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1、机械工程传感器与检测技术测试技术实验指导书机械工程测试技术实验指导书传感器与检测技术罗烈雷编机械工程系机械工程测试技术实验指导书传感器与检测技术一、测试技术实验的地位与作用传感器与检测技术课程，在高等理工科院校机械类各专业的教学计划中，是一门重要的专业基础课，而实验课是完成本课程教学的重要环节。其要紧任务是通过实验巩固与消化课堂所讲授理论内容的懂得，掌握常用传感器的工作原理与使用方法，提高学生的动手能力与学习兴趣。其目的是使学生掌握非电量检测的基本方法与选用传感器的原则，培养学生独立处理问题与解决问题的能力。二、应达到的实验能力标准1、通过应变式传感器实验，掌握理论课上所讲授的应变片的工作原理
2、，并验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。2、通过差动变压器静态位移性能测试与差动变压器零点残余电压的补偿电路设计，掌握理论课上所讲授的差动变压器的工作原理与零点残余电压的补偿措施。3、通过电涡流式传感器的静态标定与被测体材料对电涡流式传感器特性的影响实验，掌握理论课上所讲授的电涡流式传感器的原理及工作性能，验证不一致性质被测体材料对电涡流式传感器性能的影响。4、通过差动面积式电容传感器的静态及动态特性测试，熟悉差动面积式电容传感器的工作原理及其特性。5、通过磁电感应式传感器的性能与霍尔式传感器直流静态位移特性的测试方法，掌握磁电感应式传感器的工作原理及其性能与霍尔式传感器的工作原理及其特
3、能。6、通过压电式传感器的动态响应与引线电容对电压放大器与电荷放大器的影响实验，掌握压电式传感器的原理、结构及应用与验证引线电容对电压放大器的影响，熟悉电荷放大器的原理与使用方法。7、通过光敏三极管与光敏电阻的性能测试，掌握光电传感器的原理与应用方法。8、热电偶与热敏电阻的性能测试的方法，掌握热电偶的原理与NTC热敏电阻的工作原理与使用方法，并对传感器灵敏度线性度进行分析。9、通过差动放大器与低通滤波器设计与测试，掌握差动放大器与滤波器的设计方法与性能测试方法。10、通过集成温度传感器AD590与DS1820设计，掌握输出电流型与新型单总线数字温度传感器的工作特性与使用方法。三、学时、教学文件
4、及教学形式学时：本课程总学时为48学时，其中实验为8学时，占总学时的17%o教学文件：测试技术实验指导书，实验报告学生自拟。教学形式：本课程实验为验证性实验。学生实验前预习实验指导书，并写出预习报告。指导教师概述实验基本原理与方法及仪器使用方法等，并作针对性指导，具体实验步骤及测量数据处理由学生自行完成。四、实验成绩评定根据学生所构成的系统难易程度、数据图形的正确性、学习态度、实验技能、实验报告等综合评分。实验成绩占本课程总成绩15%,对缺实验成绩者.本课程不予通过。五、要紧实验仪器设备双踪示波器、万用表、传感器综合实验仪等。六、实验基本要求熟练掌握实验的基本技能，学会正确使用仪器仪表，能独立
5、计检测电路、联接线路并完成实验，能分析并排除实验过程中的通常故障。实验后要正确处理原始数据并完成实验报告。.七、实验项目开设序号实验名称内容提要实验要求实验时数实验类型每组人数所在实验宣*备注1金属箱式应变片I单臂.半桥.全桥比较实验验证单臂.半桥.全桥的性能必开2验证2测试技术实验室2电涡流式传感器的静态标定熟悉电涡流式传感器的原理及工作性能（岸态特性）必开2验证23交流电桥的应用一振动的测量熟悉交流激励电桥的应用必开2验证24霍尔传感器的应用熟悉霍尔传感器在振动测1：中的应用必开2验证2注：可按“实验目录”所列的实验项目利用课余时间选做其它实验。实验目录实验一金属箱式应变片一一单臂电桥性能
6、实验实验二金属箱式应变片一一半桥性能实验实验三金属箱式应变片一一全桥性能实验实验四金属箱式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验实验五金属箱式应变片一一温度影响实验实验六直流全桥的应用一一电子秤实验实验七交流全桥的应用一一振动测量实验实验八扩散硅压阻压力传感器的压力测量实验实验九扩散硅压阻压力传感器差压测量实验*实验十差动变压器的性能实验实验十一激励频率对差动变压器特性的影响实验实验十二差动变压器零点残余电压补偿实验实验十三差动变压器的应用一一振动测量实验实验十四电容式传感器的位移特性实验实验十五直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验电容传感器动态特性实验实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
7、实验十七霍尔测速实验实验十八磁电式转速传感器的测速实验霍尔式传感器振动测量实验实验十九用磁电式原理测量地震*霍尔式传感器的应用一一电子秤实验实验二十压电式传感器振动实验实验二十一电涡流传感器的位移特性实验实验二十二被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验实验一金属箔式应变片一一单臂电桥性能实验一、实验目的：熟悉金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理与性能。二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：R/R=KE式中AR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,=ii为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等
8、工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压U0I=EK/4o三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器一电子秤、祛码、数显表、15V电源、4V电源、万用表（自备）。四、实验步骤：I、根据图（I-I）应变式传感器（电子秤）己装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的RI、R2、R3、R4o加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，Ri=R2=R.=&=350曜，加热丝阻值为50、左右应变片托盘图1-1应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V（从主控台引入），
9、检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器Rm顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4,使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当RW3、Rm的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）。3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rwu接上桥路电源土4V（从主控台引入）如图12所示。检查接线无误后，合上主控台电
10、源开关。调节Rwi,使数显表显示为零。O O加热器R3O i 0 r2ORlO CTa O接主控箱接数显表 电源输出 Vi地Il LU应变传感器实验模板图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图4、在电子称上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加祛码与读取相应的数显表值，直到200g（或者50Og）袪码加完。记下实验结果填入表1-1,关闭电源。重量（g）电压（mv）5、根据表11计算系统灵敏度S=W（AU输出电压变化量，Aw重量变化量）与非线性误差Sn=AmZyEfXI00%式中Am为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF.s满量程输出平均值，此处为200g（或者500g）。五、思
11、考题:单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均能够。O O加热器R4O&0r3ooR2。昌。RnR12应变传感器实验模板H RW4实验二金属箔式应变片一一半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不一致性能、熟悉其特点。二、基本原理：不一致受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提窗，非线性得到改善。当应变片阻值与应变量相同时，其桥路输出电压Uo2=EKc2o三、需用器件与单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤2,实验模板差动放大器调零。2、根据图1-3接线。RhRz为实验模板左上方
12、的应变片，注意R2应与Rl受力状态相反，马上传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V,调节电桥调零电位器RWl进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表12,计算灵敏度S2=UW,非线性误差63若实验时无数值显示说明Rz与Rl为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。接主控箱接数显表电源输出Vi地图1-3应变式传感器半桥实验接线图表1一2半桥测量时，输出电压与加负载.重量值重量电压五、思考题：1、半桥测量时两片不一致受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是
13、由于：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。实验三金属箔式应变片一一全桥性能实验一、实验目的：熟悉全桥测量电路的优点。二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4,其变化值AR=AR2=AR3=ARit,其桥路输出电压U03=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差与温度误差均得到改善。三、需用器件与单元：同实验一四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。2、根据图1-4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表13；进行灵敏度与非线性误差r4o-CJ2Q-Of霞 b 321,
14、则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当32Rp2时输出UO与3无关，当然3过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳固不利。三、需用器件与单兀：与实验十相同。四、实验步骤：1、差动变压器安装同实验十。接线图同实验十。2、选择音频信号输出频率为IKHz，Vpp=2V0从LV输出，（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节R*、Rw2使输出变得更小，3、用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或者右）旋到离中心位置2.5Omm处，有较大的输出。将测试结果记入表32。4、分别改变激励频率从IKHZ9KHz,幅值不变，将测试结果记入表32表32不一致激励
15、频率时输出电压的关系。F(Hz)IKHz2KHz3KHz4KHz5KHz6KHz7KHz8KHz9KHzV(Mv)5、作出幅频特性曲线。实验十二差动变压器零点残余电压补偿实验一、实验目的：熟悉差动变压器零点残余电压补偿方法。二、基本原理：由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯BH特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。称其为零点残余电压。三、需用器件与单元：音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。四、实验步骤：1、按图33接线，音频信号源从LV插口输出，实验模板R、G、RWI、Rwz
16、为电桥单元中调平衡网络。接第二通道图33零点残余电压补偿电路2、利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰一峰值。3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。4、依次调整RW1、Rw2,使输出电压降至最小。5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰一峰值）。（注：这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压=V零点H/K,K为放大倍数）五、考题：1、请分析通过补偿后的零点残余电压波形。2、本实验也可用图34所示线路，请分析原理。接第二通进实验十三差动变压器的应用一一振动测量实验一、实验目的：熟悉差动变压器测量振动的方法。二、
17、基本原理：利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。三、需用器件与单元：音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、测微头、数显单元、低频振荡器、振动源单元（台面上）、示波器、直流稳压电源。四、实验步骤：1、将差动变压器按图35,安装在台面三源板的振动源单元上。平台图3-5差动变压器振动测量安装图2、按图36接线，并调整好有关部分，调整如下：（1）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV峰一峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使VoP-P=2V（2）利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。（3）认真调节RWl与Rw2使示波器
18、（相敏检小波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）认真调节移相器与相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线。（否则再调节RWl与RV2）激振源接上低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮与频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示波器观察放大器Vo相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。主控台 数显表T频振荡器差动变压器实验模板移相、相敏、低通旗板图3-6差动变压器振动测量实验接线图3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压VP-P的监测方法与实验十相同）用示波器观察低通滤波器的输
19、出，读出峰一峰电压值，记下实验数据，填入下表33表3-3f(Hz)Vp-p(V)4、根据实验结果作出梁的振幅一一频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率邻近振幅过大。五、思考题：1、假如用直流电压表来读数，需增加什么测量单元，测量线路该如何？2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？实验十四电容式传感器的位移实验一、实验目的：熟悉电容式传感器结构及其特点。二、基本原理：利用平板电容C=A/d与其它结构的关系式通过相应
20、的结构与测量电路能够选择、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则能够有测谷物干燥度（E变）测微小位移（变d）与测量液位（变A）等多种电容传感器。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。四、实验步骤：1、 按图31安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CXl与C2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。通常接线:二个静片分别是1号与2号引线，动极板为3号引线。2、 将电容传感器电容Ci与C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板CxlC2插孔上，动极板连接地插孔
21、（见图41）。RiIR2 *di2 D2VRDIS outR3ClHUfTTH cvTRIG接主控箱电源输出+V （内汨麟）+15vVi控箱数地显表图4-1电容传感器位移实验接线图3、 将电容传感器实验模板的输出端V与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），RW调节到中间位置。4、 接入15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表41。表41电容传感器位移与输出电压值X(mm)V(mv)5、根据表41数据计算电容传感器的系统灵敏度S与非线性误差6f。五、思考题：试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑什么因素？
22、实验十五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：熟悉霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KMB,当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就能够进行位移测量。三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。四、实验步骤：1、将霍尔传感器按图51安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图52进行。1、3为电源4V,2、4为输出。2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RWl使数显表指示为零。图5图5-1霍尔传感器安装示意图图5-2霍尔传感器位移一一直流激励实验接线图3、微头向轴向方向推进，每转动02mm记下一个读数，直到读数近似不
23、变，将读数填入表51。表51X(mm)V(mv)作出V-X曲线，计算不一致线性范围时的灵敏度与非线性误差。五、思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移实验一、实验目的：熟悉交流激励时霍尔式传感器的特性。二、基本原理：交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不一致之处是测量电路。三、需用器件与单元：在实验十六基础上加相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。四、实验步骤：1、传感器安装同实验十六，实验模板上连线见图53。o Lv：1KHzVp-p=4VOW示波器主控台 数显表霍尔实验模板移相、相敏、低通模板图5-3交流激励时
24、霍尔传感器位移实验接线图2、调节音频振动器频率与幅度旋钮，从LV输出，用示波器测量使电压输出频率为IKHz,电压峰一峰值为接上交流电源，激励电压从音频输出端LV输出频率IKHz，幅值为4V峰一峰值（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RWI、RW2使显示为零。4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW与相敏检波电位器RW,使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填
25、入表52。表5-2交流激励时输出电压与位移数据X(mm)V(mv)6、根据表52作出V-X曲线，计算不一致量程时的非线性误差。五、思考题：利用霍尔元件测量位移与振动时，使用上有何限制？实验十七霍尔测速实验一、实验目的：熟悉霍尔转速传感器的应用。二、基本原理：利用霍尔效应表达式：Uh=KhIB,当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形与计数电路就能够测量被测旋转物的转速。三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、直流源+5V、转动源224V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。四、 实验步骤：1、根据图5-4,将霍尔转速传感器装
26、于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。图54霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。3、将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。4、将转速调节中的+2V24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。5、将数显单元上的开关拨到转速档。6、调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。五、 思考题：1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？实验十八磁电式转速传感器测速实验一、实验目的：熟悉磁电式测量转速的原理。二、基本原理：基于电磁感应原理,N匝线圈所在
27、磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：e=-N3发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形与计数等电路即能够测量转速。三、需用器件与单元：磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源224V。四、实验步骤：1、磁电式转速传感器按图5-4安装传感器端面离转动盘面2mm左右。将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。（磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）2、将显示开关选择转速测量档。3、将转速电源224V用引线引入到台面板上24V插孔，合上主控箱电开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。五、思考题：为什么说磁电式转速传感器不能测很
28、低速的转动，能说明理由吗？实验十九用磁电式原理测量地震*磁电式传感器是绝对测量原理的传感器，因此它能够直接放在地面上测量地震，用而不用找其它相对静止点。请设计一个简易的地震仪用来测量车床、床身振动。实验二十压电式传感器测振动实验一、实验目的：熟悉压电传感器的测量振动的原理与方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块与受压的压电片等构成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。四、实验步骤：1、压电传感器已装在振动台面上。2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。接低通滤波独图71压电式传感器性能实验接线图3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图71,与传感器外壳相连的接线
