感測器與檢測技術
實驗指導書
山東建築大學資訊與電氣工程學院
第一章實驗儀說明
一、set-n型感測器實驗儀簡介：
實驗儀主要由四部分組成：感測器安裝臺、顯示與激勵源、感測器符號及引線單元、處理電路單元。
1）感測器安裝臺部分：裝有雙平行振動梁（梁上可增加動態應變式感測器）、激振線圈、半導體擴散矽壓阻式壓力感測器、光纖感測器的光電變換座、光纖及探頭、小機電、電渦流感測器及支座、電渦流感測器引線孔(φ3.5插孔)、霍爾感測器的二個半圓磁鋼、差動變壓器感測器線圈、電容感測器靜片、磁電式感測器線圈、測微頭及支架、振動圓盤（上有圓盤磁鋼、霍爾片、電渦流檢測片、差動變壓器可動磁芯、電容感測器的動片組、磁電感測器的可動磁鋼）、應變式感測器（電子秤）、溫度感測器安裝盒（加熱器、熱電偶、pn結、熱敏電阻）、壓電感測器、光電開關、擴充套件區（可安裝氣敏感測器、溼敏元件、熱釋電感測器、矽光電池、光敏電阻元件、光敏二極體、光敏三極體），具體安裝部位參看附錄三。
備註：set系列感測器實驗儀的感測器數量可根據需方要求增減。
2）顯示及激勵源部分：主電源、激振開關、直流穩壓穩壓電源（±15v、5v）、可調電流源、電機控制單元、可調直流穩壓電源（±2v - ±10v分5檔調節）、音訊振盪器、低頻振盪器、f/v(頻率/電壓)數字表2v、20v、2k、20k。
3）單元面板上的符號含意是：所有感測器的引線都從內部已引到這個單元上的相應符號中，實驗時感測器的輸出訊號按符號從這個單元插孔引線。
4）處理電路單元：電橋單元、差動放大器、電容變換放大器、電壓放大器、移相器、相敏檢波器、電荷放大器、低通濾波器、渦流變換器等單元組成。
set實驗儀上配上一台雙線(雙蹤)通用示波器可做幾十種實驗.教師也可以利用感測器及處理電路開發實驗專案。
二、注意事項：
使用儀器時開啟電源開關，檢查交、直流訊號源及顯示儀表是否正常。儀器下部面板左下角處的開關為控制處理電路±15v的工作電源，進行實驗時請勿關掉，為保證儀器正常工作，嚴禁±15v電源間的相互短路，建議平時將此兩輸出插口封住。
儀器裝有rs232/usb介面，訊號採集前請正確設定埠，否則計算機將收不到訊號。儀器工作時需要良好的接地，以減小干擾訊號，應盡量遠離電磁干擾源。
實驗時請注意實驗指導書中的實驗內容後的「注意事項」，要在確認接線無誤的情況下再開啟電源，要盡量避免電源短路情況的發生，實驗工作台上各感測器部分如位置不太正確可鬆動調節螺絲稍作調整，用手按下振動梁再鬆手，各部分能隨梁上下振動而無碰擦為宜。
本實驗儀器需防塵，以保證實驗接觸良好，儀器正常工作溫度0℃-40℃
本儀器是實驗性儀器各電路完成的實驗主要目的是對各感測器測試電路做定性的驗證，而非工業應用型的感測器定量測試。
第二章實驗指導
實驗一金屬箔式應變片效能一單臂電橋
一、實驗目的：
了解金屬箔式應變片，單臂單橋的工作原理和工作情況。
二、實驗原理：
本實驗說明箔式應變片及單臂直流電橋的電源的原理和工作情況。
應變片是最常用的測力感測元件。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，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻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的一種，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，電阻的相對變化率分別為δr1/r1、δr2/r2、δr3/r3、δr4/r4，當使用乙個應變片時， ；當二個應變片組成差動狀態工作，則有 ；用四個應變片組成二個差對工作，且r1=r2=r3=r4=r， 。由此可知，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大。
三、所需單元及部件：
直流穩壓電源、電橋、差動放大器、雙孔懸臂梁稱重感測器、砝碼、一片應變片、f/v表、主電源。
四、旋鈕初始位置：
直流穩壓電源打到±2v檔，f/v表打到2v檔，差動放大增益最大。
五、實驗步驟：
1、了解所需單元、部件在實驗儀上的所在位置，觀察梁上的應變片，應變片為棕色襯底箔式結構小方薄片。上下二片梁的外表各貼二片受力應變片。
2、將差動放大器調零：用連線將差動放大器的正（+）、負（-）、地短接。將差動放大器的輸出端與f/v表的輸入插口vi相連；開啟主電源；調節差動放大器的增益到最大位置，然後調整差動放大器的調零旋鈕使f/v表顯示為零，關閉主電源。
3、根據圖1接線。r1、r2、r3為電橋單元的固定電阻；r4=rx為應變片。將穩壓電源的切換開關置±4v檔，f/v表置20v檔。
開啟主電源，調節電橋平衡網路中的w1，使f/v表顯示為零，等待數分分鐘後將f/v表置2v檔，再調電橋w1（慢慢地調），使f/v表顯示為零。
4、在感測器上放上乙隻砝碼，記下此時的電壓數值，然後每增加乙隻砝碼記下乙個數值並將這些數值填入下表。根據所得結果計算系統靈敏度s= v/ w，並作出v-w關係曲線， v為電壓變化率， w為相應的重量變化率。
注意事項：
（1）電橋上端虛線所示的四個電阻實際上並不存在，僅作為一標記，讓學生組橋容易。
（2）為確保實驗過程中輸出指示不溢位，可先將砝碼加至最大重量，如指示溢位，適當減小差動放大增益，此時差動放大器不必重調零。
（3）做此實驗時應將低頻振盪器的幅度關至最小，以減小其對直流電橋的影響。
（4）電位器w1、w2，在有的型號儀器中標為rw1、rw2。
問題：（1）本實驗電路對直流穩壓電源和對放大器有何要求？
（2）根據所給的差動放大器電路原理圖（見附表一），分析其工作原理，說明它既能作差動放大，又可作同相或反相放大器。
實驗二金屬箔式應變片:單臂、半橋、全橋比較
（998a、n型）
實驗目的：驗證單臂、半橋、全橋的效能及相互之間關係。
所需單元和部件：直流穩壓電源、差動放大器、電橋、f/v表、雙孔懸臂梁稱重感測器、應變片、砝碼、主、副電源。
有關旋鈕的初始位置：直流穩壓電源打到±2v檔，f/v表打到2v檔，差動放大器增益打到最大。
實驗步驟：
（1）按實驗一方法將差動放大器調零後，關閉主、副電源。
（2）根據圖1接線，r1、r2、r3為電橋單元的固定電阻；r4=rx為應變片。將穩壓電源的切換開關置±4v檔，f/v表置20v檔。開啟主、副電源，調節電橋平衡網路中的w1，使f/v表顯示為零，等待數分鐘後將f/v表置2v檔，再調電橋w1（慢慢地調），使f/v表顯示為零。
（3）在感測器托盤上放上乙隻砝碼，記下此時的電壓數值，然後每增加乙隻砝碼記下乙個數值並將這些數值填入下表。根據所得結果計算系統靈敏度s=△v/△w，並作出v-w關係曲線,△v為電壓變化率,△w為相應的重量變化率。
（4）保持放大器增益不變，將r3固定電阻換為與r4工作狀態相反的另一應變片即取二片受力方向不同應變片，形成半橋，調節電橋w1使f/v表顯示為零，重複（3）過程同樣測得讀數，填入下表：
（5）保持差動放大器增益不變，將r1，r2兩個固定電阻換成另兩片受力應變片組橋時只要掌握對臂應變片的受力方向相同，鄰臂應變片的受力方向相反即可，否則相互抵消沒有輸出。接成乙個直流全橋，調節測微頭使樑到水平位置，調節電橋w1同樣使f/v表顯示零。重複（3）過程將讀出資料填入下表：
（6）在同一座標上描出x-y曲線，比較三種接法的靈敏度。
注意事項：
（1）在更換應變片時應將電源關閉。
（2）在實驗過程中如有發現電壓表發生過載，應將電壓量程擴大。
（3）在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統不能正常工作。
（4）直流穩壓電源±4v不能打的過大，以免損壞應變片或造成嚴重自熱效應。
（5）接全橋時請注意區別各應變片的工作狀態方向。
實驗報告
1 將半橋單臂、半橋雙臂、全橋的實驗電路分別畫出；分別將實驗資料列表表示。
2 將三組資料的輸入—輸出關係曲線畫在同意直角座標系中比較，說明三者之間的數量關係。
感測器與檢測技術 實驗指導書2019
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