传感器技术与应用实验指导书

《传感器技术及应用》实验指导书陈益民岳克宁广东工业大学信息工程学院二００九年四月修订1前言《传感器技术及应用》课程配套开设了8学时的实践性实验环节，目的在于检验学生对传感器理论知识的掌握程度，引导学生将理论知识应用到实践中，并将电子技术、测试技术、计算机技术与传感器技术融合在一起，拓宽传感技术的应用领域，逐步建立工程应用的概念。通过实验，帮助广大学生加强对书本知识的理解，培养学生实际动手能力,增强学生对各种不同的传感器及测量原理如何组成测量系统有直观而具体的感性认识；培养学生对材料力学、电工学、物理学、计算技术等知识的综合运用能力；同时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。传感器实验全部安排在“CSY型传感器系统综合实验仪”上进行。实验一～实验三为必做实验，实验四为选做实验；实验五为综合性实验，该综合性实验课内学时只安排２学时，因此实验方案及程序设计要求在实验课外时间完成。2目录实验一金属箔式应变片及转换电路性能……………………3实验二电容式传感器静特性测试与动特性观测……………9实验三霍尔传感器的应用――位移及振幅测量…………13实验四振动信号的多种传感器测量与比较（选做）………18实验五工程量的多传感器测量与信号分析处理（综合性）…24附录一CYS型传感器系统综合实验仪使用指南………………34附录二CYS综合实验仪信号处理常用模块电路原理图…………38附录三PCI-6024E数据采集卡的安装检验与参数设置……………3实验一金属箔式应变片及转换电路性能实验项目名称：金属箔式应变片及转换电路性能实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、实验目的1、了解应变片的测试原理与应用领域；2、掌握应变片测试方法及典型转换电路原理；3、通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态特性性能指标的过程和方法。二、实验内容和要求1、观察金属箔式应变片的结构、贴片方式以及接桥方式；2、测试应变梁变形时的应变输出；3、比较应变片不同接桥方式对电桥输出结果的影响。4、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：①悬臂梁及金属箔式应变片；②电桥模块；③差动放大器；④直流稳压电源（±4Ｖ档）；⑤测4微头；⑥毫伏表。2、若干接插连接实验导线。3、万用表（非必需）。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理应变片是最常用的测力传感元件。当使用应变片进行测试时，首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当测件受力发生变形，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值也随之发生相应变化。之后，再通过测量转换电路，将电阻值变化转换成电压信号输出显示。直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂电阻阻值乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。若设电桥桥臂的四个电阻初始值分别为：R1＝R2＝R3＝R4＝R，当测试体表面产生变形，则其电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3和△R4/R4。当使用一个应变片时，可组成半桥单臂电桥，在电阻变化量△R较小的情况下，电桥输出电压为U0＝RRU4；当使用二个应变片差动联接，组成半桥双臂电桥，则有U0＝RRU2；而用四个应变片组成全桥形式，则输出电压为U0＝RRU。由此可见，半桥单臂、半桥双臂和全桥电路的灵敏度是依次增大的。通过本实验，可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂、半5桥双臂电桥和全桥的原理及工作性能。二）实验步骤及结果测试1、仪表及电路调零任何测试仪器或仪表，在使用前均需调零。本实验需要调零的部件是毫伏表、直流电桥和差动放大器。①毫伏表调零。将综合实验仪上的毫伏表输入端对地短接，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短接线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。②差动放大器调零。开启仪器电源，将差动放大器增益调至适中位置（调节旋钮旋到中位附近），差动放大器的“＋、－”输入端用实验线对地短路，放大器输出端接毫伏表或数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压至零。然后拔掉短接实验线。注意：调零后，放大器增益调节旋钮和“调零”电位器的位置不要改变。若两者任一旋钮位置有变，需重新进行调零。2、半桥单臂接桥方式测试①接桥。按图１半桥单臂电桥测试接线原理图，将实验模块用实验线连接成测试电桥。桥路中R1、R2、R3（因实验设备不同，实验设备上的电阻标记可能有差异）和WＤ为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为箔式应变片（可任选悬臂梁上、下面上的任一金属箔式应变片作为工作片）。直流激励电6源为±4Ｖ。RR4VDWR34VR2V1②测微头置位。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上。初始时，测微头一般位于悬臂梁上方，不与梁接触。测微头置位，即是调节测微头旋转，通过顶杆使应变梁处于基本水平状态。此时可认为悬臂梁上的应变片不受力，其电阻为应变片初始值。③直流电桥平衡调整确定按图1接线无误后，开启仪器电源，并预热数分钟。调整直流电桥WD电位器，使测试系统电压输出为零。此时可认为电桥处于平衡状态。④加载测试a、旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上或向下的移动，以水平状态下输出电压为零。测微头每转一圈，对应垂直移动0.5mm，相应记录差动放大器的一个输出电压值。向上或向下各移动5mm，记录十组数据，填入下表：位移x(mm)电压V(mv)图1半桥单臂电桥测试接线原理图7b、以与①相反的旋转方向（反向加载），用同样的方法测试，记录数据，填入下表：位移x(mm)电压V(mv)3、半桥双臂接桥方式测试保持差动放大器增益不变，将R1换成为与应变片R工作状态相反的另一应变片，形成半桥双臂电桥，调好零点，用同样方法，测出数据，填入下表：位移x(mm)电压V(mv)4、全桥接桥方式测试保持放大器增益不变，将R3、R2两个电阻换成另两片应变片，接成一个直流全桥电路，调好零点，将测出数据填入下表：位移x(mm)电压V(mv)注意事项：接通电源前，应仔细检查各电路连接是否正确，防止电源和信号源短路。用应变片组桥时应注意各应变片的受力状态。毫伏表和差动放大器使用前都要调零。显示仪表量程宜从高档转换到低档，信号幅值宜从小到大。8五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求执行。2、在同一坐标纸上，绘出以上每种测试条件下的测量数据(输入－输出)x－Ｖ曲线，绘出数据表格要标明物理量和单位。3、分析实验数据，依此计算传感器的灵敏度和线性度？并认真绘制出传感器性能曲线。4、比较三种接桥方法的灵敏度。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。六、思考题1、若要计算系统的回程误差，测试数据该如何处理？2、图１中，若R和R1～R3均为应变片，接桥时未能接成差动形式，系统能否正常工作？为什么？3、实验中，在电桥的三种状态（半桥单臂、半桥双臂和全桥）下测试，为什么要求保持差动放大器的增益不变？9实验二电容式传感器静特性测试与动特性观测实验项目名称：电容式传感器静特性测试与动特性观测实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、实验目的1、掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。2、掌握电容传感器特性的实验测试方法。3、了解电容式传感器的工程应用。二、实验内容和要求1、观察传感器综合实验仪上电容式传感器的结构型式。2、了解电容变换器的转换原理（参见附录二）。3、电容式传感器静特性测试。4、电容式传感器动态测试。5、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：①电容式传感器；②电容变换器；③差动放大器；④低通滤波器；⑤低频振荡器；⑥测微头。⑦10毫伏表或数字电压表。2、双线示波器及实验连接导线若干。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法根据两金属极板间电容的计算式C＝εS／δ，可知电容式传感器有三种型式。本实验仪器中为差动变面积型，电容传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组定片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为两差动式电容。若将上层定片与动片形成的电容设为CX1，下层定片与动片形成的电容设为CX2，当将CX1和CX2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容接入其它转换电路）时，则电路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。电容式传感器的实验原理框图如下：低通Cx2电容变换器Cx1差放电压表图2电容传感器实验原理框图二）实验步骤及结果测试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。112、电容传感器静态特性测试①按图2原理接线。将电容变换器的增益调至适中。电容变换器的转换原理图详见附录二。②旋动测微头，使测微头与振动台接触，并带动振动台移动。当电容动片位于两电容定片对称位置时，此时差动放大器输出应为零。③以此为起点，向上或向下每次0.5mm（测微头旋转一圈）移动动片，直至动片与一组定片全部重合为止。记录数据，并作出x－V曲线。位移x(mm)电压V(mv)④以相反方向逐步旋转测微头至初始位置，用与③相同方法，记下x(mm)及V(mv)。位移x(mm)电压V(mv)3、电容传感器动态特性观测①将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线；②接通激振器I（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低通和差放输出波形，并记录波形。③改变激振器I频率，重复观测，注意波形的变化。12注意事项电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍作调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。如果用示波器观察到差动放大器输出端波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减少。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等特性指标。4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。六、思考题1、实验原理图2中，信号处理过程是先滤波再放大，能否先放大再滤波？观察两种状态下的波形输出。2、拟合直线的选取方法有哪几种？不同拟合直线得出的传感器静态特性指标的数值会一致吗？此时该如何合理评价传感器的特性？13实验三霍尔传感器的应用――位移及振幅测量实验项目名称：霍尔传感器的应用――位移及振幅测量实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、实验目的1.了解霍尔位移传感器的工作原理与结构，学会用霍尔传感器进行位移测试；2.了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。二、实验内容和要求1、观察传感器系统综合实验仪上霍尔位移传感器的结构；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振动测试；4、交流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试；5、进行实验前，先预习信号幅值调制的原理。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实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移相器；⑧相敏检波器；⑨低通滤波器；⑩音频振荡器。14差放电压表2V2VWDR2、双线示波器；3、接插连接实验导线若干。四、实验方法、步骤及结果测试一）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中上下移动时，输出的霍尔电势U0取决于其在磁场中的位移量x，即U0＝kx，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的位移量。二）实验步骤及结果测试1、霍尔传感器静态位移测