現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(2)

1、現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一：應(yīng)變片測(cè)量電橋性能測(cè)試一 實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)二 目的和任務(wù)了解電橋電路在應(yīng)變片測(cè)量中的應(yīng)用；在了解電橋電路特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用雙臂工作的半橋接法和四臂工作的全橋接法的電橋電路，以矩形懸臂梁為彈性元件，探討雙臂工作的半橋接法和四臂工作的全橋接法對(duì)應(yīng)變片式位移傳感器測(cè)量精度的影響。三 預(yù)習(xí)要求：1學(xué)習(xí)電橋電路的基本原理2了解雙臂工作的半橋接法和四臂工作的全橋接法的電橋電路異同點(diǎn)3設(shè)計(jì)雙臂工作的半橋接法和四臂工作的全橋接法的電橋電路四 實(shí)驗(yàn)基本原理由應(yīng)變片作為橋臂而組成的電橋稱為測(cè)量電橋。若測(cè)量電橋的輸人電壓為U0，輸出電壓為U ，各橋臂的電阻分別為R1、R2、R3

2、、R4，則：（1）測(cè)量電橋靈敏度：（2）當(dāng)采用雙臂工作的半橋接法時(shí)，見圖1a，若R1R2R，有：（3）代入公式（1）（2）得： （4）當(dāng)采用四臂工作的全橋接法時(shí)，見圖1b，若R1R2R3=R4=R，有：（5）代入公式（1）（2）得： （6）（a）雙臂工作的半橋接法 （b）四臂工作的全橋接法圖1 電橋電路彈性元件采用40Cr鋼制成的矩形梁，梁長度Z=38mm，厚度h=5.2mm，寬度b=10mm根據(jù)材料力學(xué)中梁的應(yīng)力分析，對(duì)矩形梁應(yīng)變?yōu)椋?（7）式中E為40Cr鋼的彈性模量，E =19.63 X 1010N/m2 ，F(xiàn)為外加載荷。五 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備電橋電路，直流電源，萬用表，靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變

3、片六 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1按照理論公式和所采用應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)計(jì)算應(yīng)變片在不同載荷下的理論應(yīng)變值，記錄到表1中；2按圖1a連接實(shí)驗(yàn)電路，在AC點(diǎn)加直流電壓U0，通過測(cè)量BD間電壓U計(jì)算半橋接法情況下應(yīng)變片在不同載荷下的應(yīng)變值，記錄到表1中；3按圖1b連接實(shí)驗(yàn)電路，在AC點(diǎn)加直流電壓U0，通過測(cè)量BD間電壓U計(jì)算全橋接法情況下應(yīng)變片在不同載荷下的應(yīng)變值，記錄到表1中；4比較表1中三組數(shù)據(jù)，總結(jié)半橋接法測(cè)量和全橋接法測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)。表1F/N理論值半橋接法全橋接法七 實(shí)驗(yàn)步驟1、 按圖1a連接實(shí)驗(yàn)電路，在AC點(diǎn)加直流電壓U0，改變應(yīng)變片上的載荷，同時(shí)用萬用表測(cè)量BD間電壓U，計(jì)算半橋接法情況下應(yīng)變片在

4、不同載荷下的應(yīng)變值；2、 按圖1b連接實(shí)驗(yàn)電路，在AC點(diǎn)加直流電壓U0，改變應(yīng)變片上的載荷，同時(shí)用萬用表測(cè)量BD間電壓U，計(jì)算全橋接法情況下應(yīng)變片在不同載荷下的應(yīng)變值；八 注意事項(xiàng)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，列表比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論估算值，分析誤差原因。九 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析，要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫工整。實(shí)驗(yàn)二：霍爾傳感器性能測(cè)試及應(yīng)用一 實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)二 目的和任務(wù)了解霍爾式傳感器在振動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用。三 預(yù)習(xí)要求1霍爾式傳感器的原理2預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)的電路知識(shí)四 實(shí)驗(yàn)基本原理靜止的載流導(dǎo)體位于磁場中(三個(gè)條件，靜止、通電導(dǎo)體、磁場)，當(dāng)電流I的方向與磁場的方向有一定夾角時(shí)，在垂直于電

5、流和磁場方向的載流導(dǎo)體的兩側(cè)面之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電流方向與磁場方向垂直時(shí)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的本質(zhì)是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起偏轉(zhuǎn)，當(dāng)帶電粒子被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生正、負(fù)電荷的聚集，從而在材料中形成附加的橫向電場。霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)一般極為微弱，但在高純度的半導(dǎo)體中比較明顯，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的載流子遷移率很高，電阻率也比較大。實(shí)用中為提高霍爾元件的靈敏度，將元件制成很薄、很小的矩形。過去霍爾元件的尺寸都在毫米數(shù)量級(jí)，新的制作工藝(真空鍍膜)已使霍爾元件的尺寸更小，僅為微米數(shù)量級(jí)。所以實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格按要求施加工

6、作電流，注意安全，保護(hù)儀器?；魻栃?yīng)已在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅髦饕迷谝韵聨讉€(gè)方面：測(cè)量磁場強(qiáng)度；測(cè)量交直流電路電流強(qiáng)度和電功率；轉(zhuǎn)換信號(hào)，如將直流電流轉(zhuǎn)換成交流電流；對(duì)各種非電量的物理量進(jìn)行測(cè)量并輸出電信號(hào)供自動(dòng)檢測(cè)、控制和信息處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。無論工科或理科學(xué)生，了解這一極富實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)將來的工作和學(xué)習(xí)都有幫助。五 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備霍爾片、磁路系統(tǒng)、差動(dòng)放大器、電橋、移相器、相敏檢波器、低通濾波、低頻振蕩器、音頻振蕩器、振動(dòng)平臺(tái)、主、副電源、激振線圈、雙線示波器。六 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以實(shí)驗(yàn)電路板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用示波器觀察脈寬調(diào)制信號(hào)，并記錄不同頻率下的峰峰值，通過對(duì)

7、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出霍爾器件的性能。七 實(shí)驗(yàn)步驟（1）開啟主、副電源，差動(dòng)放大器輸入短接并接地，調(diào)零后，關(guān)閉主、副電源。（2）根據(jù)電路圖結(jié)構(gòu)，將霍爾式傳感器，直流穩(wěn)壓電源，電橋平衡網(wǎng)絡(luò)，差動(dòng)放大器，電壓表連接起來，組成一個(gè)測(cè)量線路（電壓表應(yīng)置于檔，基本保持實(shí)驗(yàn)電路），并將差放增益置最小。(3) 開啟主、副電源轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭，將振動(dòng)平臺(tái)中間的磁鐵與測(cè)微頭分離并遠(yuǎn)離，使梁振動(dòng)時(shí)不至于再被吸?。ㄟ@時(shí)振動(dòng)臺(tái)處于自由靜止?fàn)顟B(tài)）。(4) 調(diào)整電橋平衡電位器W1和W2，使FV表指示為零。(5) 去除差動(dòng)放大器與電壓表的連線，將差動(dòng)放大器的輸出與示波器相連，將FV表置KHz檔，并將低頻振蕩器的輸出端與激振線圈相連后再

8、用F表監(jiān)測(cè)頻率。(6) 低頻振蕩器的幅度旋鈕固定至某一位置，調(diào)節(jié)低頻振蕩頻率（頻率表監(jiān)測(cè)頻率），用示波器讀出低通濾波器輸出的峰峰值填入下表：f（Hz）Vpp八 注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)前斷開檢查電源輸出的電壓電流是否符合要求2實(shí)驗(yàn)前檢查電源是否正確連接3應(yīng)仔細(xì)調(diào)整磁路部分，使傳感器工作在梯度磁場中，否則靈敏度將大大下降。九 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求通過示波器觀察信號(hào)，并記錄分析，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)（綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容），進(jìn)一步設(shè)計(jì)電路。實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫工整。實(shí)驗(yàn)三：壓電傳感器性能測(cè)試及應(yīng)用一 實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)二 目的和任務(wù)1、熟悉記憶示波器和電荷放大器使用方法；2、用活塞式壓力計(jì)標(biāo)定傳感器的電荷靈敏度系數(shù)；三 預(yù)習(xí)要求1.

9、壓電傳感器的原理；2. 學(xué)習(xí)示波器的使用方法；四 實(shí)驗(yàn)基本原理1、理想數(shù)學(xué)模型：準(zhǔn)靜態(tài)載荷（輸入信號(hào)特征頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率）：輸入（壓力）和輸出（電荷）近似成線性關(guān)系(石英壓力傳感器的線性度較好)；動(dòng)態(tài)載荷（輸入信號(hào)特征頻率接近甚至高于傳感器固有頻率）：二階線性系統(tǒng)模型。2、真實(shí)情況和數(shù)學(xué)模型之間的偏差：電荷泄漏：理想模型認(rèn)為傳感器絕緣電阻為無窮大，而真實(shí)傳感器的絕緣電阻并非無窮大（石英晶體：1013；壓電陶瓷：1010），必將導(dǎo)致一定程度的電荷泄漏；另一方面，電荷放大器為了對(duì)傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，必然要從傳感器中取一定電流，從而增加了傳感器電荷的泄漏。所以通常的電荷放大器的輸入級(jí)都

10、具有極高的輸入阻抗，并要求設(shè)備防潮，以避免由于受潮帶來的阻抗下降。但是，由于外加壓力而產(chǎn)生的電荷量很少，即使少量的電荷泄漏也會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成明顯的影響，該影響不可忽略。電荷放大器的頻率響應(yīng)：對(duì)于靜標(biāo)試驗(yàn)，輸入載荷的特征頻率很低，故對(duì)二次儀表（電荷放大器）的低頻響應(yīng)有較高的要求，否則經(jīng)過二次儀表的高通濾波，信號(hào)將會(huì)失真,因此，電荷放大器做定標(biāo)時(shí)，要將下限頻率調(diào)到較低的數(shù)值。噪聲：由于本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器量程很大（100 bar 300 bar），而實(shí)際載荷只有數(shù)個(gè)大氣壓，必然導(dǎo)致得到的信號(hào)信噪比較低。但實(shí)驗(yàn)表明，以如此小的壓力加載，輸出信號(hào)的噪聲幅值依然較小，可以接受。五 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備1 記憶示

11、波器1臺(tái)（TDS210）；2電荷放大器YE5850一臺(tái)；3 活塞式壓力計(jì)1臺(tái)；4 石英壓力傳感器CY-YD-205 1只。六 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 熟悉記憶示波器，看清各個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕的位置,對(duì)照說明書了解：（1）調(diào)節(jié)電壓量程、時(shí)間量程方法；（2）觸發(fā)方式、觸發(fā)電平，觸發(fā)位置等的設(shè)置方法； ( 3 ) 用光標(biāo)讀取電壓、時(shí)間值的方法；（4）用TDS-210數(shù)據(jù)處理程序采集數(shù)據(jù)的方法。 以上方法的要點(diǎn)將在下面的實(shí)驗(yàn)步驟中說明.2 熟悉電荷放大器，看清面板上各種按鈕的位置（1）靈敏度設(shè)置、輸出設(shè)置方法；（2）下限、上限頻率設(shè)置方法。 以上方法的要點(diǎn)將在下面的試驗(yàn)步驟中說明。3 熟悉活塞式壓力計(jì)（1）打開油杯閥門

12、，向外旋轉(zhuǎn)活塞把油吸入活塞，關(guān)閉油杯閥門，向右旋轉(zhuǎn)活塞手輪，壓力表顯示已加載壓力。（2）用砝碼可以更精確表示壓力。關(guān)閉壓力表處的閥門，打開連接砝碼盤的閥門，在砝碼盤上加砝碼，關(guān)閉油杯閥門。向右旋轉(zhuǎn)活塞手輪，砝碼盤抬起（注意：不要與上方金屬環(huán)接觸）。改變砝碼重量，即可改變加載壓力。（3）突然打開油杯閥門，接通大氣。此時(shí)傳感器上卸載。七 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 打開示波器電源開關(guān)(開關(guān)在示波器上表面)，將電荷放大器YE5850的開關(guān)檔置于“復(fù)位”，將放大器地線良好接地，然后打開放大器的電源開關(guān)(開關(guān)在背面面板上)。（2） 將傳感器電纜接到放大器電荷輸入端，放大器輸出電纜接到示波器2通道輸入端。（3） 放大

13、器靈敏度檔置于10.0 pc/unit(即將靈敏度左邊檔置于10，中間和右邊檔置于0)，輸出置于10 mv/unit， 下限頻率置于L檔(此時(shí)下限頻率小于0.0001HZ)，上限頻率置于0.3kHz，輸入端選擇電荷輸入。 注意將放大器的靈敏度設(shè)置在1-10.99pc/unit時(shí)，調(diào)節(jié)下方的檔置于下方，面板上的左邊小數(shù)點(diǎn)亮。（4） 旋轉(zhuǎn)示波器2通道的垂直電壓調(diào)節(jié)旋鈕，將垂直標(biāo)尺定在20mv/div，旋轉(zhuǎn)水平位置的秒/刻度旋鈕，將水平標(biāo)尺(主時(shí)基)定在500ms/div.按下”TRIGGER”鈕，顯示區(qū)右邊會(huì)顯示觸發(fā)菜單，將觸發(fā)類型選在邊沿觸發(fā)，觸發(fā)方式選在單次觸發(fā)，信源選ch2，耦合方式選交流，

14、斜率選下降沿，然后按下“HORIZONTAL”鈕，在菜單中選擇電平，旋轉(zhuǎn)“電平”旋鈕,設(shè)置觸發(fā)電平。 注意觸發(fā)電平一般選在所測(cè)電壓峰-峰值的一半左右，基本原則是保證噪聲不會(huì)引起觸發(fā)，信號(hào)能夠引起觸發(fā)。這里給出一個(gè)參考值：當(dāng)加壓至3千克力/ 平方厘米時(shí)，觸發(fā)電平可設(shè)置在20mv左右。（5） 在活塞式壓力計(jì)上對(duì)傳感器加載后，將放大器置到“工作”，將示波器面板右上端“執(zhí)行/停止”按下，當(dāng)顯示區(qū)上方中間顯示位“Ready” ，快速打開油杯閥門，使示波器觸發(fā)。 注意，試驗(yàn)者可能由于觸發(fā)電平設(shè)置太低、而使噪聲引起觸發(fā)，或者設(shè)置過高，使得信號(hào)不能觸發(fā)。另外，在每次測(cè)量后，將放大器置于“復(fù)位”，使里面的殘余電

15、荷放掉。（6） 用光標(biāo)讀出電壓值。按下菜單欄里的“CURSOR”鈕，顯示區(qū)將顯示光標(biāo)的菜單，類型選擇“電壓”，信源選ch2，用垂直處的波形位移鈕移動(dòng)光標(biāo)1和光標(biāo)2，菜單欄里的增量處，將顯示兩光標(biāo)間的電壓差值。由此讀出觸發(fā)前后的電壓差。 注意，如果發(fā)現(xiàn)顯示區(qū)波形被截?cái)?，需要調(diào)大垂直標(biāo)尺，重新測(cè)量。用下列公式計(jì)算出電荷量：（7） 改變砝碼重量，從0.7千克力/平方厘米開始，每次增加0.5千克力/平方厘米，直到砝碼總壓達(dá)到5千克力/平方厘米時(shí)，重復(fù)上述試驗(yàn)過程。 注意，活塞式壓力計(jì)底盤重0.4千克力/平方厘米，不要漏掉。另外，由于噪聲的影響，使得最小壓力值受到限制，試驗(yàn)者可以試著把可以測(cè)量的最小壓力

16、值找出來，這里的0.7千克力/平方厘米，只是一個(gè)參考值。用所得數(shù)據(jù)繪制電荷量pc 壓力 bar 曲線，并用最小二乘法求出靈敏度系數(shù)。(1kgf/cm20.98 bar)。（8） 數(shù)據(jù)處理 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算后的數(shù)據(jù)整理如下。砝碼(Kgf / cm2)壓力(bar)電壓(mv)電荷量(pc)0.70.811.522.533.544.55用以上數(shù)據(jù)繪制電荷量-壓力曲線；用最小二乘法擬合后得直線方程 y = mx + n式中m即為石英傳感器的電荷靈敏度pc / bar。八 注意事項(xiàng)九 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求畫出原理圖，組成結(jié)構(gòu)圖，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，報(bào)告結(jié)構(gòu)合理，格式正確，字跡工整。實(shí)驗(yàn)四：光電式傳感器性能測(cè)試及應(yīng)用

17、一 實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)二 目的和任務(wù)掌握常用光電傳感器的基本特性和測(cè)試方法，使學(xué)生能夠利用光電傳感器設(shè)計(jì)簡單的應(yīng)用電路。三 預(yù)習(xí)要求1. 光電傳感器的基本原理2. 光敏電阻的原理和應(yīng)用3. 光電開關(guān)的原理和應(yīng)用；4. 熱釋電紅外傳感器的原理和應(yīng)用四 實(shí)驗(yàn)基本原理由半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻，工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)，當(dāng)摻雜的半導(dǎo)體薄膜表面受到光照時(shí)，其導(dǎo)電率就發(fā)生變化。不同的材料制成的光敏電阻有不同的光譜特性和時(shí)間常數(shù)。由于存在非線性，因此光敏電阻一般用在控制電路中，不適用作測(cè)量元件。光敏三極管與半導(dǎo)體三極管結(jié)構(gòu)類似，但通常引出線只有二個(gè)，當(dāng)具有光敏特性的PN結(jié)受到光照時(shí)，形成光電流，不同材料制

18、成的光敏三極管具有不同的光譜特性，光敏三極管較之光敏二極管能將光電流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的靈敏度。與光敏管相似，不同材料制成的發(fā)光二極管也具有不同的光譜特性，由光譜特性相同的發(fā)光二極管與光敏三極管組成對(duì)管，安裝成如圖（19）形式，就形成了光電開關(guān)（光耦合器或光斷續(xù)器）。熱釋電紅外傳感器是一種紅外光傳感器，屬于熱電型器件，當(dāng)熱電元件PZT受到光照時(shí)能將光能轉(zhuǎn)換為熱能，受熱的晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等符號(hào)相反的電荷，如果帶上負(fù)載就會(huì)有電流流過，輸出電壓信號(hào)。五 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備光敏電阻、電壓表、示波器、光電開關(guān)、測(cè)速電機(jī)、電壓/頻率表、熱釋電紅外傳感器、菲涅耳透鏡、溫控電加熱爐、熱釋電紅外傳

19、感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K六 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.光敏電阻實(shí)驗(yàn)2.光電開關(guān)實(shí)驗(yàn)；3.熱釋電紅外傳感器實(shí)驗(yàn)七 實(shí)驗(yàn)步驟1. 光敏電阻實(shí)驗(yàn)1、觀察光敏電阻，分別將光敏電阻置于光亮和黑暗之處，測(cè)得其亮電阻和暗電阻，在給定工作電壓下，通過亮電阻和暗電阻的電流為亮電流和暗電流，其差為光敏電阻的光電流。光電流越大，靈敏度越高。2、連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源線及傳感器接口線，光敏電阻轉(zhuǎn)換電路輸出端V0接電壓表與示波器。3、開啟主機(jī)電源，通過改變光敏電阻的光照程度，觀察輸出電壓的變化情況。實(shí)驗(yàn)電路又是一個(gè)暗光亮燈控制電路，可以設(shè)定暗光程度，依次試驗(yàn)環(huán)境光照不同時(shí)光敏電阻控制亮燈的情況。2. 光電開關(guān)實(shí)驗(yàn)1、觀察光電開關(guān)結(jié)構(gòu)：傳感器是一個(gè)透過型的光斷續(xù)器，工作波長3m左右，可以用來檢測(cè)物體的有無，物體運(yùn)動(dòng)方向等。2、連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源線及傳感器接口，示波器接光電輸出端。3、開啟主機(jī)電源，用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)葉片分別擋住與離開傳感光路，觀察輸出端信號(hào)波形。開啟電機(jī)轉(zhuǎn)速開關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，觀察V0端連續(xù)方波信號(hào)輸出，并用電壓/頻率表2KHz檔