《傳感器與檢測技術(shù)》實驗指導書(四個實驗).doc

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實驗一 金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗 一、實驗目的：了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。 二、基本原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： ΔR/R=Kε 式中ΔR/R為電阻絲的電阻相對變化值，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=Δl/l為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，用它來轉(zhuǎn)換被測部位的受力大小及狀態(tài)，通過電橋原理完成電阻到電壓的比例變化，輸出電壓U0=EKε（E為供橋電壓），對單臂電橋而言，電橋輸出電壓，U01=EKε/4。（E為供橋電壓）。 三、器件與單元：應(yīng)變式傳感器實驗模板、應(yīng)變式傳感器、砝碼（每只約20g）、數(shù)顯表、15V電源、4V電源、萬用表(自備)。 四、實驗步驟： 1、根據(jù)圖(1-1),應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4標志端。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進行測量判別，R1=R2=R3=R4=350Ω，加熱絲阻值約為50Ω左右。 圖1-1 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖 2、實驗模板差動放大器調(diào)零，方法為:①接入模板電源15V(從主控箱引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實驗模板增益調(diào)節(jié)電位器Rw3順時針調(diào)節(jié)到大致中間位置，②將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實驗模板上調(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔)，完畢關(guān)閉主控箱電源。 3、參考圖（1-2）接入傳感器，將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片R1(即模板左上方的R1)接入電橋作為一個橋臂，它與R5、R6、R7接成直流電橋(R5、R6、R7在模塊內(nèi)已連接好)，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源4V(從主控箱引入)，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，先粗調(diào)節(jié)Rw1，再細調(diào)RW4使數(shù)顯表顯示為零。 圖1-2 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒灲泳€圖 4、在傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和減少砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，記下實驗結(jié)果填入表（1-1）。 表1-1：單臂測量時，輸出電壓與負載重量的關(guān)系： 重量（g） 電壓(mv) 增加砝碼 減少砝碼 5、根據(jù)表（1-1）計算系統(tǒng)靈敏度S：S=ΔV/ΔW(ΔV為輸出電壓平均變化量；ΔW重量變化量)，計算非線性誤差：δf1=Δm/yFS100%，式中Δm為輸出電壓值(多次測量時為平均值)與擬合直線的最大電壓偏差量：yFS為滿量程時電壓輸出平均值。 五、思考題： 單臂電橋時，作為橋臂的電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：(1)正(受拉)應(yīng)變片(2)負(受壓)應(yīng)變片(3)正、負應(yīng)變片均可以。 實驗十四 電容式傳感器的位移實驗 一、實驗目的：了解電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及其特點。 二、基本原理：利用平板電容C=εA/d的關(guān)系,在ε（介電常數(shù)）、A（極板面積）、d（極板距離）三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，就可使電容的容量(C)發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路，將電容的變化量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓量,則可以制成多種電容傳感器，如：①變ε的濕度電容傳感器。②變d的電容式壓力傳感器。③變A的電容式位移傳感器。本實驗采用第③種電容傳感器,是一種圓筒形差動變面積式電容傳感器。 圖4-1 電容式傳感器安裝示意圖 圖4-2 電容傳感器位移實驗接線圖 三、器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭、移相/相敏檢波/濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓電源。 四、實驗步驟： 1、按圖3-1將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模板上。 2、將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗模板，實驗線路見圖4-1。 3、將電容傳感器實驗模板的輸出端V01與數(shù)顯電壓表Vi相接，電壓表量程置2V檔，Rw調(diào)節(jié)到中間位置。 4、接入15V電源，將測微頭旋至10mm處，活動桿與傳感器相吸合，調(diào)整測微頭的左右位置，使電壓表指示最小，并將測量支架頂部的鏍釘擰緊，旋動測微頭，每間隔0.2mm記下輸出電壓值(V)，填入表4-1。將測微頭回到10mm處，反向旋動測微頭，重復實驗過程。 表4-1電容式傳感器位移與輸出電壓的關(guān)系 X(mm) ← - 20mm → + V(mv) 最小 5、根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的靈敏度S和非線性誤差δf，分析誤差來源。 五、思考題： 試設(shè)計一個利用ε的變化測谷物濕度的電容傳感器？能否敘述一下在設(shè)計中應(yīng)考慮哪些因素？ 實驗十六 直流激勵時接觸式霍爾位移傳感器特性實驗 一、 實驗目的：了解霍爾式位移傳感器原理與應(yīng)用。 一、 基本原理：根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UH=KHIB，保持KH、I不變，若霍爾元件在梯度磁場B中運動，且B是線性均勻變化的，則霍爾電勢UH也將線性均勻變化，這樣就可以進行位移測量。 二、 器件與單元：霍爾傳感器實驗模板、線性霍爾位移傳感器、直流電,源4V、 15Ｖ、測微頭、數(shù)顯單元。 四、實驗步驟： 1、 將霍爾傳感器按圖5-1安裝。霍爾傳感器與實驗模板的連接按圖5-2進行。①、③為電源4Ｖ，②、④為輸出,R1與④之間聯(lián)線可暫時不接。 圖5-1 霍爾傳感器安裝示意圖 2、 開啟電源，接入15V電源，將測微頭旋至10mm處，左右移動測微頭使霍爾片處在磁鋼中間位置，即數(shù)顯表電壓指示最小，擰緊測量架頂部的固定鏍釘,接入R1與④之間的聯(lián)線，調(diào)節(jié)RW2使數(shù)顯電壓表指示為零（數(shù)顯表置2V檔）。 圖5-2 霍爾位移傳感器 直流激勵實驗接線圖 3、旋轉(zhuǎn)測微頭，每轉(zhuǎn)動0.2mm或0.5mm記下數(shù)字電壓表讀數(shù)，并將讀數(shù)填入表5-1，將測微頭回到10mm處，反向旋轉(zhuǎn)測微頭，重復實驗過程，填入表5-1。 表5-1：霍爾式位移傳感器位移量與輸出電壓的關(guān)系： X(mm) －← 10 → ＋ V(mv) 0 作出V-X曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度S和非線性誤差δ。 五、思考題： 本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？ 實驗三十五 熱電偶測溫性能實驗 (請先仔細閱讀P39溫控儀表操作說明） 一、實驗目的：了解熱電偶測量溫度的原理與應(yīng)用。 二、基本原理：將兩種不同的金屬絲組成回路，如果二種金屬絲的兩個接點有溫度差，在回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電勢，這就是熱電效應(yīng)，熱電偶就是利用這一原理制成的一種溫差測量傳感器，置于被測溫度場的接點稱為工作端，另一接點稱為冷端(也稱自由端)，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。 三、需用器件與單元：K型、E型熱電偶、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、將熱電偶插到溫度源兩個傳感器插孔中任意一個插孔中，（K型、E型已裝在一個護套內(nèi)），K型熱電偶的自由端接到主控箱面板上溫控部分的Ek端，用它作為標準傳感器，配合溫控儀表用于設(shè)定溫度，注意識別引線標記，K型、E型及正極、負極不要接錯。 2、將E型熱電偶的自由端接入溫度傳感器實驗模板上標有熱電偶符號的a、b 孔上，作為被測傳感器用于實驗，按圖11-1接線，熱電偶自由端連線中帶紅色套 管或紅色斜線的一條為正端,接入“a”點。 3、將R5、R6端接地，RW2大約置中，打開主控箱電源開關(guān)，將V02端與主控箱上 數(shù)顯電壓表Vi端相接，調(diào)節(jié)Rw3使數(shù)顯表顯示零（電壓表置200mv檔），打開主控箱 上溫儀控開關(guān)，設(shè)定儀表控制溫度值T=50℃，將溫度源的兩芯電源線插入主控箱溫控部分的220V輸出插座中。 4、去掉R5、R6接地線，將a、b端與放大器R5、R6相接，觀察溫控儀指示的溫度 值，當溫度穩(wěn)定在50℃時，記錄下電壓表讀數(shù)值。 5、重新設(shè)定溫度值為50℃+nΔt，建議Δt=5℃，n=1……10，每隔1n讀出數(shù)顯電壓表指示值與溫控儀指示的溫度值，并填入表11-1。 表11-1： 6、根據(jù)表11-1計算非線性誤差δ，靈敏度S。 7、將E型熱電偶的自由端連線從實驗模板上拆去并接到數(shù)顯電壓表的輸入端 （Vi）直接讀取熱電勢值（電壓表置200mv檔），重復上述⑤過程，根據(jù)E型熱電偶分 度表查出溫度值（加熱源與室溫之間的溫差值）。 8、計算出加熱源的溫度，并與溫控儀的顯示值進行比較，試分析誤差來源。 附：熱電偶分度表，請參閱實驗軟件光盤中的熱電偶分度表內(nèi)容。 五、思考題： 熱電偶測量的是溫差值還是攝氏溫度值？ 附溫控儀表操作說明 1、通電前檢查接線正確無誤，感溫元件與儀表分度號一致，儀表通電 5秒內(nèi)顯示窗先顯示PV窗輸出代碼、SV窗先輸出代碼,后顯示PV窗量程上限、SV 量程下限,隨后即進入工作狀態(tài),按SET鍵0.5秒SV顯示窗閃爍,此時可改變設(shè)定值, 再按SET鍵0.5秒確認,如需修改其它參數(shù),必須按住SET鍵大于3秒,即進入B菜單, 可按要求逐一修改內(nèi)容(見操作流程表),修改完畢再按SET鍵0.5秒若干下, 退出B 菜單,如15秒內(nèi)無鍵按下(該窗內(nèi)新設(shè)置的數(shù)據(jù)無效)自動進入新的工作狀態(tài)。 2、在輸入信號大于量程上限時,儀表顯示 ,在輸入信號小于量程下 限時,儀表顯示 。 3、當溫度控制效果不夠理想時,可以人工或自整定來改變PID參數(shù)。操作方法如下：①人工修正：將儀表進入B菜單至Ｐ窗，再用 鍵來修正P值，再按SET 鍵0.5S進入I窗，I、D、T的修正方法同上，然后再按SET鍵0.5S若干下返回正常工作狀態(tài)，即開始新的PID參數(shù)。②自整定修正：將儀表進入B菜ATU窗后選擇(1)(選 0時為不自整定)，選好按SET鍵確認后儀表即進入自整定狀態(tài)，同時AT燈亮，待自 整定完成AT燈閃時再按SET鍵2秒確認后即按新的自整定PID參數(shù)工作。用自整修 正PID值時應(yīng)注意當負載為多段串聯(lián)加熱方式(如擠出機械)，其中某段進入自整定 過程時，應(yīng)注意保持前拍二段的溫度不變,否則會影響自整定效果。 4、PID參數(shù)的設(shè)置原則:P為比例帶(加熱側(cè)),如過沖大可加大比例帶。如希 升溫快可減小比例帶。I為積分時間，如溫度波動較大則加長積分，反之則減小積 分。一般來說系統(tǒng)滯后現(xiàn)象越嚴重，積分時間越長。D為微分時間，一般取積分時 間的(1/5~1/4)。 5、PID控制與位式控制功能的切方法：若需把儀表切換成位式控制(常規(guī)儀表 出廠設(shè)置均為PID控制)，正常工作狀態(tài)儀表按住SET鍵3S以上進入B菜單后，再按 SET鍵0.5S若干下至P窗,把P設(shè)為0后按SET鍵若干下至T窗，把T設(shè)為1即進入位式 控制，其控溫范圍(切換差)可通過改變dP值來實現(xiàn),位式控制時的dP值舉例：SV＝ 100℃時，設(shè)dP=12.5℃,則實際輸出控制范圍為87.5~112.5℃。若需返回至PID控 制時,把P、Ｔ、dP值還原即可。PID控制適用于高精度控溫場合,系統(tǒng)配置穩(wěn)定合 理可達1個字精度；位式控制適用于控制某一段范圍內(nèi)的溫度。 6、進入C菜單的設(shè)置方法：(C菜單因儀表功能不同而有所不同; 非專業(yè)人士 及無特殊情況下請勿進入C菜單)。先進入B菜單的ATU窗后同時按住▲▼鍵0.5秒 至PV窗顯示L，可設(shè)置量程下限；再按SET鍵0.5秒，PV 窗顯示H,可設(shè)置量程上限; 按SET 0.5秒，PV窗顯示LP，LP=下沖限，常規(guī)值2~6；按SET 0.5秒，PV窗顯示L1， 在L1值內(nèi)無開機及設(shè)定后默認值,常規(guī)6~10；按SET 0.5秒，PV窗顯示HL，在SV窗 選1或0，(選1時=AL1=上限報警，若選0時=AL2=下限報警）；按SET 0.5秒，PV窗 顯示A，在SV窗選1或0，選1時為絕對值報警(報警設(shè)定值=報警輸出值)，選0時=偏差值報警(主控值報警設(shè)定值=報警輸出值)；當測量值低于下限報警輸出值時 ALM燈亮下限繼電器吸合，高于上限報警輸出值時ALM燈亮，上限繼電器吸合；再按 SET 0.5秒，PV窗顯示I，I常規(guī)3~內(nèi)大控制快；按SET 0.5秒，PV窗顯示E，E為抗干 擾等級，0=常規(guī)，1=加強，按SET 0.5秒，PV窗顯示P，P(30-100%)為輸出最大 功率限制，按SET 0.5秒即進入新的工作狀態(tài)。 7、若控溫失常請檢查儀表參數(shù)是否被誤修改，傳感器部分是否失效。按鍵不 起作用，請檢查LCK鍵是否被鎖定。 8、操作流程表