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传感器试验讲述

传感器

  CYS 系列传感器实验组 实验 23 to 实验 33 指导老师:冀建利 机 0301-2:李正祥 试 0301-1:于 佳 学号: 20031586 学号: 20031443 2005 年 5 月 30 日 实验二十三 霍尔式传感器的特性—直流激励 实验目的:了解霍尔式传感器的原理与特性。 所需单元及部件:霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F/V 表、直流稳压电源、测 微头、振动平台、主、副电源。 有关旋钮初始位置:差动放大器增益旋钮打到最小,电压表置 20V 档,直流稳压电源置 2V 档,主、副电源关闭。 实验步骤: (1) 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置, 熟悉实验面板上霍尔片的符号。 霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上, 两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上, 二者组合成 霍尔传感器。 (2)开启主、副电源将差动放大器调零后,增益最小,关闭主电源,根据图 21 接线、r 为电桥单元的直流电桥平衡网络。 图 21 (3)装好测微头,调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。 (4)开启主、副电源,调整 W1 使电压表指示为零。 (5)上下旋动测微头,记下电压表的读数,建议每 0.5mm 读一个数,将读数填入下表: X(mm) V(v) X(mm) V(v) 4 44 10.5 0.04 7 8.5 -0.1 86 11 0.07 7 9 -0.0 50 11.5 0.08 9 9.5 -0.0 10 0 12 0.06 作出 V-X 曲线指出线性范围, (见附)求出灵敏度,关闭主、副电源。 S1=△v/△x=[(-0.050+0.144)+(0+0.086)]/(4*0.5)=0.09 S2=△v/△x=[(0.087-0.044)+(0.069-0.077)]/(4*0.5)=0.08 S=(s1+s2)/2=0.085 可见,本实验测出的实际上是磁场情况,磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异, 位移测量的线性度,灵敏度与磁场分布有很大关系。 (6)实验完结关闭主、副电源,各旋钮置初始位置。 注意事项: (1)由于磁路系统的气隙较大,应使霍尔片尽量靠近极靴,以提高灵敏度。 (2)一旦调整好后,测量过程中不能移动磁路系统。 (3)激励电压不能过大,以免损坏霍尔片。 实验二十四 霍尔式传感器的应用—电子秤之四 实验目的:了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。 所需单元及部件:霍尔片、磁路系统、差动放大器、直流稳压电源、电桥、砝码、F/V 表(电压表) 、主、副电源、振动平台。 有关旋钮初始位置:直流稳压电源置±2V 档,F/V 表置 2V 档,主、副电源关闭。 实验步骤: (1)开启主、副电源将差动放大器调零,关闭主、副电源。 (2)调节测微头脱离平台并远离振动台。 (3)按图 21 接线,开启主、副电源,将系统调零。 (4)差动放大器增益调至最小位置,然后不再改变。 (5)在称重平台上放上砝码,填入下表: W(g) V(v) 0 0 5 -0.003 10 -0.007 15 -0.010 (6)在平面上放一个未知重量之物,记下表头读数。根据实验结果作出 V-W 曲线,求 得未知重量。 注意事项: (1)此霍尔传感器的线性范围较小,所以砝码和重物不应太重。 (2)砝码应置于平台的中间部分。 实验二十五 霍尔式传感的特性—交流激励 实验目的:了解交流激励霍尔片的特性 所需单元及部件: 霍尔片、磁路系统、音频振荡、差动放大器、测微头、电桥、移相器、相敏检敏、低通 滤波器、主、副电源、F/V 表、示波器、振动平台。 有关旋钮初始位置:音频振荡器 1KHZ,放大器增益最大,主、副电源关闭。 实验步骤: (1)开启主、副电源将差放调零,关闭主、副电源。 (2)调节测微头脱离振动平台并远离振动台。按图 23 接线,开启主、副电源,将音频 振荡器的输出幅度调到 5Vp-p 值,差放增益置最小。根据实验七(3)的方法利用示波器和 F/V 表按照实验十的方法调整好 W1、W2 及移相器。再转动测微头,使振动台吸合并继续调 节测微头使 F/V 表显示零(F/V 表置 20V 档) 。 图 23 (3)旋动测微头,每隔 0.1mm 记下表头读数填入下表: X(mm) V(v) X(mm) V(v) 3 10 0 10.4 -0.2 9 6 10.5 -0.2 4 10.1 -0.0 1 10.6 -0.3 0 10.2 -0.1 7 10.7 -0.4 10.3 -0.1 找出线性范围,计算灵敏度。 注意事项: (1)交流激励信号必须从电压输出端 0°或 LV 输出,幅度应限制在峰-峰值 5V 以下, 以免霍尔片产生自热现象。 实验二十六 霍尔式传感器的应用—振幅测量 实验目的:了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。 所需单元及部件: 霍尔片、磁路系统、差动放大器、电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波、低频振荡器、 音频振荡器、振动平台、主、副电源、激振线圈、双线示波器。 有关旋钮初始位置:差动放大器增益旋最大,音频振荡器 1KHZ。 实验步骤: (1)开启主、副电源,差动放大器输入短接并接地,调零后,关闭主、副电源。 (2)根据电路图 24 结构,将霍尔式传感器,电桥平衡网络,差动放大器,电压表连接 起来,组成一个测量线V 档,基本保持实验 23 电路) ,并将差放增益置 最小。 图 24 (3)开启主、副电源转动测微头,将振动平台中间的磁铁与测微头分离并远离,使梁 振动时不至于再被吸住(这时振动台处于自由静止状态) 。 (4)调整电桥平衡电位器 W1 和 W2,使 F/V 表指示为零。 (5)去除差动放大器与电压表的连线,将差动放大器的输出与示波器相连,将 F/V 表 置 2KHZ 档,并将低频振荡器的输出端与激振线圈相连后再用 F 表监测频率。 (6)低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置,调节低频振荡频率(频率表监测频率) , 用示波器读出低通滤波器输出的峰峰值填入下表: f(Hz) Vp-p 思考: (1)根据实验结果,可以知道振动平台的自振频率大致为多少。 答:实验示波器的峰峰值随自振的频率先增加后减少大约在 8Hz 的地方最大,所以震 动平台的自振的频率为 8Hz (2)在某一频率固定时,调节低频振荡器的幅度旋钮,改变梁的振动幅度,通过示波 器读出的数据是否可以推算出梁振动时的位移距离。 答:可以,我们做实验可以观察到,梁振动时的位移距离与示波器读出的示波数据的 峰峰值成正比例关系,但是这种方法的测量误差应该比较大。 (3)试想一下,用其他方法来测振动平台振动时的位移范围,并与本实验结果进行比 较验证。 答:用交流电压表测量电压的峰峰值,比较精确,但是电压值的示数在变化,不稳定 注意事项: 5 0.5 10 0.8 15 0.15 20 0.1 应仔细调整磁路部分,使传感器工作在梯度磁场中,否则灵敏度将大大下降。 实验二十七 磁电式传感器的性能 实验目的:了解磁电式传器的原理及性能 所需单元及部件: 差动放大器、涡流变换器、激振器、示波器、磁电式传感器、涡流传感器、振动平台、 主、副电源。 有关旋钮的初始位置: 差动放大器增益旋钮置于中间, 低频振荡器的幅度旋钮置于最小, F/V 表置 2KHz 档。 实验步骤: (1) 观察磁电式传感器的结构, 根据图 25 的电路结构, 将磁电式传感器, 差动放大器, 低通滤波器,双线示波器连接起来,组成一个测量线路,并将低频振荡器的输出端与频率表 (F/V 表置 2K 档)的输入端相连,开启主、副电源。 图 25 (2)调整好示波器,低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置,调节频率,调节时用频 率表监测频率,用示波器读出峰峰值填入下表: F(Hz) Vp-p 3 2.6 4 3.4 5 7.6 6 8.4 7 17 8 26.5 9 30.5 10 29 20 26 25 20 (3)拆去磁电传感器的引线,把涡流传感器经涡流变换器后接入低通滤波器,再用示 波器观察输出波形(波形好坏与涡流传感器的安装位置有关,参照涡流传感器的实验)并与 磁电传感器的输出波形相比较。 思考: (1)试回答磁电式传感器的特点? 答:由数据可以知道,磁电式传感器也像霍尔式传感器一样,随着频率 f 的增大, Vp-p 先增大到最大值时再减少。 (2)比较磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位,为什么? 答:磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位是有差别的,△Φ 不到半个周期, 因为组成磁电式传感器与涡流传感器的放大电路不同, 由差动放大可以计算得它们 是有差别的。 实验二十八 压电传感器的动态响应实验 实验目的:了解压电式传感器的原理、结构及应用。 所需单元及设备: 低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振 线圈、磁电传感器、F/V 表、主、副电源、振动平台。 有关旋钮的初始位置:低频振荡器的幅度旋钮置于最小,F/V 表置 2K 档。 实验步骤: (1) 观察压电式传感器的结构, 根据图 26 的电路结构, 将压电式传感器, 电荷放大器, 低通滤波器,双线示波器连接起来,组成一个测量线路。并将低频振荡器的输出端与频率表 的输入端相连。 图 26 (2)将低频振荡信号接入振动台的激振线)调整好示波器,低频振荡器的幅度旋钮固定至最大,调节频率,调节时用频率表 监测频率,用示波器读出峰峰值填入下表: F(hz) v(p-p) 5 2 7 2.9 12 4.2 15 4.4 17 4.6 20 4.4 25 4 (4)示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形,并与压电波形相比较观察其波 形相位差。 思考: (1)根据实验结果,可以知道振台的自振频率大致多少? 答:由数据可以知道,平台的自振频率大致为 17 hz (2)试回答压电式传感器的特点。比较磁电式传感器输出波形的相位差△ψ 大致为多 少?为什么? 答: △ψ 大致为 30 度,因为是磁电式传感器与压电式传感器的内部电路不一样,三极 管多产生的相移不一样。同样的输入信号,但是输出的波形的位相就有差别。 实验二十九 压电传感器的引线电容 对电压放大器的影响、电荷放大器 实验目的:验证引线电容对电压放大器的影响,了解电荷放大器的原理和使用。 所需单元及部件:低频振荡器、电压放大器、电荷放大器、低通滤波器、相敏检波器、 F/V 表、单芯屏蔽线、差动放大器、直流稳压源、双线示波器。 有关旋钮的初始位置:低频荡器的幅度旋钮置于最小,F/V 表置 20V 档,差动放大器增 益旋钮至最小,直流稳压电源输出置于 4V 档。 实验步骤: (1)按图 27 接线,相敏检波器参考电压应从直流输入插口输入,差动放大器的增益旋 钮旋到适中。直流稳压电源打到±4V 档。 图 27 (2)示波器的两个通道分别接到差动放大器和相敏检波器的输出端。 (3)开启电源,观察示波器上显示的波形,适当调节低频振荡器的幅度旋钮,使差动 放大器的输出波形较大且没有明显的失线)观察相敏检波器输出波形,解释所看到的现象。调整电位器,使差动放大器的直 流成份减少到零,这可以通过观察相敏检波器输出波形而达到,为什么? (5)适当增大差动放大器的增益,使电压表的指示值为某一整数值(如 1.5V) 。 (6)将电压放大器与压电加速度计间的屏蔽线换成与原来一根长度不同的屏蔽线,读 出电压表的读数。 (7)将电压放大器换成电荷放大器,重复(5) (6)两步骤。 注意事项: (1)低频振荡器的幅度要适当,以免引起波形失线)梁振动时不应发生碰撞,否则将引起波形畸变,不再是正弦波。 (3)由于梁的相频特性影响,压电式传感器的输出与激励信号一般不为 180°,故表 头有较大跳动, 此时, 可以适当改变激励信号频率, 使相敏检波输出的两个半波尽可能平衡, 以减少电压表跳动。 思考: (1)相敏检波器输入含有一些直流成份与不含直流成份对电压表读数是否有影响,为 什么? 答:有,因为相敏检波器的作用既是把交流电转换成直流电,如相敏检波器的输入中本 来就含有一些支流成分, 那么相敏检波器就不用再转换了。 所以和本来不有支流成分是不一 样的。 (2)根据实验数据,计算灵敏度的相对变化值,比较电压放大器和电荷放大器受引线 电容的影响程度,并解释原因 答:下面是我们测的一组数据: 电压放大器的电压变化范围 电荷放大器的电压变化范围 由以上数据我们可以得知:电压放大器的灵敏度比较高。 (3)根据所得数据,结合压电传感器原理和电压、电荷放大器原理,试回答引线分布 电容对电压放大器和电荷放器性能有什么影响? 答:引线的分布会对压电式传感器和电荷放大器产生影响,引线电容越大,它们的误差 就越大。 -12.23~13.69 -3.65~5.01 实验三十 差动变面积式电容传感 的静态及动态特性 实验目的:了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。 所需单元及部件:电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V 表、激振器、示波器。 有关旋钮的初始位置:差动放大器增益旋钮置于中间,F/V 表置于 2V 档, 实验步骤: (1)按图 28 接线V,调节测微头,使输出为零。 (3)转动测微头,每次 0.1mm,记下此时测微头的读数及电压表的读数,直至电容动 片与上(或下)静片复盖面积最大为止。 X(mm) V(mv) 12.0 0 12.1 -0.75 12.2 -0.95 12.3 -1.12 退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动,同上法,记下 X(mm)及 V(mv)值。 X(mm) V(mv) 11.9 0.17 11.8 0.39 11.7 0.53 11.6 0.77 (4)计算系统灵敏度 S。S=△V/△X(式中△V 为电压变化,△X 为相应的梁端位移变化) , 并作出 V-X 关系曲线(见附) 由逐差法: S=△V/△X=[(0.17+1.12)+(0.39+0.95)+(0.53+0.75)+(0.77-0)]/(16*0.1)=2.95 (5)卸下测微头,断开电压表,接通激振器,用示波器观察输出波形。 (见附) 实验三十一 双平行梁的动态特性—正弦稳态影响 实验目的:本实验说明如何用传感器来测量系统的动态特性。 所需单元:按需要自行选取。 有关旋钮的初始位置:低频振荡器的幅度旋钮置于最小,F/V 表置 2K 档。 实验步骤: (1)由于梁的振幅变化很大,为了提高测量准确度,不同的振幅可以用不同的传感器 来测量。 (2)相位差可用示波器测量,如用双线示波器直接比较或用李萨育图形来进行。当然 精确的专用仪器更好。 (3)由于低频振荡器频率不很正确,请用频率计来测量。 (4)输出电压幅值用示波器测量。如需精确,可用峰值电压表或低频交流电压表进行 测量。 注意事项: (1)低频振荡器的幅度旋钮要适当控制,以免在自振频率附近振幅过大。 (2)所选用的传感器应按前面实验的方法正确使用。 问题: (1)在本实验仪所用的几种传感器中,哪些传感器灵敏度最高?哪种可测位移最大? 答:应变传感器灵敏度比较高,压电传感器可测位移较大。 (2)为了得出相频特性和幅频特性,在实验中应读上哪些数据? 答:应该读上电压和输出波形 实验三十二 综合传感器----力平衡式传感器 由于实验中需要的Φ 3.5mm 的实验芯线不存在,所以该实验暂时不能做 实验三十三 一、基本原理: 扩散硅压阻式压力传感器实验(998 型) 扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件, 也就是在单晶硅的基片 上用扩散工艺(或离子注入及溅射工艺)制成一定形成的应变元件,当它受到压力作用时, 应变元件的电阻发生变化,从而使输出电压变化。 实验目的:了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。 所需单元及部件:主、副电源、直流稳压电源、差动放大器、F/V 显示表、压阻式传感 器(差压) 、 “U”形管及其加压配件或压力计。 旋钮初始位置:直流稳压电源±4V 档,F/V 表切换开关置于 2V 档,差放增益适中或最 大,主、副电源关闭。 实验步骤: (1)了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的益。 (见附录三) (2)如图 30A 将传感器及电路连好,注意接线正确,否则易损坏元器件,差放接成同 相反相均可: 图 30A (3)将清洁的自来水小心地倒入“U”形管内,直至 20cm 度处(少一点也可) ; (4)如图 30B 接好传感器供压回路,传感器具有两个气咀、一个高压咀一个低压咀, 当高压咀接入正压力时(相对于低压咀)输出为正,反之为负; 图 30B (5)将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松。将“U”形管直立于观察方便的地方, 尽量保持“U”形管平直; (6)开启主、副电源,调整差放零位旋钮,使电压表指示尽可能为零,记下此时电压 表读数。 (7)拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝,轻按加压皮囊,注意不要用力太大,否则水 会从“U”形管中冲出,当“U”形管中的液面刻度差≤4cm(0.4kp),且电压表有压力指示时, 记下此时的读数,然后每隔这一刻度差。记下读数,并将数据填入下表: 压力(kpa) 电压(Mv) 4 0 8 0.27 12 0.54 16 0.81 20 0.107 28 0.134 注:1kpa=10cm 水柱高。根据所得的结果计算系统灵敏度 S=△V/△P,并作出 V-P 关系 曲线,找出线性区域。作为液面计时使用,进行标定。 标定方法:拧松皮囊上的锁紧螺丝,调差放调零旋钮使电压表的读数为零,拧紧锁紧螺 丝, 手压皮囊使 U 型管的液位差较大, 调差动放大器的增益使电压表的指示与 U 型管的液位 差读数一致,这样重复操作零位、增益调试几次到满意为止。 注意事项: (1)如在实验中“U”形管内液面刻度不稳定,应检查加压气体回路是否有漏气现象。 气囊上单向调节阀的锁紧螺丝是否拧紧。 (2)如读数误差较大,应检查气管是否有折压现象,造成传感器与“U”管之间的供气 压力不均匀。 (3)如觉得差动放大器增益不理想,可调整其“增益”旋钮,不过此时应重新调整零 位。调好以后在整个实验过程中不得再改变其位置。 (4)实验完毕必须关闭主、副电源后再拆去实验连接线。 (拆去实验连接线时要注意手 要拿住连接线头部拉起,以免拉断实验连接线。 ) 问题: 差压传感器是否可用作真空度以及负压测试? 答:不可以,因为当真空及负压时已经对晶体没有压力,而且晶体中没有气体,不能形 成压力差。 附: 实验思考 实验二十三 霍尔式传感器的特性—直流激励 1.该实验是了解霍尔传感器的基本原理,为下一个实验(即霍尔传感器的应用)做基础 的 2.在第 4 步骤中,使电压表读数为 0 的调节方法很多,应该调节 w1 使电压表读数为 0 而不能调节增益为 0,如果调节增益的话,就会使测量得到的斜率误差增大。 3.测微头的基准不同,测得的数据就有所不同。我们在实验的时候,测微头的基准顶为 10 为0 。 4.v-x 曲线.求灵敏度用到逐差法 实验二十四 霍尔式传感器的应用—电子秤之四 1.待电压表稳定下来在读数。 2.质量和电压成线形关系,所以能用霍尔传感器来做电子称,但是,它的测量范围很小, 还必须把所测量的物体放在平台的中央,它有一点好处,即:如果能找到线形比例系数 k, 它比普通天平要准确的多。 实验二十五 霍尔式传感的特性—交流激励 1. 实验电路图很复杂,接线 步骤中,使电压表读数为 0 的调节方法很多,应该调节 w1 或 w2 使电压表读数为 0 而不能调节增益为 0,如果调节增益的话,就会使测量得到的斜率误差增大。 3.该实验数据和实验初始条件的关系很大,如果如初始条件的 w1 和 w2 的位置,初始条件 的移相器,都会使使 F/V 表为 0 时,测微头的位置不一样,我们 在实验中选择了一个整数 即 10mm 为 0 的基准,如果选择不同的基准会有不同的数据,但是数据之间的比例关系是一 样的,即 x 和 v 成正比例关系。 实验二十六 霍尔式传感器的应用—振幅测量 见思考题 实验二十七 磁电式传感器的性能 该实验中磁电式传感器的特点: 1.用低频震荡器震动的时候,开始频率比较低,震动的振幅也比较低,随着频率的升 高,振幅也随着升高,大约到 9hz 的时候振幅最大,整个传感器装置都随着震动.又随着振幅 的升高,振幅又减小. 2.如果低频传感器的振幅的调节不好,过小就会使误差偏大 ,如果振幅过大,在示波 器中显示的波就会出现失线.当频率很低的时候,示波器上显示的波形是一个点来回跑动,随着频率的升高 ,小 点跑的越来越快,最后出现的时候就是一个完整的波形. 磁电是传感器与涡流传感器输出波形的比较: 4.涡流传感器的输出波形与磁电式传感器在频率相同的情况下,它的振幅比较小,并 且 2 个波形还有位相差。 实验二十八 压电传感器的动态响应实验 在真空中,测试压力的值是没有的,空气中的幅度也不是很好。在测试压力的时候,为了能 够表现比较好的振幅和波形,不是在空气中测试的,而是压电式中测微头压住压电式的铜圆 柱,使它的压力增大.所以上面的测试的数据中比空气中测试的数据要大. 实验二十九 压电传感器的引线电容 对电压放大器的影响、电荷放大器 见思考题 实验三十 差动变面积式电容传感器的静态及动态特性 1.多测量几组数据可以发现:零点以前和零点以后的数据基本上符合线.该实验也可以用做测量物体的质量, 但物体的质量不应该太大, 物体应该放在平台的中央, 只要求出比例系数 k 就能对应的计算出质量,它的好处是比较准确。 3.实验处理灵敏度时用到逐差法。 4.该测微头的基准为 12.0 对应的是 0,基准不同,所对应的数据就有所不同。 5.v-x 曲线.振幅不要太大,如果太大,波形就会产生失真,示波器输出的波形是一组正弦曲线。 实验三十一 双平行梁的动态特性—正弦稳态影响 该实验是一个比较综合的实验, 是实验设计的初步, 通过传感器来选择适当的单元和部件来 完成,并且比较哪个部件更准确,在用什么实验时用什么部件更准确。

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