
(18)、再按SET键,PV窗显示outL (输出下限) ,长按▼键,使SV窗显示0后释放▼键。
(19)、再按SET键,PV窗显示At (自整定状态) ,按▼键,使SV窗显示0。
(20)、再按SET键,PV窗显示LoCK (密码锁) ,按▼键,使SV窗显示0。
(21)、长按SET键快捷退出,转速控制参数设置完毕。
3、按住▲键约3秒,仪表进入“SP”给定值(实验值)设置,此时可按上述方法按、▼、▲三键设定实验值,使SV窗显示值与AL-1(上限报警)值一致(如100.0℃)。
4、再合上图29—2中的温度源的电源开关,较长时间观察PV窗测量值的变化过程(最终在SV给定值左右调节波动)。
5、做其它任意一点温度值实验时(温度≤160℃),只要重新设置AL-1(上限报警) 和“SP”给定值,即AL-1(上限报警)=“SP”给定值。设置方法:按住SET键保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态,PV窗显示AL-1(上限报警)。按、▼、▲键可修改参数值,使SV窗显示要新做的温度实验值;再长按SET键快捷退出之后,按住▲键约3秒,仪表进入“SP”给定值(实验值)设置,此时可按、▼、▲三键修改给定值,使SV窗显示值与AL-1(上限报警)值一致(要新做的温度实验值)。较长时间观察PV窗测量值的变化过程(最终在SV给定值左右调节波动)。
6、大范围改变控制参数P或I或d 的其中之一设置值(注:其它任何参数的设置值不要改动),观察PV窗测量值的变化过程(控制调节效果)。这说明了什么问题?实验完毕,关闭电源。
实验三十Pt100铂电阻测温特性实验
一、实验目的:在实验二十九的基础上了解P t100热电阻—电压转换方法及P t100热电阻
测温特性与应用。
二、基本原理:利用导体电阻随温度变化的特性,可以制成热电阻,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。常用的热电阻有铂电阻(500℃以内)和铜电阻(150℃以内)。铂电阻是将0.05~0.07mm的铂丝绕在线圈骨架上封
装在玻璃或陶瓷内构成,图30—1是铂热电阻的结构。
在0~500℃以内,它的电阻R t与温度t的关系为:值
(本实验的铂电阻R o=100Ω)。A=3.9684310-3/℃,B=-5.847310-7/℃2。铂电阻一般是三线制,其中一端接一根引线另一端接二根引线,主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂
的影响(近距离可用二线制,导线电阻忽略不计)。实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出,再经放大器放大后直接用电压表显示,如图30—2所示。
图30—2热电阻信号转换原理图
图中△V=V2-V1;V1=[Rt/(R3+R t)]V c;V2=[R4/(R4+R2)]V c;
-V1={[R4/(R4+R2)]-[Rt/(R3+R t)]}V c;
△V=V2
所以Vo=K△V= K{[R4/(R4+R2)]-[Rt/(R3+R t)]}V c。
式中R t随温度的变化而变化,其它参数都是常量,所以放大器的输出Vo与温度(R t)有一一对应关系,通过测量Vo可计算出R t:
P t100热电阻一般应用在冶金、化工行业及需要温度测量控制的设备上,适用于测量、控制<600℃的温度。本实验由于受到温度源及安全上的限制,所做的实验温度值<160℃。
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节可调直流电源、±15V直流稳压电源、±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源;温度源、P t100热电阻二支(一支温度源控制用、另外一支温度特性实验)、温度传感器实验模板;压力传感器实验模板
1位数显万用表(自备)。
(作为直流mV信号发生器)、4
2
温度传感器实验模板简介:图30—3中的温度传感器实验模板是由三运放组成的测量放大电路、传感器信号转换电路(电桥)及放大器工作电源引入插孔构成;其中RW1为放大器的增益电位器;R W2为放大器电平移动(调零)电位器。
传感器符号:< 接热电偶(K热电偶或E热电偶);双圈符号接AD590集成温度传感器; R t接热电阻(P t100铂电阻或Cu50铜电阻)。具体接线参照具体实验。
四、实验步骤
1、温度传感器实验模板放大器调零:按图30—3示意接线。将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节温度传感器实验模板中的R W1(增益电位器)顺时针转到底,再调节R W2(调零电位器)使主机箱的电压表显示为0(零位调好后R W2电位器旋钮位置不要改动)。关闭主机箱电源。
图30—3温度传感器实验模板放大器调零接线示意图
2、调节温度传感器实验模板放大器的增益K为10倍:利用压力传感器实验模板的零位偏移电压作为温度实验模板放大器的输入信号来确定温度实验模板放大器的增益K。按图30—4示意接线,检查接线无误后(尤其要注意实验模板的工作电源±15V),合上主机箱电源开关,调节压力传感器实验模板上的R W2(调零电位器),使压力传感器实验模板中的放大器输出电压为0.020V(用主机箱电压表测量);再将0.020V电压输入到温度传感器实验模板的放大器中,再调节温度传感器实验模板中的增益电位器R W1(小心:不要误碰调零电位器R W2),使温度传感器实验模板放大器的输出电压为0.200V(增益调好后R W1电位器旋钮位置不要改动)。关闭电源。
图30—4 调节温度实验模板放大器增益K接线示意图
3、用万用表200欧姆档测量并记录P t100热电阻在室温时的电阻值(不要用手抓捏传感器测温端,放在桌面上),三根引线中同色线为热电阻的一端,异色线为热电阻的另一端(用万用表测量估计误差较大,按理应该用惠斯顿电桥测量,实验是为了理解掌握原理,误差稍大点无所谓,不影响实验)。
4、P t100热电阻测量室温时的输出:撤去压力传感器实验模板。将主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源调节到±2V档;电压表量程切换开关打到2V档。再按图30—5示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,待电压表显示不再上升处于稳定值时记录室温时温度传感器实验模板放大器的输出电压V o(电压表显示值)。关闭电源。
图30—5 P t100热电阻测量室温时接线示意图
5、保留图30—5的接线同时将实验传感器P t100铂热电阻插入温度源中,温度源的温度控制接线按图30—6示意接线。将主机箱上的转速调节旋钮顺时针转到底(可调电源输出最大),将调节器控制对象开关拨到R t.V i位置。检查接线无误后合上主机箱电源,再合上调节器电源开关和温度源电源开关,将温度源调节控制在40℃(调节器参数的设置及使用和温度源的使用实验方法参阅实验二十九),待电压表显示上升到平衡点时记录数据。
6、温度源的温度在40℃的基础上,可按Δt=10℃(温度源在40℃~160℃范围内)增加温度设定温度源温度值,待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表30。
图30—6 P t100铂电阻测温特性实验接线示意图
表30 P t100热电阻测温实验数据
7、表30中的R t数据值根据V o、V c值计算:
Vo=K△V= K{[R4/(R4+R2)]-[Rt/(R3+R t)]}V c
式中:K=10;R3=R2=5000Ω;R4=100Ω;V c=4V;V o为测量值。将计算值填入表30中,画出t(℃)—R t(Ω)实验曲线并计算其非线性误差。
8、再根据以下附表1 的P t100热电阻与温度t的对应表(P t100—t国际
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
分度值表)对照实验结果。最后将调节器实验温度设置到40℃,待温度源回到40℃左右后实验结束。关闭所有电源。
附表1:Pt100 铂电阻分度表(t—Rt对应值)
o
五、思考题:
实验误差有哪些因素造成?请验证一下:Rt计算公式中的R3、R4、R2(它们的阻值在不1位数显万用表测量)、V c用实际测量值代入计算是否会减小误差?
接线的情况下用4
2
实验三十一Cu50铜热电阻测温特性实验
一、实验目的:了解铜电阻测温原理与应用。
二、基本原理:铜电阻测温原理与铂电阻一样,利用导体电阻随温度变化的特性。常用铜电阻Cu50在-50~+150℃以内,电阻Rt与温度t的关系为: R t=Ro(1+αt) 式中:Ro系温度为0℃时的电阻值(Cu50在0℃时的电阻值为Ro=50Ω)。α是电阻温度系数,α=4.25~ 4.28310-3/℃。铜电阻是用直径为0.1mm的绝缘铜丝绕在绝缘骨架上,再用树脂保护。铜电阻的优点是线性好、价格低、α值大,但易氧化,氧化后线性度变差。所以铜电阻检测较低的温。铜电阻与铂电阻测温接线方法相同,一般也是三线制。
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节可调直流电源、±15V直流稳压电源、±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源;温度源、P t100热电阻(温度控制传感器)、Cu50热电阻(实验传感器)、温度传感器实验模板;压力传感器实验模板(作为
1位数显万用表(自备)。
直流mV信号发生器)、4
2
四、实验步骤:
将实验三十中的实验温度传感器P t100铂电阻换成Cu50铜电阻,在温度传感器实验模板的桥路电阻R2两端并联一根100Ω的专用连线,实验温度范围为室温~150℃。
具体实验接线、实验方法和步骤与实验三十相同(注意2点:1、实验温度传感器P t100铂电阻换成Cu50铜电阻;2、在温度传感器实验模板的桥路电阻R4两端并联一根100Ω的专用连线。将实验数据填写到表31。
表31 Cu50铜热电阻测温实验数据
7、表31中的R t数据值根据V o、V c值计算:
Vo=K△V= K{[R4/(R4+R2)]-[Rt/(R3+R t)]}V c
式中:K=10;R3=R2=5000Ω;R4=50Ω;V c=4V;V o为测量值。将计算值填入表31中,画出t(℃)—R t(Ω)实验曲线并计算其非线性误差。
8、再根据以下附表2 的Cu50铜热电阻与温度t的对应表(Cu50 —t国际标准分度值表)对照实验结果。最后将调节器实验温度设置到40℃,待温度源回到40℃左右后实验结束。关闭所有电源。
附表2: Cu50铜电阻分度表(t—Rt对应值)
实验三十二 K热电偶测温性能实验
一、实验目的:了解热电偶测温原理及方法和应用。
二、基本原理:1821年德国物理学家赛贝克(T?J?Seebeck)发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路,当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应(塞贝克效应)。
热电偶测温原理是利用热电效应。如图32—1所示,热电偶就是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成。A和B称为热电极,焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端,也称热端;未焊接的一端处在温度T0称为自由端或参考端,也称冷端(接引线用来连
接测量仪表的两根导线C是同样的材料,可以与A和B不同种材料)。T与T0的温差愈大,热电偶的输出电动势愈大;温差为0时,热电偶的输出电动势为0;因此,可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上,将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号,如常用的K(镍铬-镍硅或镍铝)、E(镍铬-康铜)、T(铜-康铜)等等,并且有相应的分度表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的
对应关系表;可以通过测量热电偶输出的热电动
势值再查分度表得到相应的温度值。热电偶一般
应用在冶金、化工和炼油行业,用于测量、控制较高的温度。图32—1热电偶
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节可调直流电源、±15V直流稳压电源;温度源、P t100热电阻(温度控制传感器)、K热电偶(温度特性实验传感器)、温度传感器实验模板;压力传感器实验模板(作为直流mV信号发生器)。
四、实验步骤:
热电偶使用说明:热电偶由A、B热电极材料及直径(偶丝直径)决定其测温范围,如K (镍铬-镍硅或镍铝)热电偶,偶丝直径3.2mm时测温范围0~1200℃,本实验用的K热电偶偶丝直径为0.5mm,测温范围0~800℃;E(镍铬-康铜),偶丝直径3.2mm时测温范围-200~ +750℃,实验用的E热电偶偶丝直径为0.5mm,测温范围-200~+350℃。由于温度源温度< 200℃,所以,所有热电偶实际测温实验范围<180℃。
从热电偶的测温原理可知,热电偶测量的是测量端与参考端之间的温度差,必须保证参考端温度为0℃时才能正确测量测量端的温度,否则存在着参考端所处环境温度值误差。
热电偶的分度表(见附录)是定义在热电偶的参考端(冷端)为0℃时热电偶输出的热电动势与热电偶测量端(热端)温度值的对应关系。热电偶测温时要对参考端(冷端)进行修正(补偿),计算公式:E(t, t0)=E(t, t0')+E(t0', t0)
式中:E(t, t0)-热电偶测量端温度为t,参考端温度为t0=0℃时的热电势值;
E(t, t0')-热电偶测量温度t,参考端温度为t0'不等于0℃时的热电势值;
E(t0', t0)-热电偶测量端温度为t0',参考端温度为t0=0℃时的热电势值。
例:用一支分度号为K(镍铬-镍硅)热电偶测量温度源的温度,工作时的参考端温度(室温) t0'=20℃,而测得热电偶输出的热电势(经过放大器放大的信号,假设放大器的增益A=10)32.7mv,则E(t, t0')=32.7mV/10=3.27mV,那么热电偶测得温度源的温度是多少呢?
解:由附表3 查得:
E(t0', t0)=E(20,0)=0.798mV
已测得 E(t, t0')=32.7mV/10=3.27mV
故 E(t, t0)=E(t, t0')+E(t0',t0)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV
热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出,与4.068mV所对应的温度是100℃。附表3:K热电偶分度表
1、温度传感器实验模板放大器调零:按图32—2示意接线。将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节温度传感器实验模板中的R W1(增益电位器)顺时针转到底,再调节R W2(调零电位器)使主机箱的电压表显示为0(零位调好后R W2电位器旋钮位置不要改动)。关闭主机箱电源。
图32—2温度传感器实验模板放大器调零接线示意图
2、调节温度传感器实验模板放大器的增益A为100倍:利用压力传感器实验模板的零位偏移电压作为温度实验模板放大器的输入信号来确定温度实验模板放大器的增益A。按图32—3示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节压力传感器实验模板上的R W2(调零电位器),使压力传感器实验模板中的放大器输出电压为0.010V(用主机箱电压表测量);再将0.010V电压输入到温度传感器实验模板的放大器中,再调节温度传感器实验模板中的增益电位器R W1(小心:不要误碰调零电位器R W2),使温度传感器实验模板放大器的输出电压为1.000V(增益调好后R W1电位器旋钮位置不要改动)。关闭电源。
图32—3 调节温度实验模板放大器增益A接线示意图
3、测量室温值t0':按图32—4接线(不要用手抓捏P t100热电阻测温端),P t100热电放在桌面上。检查接线无误后,将调节器的控制对象开关拨到R t.V i位置后再合上主机箱电源开关和调节器电源开关。稍待一分钟左右,记录下调节器PV窗显示的室温值(上排数码管
显示值)为t0',关闭调节器电源和主机箱电源开关。将P t100热电阻插入温度源中。
图32—4室温测量接线示意图
4、热电偶测室温(无温差)时的输出:按图32—5接线(不要用手抓捏K热电偶测温端),热电偶放在桌面上。主机箱电压表的量程切换开关切换到200mV档,检查接线无误后,合上主机箱电源开关,稍待一分钟左右,记录电压表表显示值V o,计算V o÷100,再查附表1得Δt≈0℃(无温差输出为0)。
图32—5 热电偶测无温差时实验接线示意图
5、电平移动法进行冷端温度补偿(实验步骤3中记录下的室温值是工作时的参考端温度即为热电偶冷端温度t0';根据热电偶冷端温度t0'查附表3 K热电偶分度表得到E(t0',t0),再根据E(t0',t0)进行冷端温度补偿):将图32—5中的电压表量程切换开关切换到2V档,
调节温度传感器实验模板中的R W2(电平移动),使电压表显示Vo=E(t0',t0)*A= E(t0',t0)*100。冷端温度补偿调节好后不要再改变R W2的位置,关闭主机箱电源开关,将热电偶插入温度源中。
6、热电偶测温特性实验:温度源的控制按图32—6示意接线,将主机箱上的转速调节旋钮顺时针转到底(输出最大);将调节器控制对象开关拨到R t.V i位置。检查接线无误后合上主机箱电源开关,再合上调节器电源开关和温度源电源开关,将温度源调节控制在40℃(调节器参数的设置及使用和温度源的使用实验方法参阅实验二十九),待电压表显示上升到平衡点时记录数据。再按表中32的数据设置温度源的温度并将放大器的相应输出值填入表中。
图32—6 K热电偶测温特性实验接线示意图
表32 K热电偶热电势(经过放大器放大A=100倍后的热电势)与温度数据
7、由E(t,t0)=E(t,t0')+E(t0', t0)= V o/A计算得到E(t,t0),再根据E(t,t0)的值从附表3中可以查到相应的温度值并与实验给定温度值对照(注:热电偶一般应用于测量比较
8100%高的温度,不能只看绝对误差。如绝对误差为8℃,但它的相对误差即精度Δ%=
800
=1%)。最后将调节器实验温度设置到40℃,待温度源回复到40℃左右后关闭所有电源。
实验三十三 K热电偶冷端温度补偿实验
一、实验目的:了解热电偶冷端温度补偿器的原理与补偿方法。
二、基本原理:热电偶测温时,它的冷端往往处于温度变化的环境中,而它测量的是热端与冷端之间的温度差,由此要进行冷端补偿。热电偶冷端温度补偿的常用方法有:计算法、冰水法(0℃)、恒温槽法和电桥自动补偿法等。实际检测时是在热电偶和放大电路之间接入一个其中一个桥臂是PN结二极管(或Cu电阻)组成的直流电桥,如图33—1所示。这个直流电桥称冷端温度补偿器,电桥在0℃时达到平衡(亦有20℃平衡)。当热电偶冷端温度升高时(>0℃)热电偶回路电势Uab下降,由于补偿器中,PN呈负温度系数,其正向压降随温度升高而下降,促使2端电位上升,其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势(不同分度号的热电偶配相应分度号的热电偶),使Vi不变达到补偿目的。
图33—1热电偶冷端温度补偿器原理
三、需用器件与单元:主机箱主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节可调电源、±15V直流稳压电源;温度源、P t100热电阻(温度控制传感器)、K热电偶(温度特性实验传感器)、温度传感器实验模板;压力传感器实验模板(作为直流mV信号发生器)、冷端温度补偿器、补偿器专用+5V直流稳压电源。
四、实验步骤:
热电偶冷端(参考端)补偿器说明:热电偶冷端温度补偿器是用来自动补偿热电偶测量值因冷端温度变化而变化的一种装置。冷端温度补偿器实质上就是产生一个直流信号的毫伏发生器(冷端温度与0℃之间的温差热电势),当它串接在热电偶测量线路中测量时,就可以使读数得到自动补偿。冷端补偿器的直流信号应随冷端温度的变化而变化,并且要求补偿器在补偿的温度范围内,直流信号和冷端温度的关系应与配用的热电偶之热电特性一致,即不同
分度号的热电偶配相应的冷端补偿器。
本实验为K分度热电偶。冷端补偿器外形为一个小方盒,有4个引线端子,4、3接+5V 专用电源,2、1输出补偿热电势信号;它的内部是一个不平衡电桥,图33—1中的虚线框所示,图中Rw可调节热电偶冷端温度起始时的热电势值,利用二极管的PN结特性自动补偿冷端温度的变化。
1、温度传感器实验模板放大器调零:按图33—2示意接线。将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节温度传感器实验模板中的R W1(增益电位器)顺时针转到底,再调节R W2(调零电位器)使主机箱的电压表显示为0(零位调好后R W2电位器旋钮位置不要改动)。关闭主机箱电源。
图33—2温度传感器实验模板放大器调零接线示意图
2、调节温度传感器实验模板放大器的增益A为100倍:利用压力传感器实验模板的零位偏移电压作为温度实验模板放大器的输入信号来确定温度实验模板放大器的增益A。按图33—3示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节压力传感器实验模板上的R W2(调零电位器),使压力传感器实验模板中的放大器输出电压为0.010V(用主机箱电压表测量);再将0.010V电压输入到温度传感器实验模板的放大器中,再调节温度传感器实验模板中的增益电位器R W1(小心:不要误碰调零电位器R W2),使温度传感器实验模板放大器的输出电压为1.000V(增益调好后R W2电位器旋钮位置不要改动)。关闭电源。
图33—3 调节温度实验模板放大器增益A接线示意图
3、将主机箱上的转速调节旋钮顺时针转到底(输出最大);将调节器控制对象开关拨到R t.V i位置。将冷端补偿器的专用电源插头插到主机箱侧面的交流220V插座上。按图33—4示意接线,检查接线无误后合上主机箱电源开关,再合上调节器电源开关和温度源电源开关,将温度源调节控制在40℃(调节器参数的设置及使用和温度源的使用实验方法参阅实验二十九),待电压表显示上升到平衡点时记录数据。再按表33中温度值设置温度源的温度并将放大器的相应输出值填入表中。
图33—4 K热电偶冷端温度补偿实验接线示意图
表33 K热电偶热电势(经过放大器放大A=100倍后的热电势)与温度数据
4、由E(t,t0)=E(t,t0')+E(t0', t0)= V o/A计算得到E(t,t0),再根据E(t,t0)的值从附表3中可以查到相应的温度值并与实验给定温度值对照,计算误差。最后将调节器实验温度设置到40℃,待温度源回复到40℃左右后关闭所有电源。
注:热电偶一般应用于测量比较高的温度,不能只看绝对误差。如绝对误差为8℃,但它的
8100%=1%)。
相对误差即精度Δ%=
800
五、思考题:
实验三十二与三十三有什么差别,一般实际应用时选择哪一种方法为好?
实验三十四 E热电偶测温性能实验
一、实验目的:了解不同分度号热电偶测量温度的性能与应用。
二、基本原理:参阅实验三十二。
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节可调直流电源、±15V直流稳压电源;温度源、P t100热电阻(温度控制传感器)、E热电偶(温度特性实验传感器)、温度传感器实验模板;压力传感器实验模板(作为直流mV信号发生器)。
四、实验步骤:
1、将实验三十二中的K热电偶换成E热电偶(温度特性实验传感器),实验接线、方法和步骤完全与实验三十二相同
2、按实验三十二实验并将实验数据填入表34中。
表34E热电偶热电势(经过放大器放大A=100倍后的热电势)与温度数据
3、由E(t,t0)=E(t,t0')+E(t0', t0)= V o/A计算得到E(t,t0),再根据E(t,t0)的值从附表4可以查到相应的温度值并与实验给定温度值对照计算误差。将调节器实验温度设置到40℃,待温度源回复到40℃左右后关闭所有电源。
附表4:E型热电偶分度表
实验三十五集成温度传感器(AD590)温度特性实验
一、实验目的:了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。
二、基本原理:集成温度传器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℃~+120℃之间温度测量。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AD590电流型集成温度传感器,其输出电流与绝对温度(T)成正比,它的灵敏度为1μA/K,所以只要串接一只取样电阻R(1k)即可实现电流1μA到电压1mV的转换组成最基本的绝对温度(T)测量电路(1mV/K)。AD590工作电源为DC +4V~+30V,它具有良好的互换性和线性。如图25—1为AD590测温特性实验原理图:
图25—1 集成温度传器AD590测温特性实验原理图
绝对温度(T)是国际实用温标也称绝对温标,用符号T表示,单位是K(开尔文)。开氏温度和摄氏温度的分度值相同,即温度间隔1K等于1℃。绝对温度T与摄氏温度t的关系是:T=273.16+t≈273+t ,显然,绝对零点即为摄氏零下273.16℃(t≈-273+T ℃)。
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节可调直流电源、±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源;温度源、P t100热电阻(温度源温度控制传感器)、集成温度传器AD590(温度特性实验传感器);温度传感器实验模板。
四、实验步骤:
1、测量室温值t0:将主机箱±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源调节到±4V档,将电压表量程切换开关切到2V档。按图35—2接线(不要用手抓捏AD590测温端),集成温度传器AD590放在桌面上。检查接线无误后合上主机箱电源开关。记录电压表显示值V i =273.16+t0,得t0≈V i-273 。关闭主电源开关。
图35—2室内环境温度测量接线示意图
2、集成温度传器AD590温度特性实验:
保留图35—2的接线,将集成温度传器AD590插入温度源中,温度源的控制按图35—3示意接线。将主机箱上的转速调节旋钮顺时针转到底(输出最大),将调节器控
制对象开关拨到R t.V i位置。检查接线无误后合上主机箱电源开关,再合上调节器电源开关和温度源电源开关,温度源在室温基础上,可按Δt=5℃增加温度并且小于等于100℃范围
内设定温度源温度值(温度源的使用、温度设置方法参阅实验二十九),待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表35。
图35—3 AD590测温性能实验接线示意图
表35 AD590温度特性实验数据
3、根据表35数据值作出实验曲线并计算其非线性误差。实验结束,关闭所有电源。
五、思考题:
热电阻、热电偶、AD590的测温机理有何区别?三者如何拾取温度信号?
实验三十六气敏传感器实验
一、实验目的:了解气敏传感器原理及特性。
二、基本原理:气敏传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。它一般可分为:半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等。本实验采用的是TP-3集成半导体气敏传感器,该传感器的敏感元件由纳米级SnO2(氧化锡)及适当掺杂混合剂烧结而成,具微珠式结构,是对酒精敏感的电阻型气敏元件;当受到酒精气体作用时,它的电阻值变化经相应电路转换成电压输出信号,输出信号的大小与酒精浓度对应。传感器对酒精浓度的响应特性曲线、实物及原理如图36—1所示。
(a)TP-3酒精浓度—输出曲线 (b)传感器实物、原理图
图36—1酒精传感器响应特性曲线、实物及原理图
三、需用器件与单元:主机箱电压表、+5V直流稳压电源;气敏传感器、酒精棉球(自备)。
四、实验步骤:
1、按图36—2示意接线,注意传感器的引线号码。
图36—2 气敏(酒精)传感器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,传感器通电较
长时间(至少5分钟以上,因传感器长时间不通电的情况下,内阻会很小,上电后Vo输出很大,不能即时进入工作状态)后才能工作。
3、等待传感器输出Vo较小(小于1.5V)时,用自备的酒精小棉球靠近传感器端面并吹2次气,使酒精挥发进入传感网内,观察电压表读数变化对照响应特性曲线得到酒精浓度。实验完毕,关闭电源。
实验三十七湿敏传感器实验
一、实验目的:了解湿敏传感器的原理及特性。
二、基本原理:湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度,一般多用相对湿度概念,即在一定温度下,空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值(用百分比表示),称为相对湿度(用RH表示)。其单位为%RH。湿敏传感器种类较多,根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性(称水分子亲和力),湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型,本实验采用的是集成湿度传感器。该传感器的敏感元件采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件(湿敏电阻)。它的原理是采用具有感湿功能的高分子聚合物(高分子膜)涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上,导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率,形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元件阻抗随相对湿度变化成对数变化,一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的线性电压信号输出以制成湿度传感器模块形式。湿敏传感器实物、原理框图如图37—1所示。当传感器的工作电源为+5V±5%时,湿度与传感器输出电压对应曲线如图37—2所示。
图37—1湿敏传感器实物、原理框图
图37—2 湿度—输出电压曲线
三、需用器件与单元:主机箱电压表、+5V直流稳压电源;湿敏传感器、潮湿小棉球(自备)、干燥剂(自备)。
四、实验步骤:
1、按图37—3示意接线(湿敏座中不放任何东西),注意传感器的引线号码。
图37—3 湿敏传器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档,检查接线无误后,合上主机箱电源开关,传感器通电先预热5分钟以上,待电压表显示稳定后即为环境湿度所对应的电压值(查湿度—输出电压曲线得环境湿度)。
3、在干燥剂中(不放干燥剂为环境湿度)放入传感器,观察电压表显示值的变化。
3、传感器接近潮湿小棉球上方,等到电压表显示值稳定后记录显示值,查湿度—输出电压曲线得到相应湿度值。实验完毕,关闭所有电源。
实验三十八数据采集系统实验—静态采集举例
一、实验目的:熟悉数据采集系统在静态实验中的应用。
二、基本原理:数据采集系统(数据采集卡)对实验数据(模拟量)进行采集并与计算机(PC 机)通讯,再用计算机对实验数据进行分析处理。其原理框图如图38—1所示。
图38—1计算机数据采集原理框图
三、需用器件与单元:主机箱电压表、转速调节0~24V电源、±15V直流稳压电源、±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源;数据采集通讯接口;应变式传感器实验模板(包括应变式传感器、托盘、砝码)、RS232连线及配套《软件用户手册》、计算机(自备)。
四、实验步骤:
1、熟悉、阅读《CSY软件用户手册》并在计算机上安装好配套软件。
2、准备10V电源:在主机箱上按图38—2接线。将电压表的量程切换开关切到20V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节转速调节0~24V电源使电压表显示10.00V(调好后保持转速调节旋钮位置不变)。关闭电源。
图38—2 准备10V电源接线示意图
3、软件标定(以通道A为例):分别按图38—3 (a)、(b)示意接线,V与I选择按钮选择Vin。检查接线无误后合上主机箱电源进行软件0V、10V标定(前提:电脑已安装好配套软件并已正常开机),标定方法参阅《软件用户手册》。注意:(a)图合上主机箱电源后按电脑软件界面中“0V”键三次;在转换成(b) 图接线时不用关闭主机箱电源,而是带电接线后按电脑软件界面中“10V”键三次,然后再点击电脑软件界面中“保存标定”键。
实验三十六气敏传感器实验
一、实验目的:了解气敏传感器原理及特性。
二、基本原理:气敏传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。它一般可分为:半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等。本实验采用的是TP-3集成半导体气敏传感器,该传感器的敏感元件由纳米级SnO2(氧化锡)及适当掺杂混合剂烧结而成,具微珠式结构,是对酒精敏感的电阻型气敏元件;当受到酒精气体作用时,它的电阻值变化经相应电路转换成电压输出信号,输出信号的大小与酒精浓度对应。传感器对酒精浓度的响应特性曲线、实物及原理如图36—1所示。
(a)TP-3酒精浓度—输出曲线 (b)传感器实物、原理图
图36—1酒精传感器响应特性曲线、实物及原理图
三、需用器件与单元:主机箱电压表、+5V直流稳压电源;气敏传感器、酒精棉球(自备)。
四、实验步骤:
1、按图36—2示意接线,注意传感器的引线号码。
图36—2 气敏(酒精)传感器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,传感器通电较
长时间(至少5分钟以上,因传感器长时间不通电的情况下,内阻会很小,上电后Vo输出很大,不能即时进入工作状态)后才能工作。
3、等待传感器输出Vo较小(小于1.5V)时,用自备的酒精小棉球靠近传感器端面并吹2次气,使酒精挥发进入传感网内,观察电压表读数变化对照响应特性曲线得到酒精浓度。实验完毕,关闭电源。
实验三十七湿敏传感器实验
一、实验目的:了解湿敏传感器的原理及特性。
二、基本原理:湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度,一般多用相对湿度概念,即在一定温度下,空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值(用百分比表示),称为相对湿度(用RH表示)。其单位为%RH。湿敏传感器种类较多,根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性(称水分子亲和力),湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型,本实验采用的是集成湿度传感器。该传感器的敏感元件采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件(湿敏电阻)。它的原理是采用具有感湿功能的高分子聚合物(高分子膜)涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上,导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率,形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元件阻抗随相对湿度变化成对数变化,一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的线性电压信号输出以制成湿度传感器模块形式。湿敏传感器实物、原理框图如图37—1所示。当传感器的工作电源为+5V±5%时,湿度与传感器输出电压对应曲线如图37—2所示。
图37—1湿敏传感器实物、原理框图
图37—2 湿度—输出电压曲线
三、需用器件与单元:主机箱电压表、+5V直流稳压电源;湿敏传感器、潮湿小棉球(自备)、干燥剂(自备)。
四、实验步骤:
1、按图37—3示意接线(湿敏座中不放任何东西),注意传感器的引线号码。
图37—3 湿敏传器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档,检查接线无误后,合上主机箱电源开关,传感器通电先预热5分钟以上,待电压表显示稳定后即为环境湿度所对应的电压值(查湿度—输出电压曲线得环境湿度)。
3、在干燥剂中(不放干燥剂为环境湿度)放入传感器,观察电压表显示值的变化。
3、传感器接近潮湿小棉球上方,等到电压表显示值稳定后记录显示值,查湿度—输出电压曲线得到相应湿度值。实验完毕,关闭所有电源。
实验三十八数据采集系统实验—静态采集举例
一、实验目的:熟悉数据采集系统在静态实验中的应用。
二、基本原理:数据采集系统(数据采集卡)对实验数据(模拟量)进行采集并与计算机(PC 机)通讯,再用计算机对实验数据进行分析处理。其原理框图如图38—1所示。
图38—1计算机数据采集原理框图
三、需用器件与单元:主机箱电压表、转速调节0~24V电源、±15V直流稳压电源、±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源;数据采集通讯接口;应变式传感器实验模板(包括应变式传感器、托盘、砝码)、RS232连线及配套《软件用户手册》、计算机(自备)。
四、实验步骤:
1、熟悉、阅读《CSY软件用户手册》并在计算机上安装好配套软件。
2、准备10V电源:在主机箱上按图38—2接线。将电压表的量程切换开关切到20V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节转速调节0~24V电源使电压表显示10.00V(调好后保持转速调节旋钮位置不变)。关闭电源。
图38—2 准备10V电源接线示意图
3、软件标定(以通道A为例):分别按图38—3 (a)、(b)示意接线,V与I选择按钮选择Vin。检查接线无误后合上主机箱电源进行软件0V、10V标定(前提:电脑已安装好配套软件并已正常开机),标定方法参阅《软件用户手册》。注意:(a)图合上主机箱电源后按电脑软件界面中“0V”键三次;在转换成(b) 图接线时不用关闭主机箱电源,而是带电接线后按电脑软件界面中“10V”键三次,然后再点击电脑软件界面中“保存标定”键。
(a)软件0V标定接线示意图
(b)软件10V标定接线示意图
图38—3软件标定接线示意图
4、利用实验三应变片全桥性能实验的实验数据进行采集:按实验三“应变片全桥性能实验”步骤实验调试。调试之后再将放大器的输出接入主机箱上的数据采集通讯接口已标定好的A通道中。如图38—4所示。
图38—4静态数据采集实验接线示意图
5、按《软件用户手册》中的“2、实验操作中的a、单步采样:”方法进行操作实验。实验完毕,关闭所有电源。
实验三十九数据采集系统实验—动态采集举例
一、实验目的:熟悉数据采集系统在动态检测实验中的应用。
二、基本原理:参阅实验三十八。
三、需用器件与单元:主机箱中的电压表、转速调节0~24V电源、±15V直流稳压电源、±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器;数据采集通讯接口;振动源、差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板;振动源、双踪示波器(自备);RS232连线及配套《软件用户手册》、计算机(自备)。
四、实验步骤:
1、按实验三十八(数据采集系统实验—静态采集举例)中的1、
2、3步骤实验(如果这台计算机已经采集过数据实验,则可省略此步骤,直接从步骤2开始实验)。
2、按照实验十五(差动变压器的应用—振动测量实验)实验。
3、将实验十五图15中低通滤波器的输出接到主机箱数据采集通讯接口的A通道上。
4、将数据采集通讯接口中的RS232与电脑相连,按《软件用户手册》中的“2、实验操作中的e、动态实验:”方法进行操作实验。实验完毕,关闭所有电源。
实验四十发光二极管(光源)的照度标定实验
(3000系列)
一、实验目的:了解发光二极管的工作原理;作出工作电流与光照度的对应关系及工作电压与光照度的对应关系曲线,为以后实验提供光源照度所需的输入电压或输入电流(即光源的输入电压或光源的输入电流代替相应的光源的照度)作依据。
二、基本原理:半导体发光二极管筒称LED。它是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般二极管的正向导通;反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。其发光原理如图40-1所示,当加上正向激励电压或电流时,在外电场作用下,在P-N结附近产生
图40—1 发光二极管的工作原理
导带电子和价带空穴,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区,进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近)捕获,再与空穴复合,每次释放的能量不大,以热能的形式辐射出来。发光的复量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。发光二极管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。本实验使用纯白高亮发光二极管。
三、需用器件与单元:主机箱中的0~20mA可调恒流源、转速调节0~24V电源、电流表、电压表、照度表;照度计探头;发光二极管;庶光筒。
四、实验步骤:
1、按图40-2A配置接线,接线注意+、-极性。
图40—2A 发光二极管工作电流与光照度的对应关系实验接线示意图
2、检查接线无误后,合上主机箱电源开关。
3、调节主机箱中的恒流源电流大小(电流表量程20mA档)即发光二管的工作电流大小就可改变光源的光照度值。拔去发光二极管的其中一根连线头,则光照度为0(如果恒流源的起始电流不为0,要得到0照度只要断开光源的一根线)。按表40进行标定实验(调节恒流源),得到照度—电流对应值。
4、关闭主机箱电源,再按图40—2B配置接线,接线注意+、-极性。
5、合上主机箱电源,调节主机箱中的0~24V可调电压(电压表量程20V档)就可改变光源(发光二极管)的光照度值。按表40进行标定实验(调节电压源),得到照度—电压对应值。
6、根据表40数据作出发光二极管的电流-照度、电压-照度特性曲线(图40—3)。
图40—2B 发光二极管工作电压与光照度的对应关系实验接线示意图
表40发光二极管的电流、电压与照度的对应关系
注:由于发光二极管(光源)离散性较大,每个发光二极管的电流-照度对应值及电压-照度对应值是不同的。实验者必须保存表40的标定值,为以后做光电实验服务。如以后做实验提到光照度值只要调节恒流源相应电流值或电压源相应电压值,省去烦琐的每次光源照度测量。实验者只能在相应的实验台(对应表40的相应实验台)完成以后的光电实验。
电流I(mA)电压U(V)
照度(Lx)照度(Lx)图40—3 发光二极管的电流-照度、电压-照度特性曲线
实验四十一光敏电阻特性实验
(3000系列)
一、实验目的:了解光敏电阻的光照特性和伏安特性。
二、基本原理:在光线的作用下,电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态,引起电导率的变化,这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照愈强,器件自身的电阻愈小。基于这种效应的光电器件称光敏电阻。光敏电阻无极性,其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。实验原理图如图41—1。
图41—1 光敏电阻实验原理图
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V电源、±2V~±10V步进可调直流稳压电源、电流表、电压表;光电器件实验(一)模板、光敏电阻、发光二极管、庶光筒。
四、实验步骤:
1、亮电阻和暗电阻测量
(1)按图4—2安装接线(注意插孔颜色对应相连)。打开主机箱电源,将±2V~±10V 的可调电源开关打到10V档,再缓慢调节0~24V可调电源,使发光二极管二端电压为光照度100Lx时对应的电压(实验四十的标定值)值。
(2)10秒钟左右读取电流表(可选择电流表合适的档位20mA档)的值为亮电流I亮。
图41—2光敏电阻特性实验接线图
(3)将0~24V可调电源的调节旋钮逆时针方旋到底后10秒钟左右读取电流表(20μA 档)的值为暗电流I暗。
(4)根据以下公式,计算亮阻和暗阻(照度100Lx):
R亮=U测/ I亮;R暗=U测/ I暗
2、光照特性测量
光敏电阻的二端电压为定值时,光敏电阻的光电流随光照强度的变化而变化,它们之间的关系是非线性的。调节图41—2中的0~24V电压为表41—1光照度(Lx)所对应的电压值(根据实验四十标定的光照度对应的电压值),测得数据填入表41—1,并作出图41-3光电流与光照度I—Lx曲线图。
表41—1光照特性实验数据
光电流I (mA )
光照度(Lx )
图41—3光敏电阻光照特性实验曲线
3、伏安特性测量
光敏电阻在一定的光照强度下,光电流随外加电压的变化而变化,测量时,在给定光照度(如100Lx )时,光敏电阻输入0V 、2V ~10V 五档可调电压(调节图41—2中的±2V ~±10V 的电压),测得光敏电阻上的电流值填入表41—2,并在同一坐标图41—4中作出不同照度的三条伏安特性曲线。
表41—2 光敏电阻伏安特性实验数据
光电流I (mA )
Vcc
图41—4光敏电阻伏安特性曲线
4﹑ 思考题:
为什么测光敏电阻亮阻和暗阻要经过10秒钟后读数,这是光敏电阻的缺点,只能应用 于什么状态?
实验四十二 光敏二极管的特性实验
(3000系列)
一、实验目的:了解光敏二极管工作原理及特性。
二、基本原理:当入射光子在本征半导体的p-n 结及其附近产生电子—空穴对时,光生载
流子受势垒区电场作用,电子漂移到n 区,空穴漂移到p 区。电子和空穴分别在n 区和p 区积累,两端便产生电动势,这称为光生伏特效应,简称光伏效应。光敏二极管基于这一原理。如果在外电路中把p-n 短接,就产生反向的短路电流,光照时反向电流会增加,并且光电流和照度基本成线性关系。
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V 电源、±2V ~±10V 步进可调直流稳
压电源、电流表、电压表; 光电器件实验(一)模板 、光敏二极管、发光二极管、庶光筒。
四、实验步骤:
1、光照特性:
将图41-2中的光敏电阻更换成光敏二极管(注意接线孔的颜色相对应即+、-极性), 按图41—2安装接线,测量光敏二极管的暗电流和亮电流。
暗电流测试:将图41—2中主机箱中的将±2V ~±10V 的可调电源开关打到6V 档,合 上主机箱电源,将0~24V 可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向缓慢旋到底,读取主机箱上电流表(20μA 档)的值即为光敏二极管的暗电流。暗电流基本为0μA,一般光敏二极管小于0.1μA,暗电流越小越好。
亮电流测试:顺时针方向缓慢地调节0~24V 电源(实验四十的标定值)为表42—1照 度对应的电压值,光电流的测量(根据光电流的大小切换合适的电流表量程档)数据填入表42-1。根据表42-1数据,作出图42-1光敏二极管工作电压为6V 时的I —Lx 特性曲线。 表42—1二极管光照特性实验数据
I(μA )
Lx
图42—1光敏二极管光照特性曲线
2、伏安特性测量
光敏二极管在一定的光照度下,光电流随外加电压的变化而变化,测量时,在给定光 照度(实验四十的标定的光照度对应的电压值)时,光敏二极管输入0V 、2V ~10V 五档可调电压(调节图41—2中的±2V ~±10V 的电压),测得光敏二极管上的电流值填入表42—2,并在同一坐标图42—2中作出不同照度的伏安特性曲线族。 表42—2 光敏二极管伏安特性实验数据
I (mA )
Vcc
图42—2光敏二极管伏安曲线族
(3000系列)
一、实验目的:了解光敏三极管结构、原理和特性。
二、基本原理:在光敏二极管的基础上,为了获得内增益,就利用晶体三极管的电流放大作用,用Ge或Si单晶体制造NPN或PNP型光敏三极管。其结构使用电路及等效电路如图43—1所示。
图43—1光敏三极管结构及等效电路
光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联:集电极-基极产生的电流,输入到共发三极管的基极在放大。不同之处是,集电极电流(光电流)有集电结上产生的iφ控制。集电极起双重作用;把光信号变成电信号起光电二极管作用;使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。一般光敏三极管只引出E、C两个电极,体积小,光电特性是非线性的,广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。
三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V电源、±2V~±10V步进可调直流稳压电源、电流表、电压表;光电器件实验(一)模板、光敏三极管、发光二极管、庶光筒。四、实验步骤:
将图41-2中的光敏电阻更换成光敏三极管,实验步骤和方法与实验四十二完全相同,
按照实验四十二实验。
(3000系列)
一、实验目的:了解光电池的光照、光谱特性,熟悉其应用。
二、基本原理:光电池是根据光生伏特效应制成的,不需加偏压就能把光能转换成电能的p-n结的光电器件。当光照射到光电池P-N结上时,便在P-N结两端产生电动势。这种现象叫“光生伏特效应”,将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。
三、需用器件与单元:主机箱中的0~20mA可调恒流源、转速调节0~24V电源、电流表、电压表;庶光筒、发光二极管;硅光电池、光电器件实验(一)模板、。
四、实验步骤
1、光照特性(开路电压、短路电流)
⑴、光电池在不同的照度下,产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就是光照特性。实验时,为了得到光电池的开路电压Voc和短路电流Is不要同时(同步)接入电压表和电流表,要错时(异步)接入电路来测量数据。
a、光电池的开路电压(Voc)实验:按图44—1安装接线(注意接线孔的颜色相对应即+、-极性相对应),发光二极管的输入电流根据实验四十光照度对应的(如下表44—1的照度值)电流值,读取电压表Voc的测量值填入表44—1中。
表44—1光电池的开路电压(Voc)实验数据
图44—1 光电池的开路电压(Voc)实验接线图
b、光电池的短路电流(Is)实验:按图44—2安装接线(注意接线孔的颜色相对应
即+、-极性相对应),发光二极管的输入电压根据实验四十光照度对应的(如下表44—2的照度值)电压值,读取电流表Is的测量值填入表44—2中。
表44—2 光电池的短路电流(Is)实验数据
图44—2光电池的短路电流(Is)实验接线图
⑵、根据表44—1、44—2的实验数据作出图44—3特性曲线图。
Voc(mV) Is(mA)
0 照度(Lx) 100
图44—3光电池开路电压短路电流特性曲
实验四十五透射式光电开关实验
(3000系列)
一、实验目的:了解透射式光电开关组成原理及应用。
二、基本原理:光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成(光耦、光断续器)。当发射管和接收管之间无遮挡时,接收管有光电流产生,一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断,利用这种特性可制成光电开关用来工业零件计数、控制等。
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V步进可调直流稳压电源、光电器件实验模块(一)、发光二极管(或红外发射二极管)、光敏三极管(或光敏二极管)。(也可以用光开关实验模板做实验如实验四十六)
四、实验步骤:
1、将主机箱中的±2V~±10V步进可调直流稳压电源调节到±10V档,按图45示意安装接线,注意接线孔颜色(极性)相对应。
图45 透射式光电开关实验接线示意图
2、开启主机箱电源,观察遮挡与不遮挡光路时模板上指示发光二极管的亮暗变化情况,由此形成了开关功能。
实验四十六反射式红外光电接近开关实验
(3000系列)
一、实验目的:了解反射式红外光电接近开关组成原理及应用。
二、基本原理:反射式红外光电接近开关由一个红外光发射管和一个接收管组装成一体。当发射管发射红外光被接近物反射到接收管时,接收管有光电流产生,一旦接近物离开时接收管接收不到红外光光电流中断,利用这种特性可制成光电开关用来计数、控制等。
三、需用器件与单元:主机箱中的±2V~±10V步进可调直流稳压电源、光电开关实验模块、反射式光耦(光电接近开关)。
四、实验步骤:
1、将主机箱中的±2V~±10V步进可调直流稳压电源调节到±10V档,按图46示意安装接线,注意接线孔颜色(极性)相对应。
图46 透射式光电开关实验
3、开启主机箱电源,接近物接近与远离时模板上指示发光二极管的亮暗变化情况,由此形成了开关功能。
选配实验
实验一光纤温度传感器特性实验
(实验时间需要3小时以上)
一、实验目的:
了解传光型光纤温度传感器的原理和应用
二、基本原理:
按照光纤在传感器中所起的作用,光纤传感器一般分为二大类:
1、传感型光纤传感器:利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件,既感知信息又传输信息,也称为功能型传感器。
2、传光型光纤传感器:利用其它敏感元件(如温度敏感元件、压力敏感元件等)感知待测量的变化转换成电信号变化,再将电信号调制为光信号。光纤仅作为光的传输介质,也称混合型传感器。
本实验模板为传光型光纤传感器,原理简述为:集成温度传感器(AD590)将温度(T)转变成电量信号,经集成放大电路处理放大→再经电压/电流转换→电流调制(内调制)发光二极管→光纤传输光→光敏二极管接收光信号→光电流→集成运放电路处理转换放大→输出电压。
本类型传感器应用特点:不仅发挥常规传感器的特点,而且可在其它传输线不适用的环境下(如防电磁干扰、防爆等)进行检测。
三、需用器件与单元:主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节0~24V直流稳压电源、±15V直流稳压电源;温度源、Pt100温度传感器(控制温度源用)、集成温度传感器(AD590测量实验用);光纤温度压力实验模板、光纤(单根装)。
四、实验步骤:
(一)、标定温度传感器(AD590)输出:
1、温度源按图1—1示意接线:将Pt100铂电阻(温度控制传感器)的引线接到主机箱智能调节器单元中的传感器输入Pt100的三个相应插孔中;将温度源的加热电源线(Ac220V二极电源插头)插入主机箱的加热控制插座中,再将温度源面板+24V插孔与主机箱的冷却风扇+24V二个插孔相应连接;将主机箱的转速调节旋钮顺时针方向缓慢转到底(输出24V),再将Pt100铂电阻(温度控制传感器)探头插入温度源其中一个小孔中。
2、光纤温度、压力实验模板按图1—1示意接线:在实验模板中温度传感器处接入集成温度传感器AD590(温度实验传感器),上正下负,再将AD590传感器探头插入温度源的
另外一个小孔中;在实验模板中温度传感器输出V处接主机箱的电压表(电压表打到20V 档);将实验模板的mA处短接;实验模板的+15V、地、-15V与主机箱中的±15V直流稳压电源相应连接;将实验模板上的按钮开关(温度/压力转换开关)处于温度测量状态,在实验模板的光纤口上插上光纤。其它按图1—1示意图接线。
图1-1光纤温度实验(标定温度传感器AD590输出)接线示意图
3、将调节器的控制对象开关拨到R t.V i位置后再合上调节器电源开关,检查接线无误后合上主机箱电源开关(温度源小箱子开关也合上)。
4、设置调节器温度控制参数将温度源控制在90o C(设置方法参照实验二十九温度源的温度调节控制实验),等待较长时间,当温度源在90o C动态平衡时,调节光纤温度压力实验模板中的W T2(温度上限),使主机箱中的电压表显示0.90V;再设置调节器温度控制参数将温度源控制在40o C(设置方法参照实验二十九温度源的温度调节控制实验),当温度源在40o C动态平衡时,调节光纤温度压力实验模板中的W T1(温度下限),使主机箱中的电压表显示0.30V。这个标定过程至少循环进行3次以上。标定好后要保持W T1、W T2的位置不变(不能碰动W T1和W T2否则要重新标定)。
(二)、标定光纤温度传感器输出:
1、将主机箱电压表改接到光纤传输输出U0端,如图1—2。设置调节器温度控制参数将温度源控制在90o C,当温度源在90o C动态平衡时,调节光纤温度压力实验模板中的W量程(光纤温度上限),使主机箱中的电压表显示0.90V;再设置调节器温度控制参数将温度源控制在40o C,当温度源在40o C动态平衡时,调节光纤温度压力实验模板中的调节W零点(光纤温度下限),使主机箱中的电压表显示0.40V。这个标定过程至少循环进行3次以上,使光纤
传感器输出端的电压显示与温度上、下限值对应。
图1-2光纤温度实验(标定光纤传感器输出)接线示意图
2、在40℃~100℃之间设置温度源的温度值,取Δt=5℃(温度源达到稳态控制时间较长,要认真,有耐心),每一点温度控制达到平衡时,读取数据填入下表。
3、根据以上数据,画出T—V实验曲线,并分析计算误差、灵敏度、线性度等指标。实验完毕,关闭电源。
V(V)
T(℃)
实验二光纤压力传感系统特性实验
一、实验目的:
了解光纤压力传感器的原理和应用。
二、基本原理:
原理与实验二基本相同,不同之处是用压阻式扩散硅压力传感器代替集成温度传感器,所测量的对象为气压。
三、需用器件与单元:主机箱中的气源单元、电压表、±15V直流稳压电源;引压胶管光纤温度压力实验模板、光纤(单根装)。
四、实验步骤
1、按图2—1安装、接线:
图2-1光纤压力实验(标定压力传感器输出)接线示意图
①、将实验模板中的引压口用引压胶管连接到主机箱气压源的快速接口中(注意引压胶管拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压,则可轻松拉出);
②、将光纤插入实验模板的光纤口中;
③、将实验模板中的+15V、地﹑–15V接主机箱中的±15V直流稳压电源相应插孔中;
④、将实验模板中的mA处短接;
⑤、将主机箱的电压表量程拨到20V档并与实验模板中的压力传感器输出端V相连接。
2、按下实验模板中的温度/压力转换开关,处于压力测量状态。
3、其它按图2—1示意接线。检查接线无误后合上主机箱电源和气源开关,调节主机箱气源的转子流量计下端调压阀的旋钮,观察气压表气压显示跟随调节变化,不调节时能达到动态平衡显示某一个压力显示值。
4、调节主机箱中的转子流量计调压阀的旋钮,使气压表显示4kPa,再调节实验模板中的电位器W p1(压力下限),使主机箱的电压表显示0.20V。
5、调节主机箱中的转子流量计调压阀的旋钮,使气压表显示在18kPa,再调节模板中的电位器W p2(压力上限)使主机箱的电压表显示1.80V。
6、重复4和5步骤(至少循环3次以上),使压力下限4kPa时对应输出0.20V,压力上限18kPa时对应输出1.80V。
7、将主机箱的电压表改接到光纤传感器输出端U0端上,如图2—2。标定光纤压力传感器光电转换电路输出:此时调节W零点(光纤下限)和W量程(光纤上限),调节方法与过程同4、5、6步骤(千万不能误调W p1和W p2,,否则前功尽弃,要重新标定前级电路)相同。
图2—2光纤压力实验(标定光纤传感器输出)接线示意图
8、调节转子流量计调压阀的旋钮使压力为下表数据并记录相应的电压输出值。
9、根据以上数据,画出P —V 实验曲线,并分析计算误差、灵敏度等指标。实验完毕,关闭电源。
实验三PSD 位置传感器实验
一、实验目的:
了解PSD 光电位置敏感器件的原理与应用。
二、基本原理:
半导体光电位置敏感器件(Position-Sensitive Detector)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的半导体,也即当光点在器件感光面的不同位置时,就对应有一个不同的输出电信号。这种器件也简称为PSD 。
PSD 主要由硅、锗等半导体材料,利用蒸发金属薄膜工艺,离子注入技术,外延生长工艺以及热扩散技术制成。事实上,它是一种具有均匀电阻薄层表面的平面型PIN 光电二极管,但它是建立在横向光电效应基础上的。
图1—1表示了PSD 的工作原理,其中图(a)为PIN 型的PSD 截面结构示意图,表面层P 为感光面,在其两边各有一信号输出电极,底层的公共电极是用于加反偏电压。当光点入射到PSD 表面时,由于横向电势的存在,产生光生电流0I ,光生电流就流向两个输出电极,从而在两个输出电极上分别得到光电流1I 和2I ,显然210I I I +=。而1I 和2I 的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设PSD 表面分流层的阻挡是均匀的,则PSD 可简化为图(b)所示的电位器模型,其中1R 、2R 为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻,显然1R 、2R 正比于光点到两个输出电极间的距离。
图1—1(a) 图1—1(b)
图1—1 PSD 工作原理图
因为 I o =I 1+I 2
I 1/I 2=R2/R1=(L-X)/(L+X)
所以可得 X=[(I 2-I 1)/I o ]
当入射光恒定时,0I 恒定,则入射光点与PSD 中间零位点距离X 与12I I 成线性关
系,与入射光点强度无关。通过适当的处理电路,就可以获得光点位置的输出信号。
三、PSD 位置传感器实验系统组成:主要由PSD 传感器位移装置模块与PSD 传感器实
验模板组成。
四、需用器件与单元:
主机箱±15V 直流电源、20V 档电压表;PSD 传感器位移装置模块;PSD 传感器实验模板。
五、实验步骤:
1、按下示意图接线
PSD 位置传感器实验接线示意图
2、调节调零与增益(标定):打开主机箱电源,调节位移平台上的千分尺(测微头)停留在6.5mm 刻度处(PSD 处在上下位移的中间位置),调节实验模块上的增益为最大(顺时针调节)再调节调零旋钮使电压显示为0。上、下(位移方向)调节位移平台上的千分尺(每转一周为0.5mm)为±2.5mm 时,调节增益使电压表分别对应显示±2.5V 。再调节千分尺停留在6.5mm 刻度处调节调零旋钮使电压显示为0。增益—调零这个调节过程重复3次以上则标定完成。
3、PSD位置传感器实验:调节千分尺,每转动一周(0.5mm)记录数据填入下表中
表 PSD位置传感器位移值与输出电压值(重复几次实验)
4、根据表中的实验测试数据,作出X-V实验曲线,计算系统指标:线性度、重复性、迟滞等等。
实验四 CCD传感器应用测量实验
一、软件安装与删除(如已安装则省略)
A、光盘内软件安装:
请使用正版WINDOWS系统!
进入CCD测量系统安装软件,可以看到如图4-1的安装程序:
图4-1 安装程序界面
双击“setup.exe”,进入软件开始安装界面,如图4-2:
图4-2 开始安装界面
退出安装按“取消”,继续安装按“下一步”,按“下一步”,进入用户信息界面,如图4-3:
图4-3 用户信息界面
输入用户信息后,按“下一步”,进入安装文件夹界面,如图4-4:
图4-4安装文件夹界面
确定好合适的安装文件夹后,按“下一步”,进入快捷方式文件夹界面,如图4-5:
4-5 快捷方式文件夹界面
确定好快捷方式文件夹后,按“下一步”进入准备安装界面。如图4-6:
图4-6 准备安装界面
返回设置按“上一步”,取消安装按“取消”,继续安装按“下一步”,按“下一步”后即开始安装。如图4-7
图4-7 安装界面
安装过程中进行执行文件过程,有如图4-8:
图 4-8 执行文件界面
在执行文件过程中,会运行CCD驱动安装,如图4-9:
图4-9 安装驱动开始界面
按“Next”继续安装,进入图4-10界面:
图4-10
按“Next”后继续安装。结束出现如图4-11安装结束界面:
图4-11 安装完成界面
按“Finish”按钮,显示图4-12安装完成界面:
图4-12 安装成功界面
如果您希望在 Windows 98 系统上安装此软件,则在安装程序安装结束后,再执行安装好的目标程序文件夹中的mdac_typ.exe 程序。如图4-13。
图4-13 mdac_typ.exe文件夹
双击mdac_typ.exe,即开始安装,安装完毕重启计算机即可。
B、插入USB接口时计算机驱动软件安装:
插入USB接口后,在某些版本操作系统计算机界面上会出现图4-14界面:
图4-14
直接按“下一步”,一会儿后出现图4-15界面:
图4-15
按“仍然继续”,直到出现图4-16界面,按“完成”完成安装。
图4-16
在XP系统中,在屏幕右下叫发现新硬件后,提示新硬件已安装并可以使用才表示软件与驱动安装正常。
安装完成后,打开程序执行文件CCD_MDA.exe,点击“采集”,如果没有红线出现(即无法正常采集),则重起计算机,再次运行执行文件CCD_MDA.exe,如还不行,则卸载后再次安装。
C、软件删除:
点击开始——程序——CCD直径测量系统——卸载CCD直径测量系统,即进入卸载的确定操作界面。如图4-17:
图4-17 确认卸载界面
按否(N)取消卸载,按是(Y)开始卸载。卸载完成后出现如图4-18卸载完成界面:
图4-18 卸载完成界面
此时按“关闭”后出现图4-19驱动删除界面。
图4-19 驱动删除界面
上一界面结束后,出现图4-20界面。
图4-20
按“确定”出现图4-12界面,按“完成”即删除驱动程序。
二、实验
(一)、实验目的:了解CCD测量仪进行尺寸检测的原理和方法。
(二)、实验原理:如图4-1,在CCD显示屏前向前发射一束平行光到测量屏上,ac为被测物。CCD经过透镜成像到CCD屏上,成像到CCD后bc区域为被测物的成像,dc为整个CCD 成像区域。由于被测物距离透镜距离一定,ac/bc为一常数。从而可以利用此标定常数进行测量。
图4-1 CCD测量仪原理图
(三)、实验器件与单元:主机箱中的+15V直流稳压电源;CCD测量仪、测量图形卡;三角尺或直尺(能测量30mm左右长度、自备)、计算机(自备)。
(四)、实验步骤:
1、CCD测量仪的示意图如图4-2所示:圆筒内部装有带驱动器的CCD传感器总成和光源,圆筒外表端部装有USB数据通讯连接线和光源电源插座;封闭的长方体端盖作为测量屏,在它的侧顶端留有一条狭缝作为测量图形卡的插入槽,实验时将测量图形卡的插入处狭缝中。
图4-2 CCD仪器示意图
2、将CCD测量仪的专用电源线与主机箱+15V直流稳压电源相连(红色连线为正,黑色为地)。
3、开启电脑,将CCD测量仪的USB数据通讯连接线与电脑相连;启动执行文件CCD_MDA.exe,此时显示屏上出现图4-3启动界面。
图4-3启动界面
4、软件主要功能是进行直径与图像采集。在直径测量时,软件提供了标定功能。标定时,先将一长方形测量图形卡用三角尺测量图形卡长方形的长边长(24mm)后插入CCD测量仪
图4-4 软件标定界面
的插槽中,在图4-3的界面点击“直径测量”后显示图4-4界面,在图4-4界面左下角填入标定密码(glccd)后按确定,再在“标定”下面的标准值中填入长方形的长边长24。在左边上方的“照度”后面的方框里填入标定照度(下次直径测量时就以此照度为准,一般为150左右,可根据实际所需照度改动),填入后出现如图4-5保存标定对话框。按“确定”保存此时标定值。再按“标定”中的“退出标定”退出软件标定。
图4-5 保存标定对话框
进行直径测量:将圆形测量图形卡插入CCD测量仪的插槽中,单击“直径测量”按钮。出现直径采集后界面图象,如图4-6:在图象左边看出测量结果。
图4-6 直径采集界面
5、重复按“直径测量”4次,记录每次实测值。填入表4-1。计算5次平均值与实际测量值的误差,计算出相对误差。
表4-1 被测物的实测值
6、实验数据的保存与查阅:直径测量后可点击“保存”进行实验曲线数据的保存。实验曲线数据保存在数据库中,如图4-7。点击图4-7中的空白数据栏,点“保存”进行实验数据的保存。
图4-7数据库界面
要查阅实验数据可点击“数据”,显示图4-8实验数据界面,在这里可以查看所测量得到的全部照度数据。每页显示100位数据,可以按“上一页”、“下一页”来查看数据,也可以跳到某一页查看实验数据。
图4-8实验数据界面
7、图像测量:
图像测量标定:先将一长方形测量图形卡用三角尺测量图形卡长方形的长边长(24mm)后插入CCD测量仪的插槽中,点击“图像测量”后显示图4-9界面。在界面左下“标定”框的“密码”后面的方框中填入正确的密码(glccd)后按确定,然后在标定值中填入标定长
度24,再在左上方“搜索线”的“截线高度”框中输入最理想(经验值260~280)值,界面图像中显示出兰色截线与随机测量线(红色线X1、X2)。此时,不要理采测量线(红色线X1、X2),重新在兰色截线与图形两边线交点各点一点作为标定区间,这时界面左下标定框下面可以看到作为标定区间的2点坐标。然后按“保存标定”保存标定值,图像测量标定结束。
图4-9图像测量标定界面
a:长度测量
将一长方形测量图形卡插入CCD测量仪的插槽中,点击“图像测量”后显示图4-10界面。
图4-10
再在“搜索线”中的“截线高度”框内输入数值(经验值260~280),再点击“测量选择”中的“长度计算”,显示图4-10界面。
图4-11
此时软件自动随机测量被测物宽度(红色线X1、X2),不要理采测量线,而是在兰色截线与图象左右两端的边线交点各点一点,就会得一红色连线连接此两点(与兰线重合看不到红色线,偏离兰线能看到红色线),同时在界面左边显示测量结果,如图4-12。
图4-12
b:圆面积测量
将一圆测量图形卡插入CCD测量仪的插槽中,点击“图像测量”后显示图4-13界面。
图4-13
读入图象后,先点下“测量选择”中的“圆面积”按钮,再在读出的圆形图象的边缘随机找三点,点完三点后,可以到图象中的三点由红色直线连接成一三角形,而蓝线刚好做成了三角形的外切圆,同时在界面左边显示测量圆的面积与半径。如图4-14。
图4-14
c:三角形测量:
将一三角形测量图形卡插入CCD测量仪的插槽中,点击“图像测量”后显示图4-15界面。
图4-15
读入图象后,先点下“测量选择”中的“三角形面积”按钮,再在读出的三角形的三个顶点各点一次,点完三点后,可得到图象中的三点由红色直线连接成一三角形,在界面左边显示测量三角形面积和各边长。如图4-16。
图4-16
d:四边形测量:
将一四边形测量图形卡插入CCD测量仪的插槽中,点击“图像测量”后显示图4-17界面。
图4-17
读入图象后,先点下“测量选择”中的“四边形面积”按钮,再在读出的四边形的四个角按顺序(顺时针或逆时针)各点一次,点完四点后,可以到图象中的四点由红色直线连接成一个四边形,同时在界面左边显示出了四边形面积和各边长。如图4-18。
图4-18
8、图像保存:图像测量后可点击保存按钮,出现如图4-19保存图象对话框,选择好图象名后(*.bmp格式),按“保存”按钮即完成图象保存。
图4-19图像保存
(五)、误差分析:
1、透镜曲面具有一定的非线性成像误差,所以CCD感光以后也会出现相关误差,导致测量结果也有相应的误差。
2、CCD象素的影响。本实验中使用的是水平640象素的CCD,在实验中,标定系数
和CCD的象素有着反函数的关系。所以,象素越高,误差也就越小。
3、由于成像的边缘为一个过度区,在过度区内都可以进行测量,但选择不同的照度对测量结果会有一定影响,产生误差。
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