《感測器原理與應用》
實驗指導書
朱蘊璞王芳編寫
孔德仁審定
南京理工大學
二〇〇九年九月
實驗須知
1． 感測器實驗儀是貴重實驗裝置，請在每個實驗前認真閱讀實驗指導書，尤其是每個實驗最後的實驗注意事項。
2． 實驗儀器電源的開關原則:
連線測量線路,確認準確無誤後，開啟儀器電源；
實驗完畢，關閉儀器電源，拆除測量線路。
3．穩壓電源不可對地短路。
4．實驗過程中，心要細、動作要輕，不可有強制性機械動作出現。
5．實驗嚴格按操作規程進行，否則，出現損壞責任自負。
6．實驗完畢，請一切恢復到實驗前的狀態，然後離開實驗室。
目錄實驗一感測器靜態標定實驗3
實驗二應變式感測器特性實驗10
實驗三電感式、渦流式、電容式、霍爾式位移感測器特性實驗14
實驗四重量測量實驗（選做25
實驗五轉速測量實驗29
實驗六溫度實驗34
實驗一感測器靜態標定實驗
（注：「壓力感測器的靜態標定及特性指標的求取」與「光纖位移感測器靜態標定及特性指標求取「兩實驗取其一。）
壓力感測器的靜態標定及特性指標的求取
1、實驗目的
掌握壓力感測器靜態標定的基本方法以及壓力感測器的靜態特性指標的求取。
2、實驗內容
（1）組建壓力測試系統；
（2）學習壓力測試系統的標定過程；
（3）計算壓力測試系統靜態特性指標。
3、實驗原理及方法
被標感測器和壓力表接入活塞壓力計壓力油路，活塞壓力計產生一系列標準壓力，該標準壓力值由壓力表指示。
4、實驗儀器裝置
活塞壓力計一台，數字萬用表乙隻，動態電阻應變儀一台，壓力表乙隻。
5、實驗步驟
（1）反覆排除活塞壓力計油腔內的空氣，最後將壓力幫浦手輪搖出。
（2）把壓力感測器裝在活塞壓力計的聯接螺帽上，關閉油杯。
（3）感測器輸出接入可調零的橋盒，電橋輸出接入數字萬用表。當輸出量很小，無法直接用萬用表測得時，可先將感測器接入動態電阻應變儀橋盒（注意電橋的連線），橋盒的另一端連線接應變儀輸入（選擇乙個通道）；將應變儀專用電源接好；電阻應變儀電壓輸出接數字萬用表。（說明：
後者標定是整個系統標定，所求得的指標也為系統指標）
（4）壓力表指示為零時，開啟儀器電源（注意：開啟儀器電源前應變儀各通道應處於關閉狀態），將應變儀靈敏度旋鈕放在適中位置，按照動態電阻應變儀調零規則（應變儀衰減檔從大到小），各檔分別調節電阻、電容平衡旋鈕將系統輸出調整為零，最後將應變儀衰減檔放在適中位置上。
（5）按活塞壓力計的操作規程，轉動壓力幫浦的手輪，使托盤上公升到規定的刻線位置，並轉動托盤。
（6）按所要求的壓力間隔，逐點增加砝碼重量，使壓力計產生所需要的壓力（等間隔6~8個點至滿量程），用數字萬用表記錄感測器在相應壓力下的電壓輸出，資料記錄於表1。（此過程稱為公升程）
（7）在滿量程處逐點減少砝碼重量，使壓力計產生所需要的壓力（等間隔6~8個點至零點）。用數字萬用表記錄感測器在相應壓力下的電壓輸出，資料記錄於表1。（此過程稱為回程）
（8）重複4次實驗步驟6、7，資料記錄於表1。
（9）計算壓力感測器的靈敏度、遲滯、非線性度及重複性。
表1 資料記錄、計算平均值及子樣標準偏差表
表2 以端點連線為工作特性曲線時特性指標的計算表
6、實驗報告要求
實驗報告含如下內容：
（1） 實驗目的
（2） 實驗內容
（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統框圖）
（4） 實驗儀器裝置與條件（包括儀器狀況、環境溫度、環境濕度）
（5） 實驗步驟
（6） 實驗結果記錄
（7） 實驗資訊處理與分析
（8） 實驗心得體會
7、實驗注意事項
（1）在整個標定過程中，系統只允許開始為零壓力時的1次調零。
（2）壓力表的量程必須稍大於被標感測器的量程，所加壓力不要超過感測器滿量程的10%。
光纖位移感測器靜態標定及特性指標求取
1、實驗目的
掌握光纖位移感測器靜態標定的基本方法以及靜態特性指標的求取方法。
2、實驗內容
（1）組建光纖位移感測器測試系統；
（2）學習光纖位移感測器測試系統的標定過程；
（3）計算光纖位移感測器測試系統的靜態特性指標。
3、實驗原理
反射式光纖位移感測器的工作原理如圖3、4所示，光纖採用y型結構，兩束多模光纖一端合併組成光纖探頭，另一端分成兩束，分別作為接受光纖和光源光纖，光纖只起傳輸訊號的作用。當光發射器發出的紅外光經光源光纖照射至反射體，被反射的光經接受光纖至光電轉換元件將接受到的光訊號轉換為電訊號。其輸出的光強決定於反射體距光纖探頭的距離，通過對光強的檢測而得到位移量。
輸出電訊號（電壓）同輸入（位移）之間關係必須通過標定來得到，本系統由測微頭產生標準位移，數字電壓表記錄輸出電壓。
4、實驗儀器裝置
csy感測器綜合實驗儀，光纖、光電變換器、支架、反射片、測微頭、電壓表
5、實驗步驟
（1）觀察光纖結構：本儀器中光纖探頭為圓型結構，由數百根光導纖維組成，一半為光源光纖，一半為接受光纖。
（2）將原裝電渦流線圈上得電渦流線圈取下，裝上光纖探頭，探頭對準度鉻反射片。
（3）振動台上裝上測微頭，開啟電源，光電變換器vo端接電壓表。旋轉測微頭，帶動振動平台，使光纖探頭端麵緊貼反射鏡面，此時vo輸出為最小。
（4）旋動測微頭，使反射面離開探頭，每隔0.2mm取一vo電壓值填入下表3，至5mm結束。（此過程稱為公升程）
（5）探頭返回，同樣每隔0.2mm取一vo電壓值填入下表4。（此過程稱為回程）
（6）重複2次實驗步驟4、5。
（7）按平均值作出vo—x曲線，分析並找出感測器前波段和後波段的線性段。
（8）計算你所找出的前波段的線性段的靈敏度、非線性、重複性及遲滯。
6、實驗報告要求
實驗報告含如下內容：
（1） 實驗目的
（2） 實驗內容
（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統框圖）
（4） 實驗儀器裝置與條件（包括儀器狀況、環境溫度、環境濕度）
（5） 實驗步驟
（6） 實驗結果記錄
（7） 實驗資訊處理與分析
（8） 實驗心得體會
7、實驗注意事項
（1）光電變換器工作時vo最大輸出電壓以2v左右為好，可通過調節增益電位器控制，調節好後，在整個標定過程中，增益電位器不可再動。
（2）實驗時請保持反射鏡片的潔淨與光纖端麵的垂直度。
（3）工作時光纖端麵不宜長時間直照強光，以免內部電路受損。
（4）注意背景光對實驗的影響。
（5）光纖勿成銳角曲折。
表4 資料記錄表
實驗二應變式感測器特性實驗
1、實驗目的
了解掌握應變式感測器及不同測量處理電橋的特性。
2、實驗內容
（1）觀察掌握箔式應變片、半導體應變片的結構、工作原理、相關測量電路及貼上方式。
（2）比較單臂橋、差動半橋及全橋間的輸出關係。
（3）比較箔式應變片、半導體應變片的輸出。
（4）觀察掌握溫度對單臂橋、差動橋輸出的影響。
（5）觀察掌握溫度對箔式應變片和半導體應變片的影響。
3、實驗原理及方法
應變片是常用的測力元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地貼上在測試體表面，當測件受力發生形變時，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電訊號輸出顯示。
電橋電路是最常用的非電量電測電路中一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻r1、r2、r3、r4中，電阻的相對變化分別為△r1/r1、△r2/r2、△r3/r3、△r4/r4，當電阻的相對變化絕對值大小相等時，若單臂橋的輸出為u單，則差動半橋的輸出為2u單，差動全橋的輸出為4u單。
溫度變化引入了測量誤差，實用測試電路中必須進行溫度補償。在電橋中，r1、r2為相鄰臂工作片（或其中一片只起補償作用），當溫度變化時兩應變片的電阻變化△r1、△r2符號相同，大小值相等，橋路如原來是平衡的，則溫度變化後，電橋仍滿足平衡條件，無漂移電壓輸出。
4、實驗儀器裝置
csy感測器實驗儀（直流穩壓電源（±2v檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、半導體應變片、加熱器）。
5、實驗步驟
（1）調零。差動放大器增益順時針方向旋轉到底，「+、–」輸入端用實驗線對地短路，輸出端接數字電壓表。開啟儀器電源，用「調零」電位器調整差動放大器輸出電壓為零，關閉儀器電源，然後拔掉實驗線。
（調零後電位器不要變化）
（2）按圖5將實驗部件用實驗線連線成測試橋路。橋路中r2、r3、r4和wd為電橋中的固定電阻和直流平衡電位器，r1為應變片（可任選上、下樑中的一片工作片）。直流激勵電源為±2v。
（3）測微頭裝於懸臂梁前端的永久磁鋼上，並調節使應變梁處於基本水平狀態。
（4）確認接線無誤後開啟儀器電源，並預熱數分鐘。調整電橋wd電位器，使測試系統輸出為零。
（5）旋動測微頭（以水平狀態下輸出電壓為零）。測微頭向上移動4mm，每移動0.5mm記錄乙個差動放大器輸出電壓值，按表1格式記錄（注：
表5只是資料記錄格式，請另外用記錄紙記錄）；在4mm處測微頭向下移動8mm(即測微頭至–4mm處)，同樣每移動0.5mm記錄乙個差動放大器輸出電壓值；在–4mm處測微頭向上移動4mm(即測微頭至0mm處)。同樣每移動0.
5mm記錄乙個差動放大器輸出電壓值。
（6）重複上面實驗1次。
表5 資料記錄表
（7）開啟「加熱」電源，觀察並記錄測試系統輸出電壓隨溫度公升高而發生的變化，然後關閉「加熱」電源
（8）關閉儀器電源。將上面實驗中r4換成箔式應變片（注意r1、r4構成差動工作）；調節使應變梁處於基本水平狀態；重複實驗4、5、6、7。
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