传感器技术与应用实验指导书

传感器技术与应用实验指导书内容摘要：

关规定要求； 在理解基础上扼要书写实验原理 、 实验方法和步骤 ； 根据直流激励下静态位移测试数据，在坐标纸上 绘出 霍尔位移 传感器 实验 曲线。 并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算 传感器系统的 灵敏度 、线性度。 在交流激励下 的振动测试中， 观察 记录 到 了各环节输出波形 变化规律 ，给出 相应 合理的 解释。 对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。 17 六、 思考题 霍尔元件用作位移测量时，为什么只允许工作在梯度磁场范围。 解释在激励源为交流且信号变化也是交变时需采用相敏检波器的原因。 18 实验四 振动信号的多种传感器测量与比较 实验项目名称： 振动信号的多种传感器测量与比较 实验项目性质： 普通实验 所属课程名称： 传感器原理与设计 实验计划学时： 2 学时 一、实验目的 1. 振动信号的获取可用不同类型的传感器，但不同类型的传感器有其适用范围 和场合。 本次实验用三种不同传感器对振动台振动信号检测，旨在实验中观察了解其适应范围； 2. 了解电涡流传感器、磁电式传感器和压电式传感器在振动检测中的测试方法及工程应用。 二、实验内容和要求 电涡流传感器的振动测试。 了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性及测试方法； 磁电式传感器的振动测试。 了解 磁电式传感器结构、原理及实际应用：振动位移、速度、加速度的检测； 压电式传感器的振动测试。 了解压电加速度计的结构、原理和工作特性，掌握压电式加速度计的实际应用：振动加速度的直接检测。 19 三、实验主要仪器设备和材料 CYS 型传感器系统综合实验仪 本次实验所用公共模块包括：①直流稳压电源；②差动放大器；③电压／频率表（或毫伏表）；④ 低频振荡器 ；⑤低通滤波器。 此外，用不同传感器进行测试时还用到以下模块。 a、 电涡流传感器测振： 电涡流传感器、电涡流变换器； b、 压电式传感器测振：压电式传感器、电荷放大器（或电压放大器）； c、 磁电式传感器测振：磁电式传感器。 双线示波器和接插连接实验导线若干。 四、实验方法、步骤及结果测试 一）实验原理及方法 电涡流传感器振动测试原理 电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当 线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生涡电流，涡电流的大小影响线圈的阻抗Ｚ，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、磁导率、厚度、温度以及与线圈的距离 x 有关。 当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Ｚ只与 x 距离有关。 将阻抗变换经涡流变换器变换成电压Ｖ输出，则输出电压是距离 x 的单值函数。 当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信 20 示波器磁电差放 电涡流变换器电涡流传感器 号变化。 电涡流传感器的实验原理接线图如下： 图 5 电涡流传感器与涡流变换器的连接 磁电式传感器的振动测试 原理 磁电式传感器是一种能将非电量的变化转为感应电动势的传感器，所以也称为感应式传感器。 根据电磁感应定律， W 匝线圈中的感应电动势 e 的大小决定于穿过线圈的磁通 ψ 的变化率： e＝－ Wdψ/dt。 仪器中的磁电式传感器由动铁与感 应线圈组成，永久磁钢做成的动铁产生恒定的直流磁场，当动铁与线圈有相对运动时，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势， e 与磁通变化率成正比，是一种 动态 测量用传感器。 磁电式传感器 的实验原理接线图如下： 图 6 磁电式传感器实验原理图 21 压电电荷放大器 示波器低 通 压电式传感器的振动测试 原理 压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。 压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，会在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的 检 测。 压电式 传感器 的接线图及实验原理如下： 图 7 压电加速度传感器与电荷放大器连接 图 8 压电传感器实验原理图 二）实验步骤及结果测试 电涡流传感器振动测试观察 a、将 电涡流线圈支架转一角度， 置 于 圆盘振动台 上方，线圈与 圆 盘面平行， 固定 在 一个合适位置，使圆盘振动时不 碰擦 传感器为 好。 b、 电涡流线圈与涡流变换器 按图 5 连 接，涡流变换器输出端接 示波器。 另外，低频振荡器接 “激振Ｉ ”。 开启电源，调节振荡频率和幅度，观察输出波形。 c、记录波形和读取振动信号周期。 磁电式传感器的振动测试 观察 电荷放大器压电 22 a、 按图 6 所示接线。 磁电式 传感器 端口接差动放大器两输入端，差动放大器输出端接示波器。 b、 开启电源， 加入激励使圆盘振动台振动， 调节振荡频率和幅度，观察输出波形 的变化。 c、由低至高调节悬臂梁振动频率，观察所测波形的变化趋势。 d、 将 “激振Ｉ ”与 “磁电 ”端接线互换，接通低频振荡器，观察差动放大器的输出波形。 并 与原磁电式传感器波形比较。 由 d 可得出 结论：磁电式传 感器是一种磁 → 电、电 → 磁转换的双向式传感器。 压电式传感器的振动测试 观察 a、观察压电式加速度传感器的结构：由双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧，引出电极组装于塑料外壳内。 b、按图 图 8 接线，低频振荡器输出接“激振 II”端。 c、开启电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。 d、使悬臂梁慢慢趋于谐振状态（悬臂梁振幅最大），观察示波器所测到波形的峰－峰 VPP 的变化趋势。 e、调低悬臂梁振动频率，观察所测波形的变化趋势。 比较测试 a、 用双线示波器的通道 1 和通道 2，分别接 入（电涡流 ／磁电、电涡流／压电、磁电／压电）两种不同传感器转换电路的输出信号，观察同时测试同一振动信号时的波形（幅值、频 23 率和相位）输出。 b、 调节 激振器激 振频率，观察比较 不同传感器的输出 波形。 五、实验报告要求 实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求； 在理解基础上扼要书写实验原理 、 实验方法和步骤 ； 从实验步骤所列的 4 项实验中，通过观察分析可分别获得怎样的结论。 给出 相应 合理的 解释。 电涡流传感器与磁电式传感器测振输出信号的比较。 对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。 六、思考题 传 感器实验仪上的电涡流式传感器，除了能够用作振动测试之外，还可能用来测量哪些物理量 ? 如何理解压电加速度传感器是一种对外力作用敏感的传感器。 当振动频率很低时，可否选用压电式传感器测振。 如何理解 磁电式传感器是一种磁 → 电、电 → 磁转换的双向式传感器。 24 实验五 工程量的多传感器测量与信号分析处理 实验项目名称：工程量的多传感器测量与信号分析处理 实验项目性质： 综合实验 所属课程名称： 传感器原理与设计 实验计划学时： 2 学时 +课外学时 一、实验目的 把传感技术、计算机接口技术、信号分析处理、测控 系统设计等课程内容融合为一体，通过实际操作，掌握工程测试与分析的步骤及方法。 了解 典型计算机测试 分析 系统的组成及 软硬件基本框架。 学习 LABVIEW 的编程方法。 熟悉 基于 LABVIEW 平台的计算机数据采集 程序设计 与 调试方法。 掌握 LABVIEW 信号分析功能模块的使用方法。 传感器系统综合实验仪的多种传感器信号的数据采集与信号分析处理。 二、实验内容和要求 通过课外资料阅读和上网资料查询， 了解 PCI6024E 数据采集卡的技术性能参数，数据采集卡连接电缆引脚功能定义等。 通过实验观察分析。