自动检测技术实验指导书综述.docx
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自动检测技术实验指导书综述
《检测与转换技术》
实验指导书
编写：
袁川来
审阅：
凌云
湖南工业大学电气与信息学院
二零一零年六月
实验操作须知
1、使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。
2、了解测试系统的基本组成：
合适的信号激励源→传感器→处理电路（传感器状态调节机构）→仪表显示（数据采集或图象显示）
3、实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，2001型主机与模块的电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。
4、实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，为延长使用寿命，请捏住插头连接。
5、实验指导中的“注意事项”不可忽略。
传感器的激励信号不准随意加大，否则会造成传感器永久性的损坏。
6、本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化。
限于实验条件，有些实验只能做为定性演示（如湿敏、气敏传感器），能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。
7、本仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。
实验一认识实验
CSY2001B型实验台简介
1、CSY2001B型实验台分主机与实验模块二部分
（1）2001B型主机:
在面板的双平行悬臂梁上装有磁电式、压电式加速度、半导体应变片、金属箔式应变片等传感器，并将连接线引到实验台上，可以直接接线。
螺旋测微仪固定架、测位移平台、旋转测速电机等。
主机内装有：
温控电加热器：
由热电偶控温的300W电加热炉，最高炉温400℃，实验控温200℃。
设有温度设定和测量选择开关，温度设定连续可调；可以对电炉温度进行控制和测试；同时提供温度传感器热源及热电偶测温、标定及应变传感器加热等功能。
电压/频率表：
位数字表、电压显示0~2V、0~20V两档；频率显示0~2KHz、0~20KHz两档，灵敏度≤50mv。
数据采集卡：
12位A/D转换，信号输入端为电压/频率表的“IN”端。
同时设有接地端、转速信号采集端口、激光电源。
直流稳压电源：
+2V~+10V分五档输出、+12V、最大输出电流1.5A。
音频信号源：
0.4KHz-10KHz输出，连续可调，最大幅值20V
00、1800端口反相输出，最大输出电流1.5A
00、LV端口功率输出，最大输出功率300mw
最大输出电流1.5A
1800端口电压输出。
低频信号源：
1Hz~30Hz输出，连续可调，最大幅值20V
最大输出电流1.5A。
激振I、II的信号频率源。
转换开关的作用：
当倒向V0侧时，低频信号源正常使用，V0端输出低频信号；当倒向Vi侧时，断开低频信号电路，Vi作为电流放大器输入端，输出端仍为V0端。
电机控制：
电机开关、电机转速0~1200／2400连续可调
压力气压源：
电动气泵，气压输出≤20KP；气压表：
满量程40KP。
实验模块电源接口：
在实验台上有3个实验模块电源提接口供模块电源。
通信接口：
标准RS232口，提供实验仪与计算机通信接口。
（2）实验模块：
整套仪器共有实验模块９个，模块面板上有二十几种传感器，其中电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器可在模块上做静态位移实验，也可安装在主机的振动台上做动态性能测试。
2001B型主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。
实验连接线均用灯笼状的插头及配套的插座，接触可靠，防旋防松脱，并可在使用日久断线后重新修复。
2、CSY2001B型传感器实验台传感器性能、参数指标：
金属箔式应变计：
（贴于双平行悬臂梁上）BHF环氧基底防蠕变，工作片×4，温度补偿片×2，灵敏度系数2.06。
半导体应变计：
BY型，灵敏系数120。
称重传感器：
商用双孔悬臂梁结构，称重范围≤500克，精度1%。
压阻式传感器：
MPX压阻式差压传感器,量程0-50KP，精度1%。
差动变动器：
一组初级线圈、两组次级线圈及软磁铁心组成，测量范围Ｗ为+5mm。
电涡流传感器：
量程0-3mm,由扁平线圈和多种金属涡流片组成。
电容式传感器：
2001B型:
圆筒变面积差动式电容,线性范围≥3mm。
压电加速度传感器：
PZT双压电晶片、质量块及压簧组成，频响>5Hz。
磁电传感器：
灵敏度0.4V/m/S，动铁与线圈组成。
霍尔传感器：
梯度磁场与锑化铟线性霍尔元件组成，测量范围+2.5mm。
热电偶：
标准热电偶镍铬-镍硅（K分度），温控热电偶镍铬-铜镍（E分度）。
集成温度传感器：
电流型集成温度传感器，测量范围-55-200℃。
PN结温敏二极管：
测温范围-40-150℃，精度1%。
半导体热敏电阻：
MF51，负温度系数，测温范围-50-300℃。
铂热电阻：
Pt100测温范围≤650℃。
热释电红外传感器：
光谱范围7~15μm,光频响应0.5~10HZ。
光纤位移传感器：
双支Y型导光型光纤传感器，线性范围1.5mm。
光电传感器：
红外发光管、光敏三极管及施密特整形电路组成的光断续器。
光电阻：
半导体材料制成的光敏传感器，阻值范围10MΩ~nKΩ。
气敏传感器（MO3）:
对酒精敏感，测量范围10-2000ppm灵敏度RO/R>5
湿敏电容：
测量范围：
0-99%RH，线性度+2%。
湿敏电阻：
测量范围：
0-99%RH，阻值范围10MΩ-nkΩ。
3、CSY2001B实验仪书采集处理软件的使用：
传感器实验课程中，数据采集和分析处理是最为主要的部分。
通过使用实验仪内置的数据采集卡和配套的实验软件对传感器测试系统采集到的电信号进行分析处理，可以得到实验所需要的详实数据结果和图文信息。
（1）使用说明：
数据采集卡采用内置形式，与计算机通信采用串行工作方式，实验时用通信线与计算机串口RS232口相连。
通讯约定：
波特率2400，1位停止位，无奇偶校验。
数据采集卡：
采用十二位A/D转换，分辨率为1/2048，量程分200mv、1V、10V三档，因为实验仪的输出信号电压范围较宽，为满足精度要求，所以应根据具体情况选择量程。
采集模式分为单次采集与连续采集，对静态信号采用单次采集方式，动态信号则用连续采集方式，速度选择为1~7档（20000次/秒~100次/秒）。
通信口选择：
从COM1~COM4，如不选择，默认为COM1口。
配套数据采集实验软件：
实验软件为一份光盘，为安装盘形式，点击安装图标，即进入自动安装程序，待安装完成后，执行程序EXP已以快捷方式置于桌面。
（2）实验软件使用说明：
①点击CSY系列实验仪数据处理软件EXP图标，进入实验软件。
②首先从菜单栏“设置”→“参数设置”，根据实验内容的需要设置项目：
姓名、班级、实验名称、采集方式，采集速度，量程选择、X轴坐标单位选择（坐标间隔或坐标单位—位移、温度、压力、重量）、采集曲线色彩选择等等，选定项目后按“确认”键。
然后从菜单栏“设置”→“系统设置”，根据实验需要设置：
通讯方式和串行口设定（此两项一般为默认值）、反向起始坐标选择、校正值和误差纠正设定等等，选定项目后按“确认”键。
③进入主界面：
每帧坐标均能容纳四条曲线，每条曲线最高容纳100点数据，可选择是否要小圆点作为标记。
A、单次采集：
须先进行正向采集，然后进行反向采集，反向采集后则不能再进行正向采集（反向的起始坐标前面设定—当前、原点），如采集时操作有误，可按“清除上次采集数据”键，以免实验从头开始。
一条曲线完成后进行另一曲线采集，坐标自动从零开始，每一条曲线都可进行线性拟合。
因为作于同一坐标的几条曲线是为了进行特性比较，所以X坐标间隔必须是一致的。
B、连续采集：
只要选定了采集速度也就自动决定了坐标间隔，每次采集要求有一完整的波形周期。
一旦开始进入采集，界面上数据分析也就自动进行。
已经进行一种形式的采集后须按“完全清除”键后进行另一形式的采集。
采集到的数据可保存在数据库中。
C、转速采集：
采集卡的频率输入口已接定于光电传感器实验模块中“F0”端，测试最低转速为7.62转/秒。
D、实验结论：
由实验者根据软件处理后的实验结论写出，并填入后面的实验结论栏内。
（3）如遇下列情况往往不是故障：
1、在桌面上有EXP图标的情况下，已进入主界面，但采不到数据，可检查：
实验仪是否与微机串口连接好，实验仪是否开机，串口是否选择正确。
2、如以“连续”采集方式采集一个直流信号时，界面坐标上往往显示一条带有许多突变信号的曲线，细观纵坐标，如果看到曲线所示的电压中间值与曲线的峰值和谷值的差为量程的0.05%左右，这是因为12位A/10转换的容错率为1/2048，不是采集卡或软件的毛病。
3、如果计算机与实验仪通信正常，但采到的数据均为错误数据，可以进入“系统设置”进行相关的调整，直至数据采集正常为止。
实验二温度传感器实验
一、实验目的
1、了解主要温度传感器—热电偶的测温原理及标定方法。
2、了解其它几种测温传感器—箔热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器。
3、将热电偶测温与其它几种测温传感器测温的性能进行比较。
二、实验原理
1、热电偶测温是基于热电效应。
由两种不同性质的导体（或者半导体）熔接而形成的闭合回路叫做热电回路；当其两个熔接端（一个测量端、一个参考端）处于不同温度场时则回路中产生一定的电流，即电路中有电动势产生，此电动势即为热电势。
热电偶的标定是以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶。
2、铂热电阻测温范围一般为-200-650℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性。
3、半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结的反向饱和电流特性表达公式
可知，当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结正向压降就下降2mV。
利用PN结的这一特性就可以测得温度的变化。
4、热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。
它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。
5用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1μA/K的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接显示℃温度值。
三、实验所需部件
K、E分度热电偶、温度传感器实验模块、铂热电阻（Pt100）、温敏二极管、MF型热敏电阻、集成温度传感器、
位数字电压表、水银温度计、导线若干。
四、实验步骤
1、热电偶测温及标定：
图
（1）中T为热端，To为冷端，
热电势Et=
。
本实验中
选用两种热电偶为镍铬—镍硅（K）和
镍铬—铜镍（E）
1）、测温：
（图1）
（1）观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。
温控器：
作为热源的温度指示、控制、定温之用。
温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。
温度设定：
拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需设定的温度时停止。
然后将拨动开关扳向“测量”侧，（注：
首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。
（2）首先将加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座，两个热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端；E分度热电偶为测试热电偶，冷端接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶。
将温度设定在50℃左右，打开加热开关，
位万用表置200mV档，当拨动开关倒向“温控”时测量E分度热电偶的热电势，并记录电炉温度与热电势E的关系。
（3）因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正
E（T，T0）=E（T,t1）+E（t1,T0）
实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势
查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。
（4）继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃和130℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能。
2）、标定：
以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶，由于被校热电偶热电势与标准热电偶热电势的误差为：
式e校测——被校热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值
e标测——标准热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值
e标分——标准热电偶分度表上标定温度的热电势值
e校分——被校热电偶标定温度下分度表上的热电势值。
S标——标准热电偶的微分热电势
（1）进行上述的测温1-2步骤，待设定炉温达到稳定时用
位电压表200mV档分别测试温控（E）和测试标定（K）两支热电偶的热电势（需用拨动开关转换），每支热电偶至少测两次求平均值。
（2）根据上述公式计算被测热电偶的误差，计算中应对冷端温度不为0℃进行修正。
3、分别将炉温升高，求被校热电偶的误差△e，并将结果填入下表：
热电偶
被测量温度
50℃
70℃
90℃
110℃
130℃
标准热电偶（K）热电势（mv）
1
2
平均
被校热电偶（E）热电势（mv）
1
2
平均
分度表值
误差
分别画出热电势与温度曲线，得出标定值。
注意事项：
加热炉温度请勿超过150℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。
因为温控仪表为E分度，所以当拨动开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度而是E分度热电偶测试到的温度。
2、铂热电阻：
当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）。
式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值
RO——铂热电阻在0℃时的电阻值
A——系数（=3.96847×10-31/℃）
B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）
将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。
（1）观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，失衡放大电路输出端VO4接电压表，水银温度计置于铂热电阻旁感受相同的温度。
（2）开启主机电源，调节热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂热电阻通过电流时其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。
（3）开启加热开关，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（温度表上显示的温度值是炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。
并记录数据填入下表：
℃
UO（mV）
做出V-T特性曲线，观察其工作线性范围。
注意事项：
加热器温度一定不能过高，以免损坏传感器的包装。
3、PN结温敏二极管：
（1）观察已置于电加热炉上的温敏二极管，连接主机与实验模块的电源及传感器探头（注意二极管符号方向）与处理电路接口，取样放大电路输出端VO2接电压表，水银温度计置于铂热电阻旁感受相同的温度。
2、开启加热电源，设定加热炉温度≤100℃，拨动开关置“测量”档，观察随炉温上升VO端电压的变化，并将结果记入下表：
℃
UO（mV）
做出V-T曲线，求出灵敏度S=△V/△T。
4、半导体热敏电阻
图
（2）为金属与热敏电阻温度曲线的比较。
（1）观察已置于加热炉上的热敏电阻，温度
计置于与传感器相同的感温位置。
连接主机与实
验模块的电源线及传感器与出路电路接口，阻压
变换电路输出端VO3接电压表。
（2）打开主机电源，调节热敏转换电路电压
输出，使其值尽量大但不饱和。
（3）设定加电热炉加热温度≤100℃,开启加（图2）
热电源。
（4）观察随温度上升时输出电压值变化，待温度稳定后将V-T值记入下表：
℃
V0（mV）
做出V-T曲线，（因为热敏电阻负温度特性呈非线性，所以实验时建议多采几个点），得出用热敏电阻测温结果的结论。
注意事项：
热敏电阻感受到的温度与温度计上的温度相同，并不是加热炉数字表上显示的温度。
而且热敏电阻的阻值随温度不同变化较大，故应在温度稳定后记录数据。
5、集成温度传感器
（1）观察置于加热炉上的集成温度传感器，温度计置于传感器同一感温处，
连接主机与实验模块电源及传感器与处理电路接口，比较放大电路输出端V01接电压表。
2、打开主机电源，根据温度计示值调节转换电路电位器，使电压表（2V档）所示当前温度值（设定电压显示值最后一位为1/10℃值，如电压表2V档显示0.256就表示25.6℃）。
3、设定加热器温度≤100℃,开启加热开关，观察随温度上升时电路输出电压值，并与温度计显示值比较，得出定性结论。
6、热电偶与其它测温传感器的性能比较：
本实验台所用的几种温度传感器性能比较如下，看由实验得出的结论是否与给定的结论想符合：
传感器
测温范围
精度（℃）
线性
重复性（℃）
灵敏度
热电偶
-200-1600
0.5-3.0
较差
3.0-1.0
不高
铂热电阻
-200-650
0.-1.0
较好
0.3-1.0
不高
PN结温敏
-40-150
1.0
良
0.2-1.0
高
热敏电阻
-50-300
0.2-2.0
不好
0.2-2.0
高
集成温度
-55-155
1.0
优
0.3
高
实验三金属箔式应变计
一、实验目的
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、对箔式应变计三种桥路的性能进行比较。
4、了解箔式应变片的温度效应及补偿方式。
二、实验原理
1、本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。
2、应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测力时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面。
当被测式元件受力作用发生形变，粘贴在其表面上的应变片敏感栅随同变形，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。
3、电桥电路是最常用的非电量电测电路。
当电桥平衡时，桥路相对两臂电阻乘积相等，电桥输出为零。
假设桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4。
当使用一个应变片作为工作臂构成单臂电桥且其它三臂电阻相等时，
；当使用二个应变片作为工作臂构成差动电桥且其它两臂电阻相等时，
；当使用四个应变片构成差动全桥且R1=R2=R3=R4=R时，
。
4、根据戴维南定理可以得出单臂测试电桥的输出值
，电桥灵敏度
。
于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为
、
和
。
可知，当E和电阻相对变化量一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
5、当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化；另外如果粘贴应变片的被测试元件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。
为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。
常用的温度补偿方法有电桥补偿法和应变片自补偿法。
本实验中采用的是电桥补偿法。
三、实验所需部件
直流稳压电源+4V、公共电路模块、贴于主机工作台双平行悬臂梁上的箔式应变片和温度补偿片、应变式传感器实验模块、应变加热器、螺旋测微仪、数字电压表、温度计、连接导线若干。
四、实验内容及步骤
1、应变计的性能——应变电桥
（1）差动放大器调零：
连接主机与应变式传感器实验模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“-”输入端对地用实验线短路，输出端接电压表2V档。
开启主机电源，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，调零后模块上的“增益”、“调零”电位器均不应再变动。
（图1）
（2）观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图
（1）将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线（注意连接方式，勿使直流激励电源短路）。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
（3）确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。
调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。
（4）用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：
位移（mm）
0
电压（V）
0
根据表中所测数据在坐标图上做出其性能的V—X曲线，计算灵敏度S。
S=
注意事项：
（1）实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。
（2）由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。
（3）实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。
（4）因为是小信号测试，所以调零后电压表应置2V档，用计算机数据采集时应选用200mv量程。
2、箔式应变计三中桥路的性能比较
（1）在完成上述内容的基础上，依次将图
（1）中的固定电阻R1换接应变片组成半桥（相邻两臂极性相反）；将固定电阻R2、R3换接应变片组成全桥（相邻两臂极性相反、相对两臂极性相同）。
（2）重复1中的3-4步骤，完成对半桥与全桥的测试实验。
（3）在同一坐标上描出三中测试结果的V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
注意事项：
应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即相邻两臂受力方向相反，相对两臂受力方向相同，如果接反则电路无输出或输出很小。
3、箔式应变计的温度效应及补偿
（1）按图
（1）接成单臂应变电桥，开启主机电源，调整系统输出为零。
记录环境温度T。
（2）开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出温度漂移
，然后关闭加热电源，待其冷却。
（3）将电桥中的一个固定电阻换成一片与应变片在同一应变梁上的温度补偿应变片，重新调整系统输出为零。
（4）开启“应变加热”电源，观察经过温度补偿后的电桥输出电压的变化情况，求出温度漂移
，然后与未进行补偿时的电路进行比较。
注意事项：
（1）在主机工作台面板上的箔式应变片接口中，从左至右6片箔式片分别是：
1、3为上梁工作片，2、4为下梁工作片，5、6为
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