【正文】 《 傳感器技術(shù)及應(yīng)用 》 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 陳益民 岳克寧 廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程 學(xué)院 二００九年四月修訂 1 前 言 《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課程配套開設(shè)了 8 學(xué)時(shí)的實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，目的在于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)傳感器理論知識(shí)的掌握程度，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，并將電子技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)融合在一起，拓寬傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，逐步建立工程應(yīng)用的概念。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，幫助廣大學(xué)生加強(qiáng)對(duì)書本知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力 ,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)各種不同的傳感器及測(cè)量原理如何組成測(cè)量系統(tǒng) 有直觀而具體的感性認(rèn)識(shí)； 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)、電工學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算技術(shù)等知識(shí)的綜合運(yùn)用能力；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過(guò)程中通過(guò)信號(hào)的拾取、轉(zhuǎn)換、分析，掌握作為一個(gè)科技工作者應(yīng)具有的基本的操作技能與 動(dòng)手能力。 傳感器實(shí)驗(yàn) 全部安排在 “CSY 型傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)儀 ”上進(jìn)行 。實(shí)驗(yàn)一 ～實(shí)驗(yàn)三為必做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)四為選做實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)五為綜合性實(shí)驗(yàn)，該綜合性實(shí)驗(yàn)課內(nèi)學(xué)時(shí)只安排２學(xué)時(shí)，因此實(shí)驗(yàn)方案及程序設(shè)計(jì)要求在實(shí)驗(yàn)課外時(shí)間完成。 2 目 錄 實(shí)驗(yàn)一 金屬箔式應(yīng)變片及轉(zhuǎn)換電路性能 ???????? 3 實(shí)驗(yàn)二 電容式傳感器靜特 性測(cè)試與動(dòng)特性觀測(cè) ????? 9 實(shí)驗(yàn)三 霍爾傳感器的應(yīng)用――位移及振幅測(cè)量 ???? 13 實(shí)驗(yàn)四 振動(dòng)信號(hào)的多種傳感器測(cè)量與比較 （選做） ??? 18 實(shí)驗(yàn)五 工程量的多傳感器測(cè)量與信號(hào)分析處理 （綜合性） ? 24 附錄一 CYS 型傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)儀使用指南 ?????? 34 附錄二 CYS 綜合實(shí)驗(yàn)儀信號(hào)處理常用模塊電路原理圖 ???? 38 附錄三 PCI6024E 數(shù)據(jù)采集卡的安裝檢驗(yàn)與參數(shù)設(shè)置 ????? 3 實(shí)驗(yàn)一 金屬箔式應(yīng)變片及轉(zhuǎn)換電路性能 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：金屬箔式 應(yīng)變片及轉(zhuǎn)換電路性能 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)： 普通實(shí)驗(yàn) 所屬課程名稱： 傳感器原理與設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃學(xué)時(shí)： 2 學(xué)時(shí) 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解應(yīng)變片的測(cè)試原理與應(yīng)用領(lǐng)域； 掌握應(yīng)變片測(cè)試方法及典型轉(zhuǎn)換電路原理； 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，掌握獲得傳感器靜態(tài)特性性能指標(biāo)的過(guò)程和方法。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求 觀察金屬箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、貼片方式以及接橋方式； 測(cè)試應(yīng)變梁變形時(shí)的應(yīng)變輸出； 比較應(yīng)變片不同接橋方式對(duì)電橋輸出結(jié)果的影響。 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，先預(yù)習(xí)附錄一“ CYS 型傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)儀使用指南”，了解該設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與組 成。 三、 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料 CYS 型傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)儀 本次實(shí)驗(yàn)所用模塊包括：①懸臂梁及金屬箔式應(yīng)變片；②電橋模塊；③差動(dòng)放大器；④直流穩(wěn)壓電源（177。 4Ｖ檔）；⑤測(cè) 4 微頭；⑥毫伏表。 若干接插連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線。 萬(wàn)用表（非必需）。 四、 實(shí)驗(yàn)方法、步驟及結(jié)果測(cè)試 一）實(shí)驗(yàn)原理 應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件。當(dāng)使用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先要將應(yīng)變片牢固地粘貼到測(cè)試體表面。當(dāng)測(cè)件受力發(fā)生變形，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。之后，再通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，將電阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出顯示。 直流 電橋是最常用的一種電測(cè)轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)電橋的相對(duì)臂電阻阻值乘積相等時(shí)，電橋平衡，此時(shí)電橋輸出電壓為零。若設(shè)電橋橋臂的四個(gè)電阻初始值分別為： R1＝ R2＝ R3＝ R4＝ R，當(dāng)測(cè)試體表面產(chǎn)生變形，則其電阻的相對(duì)變化率分別為 △ R1/R△ R2/R △ R3/R3和 △ R4/R4。當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，可組成半橋單臂電橋，在電阻變化量 △ R 較小的情況下，電橋輸出電壓為U0＝ RRU?4 ；當(dāng)使用二個(gè)應(yīng)變片差動(dòng)聯(lián)接，組成半橋雙臂電橋，則有 U0＝ RRU?2 ；而用四 個(gè)應(yīng)變片組成全橋形式，則輸出電壓為 U0＝ RRU? 。由此可見，半橋單臂、半橋雙臂和全橋電路的靈敏度是依次增大的。 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證說(shuō)明箔式應(yīng)變片組成半橋單臂、半 5 橋雙臂電橋和全橋的原理及工作性能。 二）實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果測(cè)試 儀表及電路調(diào)零 任何測(cè)試儀器或儀表，在使用前均需調(diào)零。本實(shí)驗(yàn)需要調(diào)零的部件是毫伏表、直流電橋和差動(dòng)放大器。 ①毫伏表調(diào)零。將綜合實(shí)驗(yàn)儀上的毫伏表輸入端對(duì)地短接，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針居“零”位。拔掉短接線，指針有偏轉(zhuǎn)是有源指針式電壓表輸入端懸空 時(shí)的正常情況。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。 ②差動(dòng)放大器調(diào)零。開啟儀器電源，將差動(dòng)放大器增益調(diào)至適中位置（調(diào)節(jié)旋鈕旋到中位附近），差動(dòng)放大器的“＋、－”輸入端用實(shí)驗(yàn)線對(duì)地短路，放大器輸出端接毫伏表或數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓至零。然后拔掉短接實(shí)驗(yàn)線。 注意： 調(diào)零后，放大器增益調(diào)節(jié)旋鈕和“調(diào)零”電位器的位置不要改變。若兩者任一旋鈕位置有變，需重新進(jìn)行調(diào)零。 半橋單臂接橋方式測(cè)試 ①接橋。按圖１半橋單臂電橋測(cè)試接線原理圖，將實(shí)驗(yàn)?zāi)K用實(shí)驗(yàn)線連接成測(cè)試電橋。橋路中 R R R3（因?qū)嶒?yàn)設(shè)備不同，實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的電阻標(biāo)記可能有差異）和 WＤ 為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器， R 為箔式應(yīng)變片（可任選懸臂梁上、下面上的任一金屬箔式應(yīng)變片作為工作片）。直流激勵(lì)電 6 源為177。 4Ｖ。 RR4VDWR 34VR 2V1 ②測(cè)微頭置位。測(cè)微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上。初始時(shí)，測(cè)微頭一般位于懸臂梁上方，不與梁接觸。測(cè)微頭置位，即是調(diào)節(jié)測(cè)微頭旋轉(zhuǎn)，通過(guò)頂桿使應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài)。此時(shí)可認(rèn)為懸臂梁上的應(yīng)變片不受力，其電阻為應(yīng)變片初始值。 ③直流電橋平衡調(diào)整 確定按圖 1 接線無(wú)誤后，開啟儀器 電源，并預(yù)熱數(shù)分鐘。調(diào)整直流電 橋 WD 電 位器，使測(cè)試系統(tǒng)電壓輸出為零。此時(shí)可認(rèn)為電橋處于平衡狀態(tài)。 ④加載測(cè)試 a、旋動(dòng)測(cè)微頭，帶動(dòng)懸臂梁分別作向上或向下的移動(dòng)，以水平狀態(tài)下輸出電壓為零。測(cè)微頭每轉(zhuǎn)一圈，對(duì)應(yīng)垂直移動(dòng)，相應(yīng)記錄差動(dòng)放大器的一個(gè)輸出電壓值。向上或向下各移動(dòng) 5mm，記錄十組數(shù)據(jù)，填入下表： 位移 x(mm) 電壓 V(mv) 圖 1 半橋單臂電橋測(cè)試接線原理圖 7 b、以與①相反的旋轉(zhuǎn)方向（反向加載），用同樣的方法測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)，填入下表： 位移 x(mm) 電壓 V(mv) 半橋雙臂接橋方式測(cè)試 保持差動(dòng)放大器增益不變，將 R1換成為與應(yīng)變片 R 工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片，形成半橋雙臂電橋，調(diào)好零點(diǎn)，用同樣方法，測(cè)出數(shù)據(jù)，填入下表： 位移 x(mm) 電壓 V(mv) 全橋接橋方式測(cè)試 保持放大器增益不變，將 R R2 兩個(gè)電阻換成另兩片應(yīng)變片，接成一個(gè)直流全橋電路，調(diào)好零點(diǎn)，將測(cè)出數(shù)據(jù)填入下表： 位移 x(mm) 電壓 V (mv) 注意事項(xiàng)： ? 接通電源前，應(yīng)仔 細(xì)檢查各電路連接是否正確，防止電源和信號(hào)源短路。 ? 用應(yīng)變片組橋時(shí)應(yīng)注意各應(yīng)變片的受力狀態(tài)。 ? 毫伏表和差動(dòng)放大器使用前都要調(diào)零。 ? 顯示儀表量程宜從高檔轉(zhuǎn)換到低檔，信號(hào)幅值宜從小到大。 8 五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式嚴(yán)格按廣東工業(yè)大學(xué)有關(guān)規(guī)定要求 執(zhí)行。 在同一坐標(biāo)紙上，繪出以上每種測(cè)試條件下的測(cè)量數(shù)據(jù) (輸入－輸出 )x－Ｖ 曲線 ， 繪出數(shù)據(jù)表格要標(biāo)明物理量和單位 。 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依此計(jì)算傳感器的靈敏度和線性度？并認(rèn)真繪制出傳感器性能曲線。 比較三種接橋方法的靈敏度。 對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問題、進(jìn)一步的想法等 進(jìn)行討論。 六、 思考題 若