自動檢測技術(shù)第15章-傳感器實驗課件

1、 第一節(jié) 概述 第十五章 傳感器實驗第二節(jié)電阻式傳感器應(yīng)變測量實驗 第三節(jié)電容式傳感器位移測量實驗 第四節(jié)差動變壓器位移測量實驗 第五節(jié)電渦流傳感器位移測量實驗 第六節(jié)壓電式傳感器加速度測量實驗 第七節(jié)磁電式傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗 第八節(jié)熱電偶傳感器溫度測量實驗 第九節(jié)熱電偶冷端溫度補償實驗 第十節(jié)光電傳感器實驗 第十一節(jié)光纖位移傳感器特性實驗 第十二節(jié)霍爾傳感器實驗 第十三節(jié)光柵傳感器原理實驗 本章根據(jù)自動檢測技術(shù)課程的主要教學(xué)內(nèi)容，并參考了SET-2000型傳感器實驗裝置提供的技術(shù)資料，共設(shè)計編寫了12個實驗項目。本章內(nèi)容也可以作為該課程的實驗指導(dǎo)書。 第一節(jié)概述 目前國內(nèi)用于傳感器實驗的儀器

2、設(shè)備按結(jié)構(gòu)功能區(qū)分主要有兩大類。一類是綜合型的，另一類是單元模塊類型。 綜合型傳感器實驗裝置主要由試驗臺、顯示及激勵源、傳感器實驗接線面板、測量及處理電路四部分組成。這類實驗裝置的特點體現(xiàn)在它的綜合性上。它將各類傳感器及常用測量電路集成在一臺儀器上，提供了多種常規(guī)實驗。 單元模塊型傳感器實驗裝置由主控臺、測控對象、傳感器/實驗?zāi)K、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件、實驗桌六部分組成。它將傳感器實驗分解成若干個相互獨立的實驗單元。針對不同類型的實驗，使用不同的實驗?zāi)K。一、 傳感器實驗裝置簡介二、 SET-2000型傳感器實驗裝置的特點 可根據(jù)實驗項目選擇具體的實驗傳感器和相應(yīng)的模塊，并留有充分的擴展余地。

3、 設(shè)備主控臺設(shè)計具有較強的兼容性。三、性能和技術(shù)參數(shù) 主要性能參數(shù)如下：（1）主控臺 提供高穩(wěn)定四種直流穩(wěn)壓電源；0.4KHz10KHz可調(diào)音頻信號源；1Hz30Hz可調(diào)低頻信號源。面板上裝有數(shù)顯電壓表、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力表以及高精度溫度控制儀表。（2）測控對象：振動源1Hz30Hz(可調(diào))；轉(zhuǎn)動源02400轉(zhuǎn)/分(可調(diào))；溫度源200(可調(diào))。（3）傳感器/實驗?zāi)K 除了電阻應(yīng)變式、電容式、差動變壓器、電渦流、壓電式、磁電式、熱電偶、光電式和霍爾式等17種基礎(chǔ)型傳感器及相應(yīng)的實驗?zāi)K外，還可以根據(jù)需要配置熱釋電遠紅外、光柵位移、CCD圖像等27種增強型傳感器及實驗?zāi)K。（4）數(shù)據(jù)采集卡及處理軟

4、件 傳感器實驗專用數(shù)據(jù)采集卡采用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，采樣速度為100000點/秒。根據(jù)不同類型的實驗可選擇單步、連續(xù)、定時等不同的采樣方式。數(shù)據(jù)采集卡還具有輸出控制端口，為其它類型的實驗拓展預(yù)留了硬件的空間。數(shù)據(jù)采集卡與微機有兩種連接方式，一種是RS-232串行方式，另一種是USB總線方式。 一、實驗?zāi)康?1、了解電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)和用法。2、掌握電阻應(yīng)變式傳感器的全橋測量電路。 二、實驗原理 1、電阻應(yīng)變片工作原理 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機械形變時，其電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 2、測量電路 電阻應(yīng)變片將機械應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化后，通常使用電橋電

5、路，將應(yīng)變片電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。如果電橋一臂接入應(yīng)變片，則稱為單臂工作電橋。如果兩個臂接入應(yīng)變片,則稱為雙臂工作電橋。如果電橋四個橋臂都接應(yīng)變片則稱為全橋形式。 第二節(jié)電阻式傳感器應(yīng)變測量實驗 三、實驗儀器應(yīng)變傳感器實驗?zāi)K（含應(yīng)變式傳感器）、砝碼（每只約20g）共10只、數(shù)顯表、15V電源、4V電源、4位半數(shù)字萬用表。 四、實驗步驟1、應(yīng)變式傳感器如圖15-1所示。2、根據(jù)圖15-2接線。3、從主控箱引入模塊電源及橋路電源4V；數(shù)字電壓表置20V檔。4、滿量程調(diào)整，使數(shù)顯表讀數(shù)顯示為0.200V。5、調(diào)整Rw1或RW4使數(shù)顯表讀數(shù)顯示為零。6、重復(fù)4、5步驟，一直到滿量程顯示0.

6、200V，空載時顯示0.000V為止。7、把砝碼依次放在托盤上，將電壓表相應(yīng)的讀數(shù)填入表15-1。 圖15-1 應(yīng)變式傳感器 圖15-2應(yīng)變傳感器實驗?zāi)K 一、實驗?zāi)康?了解差動電容式位移傳感器結(jié)構(gòu)及信號處理電路原理。 二、實驗原理 電容式傳感器以靜電場的有關(guān)定律作為其理論基礎(chǔ)。對于平板電容器，其電容量與真空介電常數(shù)、極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)、極板的有效面積以及兩極板間的距離有關(guān)。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而使另外一個參數(shù)改變，則電容就將產(chǎn)生變化。如果變化的參數(shù)與被測量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。 第三節(jié)電容式傳感器位移測量實驗 三、實驗儀器電容傳感器、

7、電容傳感器實驗?zāi)０?、測微頭、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓電源。 四、實驗步驟1、按圖15-3將電容傳感器裝于實驗?zāi)０迳?。2、根據(jù)圖15-4接線。3、調(diào)整測微頭的左右位置，使電壓表指示最小。旋動測微頭改變電容傳感器動極板的位置，每間隔0.2mm或0.5mm記下輸出電壓值，填入表15-2。 4、將測微頭旋回到10mm處，反向旋動測微頭，重復(fù)實驗過程填入同一表內(nèi)。圖15-3 電容式傳感器/差動變壓器安裝示意圖 圖15-4 電容傳感器實驗?zāi)K 一、實驗?zāi)康?了解差動變壓器的工作原理和特性。 二、實驗原理 差動變壓器由一個初級線圈、二個次級線圈以及一個鐵芯組成。在傳感器的初級線圈上接入高頻交流信號。當(dāng)初、次級線

8、圈中間的鐵芯隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感磁通量發(fā)生變化，使得兩個次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化。一個次級線圈感應(yīng)電勢增加，另一只則減少。將兩個次級線圈反向串接(同名端連接)，在另兩端就能輸出差動電勢。差動電勢的大小能反映出被測體的移動量。 第四節(jié)差動變壓器位移測量實驗 三、實驗儀器差動變壓器、差動變壓器實驗?zāi)K、測微頭、雙蹤示波器、音頻振蕩器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表。 四、實驗步驟1、參照圖15-3，將差動變壓器裝在差動變壓器實驗?zāi)K上，并安裝好測微頭。 2、根據(jù)圖15-6接線。3、調(diào)整測微頭的左右位置，從Vp-p最小處開始旋動測微頭，每隔0.2或0.5mm從示波器上讀出輸出

9、電壓Vp-p值并填入表15-3，直到測微頭旋至20mm處。 4、測微頭旋回到Vp-p最小處并反向旋轉(zhuǎn)測微頭，每隔0.2或0.5mm從示波器上讀出電壓Vp-p值并填入表15-3。5、觀察差動變壓器的零點殘余電壓。 圖15-5 差動變壓器 圖15-6 差動變壓器實驗?zāi)K 一、實驗?zāi)康?了解電渦流傳感器的特性以及測量位移的工作原理。 二、實驗原理 電渦流傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)基礎(chǔ)上的傳感器。一般由傳感器線圈和被測物體組成。線圈通過高頻電流時會產(chǎn)生高頻磁場。當(dāng)有導(dǎo)體接近該磁場時，會在導(dǎo)體表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)。由于渦流效應(yīng)的強弱與該導(dǎo)體與線圈的距離有關(guān)，因此可以通過檢測渦流效應(yīng)的強弱進行位移測量。 第五

10、節(jié)電渦流傳感器位移測量實驗 三、實驗儀器電渦流傳感器實驗?zāi)K、電渦流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片。 四、實驗步驟1、安裝電渦流傳感器，并安裝好測微頭。 2、根據(jù)圖15-7接線。3、在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。 4、旋轉(zhuǎn)測微頭，每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?，將結(jié)果填入表15-4。 5、根據(jù)表15-4數(shù)據(jù)，畫出V-X曲線。根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及選擇位移測量時的最佳工作點。 圖15-7 電渦流傳感器實驗?zāi)K 一、實驗?zāi)康?了解壓電傳感器測量振動的原理和方法。 二、實驗原理 壓電式傳感器由慣性質(zhì)量塊和壓電陶瓷片組成。工作時傳感器感受與試件相同頻

11、率的振動。質(zhì)量塊振動時，將正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片上。根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片上會產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷。然后通過電荷放大器，將電荷轉(zhuǎn)換成電壓，從而測量出物體的運動加速度。 第六節(jié)壓電式傳感器加速度測量實驗 三、實驗儀器振動臺（2000型）、壓電傳感器、低通濾波器模塊、電荷放大器模塊、雙蹤示波器。 四、實驗步驟1、將壓電傳感器安裝在振動臺面上。根據(jù)圖15-8連接實驗電路。 2、將低頻振蕩器信號接入到振動源的低頻輸入插孔。3、將壓電傳感器的兩個輸出端連接到壓電傳感器實驗?zāi)K的兩個輸入端，屏蔽層接地。4、合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)低頻振蕩器頻率及幅度旋鈕使振動臺振動，觀察示波器波

12、形。5、改變低頻振蕩器頻率，觀察輸出波形變化，比較不同頻率時的輸出變化。6、同時使用示波器的兩個通道，觀察低通濾波器輸入端和輸出端，分析兩者波形上的差別。 圖15-8 壓電加速度傳感器實驗?zāi)K 一、實驗?zāi)康?了解磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理。 二、實驗原理 磁電式傳感器的基本工作原理是電磁感應(yīng)原理。 本實驗中，在電機轉(zhuǎn)盤上嵌入N個磁鋼，并在磁鋼上方放置一個磁電式轉(zhuǎn)速傳感器（線圈），電機轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周，線圈中的磁通量就發(fā)生了N次變化，從而產(chǎn)生N次感應(yīng)電勢e 。該電勢通過放大、整形和計數(shù)等電路后即可測量轉(zhuǎn)速。 第七節(jié)磁電式傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗 三、實驗儀器磁電傳感器、轉(zhuǎn)速電機（2000型）。 四、實驗步

13、驟1、參照實圖15-9安裝磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器端面離轉(zhuǎn)動盤面約2mm左右，并且對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤內(nèi)的磁鋼。將磁電式傳感器輸出線插入主控臺fi輸入端，并將轉(zhuǎn)速/頻率表置轉(zhuǎn)速檔。 2、將主控臺上的+2V+24V可調(diào)直流電源接入轉(zhuǎn)動電機的+2V+24V插口。調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速電位器改變轉(zhuǎn)速，觀察數(shù)顯表指示的變化。 圖15-9 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器 一、實驗?zāi)康?了解熱電偶測量溫度的原理及應(yīng)用。 二、實驗原理 將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個閉合回路。當(dāng)閉合回路的兩個接點分別置于不同的溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電動勢。該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“

14、熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電動勢”。熱電偶的兩個接點，置于被測溫度場的接點稱為工作端或熱端，另一個稱為自由端或冷端。冷端可以是室溫值，也可以是經(jīng)過補償后的0、25的模擬溫度場。 第八節(jié)熱電偶傳感器溫度測量實驗 三、實驗儀器K/E型復(fù)合熱電偶、溫度源、溫度控制儀表、數(shù)顯單元（2000型）或溫度控制測量儀（9000型）。 四、實驗步驟1、按圖15-10連接傳感器和實驗電路。 2、K型熱電偶用作為溫控儀表的測量傳感器，用于對加熱器進行恒溫控制。 3、E型熱電偶用作為實驗傳感器。將它的自由端接入溫度傳感器實驗?zāi)K。 4、調(diào)節(jié)實驗?zāi)K放大器增益。打開主控箱溫度開關(guān)，設(shè)定溫

15、控儀控制溫度值T=50。 5、重新設(shè)定溫度值為50+nt，n=110，分別讀出數(shù)顯電壓表指示值與溫控儀指示的溫度值，并將結(jié)果填入表15-5。 圖15-10 熱電偶傳感器溫度測量 一、實驗?zāi)康?掌握熱電偶冷端溫度補償?shù)脑砼c方法。 二、實驗原理 熱電偶是一種溫差測量傳感器，為直接反映溫度場的攝氏溫度值，需對其自由端進行溫度補償。常用的是電橋法，如圖15-11所示。它是在熱電偶和測溫儀表之間接入一個直流電橋，稱為冷端溫度補償器。補償器電橋在0時達到平衡。當(dāng)熱電偶自由端溫度升高時，熱電偶回路的電勢Uab下降。由于補償器中的PN結(jié)呈負溫度系數(shù)，其正向壓降隨溫度升高而下降，使得Uab上升，其值正好補償熱

16、電偶因自由端溫度升高而降低的電勢，從而達到補償目的。第九節(jié)熱電偶冷端溫度補償實驗 三、實驗儀器溫度傳感器實驗?zāi)K、K熱電偶、E型熱電偶冷端溫度補償器、直流15V、外接+5V電源適配器。 四、實驗步驟1、按圖15-12連接傳感器和實驗電路，將K/E復(fù)合熱電偶插到溫度源加熱器兩個傳感器插孔中 。2、K型熱電偶用作為溫控儀表的測量傳感器，將它的自由端接入主控箱溫控部分“EK”端。 3、將冷端溫度補償器上的E型熱電偶插入溫度源另一插孔中，然后在補償器加上+5V補償器電源。4、重復(fù)50+nt的加溫過程，記錄下數(shù)字電壓表上的數(shù)據(jù)。并將結(jié)果填入表15-6。 5、將上述數(shù)據(jù)與不用冷端補償器的結(jié)果進行比較分析。

17、 圖15-11 E型熱電偶冷端溫度補償器原理圖 圖15-12 熱電偶冷端溫度補償實驗 一、實驗?zāi)康?了解光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管的光電特性。 二、實驗原理 光敏電阻的電阻值能隨光照強弱而變化。無光照時，光敏電阻值很大，電路中電流很小。受到光照時，它的電阻值急劇減小，電路中電流迅速增大。 光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏晶體管與光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體結(jié)上，即結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。 光電池是一種自發(fā)電式的光電元件，它受到光照時自身能產(chǎn)生一定方向的電動勢 第十節(jié)光電傳感器實驗 三、實驗儀器光電傳感器特性/應(yīng)用模塊、數(shù)顯電壓表

18、、+15V電壓。 四、實驗步驟1、將+15V電源接入到實驗?zāi)K上。將光源插頭插入到實驗?zāi)K的光源輸出孔。將跟隨器輸出接數(shù)顯表，并將光源調(diào)節(jié)旋至最小。 2、參考圖15-14，根據(jù)實驗內(nèi)容將光敏電阻（光敏二極管、光敏三極管）分別接入“傳感器接入”處。3、將光源探頭對準(zhǔn)當(dāng)前實驗所使用的傳感器 。4、打開主控臺電源，記錄數(shù)顯表讀數(shù)，每轉(zhuǎn)光源調(diào)節(jié)電位器一圈記錄數(shù)顯表電壓值。 圖15-13 光敏電阻 圖15-14 光電傳感器特性/應(yīng)用模塊 一、實驗?zāi)康?了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。二、實驗原理 本實驗采用的是導(dǎo)光型多模光纖，它由兩束光纖組成半圓分布的Y型傳感探頭。一束光纖端部與光源相接用來傳遞發(fā)射

19、光，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接用來傳遞接收光。兩光纖束混合后的端部是工作端亦即探頭。當(dāng)它與被測體相距時，由光源發(fā)出的光通過一束光纖射出后，經(jīng)被測體反射由另一束光纖接收，并通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓。該電壓的大小與間距有關(guān)，因此光纖傳感器可用于測量位移。 第十一節(jié)光纖位移傳感器特性實驗 三、實驗儀器光纖傳感器及實驗?zāi)０?、?shù)顯單元、測微頭、直流電源15V、鐵測片。 四、實驗步驟1、根據(jù)圖15-15安裝光纖位移傳感器。將二束光纖分別插入實驗板上光電變換座內(nèi)，其內(nèi)部裝有發(fā)光管及光電轉(zhuǎn)換管。 2、安裝好測微頭。在測微頭頂端裝上鐵質(zhì)圓片作為反射面，調(diào)節(jié)測微頭使探頭與反射面輕微接觸。 3、將光纖實驗?zāi)K輸出端

20、V0與數(shù)顯單元相連，數(shù)字電壓表置20V檔。 4、實驗?zāi)K接入15V電源。合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)RW2使數(shù)字電壓表顯示為零。 5、旋轉(zhuǎn)測微頭,使被測體離開探頭。每隔0.1mm讀出數(shù)顯表顯示值,將其填入表15-7。 圖15-15 光纖傳感器實驗?zāi)K 一、實驗?zāi)康?了解霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的原理及應(yīng)用。 二、實驗原理 在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。利用霍耳效應(yīng)制成的元件稱為霍耳傳感器。 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在轉(zhuǎn)速圓盤上裝上塊磁性體，并在磁鋼上方安裝一霍爾元件。圓盤每轉(zhuǎn)一周，經(jīng)過霍爾元件表面的磁場B從無到有就變化N次，霍爾電勢也相應(yīng)變化N次?；魻栯妱萃ㄟ^放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。 第十二節(jié)霍爾傳感器實驗 三、實驗儀器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動源（2000型）。 四、實驗步驟1、根據(jù)圖15-16,將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝于轉(zhuǎn)動源的傳感器調(diào)節(jié)支架上，探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤內(nèi)的磁鋼。 2