长春理工大学电信学院--2012传感器实验指导书.doc
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1、传感器实验指导书 长春理工大学电信学院2012.3.25目 录一、概述部分二、实验部分实验一 金属箔式、半导体应变片性能单臂电桥、半桥、全桥交直流实验实验二 差动变压器的性能实验实验三 热电偶原理及分度表的应用实验四 气敏传感器实验 一、 概 述传感器实验是针对传感器原理与设计课程开设的一门实践性环节,诣在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,并将计算机技术、数据采集处理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
2、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、控制技术、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。传感器实验全部在CSY-910型传感器系统综合实验台上进行,该实验台为完全模块式结构,分主机、实验模块和实验桌三部分。主机由实验工作平台、传感器综合系统、高稳定交、直流信号源,温控电加热源,旋转源、位移机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统(RS232接口)、实验软件等组成;全套12个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构,实验时模块可按实验要求灵活组
3、合。一、传感器1. 金属箔式应变传感器(箔式应变片 工作片4片;温度补偿片2片,应变系数:2.06,精度2%)2. 称重传感器(标准商用双孔悬臂梁结构,量程0500g,精度2%)3. MPX扩散硅压阻式压力传感器(差压式,量程050KP,精度3%)4. 半导体应变传感器(BY350,工作片2片,应变系数120)5. 标准K分度热电偶,(量程0800,精度3%)6. 标准E分度热电偶,(量程0800,精度3%)7. Pt100铂热电阻(量程0800,精度5%)8. 半导体温敏二极管(精度5%)9. 集成温度传感器(电流型,精度2%)10. 半导体霍尔传感器(由线性霍尔元件与梯度磁场组成。工作范围
4、:位移2mm,精度5%)11. 磁电式传感器(动铁与线圈)12. 湿敏电容传感器(高分子材料,工作范围595%RH)13. MQ3气敏传感器(酒精气敏感,实验演示用)14. 电感式传感器(差动变压器,量程5mm,精度5%)15. 电涡流传感器(线性工作范围1mm,精度3%)16. 力平衡传感器(综合传感器系统)二、主机配置(一)电源、信号源部分1. 直流稳压电源:(传感器工作直流激励源与实验模块工作电源)+2V +10V分五档输出,最大输出电流1.5A;+15V(12V) 、最大输出电流1.5A;激光器电源。2. 音频信号源:(传感器工作交流激励源)0.4KHz 10KHz输出连续可调,最大V
5、p-p值20V;00、1800端口反相输出;00、LV端口功率输出,最大输出电流1.5A;1800端口电压输出,最大输出功率300mw。3. 低频信号源:(供主机位移平台与双平行悬臂梁振动激励,实现传感器动态测试)1Hz 30Hz输出,连续可调,最大输出电流1.5A,最大Vp-p值20V,激振I(双平行悬臂梁)、激振II(圆形位移平台)的振动源。转换纽子开关的作用:(请特别注意)当倒向V0侧时,低频信号源正常使用,V0端输出低频信号,倒向Vi侧时,断开低频信号电路,V0 端无低频信号输出,停止激振、的激励。Vi作为电流放大器的信号输入端,输出端仍为V0端。激振不工作时激振选择开关应位于置中位置
6、。4. 温控电加热源:(温度传感器加热源)由E分度热电偶控温的300W电加热炉,最高控制炉温400,实验控温200。交流220V插口提供电炉加热电源,作为温度传感器热源、及热电偶测温、标定和传感器温度效应的温度源等。5. 旋转源:(光电、电涡流传感器测转速之用)低噪声旋转电机,转速02400转/分,连续可调。6. 气压源:(提供压力传感器气压源)电动气泵:气压输出20KP,连续可调;手动加压气囊:可加压至满量程40KP,通过减压阀调节气压值。(二)仪表显示部分1 电压/频率表:3 1/2位数字表、电压显示分02V、020V两档;频率显示分02KHz、020KHz两档,灵敏度50mv。2 数字式
7、温度表:(E分度)温度显示:0-800(用其他热电偶测温时应查对相应的热电偶分度表)。3 气压表: 0-40KP(0-300mmHg)显示。(三)计算机通信与数据采集1 通信接口:标准RS232口,提供实验台与计算机通信接口。2 数据采集卡:12位A/D转换,采集卡信号输入端为电压/频率表的“IN”端,采集卡频率输入端为“转速信号入”口。三、实验模块包含1. 实验公共电路模块:提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。2. 应变式传感器实验模块(包含电阻应变及压力传感器):金属箔式标准商用称重传感器(带加热及温度补偿)、悬臂梁结构金属箔式、半导
8、体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。3. 电感式传感器实验模块:差动变压器、螺管式传感器、放大电路。4. 电容式传感器实验模块:同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路,精密位移导轨。5. 霍尔传感器实验模块:霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及日本进口高精度位移导轨。6. 温度传感器实验模块:提供7种温度传感器及变换电路,可控电加热炉。7. 电涡流传感器实验模块:电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。8.气敏传感器实验模块:MQ3气敏传感器及变换电路。四、主机工作台上装置的传感器磁电式、压电加速度、半导体应变(2片)、金属箔式应变(工作片4片,温度补偿片2片)。双平行悬臂梁旁的支柱安装
9、有螺旋测微仪,可带动悬臂梁上下位移。圆形位移(振动)平台旁的支架可安装电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器探头,在平台振动时进行动态实验。Csy-910型主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。五、实验操作须知:1、 在实验前务必详细阅读CSY-910型传感器系统综合实验台实验指导与使用说明、本实验指导书。2、 使用本仪器前,请先熟悉仪器的基本状况,对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。主机面板上的纽子开关都应选择好正确的倒向。3、 了解测试系统的基本组成:合适的信号激励源传感器处理电路(传感器状态调节机构)仪表显示(数据采集或图象
10、显示)4、 在更换接线时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。5、 实验操作时,在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源,各信号源之间严禁用连接线短路,主机与实验模块的直流电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入,如开机后发现信号灯、数字表有异常状况,应立即关机,查清原因后再进行实验。6、 实验连接线插头为灯笼状簧片结构,插入插孔即能保证接触良好,不须旋转锁紧,使用时应避免摇晃。为延长使用寿命,操作时请捏住插头连接叠插。7、 实验指导书中的“注意事项”不可忽略。传感器的激励信号不准随意加大,否则会造成传感器永久性的损坏。实验一 金属箔式电阻应变片式性能实验一、实验目
11、的:1、 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式;2、 熟悉箔式应变片和半导体应变片的性能,充分了解两种应变电路的特性;3、 掌握应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况;4、 验证应变片单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。二、实验类型:验证型三、实验原理: 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,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
12、分别为R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ,桥路的输出与成正比。当使用一个应变片时,;当使用二个应变片时,;若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R1= R2= R3= R4=R,。根据戴维南定理可以得出电桥的输出电压近似等于,电桥的电压灵敏度Ku=V/R/R,于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为、和E。由此可知,单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大;当E和电阻相对变化一定时,电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。四、实验所需部件:直流稳压电源+4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、半导体应变计、
13、螺旋测微仪、数字电压表、应变加热器。五、实验步骤1、差动放大器调零。连接主机与模块电路电源连接线,差动放大器增益置于最大位置(顺时针方向旋到底),差动放大器“+”“-”输入端对地用实验线短路。输出端接电压表2V档。开启主机电源,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,调零后模块上的“增益、调零”电位器旋钮均不应再变动。图1-1单臂电桥实验电路2、观察贴于悬臂梁根部的箔式应变计的位置与方向,按图1-1将所需实验部件连接成测试桥路,图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻,R为应变计(可任选上梁或下梁中的一个工作片),注意连接方式,勿使直流激励电源短路。将螺旋测微仪装于应变悬
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