现代检测技术实验指导书(2)

1、现代测控系统实验指导书实验一：应变片测量电桥性能测试一 实验类型：验证性实验二 目的和任务了解电桥电路在应变片测量中的应用；在了解电桥电路特性的基础上，设计采用双臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法的电桥电路，以矩形悬臂梁为弹性元件，探讨双臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法对应变片式位移传感器测量精度的影响。三 预习要求：1学习电桥电路的基本原理2了解双臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法的电桥电路异同点3设计双臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法的电桥电路四 实验基本原理由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测量电桥的输人电压为U0，输出电压为U ，各桥臂的电阻分别为R1、R2、R3

2、、R4，则：（1）测量电桥灵敏度：（2）当采用双臂工作的半桥接法时，见图1a，若R1R2R，有：（3）代入公式（1）（2）得： （4）当采用四臂工作的全桥接法时，见图1b，若R1R2R3=R4=R，有：（5）代入公式（1）（2）得： （6）（a）双臂工作的半桥接法 （b）四臂工作的全桥接法图1 电桥电路弹性元件采用40Cr钢制成的矩形梁，梁长度Z=38mm，厚度h=5.2mm，宽度b=10mm根据材料力学中梁的应力分析，对矩形梁应变为： （7）式中E为40Cr钢的弹性模量，E =19.63 X 1010N/m2 ，F为外加载荷。五 实验仪器与设备电桥电路，直流电源，万用表，静态电阻应变仪，应变

3、片六 实验内容1按照理论公式和所采用应变片技术参数计算应变片在不同载荷下的理论应变值，记录到表1中；2按图1a连接实验电路，在AC点加直流电压U0，通过测量BD间电压U计算半桥接法情况下应变片在不同载荷下的应变值，记录到表1中；3按图1b连接实验电路，在AC点加直流电压U0，通过测量BD间电压U计算全桥接法情况下应变片在不同载荷下的应变值，记录到表1中；4比较表1中三组数据，总结半桥接法测量和全桥接法测量的优缺点。表1F/N理论值半桥接法全桥接法七 实验步骤1、 按图1a连接实验电路，在AC点加直流电压U0，改变应变片上的载荷，同时用万用表测量BD间电压U，计算半桥接法情况下应变片在

4、不同载荷下的应变值；2、 按图1b连接实验电路，在AC点加直流电压U0，改变应变片上的载荷，同时用万用表测量BD间电压U，计算全桥接法情况下应变片在不同载荷下的应变值；八 注意事项整理实验数据，列表比较实验结果和理论估算值，分析误差原因。九 实验报告要求认真记录实验结果并分析，要求实验报告书写工整。实验二：霍尔传感器性能测试及应用一 实验类型：验证性实验二 目的和任务了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。三 预习要求1霍尔式传感器的原理2预习实验中相关的电路知识四 实验基本原理静止的载流导体位于磁场中(三个条件，静止、通电导体、磁场)，当电流I的方向与磁场的方向有一定夹角时，在垂直于电

5、流和磁场方向的载流导体的两侧面之间会产生电动势，电流方向与磁场方向垂直时，产生的电动势最大，这一现象称为霍尔效应。霍尔效应的本质是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起偏转，当带电粒子被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向产生正、负电荷的聚集，从而在材料中形成附加的横向电场。霍尔效应原理图霍尔效应一般极为微弱，但在高纯度的半导体中比较明显，因为半导体材料的载流子迁移率很高，电阻率也比较大。实用中为提高霍尔元件的灵敏度，将元件制成很薄、很小的矩形。过去霍尔元件的尺寸都在毫米数量级，新的制作工艺(真空镀膜)已使霍尔元件的尺寸更小，仅为微米数量级。所以实验中要严格按要求施加工

6、作电流，注意安全，保护仪器。霍尔效应已在科学实验和工程技术中得到广泛应用。霍尔传感器主要用在以下几个方面：测量磁场强度；测量交直流电路电流强度和电功率；转换信号，如将直流电流转换成交流电流；对各种非电量的物理量进行测量并输出电信号供自动检测、控制和信息处理，实现生产过程的自动化。无论工科或理科学生，了解这一极富实用性的实验，对将来的工作和学习都有帮助。五 实验仪器与设备霍尔片、磁路系统、差动放大器、电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波、低频振荡器、音频振荡器、振动平台、主、副电源、激振线圈、双线示波器。六 实验内容以实验电路板为实验平台，用示波器观察脉宽调制信号，并记录不同频率下的峰峰值，通过对

7、数据进行分析得出霍尔器件的性能。七 实验步骤（1）开启主、副电源，差动放大器输入短接并接地，调零后，关闭主、副电源。（2）根据电路图结构，将霍尔式传感器，直流稳压电源，电桥平衡网络，差动放大器，电压表连接起来，组成一个测量线路（电压表应置于档，基本保持实验电路），并将差放增益置最小。(3) 开启主、副电源转动测微头，将振动平台中间的磁铁与测微头分离并远离，使梁振动时不至于再被吸住（这时振动台处于自由静止状态）。(4) 调整电桥平衡电位器W1和W2，使FV表指示为零。(5) 去除差动放大器与电压表的连线，将差动放大器的输出与示波器相连，将FV表置KHz档，并将低频振荡器的输出端与激振线圈相连后再

8、用F表监测频率。(6) 低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节低频振荡频率（频率表监测频率），用示波器读出低通滤波器输出的峰峰值填入下表：f（Hz）Vpp八 注意事项1实验前断开检查电源输出的电压电流是否符合要求2实验前检查电源是否正确连接3应仔细调整磁路部分，使传感器工作在梯度磁场中，否则灵敏度将大大下降。九 实验报告要求通过示波器观察信号，并记录分析，应用所学知识（综合型实验内容），进一步设计电路。实验报告书写工整。实验三：压电传感器性能测试及应用一 实验类型：验证性实验二 目的和任务1、熟悉记忆示波器和电荷放大器使用方法；2、用活塞式压力计标定传感器的电荷灵敏度系数；三 预习要求1.

9、压电传感器的原理；2. 学习示波器的使用方法；四 实验基本原理1、理想数学模型：准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率）：输入（压力）和输出（电荷）近似成线性关系(石英压力传感器的线性度较好)；动态载荷（输入信号特征频率接近甚至高于传感器固有频率）：二阶线性系统模型。2、真实情况和数学模型之间的偏差：电荷泄漏：理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大，而真实传感器的绝缘电阻并非无穷大（石英晶体：1013；压电陶瓷：1010），必将导致一定程度的电荷泄漏；另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进行放大，必然要从传感器中取一定电流，从而增加了传感器电荷的泄漏。所以通常的电荷放大器的输入级都

10、具有极高的输入阻抗，并要求设备防潮，以避免由于受潮带来的阻抗下降。但是，由于外加压力而产生的电荷量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号造成明显的影响，该影响不可忽略。电荷放大器的频率响应：对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二次仪表（电荷放大器）的低频响应有较高的要求，否则经过二次仪表的高通滤波，信号将会失真,因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数值。噪声：由于本实验采用的传感器量程很大（100 bar 300 bar），而实际载荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。但实验表明，以如此小的压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。五 实验仪器与设备1 记忆示

11、波器1台（TDS210）；2电荷放大器YE5850一台；3 活塞式压力计1台；4 石英压力传感器CY-YD-205 1只。六 实验内容1. 熟悉记忆示波器，看清各个调节旋钮的位置,对照说明书了解：（1）调节电压量程、时间量程方法；（2）触发方式、触发电平，触发位置等的设置方法； ( 3 ) 用光标读取电压、时间值的方法；（4）用TDS-210数据处理程序采集数据的方法。 以上方法的要点将在下面的实验步骤中说明.2 熟悉电荷放大器，看清面板上各种按钮的位置（1）灵敏度设置、输出设置方法；（2）下限、上限频率设置方法。 以上方法的要点将在下面的试验步骤中说明。3 熟悉活塞式压力计（1）打开油杯阀门

12、，向外旋转活塞把油吸入活塞，关闭油杯阀门，向右旋转活塞手轮，压力表显示已加载压力。（2）用砝码可以更精确表示压力。关闭压力表处的阀门，打开连接砝码盘的阀门，在砝码盘上加砝码，关闭油杯阀门。向右旋转活塞手轮，砝码盘抬起（注意：不要与上方金属环接触）。改变砝码重量，即可改变加载压力。（3）突然打开油杯阀门，接通大气。此时传感器上卸载。七 实验步骤（1） 打开示波器电源开关(开关在示波器上表面)，将电荷放大器YE5850的开关档置于“复位”，将放大器地线良好接地，然后打开放大器的电源开关(开关在背面面板上)。（2） 将传感器电缆接到放大器电荷输入端，放大器输出电缆接到示波器2通道输入端。（3） 放大

13、器灵敏度档置于10.0 pc/unit(即将灵敏度左边档置于10，中间和右边档置于0)，输出置于10 mv/unit， 下限频率置于L档(此时下限频率小于0.0001HZ)，上限频率置于0.3kHz，输入端选择电荷输入。 注意将放大器的灵敏度设置在1-10.99pc/unit时，调节下方的档置于下方，面板上的左边小数点亮。（4） 旋转示波器2通道的垂直电压调节旋钮，将垂直标尺定在20mv/div，旋转水平位置的秒/刻度旋钮，将水平标尺(主时基)定在500ms/div.按下”TRIGGER”钮，显示区右边会显示触发菜单，将触发类型选在边沿触发，触发方式选在单次触发，信源选ch2，耦合方式选交流，

14、斜率选下降沿，然后按下“HORIZONTAL”钮，在菜单中选择电平，旋转“电平”旋钮,设置触发电平。 注意触发电平一般选在所测电压峰-峰值的一半左右，基本原则是保证噪声不会引起触发，信号能够引起触发。这里给出一个参考值：当加压至3千克力/ 平方厘米时，触发电平可设置在20mv左右。（5） 在活塞式压力计上对传感器加载后，将放大器置到“工作”，将示波器面板右上端“执行/停止”按下，当显示区上方中间显示位“Ready” ，快速打开油杯阀门，使示波器触发。 注意，试验者可能由于触发电平设置太低、而使噪声引起触发，或者设置过高，使得信号不能触发。另外，在每次测量后，将放大器置于“复位”，使里面的残余电

15、荷放掉。（6） 用光标读出电压值。按下菜单栏里的“CURSOR”钮，显示区将显示光标的菜单，类型选择“电压”，信源选ch2，用垂直处的波形位移钮移动光标1和光标2，菜单栏里的增量处，将显示两光标间的电压差值。由此读出触发前后的电压差。 注意，如果发现显示区波形被截断，需要调大垂直标尺，重新测量。用下列公式计算出电荷量：（7） 改变砝码重量，从0.7千克力/平方厘米开始，每次增加0.5千克力/平方厘米，直到砝码总压达到5千克力/平方厘米时，重复上述试验过程。 注意，活塞式压力计底盘重0.4千克力/平方厘米，不要漏掉。另外，由于噪声的影响，使得最小压力值受到限制，试验者可以试着把可以测量的最小压力

16、值找出来，这里的0.7千克力/平方厘米，只是一个参考值。用所得数据绘制电荷量pc 压力 bar 曲线，并用最小二乘法求出灵敏度系数。(1kgf/cm20.98 bar)。（8） 数据处理 将实验数据和计算后的数据整理如下。砝码(Kgf / cm2)压力(bar)电压(mv)电荷量(pc)0.70.811.522.533.544.55用以上数据绘制电荷量-压力曲线；用最小二乘法拟合后得直线方程 y = mx + n式中m即为石英传感器的电荷灵敏度pc / bar。八 注意事项九 实验报告要求画出原理图，组成结构图，给出实验结构，报告结构合理，格式正确，字迹工整。实验四：光电式传感器性能测试及应用

17、一 实验类型：验证性实验二 目的和任务掌握常用光电传感器的基本特性和测试方法，使学生能够利用光电传感器设计简单的应用电路。三 预习要求1. 光电传感器的基本原理2. 光敏电阻的原理和应用3. 光电开关的原理和应用；4. 热释电红外传感器的原理和应用四 实验基本原理由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制

18、成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图（19）形式，就形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。热释电红外传感器是一种红外光传感器，属于热电型器件，当热电元件PZT受到光照时能将光能转换为热能，受热的晶体两端产生数量相等符号相反的电荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。五 实验仪器与设备光敏电阻、电压表、示波器、光电开关、测速电机、电压/频率表、热释电红外传感器、菲涅耳透镜、温控电加热炉、热释电红外传

19、感器实验模块六 实验内容1.光敏电阻实验2.光电开关实验；3.热释电红外传感器实验七 实验步骤1. 光敏电阻实验1、观察光敏电阻，分别将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测得其亮电阻和暗电阻，在给定工作电压下，通过亮电阻和暗电阻的电流为亮电流和暗电流，其差为光敏电阻的光电流。光电流越大，灵敏度越高。2、连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，光敏电阻转换电路输出端V0接电压表与示波器。3、开启主机电源，通过改变光敏电阻的光照程度，观察输出电压的变化情况。实验电路又是一个暗光亮灯控制电路，可以设定暗光程度，依次试验环境光照不同时光敏电阻控制亮灯的情况。2. 光电开关实验1、观察光电开关结构：传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3m左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，示波器接光电输出端。3、开启主机电源，用手转动电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。开启电机转速开关，调节转速，观察V0端连续方波信号输出，并用电压/频率表2KHz档