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自动检测技术实验指导书何宁电信学院自动化系2008年7月目 录实验一箔式应变片性能单臂电桥实验二箔式应变片三种桥路性能比较实验三半导体应变片直流半桥测试系统实验四差动变压器性能实验五差动螺管式电感传感器位移测量实验六光纤位移传感器位移测量实验七霍尔式传感器的直流激励特性实验八霍尔式传感器的交流激励特性实验九电涡流式传感器的静态标定 实验十被测材料对电涡流传感器特性的影响实验十一电容式传感器特性实验十二电机测速实验电涡流传感器转速测量光纤传感器转速测量 光电传感器的应用光电转速测试实验一箔式应变片性能单臂电桥一、实验目地：观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。测试应变梁变形的应变输出。比较各桥路间的输出关系。二、实验原理：本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1R2R3R4R，。由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。三、实验所需部件：直流稳压电源（4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。四、实验步骤： 1调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“、”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，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按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为4V。 4V RR24V R3 R1WDV图 （1）测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。3确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。4旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。（或在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，进行上述实验）。位移mm电压V根据表中所测数据计算灵敏度S，SXV，并在坐标图上做出VX关系曲线。五、注意事项： 1实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。 2接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。 3稳压电源不要对地短路。实验二 箔式应变片三种桥路性能比较一、实验原理：说明实际使用的应变电桥的性能和原理。已知单臂、半桥和全桥电路的R分别为R/R、2RR、4RR。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4ER，电桥灵敏度KuVRR，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E、1/2E和E.。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。二、实验所需部件 直流稳压电源（4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。三、实验步骤： 1在完成实验一的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。2重复实验一中34步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。3在同一坐标上描出VX曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。四、注意事项： 1应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。2直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。3由于进行位移测量时测微头要从零正的最大值，又回复到零，再负的最大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负的X的灵敏度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。实验三半导体应变计直流半桥测试系统一、实验目的：通过实际运用半导体单臂电路与半导体半桥电路进行性能比较。二、实验所需部件： 直流稳压电源、电桥、差动放大器、半导体应变计、测微头、电压表三、实验步骤： 1按图（5）接线，电桥中R和R为半导体应变计。 2按上一实验步骤测出V，X值，画出VX曲线，求出灵敏度。2V RR2V R RWDV差放R图（5）四、注意事项：此实验的测试条件应与实验一一致。实验四差动变压器性能一、实验目的：了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。二、实验原理：差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。其原理及输出特性见图（9）R1LK1R3R2LoLoMaMbLv 4KHZ 示波器第一通道 第二通道图（9）图（10）三、实验所需部件：差动变压器、音频振荡器、测微头、示波器。四、实验步骤： 1按图（10）接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出，双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv格。2音频振荡器输出频率4KHZ，输出值VPP 2V。3用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。4旋动测微头，带动差动变压器衔铁在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压VPP值，读数过程中应注意初、次级波形的相位关系。位移mm电压V 5仔细调节测微头使次级线圈的输出波形为最小，这就是零点残余电压。可以看出它与输入电压的相位差约为2，是基频分量。6根据表格所列结果，画出Vop-pX曲线，指出线性工作范围。五、注意事项： 示波器第二通道为悬浮工作状态。实验五差动螺管式电感传感器位移测量一、实验原理：利用差动变压器的两个次级线圈和衔铁组成。衔铁和线圈的相对位置变化引起螺管线圈电感值的变化。次级二个线圈必须呈差动状态连接，当衔铁移动时将使一个线圈电感增加，而另一线圈的电感减小。二、实验所需部件： 差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微头。三、实验步骤： 1差动变压器二个次级线圈组成差动状态，按图（13）接线，音频振荡器LV端做为恒流源供电，差动放大器增益适度。差动变压器的两个线圈和电桥上的两个固定电阻R组成电桥的四臂，电桥的作用是将电感变化转换成电桥电压输出。 2旋动测微头使衔铁在线圈中位置居中，此时LoLo，系统输出为零。 3当衔铁上、下移动时，LoLo，电桥失衡就有输出，大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁移动方向有关，衔铁向上移动和向下移动时输出波形相位相差约180，由于电桥输出是一个调幅波，因此必须经过相敏检波器后才能判断电压极性，以衔铁位置居中为起点，分别向上、向下各位移5mm，记录V，X值，做出VX曲线，求出灵敏度。移相器1 2差放 音频振荡器 LV R2低通检波电压表WDR3WALoLo图（13）实验六光纤位移传感器位移测量一、实验原理： 反射式光纤位移传感器的工作原理如图（16）所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。输出电压（V）位移0 1 2 3 4 5 6 7mm光源光纤接收光纤X反射体X图（16）反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线二、实验所需部件：光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、示波器、电压表、支架、反射片、测微头。三、实验步骤： 1观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。 2将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片（即电涡流片）。 3振动台上装上测微头，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。旋动测微头，带动振动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小。然后旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.25mm取一Vo电压值填入下表，作出VX曲线。X00.250.50.751.01.251.51.752.02.252.52.753.03.253.53.754.0V得出输出电压特性曲线如图(16)所示，分前坡和后坡，通常测量是采用线性较好的前坡。4振动实验：将测微头移开，振动台处于自由状态，根据VX曲线选取前坡中点位置装好光纤探头。将低频振荡器输出接“激振I”，调节激振频率和幅度，使振动台保持适当幅度的振动（以不碰到光纤探头为宜）。用示波器观察Vo端电压波形。并用电压频率表读出振动频率。四、注意事项： 1光电变换器工作时Vo最大输出电压以2V左右为好，可通过调节增益电位器控制。实验时请保持反射镜片的洁净与光纤端面的垂直度。 3工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。 4注意背景光对实验的影响,光纤勿成锐角曲折。 5每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，请勿互换使用，光电转换器应与仪器编号配对，以保证仪器正常使用。实验七霍尔式传感器的直流激励特性一、实验目的： 了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。二、实验原理：霍尔式传感器是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。当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。三、实验所需部件： 直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头。WDR2V差放 电压表图（17）四、实验步骤： 1按图（17）接线，装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置。开启电源，调节测微头和电桥WD，使差放输出为零。上、下移动振动台，使差放正负电压输出对称。 2上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值。并记入下表，作出VX曲线，求出灵敏度及线性。X(mm)V(v)五、注意事项： 直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件。实验八霍尔式传感器的交流激励特性一、实验目的：了解霍尔传感器在交流信号激励下的特性。二、实验所需部件霍尔式传感器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、测微头、示波器。移相器1 2差放 相敏检波 WD R 180 WA 1KHZ 180 图（18）三、实验步骤： 1按图（18）接线组成测试系统，差动放大器增益适中。装上测微头，调整霍尔元件至梯度磁场中部。音频振荡器从180端口输出1KHZ，幅度严格限定在V-值5V以下，以免损坏霍尔元件。 2调整电桥WD、WA使系统输出最小。用示波器观察相敏检波器输出端波形，调节“移相”旋钮和电桥上、下移动振动台，使输出达最大值。 3调节测微头使霍尔元件回到磁路中间位置，调节测微头3.5mm，每隔0.5mm读出相应电压值。列表并作出VX曲线，求出灵敏度和线性度，并将其结果与直流激励系统相比较。四、注意事项：交流激励信号应从音频电压180端口输出，幅度严格限定VP-P5V以下，以免损坏霍尔片。实验九 电涡流式传感器的静态标定一、实验目的： 了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。二、实验原理： 电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。三、实验所需部件：电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表。四、实验步骤： 1安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表20V档。 2开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。 3用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。 4旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。将V、X数据填入下表，作出VX曲线，指出线性范围，求出灵敏度。五、注意事项：当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小。或是使传感器在初始状态有一死区。实验十被测材料对电涡流传感器特性的影响一、实验目的： 通过实验说明不同的材料使电涡流传感器特性的影响。二、实验所需部件： 电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表、铜、铝涡流片。三、实验步骤： 1按实验三十一方法安装好传感，开启电源。 2分别对铁、铜、铝被测体进行测量，记录数据，在同一坐标直作出VX曲线。 3分别找出各被测体的线性范围、灵敏度、最佳工作点（双向或单向），并进行比较。 4从实验得出结论：被测材料不同时灵敏度与线性范围都不同，必须分别进行标定。实验十一 电容式传感器特性一、实验目的掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。二、实验原理电容式传感器有多种型式，本仪器中是差动变面积式。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，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入桥路作为相邻两臂时，桥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。三、实验所需部件电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头。CX2电容变换器 低 通 差放 电压表CX1图（21）四、实验步骤 1按图（21）接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。2装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。3以此为起点，向上和向下位移动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。记录数据，并作出VX曲线，求得灵敏度。X(mm)0V(v)4低频振荡器输出接“激振I”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。五、注意事项 1电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。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。2如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。实验十二 电机转速测试实验一、实验目的：利用已学过的传感器进行电机测速，培养和考察学生综合知识应用能力和实际动手能力。二、实验要求：1、进行电机测速的传感器有：霍尔式传感器、电涡流式传感器、光纤传感器、光电传感器、磁电传感器等。2、自行设计实验方案，要求在CSY2001B型传感器系统综合实验台上用两种以上传感器进行电机转速测量，并进行比较做出定性的结论。三、参考实验设计方案：实验方案一：电涡流传感器转速测量实验方案二：光纤传感器转速测量实验方案三：光电传感器转速测量（附）1，电涡流式传感器测速应用一、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，如有差异则说明线圈与转盘面或