电气测量技术-实验

使用说明CSY系列传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励激、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁，梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。热电式（热电偶）：串接工作的两个铜一康铜热电偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。分度表见实验指导书。热敏式：上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25℃时阻值为8~10K。P-N结温度式：根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的温度传感器。压电加速度式：位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈所安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。电感式（差动变压器）：由初级线圈Li和两个次级线圈L。绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围10mm。电容式：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。磁电式：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。霍尔式：HZ-1半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。电涡流式：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围1mm。光电式传感器装于电机侧旁。两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，工作时能获得高于温度30℃左右的升温。以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。两只测微头分别装在左、右两边的支架上。二、信号及显示部分：位于仪器上部面板低频振荡器：1~30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。音频振荡器：0.4KHz~10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180°、0°为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。直流稳压电源：±15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A。±2V~±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。数字式电压/频率表：3位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度≥50mV，频率显示5Hz~20KHz。指针式直流毫伏表：测量范围500Mv、50mV、5mV三档，精度2.5%。三、处理电路：位于仪器下部面板电桥：用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。差动放大器：增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。光电变换器：提供红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。电容变换器：由高频振荡、放大和双T电桥组成。移相器：允许输入电压20Vp-p，移相范围±40°（随频率有所变化）。相敏检波器：极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压20Vp-p。电荷放大器：电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。电压放大器：增益5倍的高阻放大器。涡流变换器：变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。温度变换器：根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相12应变化的变换电路。低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的±15V工作电源，进行实验时请勿关掉。指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：1．应变片及差动放大器，参考附图2进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。各接线图两个节点间即为一实验接插线，接插线可多根迭插，为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转。2．半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。3．热电偶，按附图4接线，加热器接15V电源，另一端接地，观察随温度升高热电势的变化。4．热敏式，按附图5接线，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温度升高“V0”端输出电压变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。5．P-N结温度式，进行P-N结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T。6．进行“移相器实验”，用双踪示波器观察两通道波形。7．进行“相敏检波器实验”，相敏检波端口序数请参照附图6，其中4端为参考电压输入端。8．进行“电容式传感器特性”实验，接线参照附图7。当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器V0端电压应正负过零变化。9．进行“光纤传感器——位移测量”，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微头带动反射片位置变化，从“V0”端读出电压变化值。光电变换器“F0”端输出频率变化方波信号。测频率变化时可参照“光纤传感器——转速测试”步骤进行。10．进行光电式传感器测速实验，VF端输出的是频率信号。11．将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端、输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。12．进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。13．进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，接线参照附图9，直流激励信号绝对不能大于±2V，否则一定会造成霍尔元件烧坏。14．进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形，参见附图12。15．进行“压电加速度传感器”实验，接线参见附图13。此实验与上述第12项内容均无定量要求。16．进行“电涡流传感器的静态标定”实验，接线参照图11，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。17．如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及处理说明。数据采集卡已装入仪器中，其中A/D转换是12位转换器，无漏码最大分辨率1/2048（即0.05%），在此范围内的电压值可视为容许误差。所以建议在做小信号实验（如应变电桥单臂实验）时选用合适的量程，以正确选取信号。仪器后部的RS232接口请接计算机COM2口串行工作。否则计算机将收不到信号。仪器工作时需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。仪器的型号不同，传感器种类不同，则检查项目也会有所不同。上述检查及实验能够完成则整台仪器各部分均为正常。实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。实验工作台上各传感器部分如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方，环形圆片代替砝码做称重实验。实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度0℃~40℃。实验一霍尔传感器的应用――位移与振幅测量一、实验目的：1、了解霍尔位移传感器的工作原理和结构，学会用霍尔传感器进行位移测试；2、了解霍尔传感器在震动测量中的应用。二、实验内容和要求1、观察传感器综合试验仪上霍尔式位移传感器的结构；2、直流激励下，用霍尔位移传感器进行静态位移测试；3、直流激励下，用霍尔位移传感器进行震动测试；三、实验所需部件：1、CYS型传感器系统综合试验仪；本次实验所用模块包括：①直流稳压电源；②霍尔传感器；③电桥；④差动放大器；⑤毫伏表；⑥测微头；⑦低通滤波器2、双踪示波器；3、接插连接实验导线若干。四、实验方法、步骤与结果测试：图1（一）、实验原理及方法实验台上的霍尔传感器，由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当保持霍尔元件的控制电流I恒定，在与霍尔元件控制电流相垂直的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场上下移动时，输出的霍尔电势U0取决于其在磁场中的位移量x，即U0=kx，所以测得电势大小就可知道霍尔元件的位移量。（二）、实验步骤及结果测试1、霍尔传感器位移测试①相关仪表和电路调零差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。②按图1直流激励接线③旋转测微头，使测微头顶杆与振动盘接触。调节振动盘上下位置，使霍尔元件基本位于梯度磁场的中间位置。④开启电源，调节测微头和电位器WD，使差放输出为零。⑤
上下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取响应电压值，并记入下表。上移：位移x(mm)00.511.522.533.544.5电压Uo(mv)－＋WDR2V差放电压表下移：位移x(mm)4.543.532.521.510.50电压Uo(mv)2、直流激励下霍尔传感器震动测试①仍按图1直流激励接线，使系统调零，并松开测微头，使其脱离振动台。②将低频振荡器接“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。③进一步提高低频振荡器的振幅，用示波器观察差动放大器的输出波形。④改变激振器I的频率，进行观测，注意波形的变化。⑤记录输出波形。五、思考题1、用霍尔元件做位移测量时，为什么只允许工作在梯度磁场范围？2、振幅测量时，输出波形出现顶部或底部削峰现象，说明什么？六、注意事项①直流激励电压只能是2V，否则霍尔元件会烧坏；②务必认清楚霍尔元件的激励端和输出端，不能接错，否则霍尔元件会烧坏；实验二电涡流传感器电机测试实验一、实验目的了解电涡流式传感器的实际应用。二、实验原理当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。三、实验所需部件电涡流传感器、电涡流变换器、测速电机及转盘、电压/频率表、示波器。四、实验步骤1．电涡流线圈支架转一角度，安装于电机转盘上方，线圈与转盘面平行，在不碰擦的情况下相距越近越好。2．电涡流线圈与涡流变换器相接，涡流变换器输出端接示波器，开启电机开关，调节转速，调整平面线圈在转盘上方的位置，用示波器观察，使变换器输出的脉动波较为对称。3．仔细观察示波器中两相邻波形的峰值是否一样。4．将电压/频率表2KHz档接入涡流变换器输出端读取得脉动波形值，并与示波器读取的频率作比较。（转盘的转速=脉动波形数÷2）五、思考题1.若示波器中两相邻波形的峰值不一样，则说明什么？2.转盘的转速与脉动波形数满足什么关系式？实验三光电传感器的应用―光电转速测试一、实验目的：了解光电开关的原理和应用。二、实验原理：光电开关由红外发射、接收及整形电路组成，为遮断式工作方式。三、实验所需部件