CSY实验指导书教案资料.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。CSY实验指导书-使用说明CSY系列传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励激、处理电路和显示器于一体,可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书所提供的数十种实验举例,能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验,实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识,并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。一、位于仪器顶部的实验工作台部分,左
2、边是一副平行式悬臂梁,梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片,受力工作片分别用符号和表示。其中六片为金属箔式片(BHF-350)。横向所贴的两片为温度补偿片,用符号和表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片,灵敏系数130。热电式(热电偶):串接工作的两个铜一康铜热电偶分别装在上、下梁表面,冷端温度为环境温度。分度表见实验指导书。热敏式:上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51,负温度系数,25时阻值为810K。P-N结温度式:根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的温度传感器。压电加速度
3、式:位于悬臂梁右部,由PZT-5双压电晶片,铜质量块和压簧组成,装在透明外壳中。实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈所安装有(依逆时针方向)电感式(差动变压器)、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。电感式(差动变压器):由初级线圈Li和两个次级线圈L。绕制而成的空心线圈,圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间,测量范围10mm。电容式:由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容,线性范围3mm。磁电式:由一组线圈和动铁(永久磁钢)组成,灵敏度0.4V/m/s。霍尔式:HZ-1半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中,线性范围
4、3mm。电涡流式:多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器,线性范围1mm。光电式传感器装于电机侧旁。两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢,右边圆盘式工作台由“激振I”带动,左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。为进行温度实验,左边悬臂梁之间装有电加热器一组,加热电源取自15V直流电源,工作时能获得高于温度30左右的升温。以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。两只测微头分别装在左、右两边的支架上。二、信号及显示部分:位于仪器上部面板低频振荡器:130Hz输出连续可调,Vp-p值20V,最大输出电流
5、0.5A,Vi端插口可提供用作电流放大器。音频振荡器:0.4KHz10KHz输出连续可调,Vp-p值20V,180、0为反相输出,Lv端最大功率输出0.5A。直流稳压电源:15V,提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源,最大输出1.5A。2V10V,档距2V,分五档输出,提供直流信号源,最大输出电流1.5A。12数字式电压/频率表:3位显示,分2V、20V、2KHz、20KHz四档,灵敏度50mV,频率显示5Hz20KHz。指针式直流毫伏表:测量范围500Mv、50mV、5mV三档,精度2.5%。三、处理电路:位于仪器下部面板电桥:用于组成应变电桥,面板上虚线所示电阻为虚设,仅为组桥提供插
6、座。R1、R2、R3为350标准电阻,WD为直流调节电位器,WA为交流调节电位器。差动放大器:增益可调比例直流放大器,可接成同相、反相、差动结构,增益1-100倍。光电变换器:提供红外发射、接收、稳幅、变换,输出模拟信号电压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤(一根接收,一根发射)组成的光强型光纤传感器。电容变换器:由高频振荡、放大和双T电桥组成。移相器:允许输入电压20Vp-p,移相范围40(随频率有所变化)。相敏检波器:极性反转电路构成,所需最小参考电压0.5Vp-p,允许最大输入电压20Vp-p。电荷放大器:电容反馈式放大器,用于放大压电加速度传感器输出的电荷
7、信号。电压放大器:增益5倍的高阻放大器。涡流变换器:变频式调幅变换电路,传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。温度变换器:根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。低通滤波器:由50Hz陷波器和RC滤波器组成,转折频率35Hz左右。使用仪器时打开电源开关,检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的15V工作电源,进行实验时请勿关掉。指针式毫伏表工作前需对地短路调零,取掉短路线后指针有所偏转是正常现象,不影响测试。请用户注意,本仪器是实验性仪器,各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证,而非工程应用型的传
8、感器定量测试。各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常:1应变片及差动放大器,参考附图2进行单臂、半桥和全桥实验,各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。各接线图两个节点间即为一实验接插线,接插线可多根迭插,为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转。2半导体应变片,进行半导体应变片直流半桥实验。3热电偶,按附图4接线,加热器接15V电源,另一端接地,观察随温度升高热电势的变化。4热敏式,按附图5接线,进行“热敏传感器实验”,电热器加热升温,观察随温度升高“V0”端输出电压变化情况,注意热敏电阻是负温度系数。5P-N结温度式,进行P-N结温度传感器测温实验,注意电压表2V档显示值
9、为绝对温度T。6进行“移相器实验”,用双踪示波器观察两通道波形。7进行“相敏检波器实验”,相敏检波端口序数请参照附图6,其中4端为参考电压输入端。8进行“电容式传感器特性”实验,接线参照附图7。当振动圆盘带动动片上下移动时,电容变换器V0端电压应正负过零变化。9进行“光纤传感器位移测量”,光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定,端面垂直于镀铬反射片,旋动测微头带动反射片位置变化,从“V0”端读出电压变化值。光电变换器“F0”端输出频率变化方波信号。测频率变化时可参照“光纤传感器转速测试”步骤进行。10进行光电式传感器测速实验,VF端输出的是频率信号。11将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输
10、入端、输出端用示波器观察,注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。12进行“差动变压器性能”实验,检查电感式传感器性能,实验前要找出次级线圈同名端,次级所接示波器为悬浮工作状态。13进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验,接线参照附图9,直流激励信号绝对不能大于2V,否则一定会造成霍尔元件烧坏。14进行“磁电式传感器”实验,磁电传感器两端接差动放大器输入端,用示波器观察输出波形,参见附图12。15进行“压电加速度传感器”实验,接线参见附图13。此实验与上述第12项内容均无定量要求。16进行“电涡流传感器的静态标定”实验,接线参照图11,其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方,即接电涡流线圈处
11、,右上端端口为输出经整流后的直流电压。17如果仪器是带微机接口和实验软件的,请参阅数据采集及处理说明。数据采集卡已装入仪器中,其中A/D转换是12位转换器,无漏码最大分辨率1/2048(即0.05%),在此范围内的电压值可视为容许误差。所以建议在做小信号实验(如应变电桥单臂实验)时选用合适的量程,以正确选取信号。仪器后部的RS232接口请接计算机COM2口串行工作。否则计算机将收不到信号。仪器工作时需良好的接地,以减小干扰信号,并尽量远离电磁干扰源。仪器的型号不同,传感器种类不同,则检查项目也会有所不同。上述检查及实验能够完成则整台仪器各部分均为正常。实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“
12、注意事项”,要在确认接线无误的情况下开启电源,要尽量避免电源短路情况的发生,加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。实验工作台上各传感器部分如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整,以按下振动梁松手,各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方,环形圆片代替砝码做称重实验。实验开始前请检查实验连接线是否完好,以保证实验顺利进行。本实验仪需防尘,以保证实验接触良好,仪器正常工作温度040。目录使用说明实验内容(各型传感器实验仪按需选用)实验一箔式应变片性能单臂电桥实验二箔式应变片三种桥路性能比较实验三箔式应变片的
13、温度效应实验四应变电路的温度补偿实验五半导体应变片性能实验六半导体应变片直流半桥测试系统实验七箔式应变片与半导体应变片性能比较实验八移相器实验实验九相敏检波器实验实验十箔式应变片组成的交流全桥实验十一激励频率对交流全桥的影响实验十二交流全桥的应用振幅测量实验十三交流全桥组成的电子秤实验十四差动变压器性能实验十五差动变压器零残电压的补偿实验十六差动变压器的标定实验十七差动变压器的振动测量实验十八差动螺管式电感传感器位移测量实验十九差动螺管式电感传感器振幅测量实验二十激励频率对电感传感器的影响实验二十一热电式传感器热电偶实验二十二热敏式温度传感器测温实验实验二十三PN温度传感器实验二十四光纤位移传
14、感器位移测量实验二十五光纤传感器转速测量实验二十六光电传感器的应用光电转速测试实验二十七霍尔式传感器的直流激励特性实验二十八霍尔式传感器的交流激励特性实验二十九霍尔传感器的应用振幅测量实验三十霍尔传感器的应用电子秤实验三十一电涡流式传感器的静态标定实验三十二被测材料对电涡流传感器特性的影响实验三十三电涡流式传感器的振幅测量实验三十四电涡流传感器的称重实验实验三十五电涡流传感器电机测速实验实验三十六磁电式传感器实验三十七压电加速度传感器实验三十八电容式传感器特性实验三十九力平衡式传感器实验四十双平行梁的动态特性正弦稳态响应实验四十一微机检测与转换数据采集处理实验一箔式应变片性能单臂电桥一、实验目
15、地:1 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。2 测试应变梁变形的应变输出。3 比较各桥路间的输出关系。二、实验原理:本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路,转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种,当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等,电桥输出为零,在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中,电阻的相对变化率分别为R1R1、R2R2、R3R3、R4R4,当使用一个应变片时,;当二个应变片组成差动状态工
16、作,则有;用四个应变片组成二个差动对工作,且R1R2R3R4R,。由此可知,单臂,半桥,全桥电路的灵敏度依次增大。三、实验所需部件:直流稳压电源(4V档)、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、(或双孔悬臂梁、称重砝码)、电压表。四、实验步骤:1调零。开启仪器电源,差动放大器增益置100倍(顺时针方向旋到底),“、”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表,用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零,然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。如需使用毫伏表,则将毫伏表输入端对地短路,调整“调零”电位器,使指针居“零”位。拔掉短路线,指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关
17、闭仪器电源。2按图(1)将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器,R为应变片(可任选上、下梁中的一片工作片)。直流激励电源为4V。4VRR24VR3R1WDV图(1)测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上,并调节使应变梁处于基本水平状态。3确认接线无误后开启仪器电源,并预热数分钟。调整电桥WD电位器,使测试系统输出为零。4旋动测微头,带动悬臂梁分别作向上和向下的运动,以水平状态下输出电压为零,向上和向下移动各5mm,测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值,并列表。(或在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码,进行上述实验)。位移mm电
18、压V根据表中所测数据计算灵敏度S,SXV,并在坐标图上做出VX关系曲线。五、注意事项:1实验前应检查实验接插线是否完好,连接电路时应尽量使用较短的接插线,以避免引入干扰。2接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动,以保证接触良好,拔出时也轻轻地转动一下拔出,切忌用力拉扯接插线尾部,以免造成线内导线断裂。3稳压电源不要对地短路。实验二箔式应变片三种桥路性能比较一、实验原理:说明实际使用的应变电桥的性能和原理。已知单臂、半桥和全桥电路的R分别为R/R、2RR、4RR。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4ER,电桥灵敏度KuVRR,于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4
19、E、1/2E和E.。由此可知,当E和电阻相对变化一定时,电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。二、实验所需部件直流稳压电源(4V档)、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、(或双孔悬臂梁、称重砝码)、电压表。三、实验步骤:1在完成实验一的基础上,不变动差动放大器增益和调零电位器,依次将图(1)中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片,分别接成半桥和全桥测试系统。2重复实验一中34步骤,测出半桥和全桥输出电压并列表,计算灵敏度。3在同一坐标上描出VX曲线,比较三种桥路的灵敏度,并做出定性的结论。四、注意事项:1应变片接入电桥时注意其受力方向,一定要接成差动形式。2直流激励电压不能过大,以免
20、造成应变片自热损坏。3由于进行位移测量时测微头要从零正的最大值,又回复到零,再负的最大值,因此容易造成零点偏移,因此计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负的X的灵敏度分开计算。再求平均值,以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。实验三箔式应变片的温度效应一、实验目的:说明温度变化对应变测试系统的影响。二、实验原理:温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。由此引起测试系统输出电压发生变化。三、实验所需部件:直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微头、加热器、温度计(可用仪器中的PN结温度传感器或热电偶作测温参考)。四、实验步骤:1按图(1)接线
21、,开启电源,调整系统输出为零。2记录加热前测试系统感受的温度,点温计可插入二片应变梁之间的加热器当中。3开启“加热”电源,观察测试系统输出电压随温度计升高而发生的变化。待电压读数基本稳定后记下电压值。4求出温度漂移值VT。五、注意事项:由于本仪器中所使用的BHF箔式应变片具有防自蠕变性能,因此温度系数还是比较小的。实验四应变电路的温度补偿一、实验目的:由于温度变化引入了测量误差,因此实用测试电路中必须进行温度补偿。二、实验原理:用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种,如图(2)所示。在电桥中,R1为工作片,R2为补偿片,R1R2。当温度变化时两应变片的电阻变化R1与R2符号相同,数量相等,桥
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