实验箱使用说明书

传感信号检测与转换实验箱使用阐明书“传感信号检测与转换实验箱”研制项目组1月传感信号检测与转换实验箱使用阐明书1、实验箱的构成系统硬件重要由三部分构成：电源模块、传感信号检测转换调理模块、传感信号数字化解决模块。三个模块各自分立，互相间通过信号线连接。上位机为PC机。2、系统电源模块系统电源模块具体由传感信号检测转换调理模块供电电路和传感信号数字化解决模块供电电路两部分构成。工作原理为交流变直流。为确保系统用电安全和模拟电路与数字电路两区域的完全的电气隔离，提高系统电路本身的抗电气干扰性能，采用了双绕组输出的单相隔离变压器。模拟电路模块供电直流稳压电源：±15V，±5V。数字电路模块供电直流稳压电源；+5V，+3.3V3、传感信号检测转换调理模块传感信号检测转换调理模块电气部分具体涉及：霍尔传感器实验模板、电容传感器实验模板、温度传感器实验模板、电涡流传感器实验模板、应变片实验模板、以及三种不同性能与增益信号调理电路模板。具体布局见图3.1所示。 图3.1传感信号检测转换调理模块布局图3.1应变片实验模板应变片式传感器实验模板如图3.2所示。图3.2应变片式传感器实验模板实验模板中的R1、R2、R3、R4为金属箔式电阻应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个构成电桥模型是为实验者构成电桥方便而设，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。具体涉及：应变片式单臂电桥连接电路、应变片式半桥连接电路、应变片式全桥连接电路。图中的实线表达电路连接线。本实验系统中4片金属箔式电阻应变片已安装在平行式悬臂梁上，如图3.3所示。左上角应变片为R1；右下角为R3；左下角为R4；右上角为R2。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，可用四位半数显万用进行测量鉴别。常态时应变片阻值为350Ω。加热电阻也已安装在悬臂梁下面，加热丝电阻值为50Ω左右。此4片应变片已连接在应变片式传感器实验模板上方的R1、R2、R3、R4上。 图3.3金属箔式电阻应变片安装示意图3.2电容传感器实验模板电容传感器实验模板如图3.4所示。电路由三部分构成：555多谐振荡电路、环形二极管充放电法测量电容电路、L型高低通滤波电路。电路后续输出端VO1接一级差动放大电路。图3.4电容传感器实验模板（1）环形二极管充放电法测量电容电路工作原理本实验系统中的电容传感器测量电路选用环形二极管充放电法测量电容电路。工作原理图如图3.5所示。555时基芯片构成多谐振荡电路，作为环形二极管充放电法测量电容电路的脉冲激励源。C3与L1构成无源L型高通滤波器；L2与C5构成无源L型低通滤波器。图3.5环形二极管充放电法测量电容电路工作原理示意图环形二极管充放电法测量电容电路工作原理：e为正半周时，方波由E1跃变到E2时，电容Cx1和CX2两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx1充电的电流i1，对CX2充电的电流i3.。VD2、VD4始终处在截止状态。在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为q1=CX2(E2-E1)；。e为负半周时，方波由E2返回到E1时，Cx1、CX2放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流i2、i4。在放电过程中(T2时间内)，VD1、VD3截止。在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx1(E2-E1)。流过A、C支路的瞬时电流的平均值I为：ΔE为方波的幅值，ΔE=E2-E1。I正比于ΔCx。（2）电容传感器构造原理本实验系统的电容传感器能够测量0~±2.5mm的距离，传感器由两组定片盒一组动片构成。构造示意图如图3.6所示：当动片上、下变化位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生对应变化，成为差动电容。将上层定片与动片形成的电容定位Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当Cx1和Cx2接入桥路作为相邻臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与动片的位移有关。图3.6圆筒式变面积差动构造电容传感器构造示意图（3）测微头的构成和读数办法电容传感器测试位移实验需要对的安装与使用测微头。测微头的构造构成和读数办法如图3.7所示：图3.7测微头构造构成与读数办法示意图测微头构成：测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮构成。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０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。测微头的读数办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、能够估读1／10分度，如图3.7甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；碰到微分筒边沿前端与主尺上某条刻线重叠时，应看微分筒的示值与否过零，如图3.7乙已过零则读２.５１４ｍｍ；如图3.7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批示出位移量的工具。普通测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处(为了保存测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面对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在适宜位置(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。3.3霍尔传感器实验模板霍尔传感器实验模板如图3.8所示。图3.8霍尔传感器实验模板本实验系统中霍尔传感器安装位置与办法如图3.9所示：图3.9霍尔传感器安装示意图霍尔传感器是运用霍尔效应，把有关测试量转换为电动势的变化。霍尔效应把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍尔元件或霍尔片。霍尔效应原理示意图如图3.10所示。图3.10霍尔效应原理示意图一块N型半导体，长为l，宽为b，厚度为h的，在半导体长度方向通以电流I，将其置于的磁感应强度为B的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作用，根据物理学知识:式中q0—电子的电荷量；v—半导体中电子的运动速度；B—磁场的磁感应强度FL方向如图3.10所示。在力FL的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内场EH,即霍尔电场。此时霍尔电场EH两端之间的电位差UH霍尔电势）为： 霍尔常数RH：霍尔元件敏捷度（敏捷系数）KH：因此霍尔电势与磁感应强度B和激励电流I成正比，与霍尔片厚度长反比。因而在实际应用中为了提高敏捷系数，霍尔元件经常制成薄片形状。霍尔元件的构造很简朴，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成，如图3.11(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。其等效电路和电路符号如图3.11(b)所示。霍尔片材料惯用的重要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不含有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。图3.11霍尔元件构造外形、图形符号、基本测量电路示意图3.4电涡流传感器实验模板电涡流传感器实验模板如图3.12所示：图3.12电涡流传感器实验模板本实验的电涡流传感器测量电路为变频调幅式测量电路，电路构成：（1）T1、C1、C2、C3构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，即传感器线圈是振荡回路的一种电感元件。振荡器的作用是将位移变化引发的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。（2）D1、C5、L2、C6构成了由二极管和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。（3）T2构成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽量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，含有很宽的使用频率范畴（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Vo最大。当被测导体靠近传感器线圈时，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Vo变小。Vo变化反映了位移ｘ的变化。Q值测试法谐振曲线如图3.13所示。图3.13Q值测试法谐振曲线本实验的电涡流传感器是一种平绕线圈。电涡流传感器与测微头的安装办法与位置见图3.14所示。图3.14电涡流传感器安装示意图电涡流传感器工作原理是根据电涡流效应，如图3.15所示：当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一种靠近金属导体附近的电感线圈J1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范畴之内时，被测导体就产生电涡流i2。电涡流也将产生一种新的磁场H2。H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而造成线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。集肤效应与激励源频率f、工件的电导率s、磁导率m等有关。频率f越高，电涡流的渗入的深度就越浅，集肤效应越严重。电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数体现式为：Z=R+jωL=f（i1、f、m、s、r、x）如果控制上式中的i1、f、m、s、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。图3.15电涡流传感器工作原理示意图3.5温度传感器实验模板温度传感器实验模板如图3.16所示。具体涉及：Pt100铂电阻测温、K热电偶（镍铬-镍硅热电偶）：集成电流型温度传感器AD590测温、数字温度传感器DS18B20测温电路。图3.16温度传感器实验模板热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。它是运用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适宜的测量电路达成检测温度的目的。把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。半导体热敏电阻属于热电阻中的特殊一类。热电式传感器根据输出信号性质进行分类，还可分为模拟式温度传感器和数字式传感器两类。本实验系统的温度传感器实验模板设立有Pt100铂热电阻实验、K型热电偶实验、集成温度传感器AD590实验以及数字温度传感器DS18B20实验。（1）热电阻工作原理热电阻是中低温区最惯用的一种温度检测器。它的重要特点是测量精度高、性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，并且被制成原则的基准仪。热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此只要测量出感温热电阻的阻值变化，就能够测量出温度。现在重要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成。现在应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。铂电阻精度高，合用于中性和氧化性介质，稳定性好，含有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范畴内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，合用于无腐蚀介质，超出150°C易被氧化。我国最惯用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几个，分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50应用最为广泛。Pt100分度表见附表2。半导体热敏电阻是运用半导体材料的热敏特性工作的半导体电阻。它是用对温度变化极为敏感的半导体材料制作成的，其电阻值随温度变化而发生极为敏显的变化。热敏电阻是非线性电阻，它的非线性特性基本上体现在电阻与温度的关系不是直线关系，而是指数关系，电压、电流的变化不符合欧姆定律。按电阻温度系数不同，热敏电阻分为正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）两种。在工作温度范畴内，正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧减小。DS18B20是由美国DALLAS公司生产的单总线数字式智能型传感器，它直接将温度物理量转化为数字信号，并以总线方式传送到计算机进行数据解决。（2）热电偶工作原理热电偶是运用热电效应制成的温度传感器。如图3.17所示。图3.17热电偶工作原理示意图所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）构成一种闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由热点效应产生的电动势涉及接触电动势和温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，成果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多出的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。在实际使用热电偶中，编制出了针对多个热电偶的热电势与温度对照表，称为分度表。见附表2所示。温度按100℃分档，其中间温度值可按内差值法计算。表中均按参考端温度为0℃的条件取值。根据对照表，测出热电势V，查表可求得T,但是参考端是以0℃为基础的。若参考端温度不为0℃，如其它温度Tx,则首先测出两点间的电势Ex,再加上低温端的电势△E0,根据总电势Ex＋△E0，求温度T=Tx+T0。如当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行赔偿。赔偿的办法有：赔偿导线法、计算修正法、水浴法（冰点槽法）、赔偿电桥法、软件解决法。特殊状况下，热电偶能够串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高敏捷度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；运用热电偶并联能够测量平均温度。3.6信号调理电路模板本实验系统信号调理电路模板由三种类型电路、三个模块构成：（1）三运放高共模克制比放大电路，也称为仪表放大器（精密放大器），如图3.18(a)所示。反向比例放大电路的作用重要是用于放大电路的输出调零。RW9为增益调节电位。RW10为调零电位器。（2）差分比例运算电路：可把差动传感信号转换为单一的放大的电压信号输出。可有效地克制共模干扰电压的影响。如图3.18(b)所示。（3）图3.18(c)是一种比例加法电路，其功效是将输入信号按比例放大后，在A/D参考电压的半电位点（1.25V）上下波动，同时输出电压在0～2.5之间，满足A/D转换器