工程測試實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、使 用 說 明CSY10A傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀是用于檢測類課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的多功能教學(xué)儀器。其特點(diǎn)是集被測體、各種傳感器、信號(hào)激勵(lì)源、處理電路和顯示器于一體，可以組成一個(gè)完整的測試系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所提供的實(shí)驗(yàn)舉例，能完成包含光、磁、電、溫度、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的測試實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者可對各種不同的傳感器及測量電路原理和組成有直觀的感性認(rèn)識(shí)，并可在本儀器上開發(fā)出新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)儀主要由實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)、處理電路、信號(hào)與顯示電路三部分組成。實(shí)驗(yàn)儀的傳感器配置及布局是：一、位于儀器頂部的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)部分，左邊是一副平行式懸臂梁，梁上裝有應(yīng)變式、熱敏式、熱電式、P-N結(jié)溫度式和壓電加速度五種傳感器。

2、平行梁上梁的上表面和下梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別用符號(hào) 和 表示。其中六片為金屬箔式片（BHF-350）。橫向所貼的兩片為溫度補(bǔ)償片，用符號(hào) 和 表示。片上標(biāo)有“BY”字樣的為半導(dǎo)體式應(yīng)變片，靈敏系數(shù)130。熱敏式：上梁表面裝有玻璃珠狀的半導(dǎo)體熱敏電阻MF-51，負(fù)溫度系數(shù)，25時(shí)阻值為810K。P-N結(jié)溫度式：根據(jù)半導(dǎo)體P-N結(jié)溫度特性所制成的具有良好線性范圍的集成溫度傳感器。壓電加速度式：位于懸臂梁自由端部，由PZT-5雙壓電晶片、銅質(zhì)量塊和壓簧組成，裝在透明外殼中。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)左邊是由裝于機(jī)內(nèi)的另一副平行梁帶動(dòng)的圓盤式工作臺(tái)。圓盤周圍一圈安裝有（依逆時(shí)針方向）電感式（差

3、動(dòng)變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式、壓阻式等傳感器。電感式（差動(dòng)變壓器）：由初級線圈Li和兩個(gè)次級線圈L。繞制而成的空心線圈，圓柱形鐵氧體鐵芯置于線圈中間，測量范圍10mm。電容式：由裝于圓盤上的一組動(dòng)片和裝于支架上的兩組定片組成平行變面積式差動(dòng)電容，線性范圍3mm。磁電式：由一組線圈和動(dòng)鐵（永久磁鋼）組成，靈敏度0.4V/m/s。霍爾式：半導(dǎo)體霍爾片置于兩個(gè)半環(huán)形永久磁鋼形成的梯度磁場中，線性范圍3mm。電渦流式：多股漆包線繞制的扁平線圈與金屬渦流片組成的傳感器，線性范圍1mm。光電式傳感器裝于電機(jī)側(cè)旁。兩副平行式懸臂梁頂端均裝有置于激振線圈內(nèi)的永久磁鋼，右邊圓盤式工作臺(tái)由“激振I

4、”帶動(dòng)，左邊平行式懸臂梁由“激振II”帶動(dòng)。為進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，左邊懸臂梁之間裝有電加熱器一組，加熱電源取自15V直流電源，打開加熱開關(guān)即能加熱,工作時(shí)能獲得高于溫度30左右的升溫。以上傳感器以及加熱器、激振線圈的引線端均位于儀器下部面板最上端一排。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上還裝有測速電機(jī)一組及控制、調(diào)速開關(guān)。兩支測微頭分別裝在左、右兩邊的支架上。二、信號(hào)及儀表顯示部分：位于儀器上部面板低頻振蕩器：130Hz輸出連續(xù)可調(diào)，Vp-p值20V，最大輸出電流1.5A，Vi端插口可提供用作電流放大器。音頻振蕩器：0.4KHz10KHz輸出連續(xù)可調(diào)，Vp-p值20V，180、0為反相輸出，Lv端最大功率輸出1.5A。直流

5、穩(wěn)壓電源：15V，提供儀器電路工作電源和溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)的加熱電源，最大輸出1.5A。2V10V，檔距2V，分五檔輸出，提供直流信號(hào)源，最大輸出電流1.5A。12 數(shù)字式電壓/頻率表：3 位顯示，分2V、20V、2KHz、20KHz四檔，靈敏度50mV，頻率顯示5Hz20KHz。指針式直流毫伏表：測量范圍500Mv、50mV、5mV三檔，精度2.5%。三、處理電路：位于儀器下部面板電橋：用于組成應(yīng)變電橋，面板上虛線所示電阻為虛設(shè)，僅為組橋提供插座。R1、R2、R3為350標(biāo)準(zhǔn)電阻，WD為直流調(diào)節(jié)電位器，WA為交流調(diào)節(jié)電位器。差動(dòng)放大器：增益可調(diào)直流放大器，可接成同相、反相、差動(dòng)結(jié)構(gòu)，增益1-100倍

6、。光電變換器：提供光纖傳感器紅外發(fā)射、接收、穩(wěn)幅、變換，輸出模擬信號(hào)電壓與頻率變換方波信號(hào)。四芯航空插座上裝有光電轉(zhuǎn)換裝置和兩根多模光纖（一根接收，一根發(fā)射）組成的光強(qiáng)型光纖傳感器。電容變換器：由高頻振蕩、放大和雙T電橋組成。移相器：允許輸入電壓20Vp-p，移相范圍40（隨頻率不同有所變化）。相敏檢波器：集成運(yùn)放極性反轉(zhuǎn)電路構(gòu)成，所需最小參考電壓0.5Vp-p，允許最大輸入電壓20Vp-p。電荷放大器：電容反饋式放大器，用于放大壓電加速度傳感器輸出的電荷信號(hào)。渦流變換器：變頻式調(diào)幅變換電路，傳感器線圈是三點(diǎn)式振蕩電路中的一個(gè)元件。溫度變換器（信號(hào)變換器）：根據(jù)輸入端熱敏電阻值、光敏電阻及P-

7、N結(jié)溫度傳感器信號(hào)變化輸出電壓信號(hào)相應(yīng)變化的變換電路。低通濾波器：由50Hz陷波器和RC濾波器組成，轉(zhuǎn)折頻率35Hz左右。使用儀器時(shí)打開電源開關(guān)，檢查交、直流信號(hào)源及顯示儀表是否正常。儀器下部面板左下角處的開關(guān)控制處理電路的工作電源，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)請勿關(guān)掉。指針式毫伏表工作前需輸入端對地短路調(diào)零，取掉短路線后指針有所偏轉(zhuǎn)是正常現(xiàn)象，不影響測試。實(shí)驗(yàn)時(shí)請非常注意實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后的“注意事項(xiàng)”，要在確認(rèn)接線無誤的情況下開啟電源，盡量避免電源短路情況的發(fā)生，加熱時(shí)“15V”電源不能直接接入應(yīng)變片、熱敏電阻和熱電偶。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上各傳感器部分如相對位置不太正確可松動(dòng)調(diào)節(jié)螺絲稍作調(diào)整，原則上以按下振動(dòng)梁

8、松手，周邊各部分能隨梁上下振動(dòng)而無碰擦為宜。附件中的稱重平臺(tái)是在實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)左邊的懸臂梁旁的測微頭取開后裝于頂端的永久磁鋼上方，銅質(zhì)砝碼（20克/個(gè)）做稱重實(shí)驗(yàn)之用。實(shí)驗(yàn)開始前請檢查實(shí)驗(yàn)連接線是否完好，以保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)儀需防塵，以保證實(shí)驗(yàn)接觸良好，儀器正常工作溫度-1040。實(shí)驗(yàn)一箔式應(yīng)變片性能單臂電橋一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。2 測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。3 比較各橋路間的輸出關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)說明箔式應(yīng)變片及單臂直流電橋的原理和工作情況。應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測試時(shí)，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，當(dāng)測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏

9、感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，；當(dāng)二個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)狀態(tài)工作，則有；用四個(gè)應(yīng)變片組成二個(gè)差動(dòng)對工作，且R1R2R3R4R，。由此可知，單臂，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。三、實(shí)驗(yàn)所需部件：直流穩(wěn)壓電源（4V檔）、電橋、差動(dòng)放大器、箔式應(yīng)變片、懸臂梁、稱重砝碼、電壓表。四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1調(diào)零。開啟儀器電源，差動(dòng)放大器增益置100倍（順

10、時(shí)針方向旋到底），“、”輸入端用實(shí)驗(yàn)線對地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零，然后拔掉實(shí)驗(yàn)線。調(diào)零后電位器位置不要變化。如需使用毫伏表，則將毫伏表輸入端對地短路，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針居“零”位。拔掉短路線，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按圖將實(shí)驗(yàn)部件用實(shí)驗(yàn)線連接成測試橋路。橋路中R1、R2、R3、和WD為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，R為應(yīng)變片（可任選上、下梁中的一片工作片）。直流激勵(lì)電源為4V。4V RR24V R3 R1WDV3確認(rèn)接線無誤后開啟儀器電源，并預(yù)熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋WD電位器，使測試系統(tǒng)輸

11、出為零。4在懸臂梁稱重平臺(tái)上依次放上砝碼(20g/個(gè))，進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)）。砝碼g電壓V根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度S，SVW，并在坐標(biāo)圖上做出VW關(guān)系曲線。五、注意事項(xiàng)： 1實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接插線是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短的接插線，以避免引入干擾。 2接插線插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導(dǎo)線斷裂。 3穩(wěn)壓電源不要對地短路。實(shí)驗(yàn)二 箔式應(yīng)變片三種橋路性能比較一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。5 測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。6 比較各橋路間的輸出關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理：說明實(shí)際使用的應(yīng)變電橋的性能和原理。已知單臂、半橋和全橋電路的R分別為R/R、2

12、RR、4RR。根據(jù)戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓近似等于1/4ER，電橋靈敏度KuVRR，于是對應(yīng)于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度度分別為1/4E、1/2E和E.。由此可知，當(dāng)E和電阻相對變化一定時(shí)，電橋及電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。三、實(shí)驗(yàn)所需部件直流穩(wěn)壓電源（4V檔）、電橋、差動(dòng)放大器、箔式應(yīng)變片、懸臂梁、稱重砝碼、電壓表。四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1在完成實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，不變動(dòng)差動(dòng)放大器增益和調(diào)零電位器，依次將圖（1）中電橋固定電阻R1、R2、R3換成箔式應(yīng)變片，分別接成半橋和全橋測試系統(tǒng)。2重復(fù)實(shí)驗(yàn)一中34步驟，測出半橋和全橋輸出電壓并列表，計(jì)算靈敏度。3在同一坐標(biāo)上描出VW曲線，比較

13、三種橋路的靈敏度，并做出定性的結(jié)論。五、注意事項(xiàng)： 1應(yīng)變片接入電橋時(shí)注意其受力方向，一定要接成差動(dòng)形式。2直流激勵(lì)電壓不能過大，以免造成應(yīng)變片自熱損壞。實(shí)驗(yàn)三半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)性能一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獍雽?dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度和溫度效應(yīng)。二、實(shí)驗(yàn)原理：由于材料的阻值，則, 當(dāng)應(yīng)變，靈敏度; 對于箔式應(yīng)變片，K箔12，主要是由形變引起。對于半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，K半（/）/,主要由電阻率變化引起。由于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”特別明顯，可以反映出很微小的形變，所以K半要大于K箔，但是受溫度影響大。2V RRWDVR2V圖（4）三、實(shí)驗(yàn)所需部件：直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動(dòng)放大器、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、測微頭、電壓表、溫度計(jì)（可用

14、儀器中的PN結(jié)溫度傳感器或熱電偶作測溫參考）。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1按圖（4）接線，R是半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，另一臂電阻是電橋上固定電阻。開啟電源后預(yù)熱數(shù)分鐘。2按單臂電橋?qū)嶒?yàn)步驟調(diào)整懸臂梁位置，調(diào)整系統(tǒng)輸出，用測微頭進(jìn)行位移，記錄V，X數(shù)據(jù)，（每次移動(dòng)0.5mm）作出VX曲線，求出靈敏度。3重新調(diào)整測試系統(tǒng)輸出為零。記錄加溫前的工作溫度T。4打開“加熱”開關(guān)，觀察隨溫度升高系統(tǒng)輸出電壓溫漂情況。待電壓穩(wěn)定后測得溫升，求出系統(tǒng)的溫漂VT。X(mm)V(v)五、注意事項(xiàng)：此實(shí)驗(yàn)中直流激勵(lì)電壓只能用2V，以免引起半導(dǎo)體自熱。實(shí)驗(yàn)四光電傳感器轉(zhuǎn)速測試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤怆婇_關(guān)的原理和應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：光電開關(guān)由

15、紅外發(fā)射、接收及整形電路組成，為遮斷式工作方式。三、實(shí)驗(yàn)所需部件： 光電傳感器、光電變換器、測速電機(jī)及轉(zhuǎn)盤、電壓頻率表2KHZ檔、示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1光電傳感器“光電”端接光電變換器 端，“光電輸出”須先接入“轉(zhuǎn)速信號(hào)入”端，經(jīng)整形電路輸出，在“轉(zhuǎn)速信號(hào)出”端口讀取頻率信號(hào)。VF端接示波器和電壓頻率表2KHZ。2 安裝好光電傳感器位置，勿與轉(zhuǎn)盤盤面相擦。 3開啟電源，打開電機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用示波器觀察光電轉(zhuǎn)換器VF端（轉(zhuǎn)速信號(hào)出端），并讀出波形頻率，與頻率表所示頻率比較。 4電機(jī)轉(zhuǎn)速方波頻率2 5將一較強(qiáng)光源照射儀器轉(zhuǎn)盤上方，觀察測試方波是否正常。 6由此可以得出結(jié)論，光電開關(guān)受外界

16、影響較小，工作可靠性較高。實(shí)驗(yàn)五 電容式傳感器位移測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针娙菔絺鞲衅鞯墓ぷ髟砗蜏y量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種形式，本儀器中是差動(dòng)平行變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上、下改變位置，與兩組靜片之間的相對面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為CX1，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為CX2，當(dāng)將CX1和CX2接入雙T型橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)的位移有關(guān)。三、實(shí)驗(yàn)所需部件CX2電容變換器 低 通 差放 電壓表CX1電容傳感器、電容變換器、差動(dòng)放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測微頭。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1按上圖接線，電容變換器和差動(dòng)放大器的增益適度。2裝上測微頭，帶