【正文】 《 傳感器技術(shù)及應用 》 實驗指導書 陳益民 岳克寧 廣東工業(yè)大學 信息工程 學院 二００九年四月修訂 1 前 言 《傳感器技術(shù)及應用》課程配套開設了 8 學時的實踐性實驗環(huán)節(jié)，目的在于檢驗學生對傳感器理論知識的掌握程度，引導學生將理論知識應用到實踐中，并將電子技術(shù)、測試技術(shù)、計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)融合在一起，拓寬傳感技術(shù)的應用領(lǐng)域，逐步建立工程應用的概念。 通過實驗，幫助廣大學生加強對書本知識的理解，培養(yǎng)學生實際動手能力 ,增強學生對各種不同的傳感器及測量原理如何組成測量系統(tǒng) 有直觀而具體的感性認識； 培養(yǎng)學生對材料力學、電工學、物理學、計算技術(shù)等知識的綜合運用能力；同時在實驗的進行過程中通過信號的拾取、轉(zhuǎn)換、分析，掌握作為一個科技工作者應具有的基本的操作技能與 動手能力。 傳感器實驗 全部安排在 “CSY 型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀 ”上進行 。實驗一 ～實驗三為必做實驗，實驗四為選做實驗；實驗五為綜合性實驗，該綜合性實驗課內(nèi)學時只安排２學時，因此實驗方案及程序設計要求在實驗課外時間完成。 2 目 錄 實驗一 金屬箔式應變片及轉(zhuǎn)換電路性能 ???????? 3 實驗二 電容式傳感器靜特 性測試與動特性觀測 ????? 9 實驗三 霍爾傳感器的應用――位移及振幅測量 ???? 13 實驗四 振動信號的多種傳感器測量與比較 （選做） ??? 18 實驗五 工程量的多傳感器測量與信號分析處理 （綜合性） ? 24 附錄一 CYS 型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀使用指南 ?????? 34 附錄二 CYS 綜合實驗儀信號處理常用模塊電路原理圖 ???? 38 附錄三 PCI6024E 數(shù)據(jù)采集卡的安裝檢驗與參數(shù)設置 ????? 3 實驗一 金屬箔式應變片及轉(zhuǎn)換電路性能 實驗項目名稱：金屬箔式 應變片及轉(zhuǎn)換電路性能 實驗項目性質(zhì)： 普通實驗 所屬課程名稱： 傳感器原理與設計 實驗計劃學時： 2 學時 一、 實驗目的 了解應變片的測試原理與應用領(lǐng)域； 掌握應變片測試方法及典型轉(zhuǎn)換電路原理； 通過實驗數(shù)據(jù)分析處理，掌握獲得傳感器靜態(tài)特性性能指標的過程和方法。 二、 實驗內(nèi)容和要求 觀察金屬箔式應變片的結(jié)構(gòu)、貼片方式以及接橋方式； 測試應變梁變形時的應變輸出； 比較應變片不同接橋方式對電橋輸出結(jié)果的影響。 進行實驗前，先預習附錄一“ CYS 型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀使用指南”，了解該設備的基本結(jié)構(gòu)與組 成。 三、 實驗主要儀器設備和材料 CYS 型傳感器系統(tǒng)綜合實驗儀 本次實驗所用模塊包括：①懸臂梁及金屬箔式應變片；②電橋模塊；③差動放大器；④直流穩(wěn)壓電源（177。 4Ｖ檔）；⑤測 4 微頭；⑥毫伏表。 若干接插連接實驗導線。 萬用表（非必需）。 四、 實驗方法、步驟及結(jié)果測試 一）實驗原理 應變片是最常用的測力傳感元件。當使用應變片進行測試時，首先要將應變片牢固地粘貼到測試體表面。當測件受力發(fā)生變形，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應變化。之后，再通過測量轉(zhuǎn)換電路，將電阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出顯示。 直流 電橋是最常用的一種電測轉(zhuǎn)換電路。當電橋的相對臂電阻阻值乘積相等時，電橋平衡，此時電橋輸出電壓為零。若設電橋橋臂的四個電阻初始值分別為： R1＝ R2＝ R3＝ R4＝ R，當測試體表面產(chǎn)生變形，則其電阻的相對變化率分別為 △ R1/R△ R2/R △ R3/R3和 △ R4/R4。當使用一個應變片時，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 ；當使用二個應變片差動聯(lián)接，組成半橋雙臂電橋，則有 U0＝ RRU?2 ；而用四 個應變片組成全橋形式，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。 通過本實驗，可以驗證說明箔式應變片組成半橋單臂、半 5 橋雙臂電橋和全橋的原理及工作性能。 二）實驗步驟及結(jié)果測試 儀表及電路調(diào)零 任何測試儀器或儀表，在使用前均需調(diào)零。本實驗需要調(diào)零的部件是毫伏表、直流電橋和差動放大器。 ①毫伏表調(diào)零。將綜合實驗儀上的毫伏表輸入端對地短接，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 時的正常情況。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。 ②差動放大器調(diào)零。開啟儀器電源，將差動放大器增益調(diào)至適中位置（調(diào)節(jié)旋鈕旋到中位附近），差動放大器的“＋、－”輸入端用實驗線對地短路，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)整差動放大器輸出電壓至零。然后拔掉短接實驗線。 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，需重新進行調(diào)零。 半橋單臂接橋方式測試 ①接橋。按圖１半橋單臂電橋測試接線原理圖，將實驗模塊用實驗線連接成測試電橋。橋路中 R R R3（因?qū)嶒炘O備不同，實驗設備上的電阻標記可能有差異）和 WＤ 為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器， R 為箔式應變片（可任選懸臂梁上、下面上的任一金屬箔式應變片作為工作片）。直流激勵電 6 源為177。 4Ｖ。 RR4VDWR 34VR 2V1 ②測微頭置位。測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上。初始時，測微頭一般位于懸臂梁上方，不與梁接觸。測微頭置位，即是調(diào)節(jié)測微頭旋轉(zhuǎn)，通過頂桿使應變梁處于基本水平狀態(tài)。此時可認為懸臂梁上的應變片不受力，其電阻為應變片初始值。 ③直流電橋平衡調(diào)整 確定按圖 1 接線無誤后，開啟儀器 電源，并預熱數(shù)分鐘。調(diào)整直流電 橋 WD 電 位器，使測試系統(tǒng)電壓輸出為零。此時可認為電橋處于平衡狀態(tài)。 ④加載測試 a、旋動測微頭，帶動懸臂梁分別作向上或向下的移動，以水平狀態(tài)下輸出電壓為零。測微頭每轉(zhuǎn)一圈，對應垂直移動，相應記錄差動放大器的一個輸出電壓值。向上或向下各移動 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試 保持差動放大器增益不變，將 R1換成為與應變片 R 工作狀態(tài)相反的另一應變片，形成半橋雙臂電橋，調(diào)好零點，用同樣方法，測出數(shù)據(jù)，填入下表： 位移 x(mm) 電壓 V(mv) 全橋接橋方式測試 保持放大器增益不變，將 R R2 兩個電阻換成另兩片應變片，接成一個直流全橋電路，調(diào)好零點，將測出數(shù)據(jù)填入下表： 位移 x(mm) 電壓 V (mv) 注意事項： ? 接通電源前，應仔 細檢查各電路連接是否正確，防止電源和信號源短路。 ? 用應變片組橋時應注意各應變片的受力狀態(tài)。 ? 毫伏表和差動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，信號幅值宜從小到大。 8 五、 實驗報告要求 實驗報告格式嚴格按廣東工業(yè)大學有關(guān)規(guī)定要求 執(zhí)行。 在同一坐標紙上，繪出以上每種測試條件下的測量數(shù)據(jù) (輸入－輸出 )x－Ｖ 曲線 ， 繪出數(shù)據(jù)表格要標明物理量和單位 。 分析實驗數(shù)據(jù)，依此計算傳感器的靈敏度和線性度？并認真繪制出傳感器性能曲線。 比較三種接橋方法的靈敏度。 對實驗中存在的問題、進一步的想法等 進行討論。 六、 思考題 若