传感与测试技术实验指导书2015

传感与测试技术实验指导书PAGEPAGE17《传感与测试技术》实验指导书刘晓霞编写沈阳理工大学装备工程学院装备工程学院实验中心目录TOC\o"1-2"\h\z\u8280目录 221969实验一 金属箔式应变片性能实验 427387一、实验目的 427948二、实验原理 414910三、实验仪器设备 419977四、实验步骤 532723五、注意事项 518532六、思考题 69362七、考核方式 616218实验二电桥性能实验 711836一、实验目的 731828二、实验原理 730850三、实验仪器设备 727783四、实验步骤 717151五、注意事项 89071实验三压力测试系统的静态标定实验 99288一、实验目的 94659二、实验原理 98977三、实验仪器设备 1029276四、实验步骤 1030812实验四压电式加速度计特性实验 1222792一、实验目的 124327二、实验原理 1230866三、实验所需部件 1431976四、实验步骤 1416979五、注意事项 1511643六、实验结果处理 1525015七、考核方式 1511288附录 16

实验一 金属箔式应变片性能实验一、实验目的1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。2、测试应变梁变形的应变输出。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、、、中，电阻的相对变化率分别为、、、，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，。应变片将试件应变转换成电阻相对变化后，测量电桥则将应变片的电阻变化按一定比例转换成电压或电流的变化，以便输出至放大器放大。应变桥路具有灵敏度高，测量范围广，容易实现温度补偿等优点。对单臂电桥输出电压。当应变片阻值和应变量相同时，半桥电桥输出电压，全桥电桥输出电压（E=4V，K=130,：电阻丝长度相对变化）。电路的灵敏度依次增大。三、实验仪器设备直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、金属箔式应变片四片（其中二片，二片）、直流调平衡电位器、双平行式悬臂梁、螺旋测微头、数字电压表。四、实验步骤1.开启仪器电源，接通直流工作电源开关预热，差动放大器调零。（输入端正负极短接并接地，输出端接数字电压表，数字电压表置2V档；差放增益100倍，旋钮顺时针轻旋至最大；用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零；调零后拆去短路线）。2.按图1接测试桥路。应变桥为单臂工作状态，将应变片接入桥路时注意受力方向，如半桥、全桥要接成差动式；检查确认无误时才能连上应变桥的直流工作电压；更换应变片前先断开应变桥直流工作电源。调整测微头起始点位置（能向上、向下移动5mm为准，测微头端面与磁钢接触良好），同时将平行式悬臂梁初调至水平。图13.调节直流平衡电位器使系统输出为零。旋动测微头带动悬臂梁分别作向上、向下位移运动（水平状态输出电压为零），每移动0.5mm在下表中记录差动放大器一个输出电压值（数字电压表置2V档）。根据V~x数据计算灵敏度S值（）（由于位移测量时容易造成零点偏移，在计算时可将正和负的灵敏度分开计算，再求平均值）；并在同一坐标图中画出V~x曲线。位移mm输出电压V五、注意事项1．注意带连接线的接插导线的使用方法；接插导线尽可能以短为宜，以避免引入干扰。2．做单臂电桥实验时，由于应变片的零漂和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零漂值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路是一定会出现输出电压漂移现象，这是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的漂移和蠕变值相近，接成半桥和全桥形式后桥路的加减特性起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥测试电路的原因。3.应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。4．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。5．更换应变片前，先断开应变电桥激励电压；完成换片接线后，再调整相对应的激励电压。6．稳压电源不能对地短路。7．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，再从零→负的最大值，因此容易造成零点偏移。在此，计算灵敏度时可将正的灵敏度与负的的灵敏度分开计算。再求平均值。8．进行上述实验时激励电压、差动放大器增益、测微头起始点位置等外部环境必须一致，否则结果不具备可比性。六、思考题1.对数据进行整理，得出单臂电桥的灵敏度和非线性度。七、考核方式课堂表现10℅，实际操作30℅，实验报告60℅

实验二电桥性能实验一、实验目的比较三种桥路输出情况。二、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、2△R／R、4△R／R。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·∑R，电桥灵敏度Ku＝V／△R／R，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。三、实验仪器设备直流稳压电源（±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．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3－4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V－X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。位移mm箔式单臂V箔式半桥V箔式全半V五、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。

实验三压力测试系统的静态标定实验一、实验目的1.观察压电晶体传感器的结构，获得有关的感性认识；2.掌握YU-60活塞式压力计的工作原理及使用方法；3.学会压力计(压电晶体传感器)的校验标定方法；4.了解本实验中测量误差的主要来源。二、实验原理待标定的传感器为压电晶体传感器。其作用力方向垂直于受压面，因此受压面本身(传感器的外壳)便是一个电极，位于传感器内部的另一个电极与传感器尾部的内孔相连。将专用接头旋于传感器尾部，便可输出压电晶体两电极间的电位差。一般在测压系统的测量范围内，均匀地选择至少5个以上的测试点，其中应包括起始点和终点。对于所使用的静压发生装置最为常用的是活塞式压力发生器，通过转动手轮时，加压使工作活塞向前移动，并把压力传至各部分。当压力达到一定值时，油压与砝码的重力平衡，传感器所受到的压力等于砝码的重力与活塞的有效面积之比标定时，以一定的压力间距逐次增压，通过电荷放大器和示波器记录压力与测压系统的输出值。再逐渐减小压力，进行记录。并重复3-5次。三、实验仪器设备CY-YD203压电式传感器一只；YU-60活塞式压力计一台；YE5850电荷放大器一台；数字电压表一台。四、实验步骤1.检查活塞式压力计的油路是否通畅并排尽内部空气。其操作步骤为：(1)关闭针形阀⑵、⒂，打开油杯上的进油阀⑶，逆时针旋转压力泵手轮⑽，使压力计内部充满油液；(2)来回缓慢摇动压力泵手轮⑽，赶出油杯附近管道内的空气；(3)关闭进油阀⑶，打开针形阀⒂，来回缓慢摇动压力泵手轮⑽，赶出该段管道内的空气。排尽空气后，应使节流孔上方有少量集油。2.安装标准压力表及压电传感器，应注意不要漏装密封铜垫。3.旋接压电传感器输出接头。4.检查确认电荷放大器及直流数字电压表的各旋钮开关在正确位置：“”开关置于下方；mV/Unit切换开关置于1(×1)档；下限开关可置于“L”档，上限开关置于0.3kHz档；工作/复位开关置于复位档；直流数字电压表的面板量程按钮置于█(释放位)。5.记录大气压力、环境温度及湿度。应在测量开始前及结束后各纪录一次，取其平均值作为实验环境参数。6.对测试系统调零。7.调零结束后，应立即开始测试及记录工作：摇动活塞式压力计的压力泵手轮⑽，记录不同压力所对应的电压值。实验中应注意：(1)对各选定压力点，必须分别测量上行(升压)及下行(降压)两个方向的输出电压值。在上行及下行中，当压力接近选定压力值时应平稳缓慢进行，不可使指针超过该点，万一超过，则应将压力泵手轮稍微退回一些，然后继续沿原方向进行；(2)实验至少应进行三个循环。两个循环之间应将工作/复位开关置复位档对系统重新调零，以消除零漂；(3)为了减小各仪表因漂移所产生的误差，读取每个测量点电压表读数的加压时间应尽可能相同。电压压力p读数(y)(MPa)(mV)(xi)项目0.5510152024.5均值12.5上行1下行1上行2下行2上行3下行3均yi=理论值y偏差Δy=yi-y

实验四压电式加速度计特性实验一、实验目的1、了解测试系统的组成，设计方法。2、掌握压电式加速度计的测试原理。3、掌握电荷放大器的工作原理。3、掌握测试系统的实验数据处理方法。二、实验原理在工程实践中，通常用压电加速度计可以和电荷放大器配合检测冲击振动信号，与记录分析仪器连接，可组成冲击振动测量系统，主要测量振动的加速度，速度和位移量。1、压电加速度计根据压电效应原理，压电式加速度计是可以把机械量（作用于其上的加速度或压力）转换成电荷量的高阻抗转换器，压电加速度传感器的电荷等效电路如图3所示。图3从图3中可以看出输出反映的是电压V0，而，如果用代表电压灵敏度（单位）则有，其中：——压电加速度计在加速度的作用下产生的电荷。——压电加速度计的电荷灵敏度。——压电加速度计的固有电容。——作用于压电加速度计上的加速度。从图3中可看出，对与压电加速度计连接的电荷放大器有如下要求：①由于压电加速度计可视为一高内阻信号源（一般达）这就要求电荷放大器有相应高的输入阻抗。②要求电荷放大器输出电压不受压电加速度计自身电容和长电缆等效电容的影响。2、电荷放大器原理电荷放大器是一种具有电容反馈的高增益运算放大器，其输出电压与压电加速度计两端所产生的电荷成正比。电荷放大器的原理图如图4所示。图4反馈电容折合到输入端的有效电容量是其中：是开环增益，为反馈电容。从图4中可看出电荷变换级的输出电压为当时，，上式可简化为由此可以看出，电荷放大器的输出电压仅由压电加速度计两端所产生的电荷和反馈电容决定，而与压电加速度计的固有电容及电缆等效电容无关。本电荷放大器是带有二次积分的双积分电荷放大器，可以测量冲击加速度、速度和位移量。三、实验所需部件压电加速度计，电荷放大器，动态测试分析仪。四、实验步骤1、测试系统组成如图5。压电加速度计压电加速度计电荷放大器动态测试分析仪图52、按照图5将测试系统接好线。3、压电加速度计的灵敏度为，将电荷传感器前面板上3位拨码开关分别至于2-1-5位置，“”旋钮指向“1”，低通滤波档放在位置。“功能旋钮”放置于“速度”，对应的单位为“”。4、打开动态测试分析仪的“DAP3.11”程序到采集界面，对压电加速度计测得的信号进行采集。根据采集到输出电压值计算出瞬态速度值。a：采样频率取b：采样长度c：采样延时d：手动触发e：采集次数1次五、注意事项1、电荷放大器输入级是高阻抗电路，一般应在相对湿度不过80%条件下保存和使用。使用前应预热15~30分钟。2、信号过大时过荷灯亮，应逆时针方向减小系统增益。3、在信号采集前，利用动态测试分析仪对压电加速度计进行静态标定。六、实验结果处理1、测量位移值：“功能选择”旋钮置于位移“”处，确认对应指示示值，“”旋钮指示值为“”，从采集信号中任意选取一点，其输出电压为，则此时实际位移单位为：，每个单位为，所以实测位移值为2、测量速度值：“功能选择”旋钮置于速度“”处，确认对应单位示值，“”旋钮指示值为“”，记录采集到输出电压值，实际速度单位为，每个单位为，所以实测速度值为七、考核方式课堂表现10℅，实际操作30℅，实验报告60℅附录CSY系列(CSY.CSY10.CSY10A.CSY10B)传感器系统实验仪CSY系列(CSY.CSY10.CSY10A.CSY10B)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、信号激励源、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。各款实验仪的传感器配置及布局是：(具体布局详见各款仪器工作台布局图)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。（CSY10B型应变梁上只贴有半导体应变计。）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、压阻式等传感器。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。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。（CSY10B装有激振转换开关）两支测微头分别装在左、右两边的支架上。（CSY10B只有右边一支）二、信号及仪表显示部分：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1.5A，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1.5A。直流稳压电源：±12V，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%。数字式温度计：K分度热电偶测温，精度±1℃。（CSY10B型）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：增益可调直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。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°（随频率不同有所变化）。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。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工作电源，进行实验时请勿关掉。指针式毫伏表工作前需输入端对地短路调零，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1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其阻值。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