电气测试技术实验指导书Word文档格式.docx

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CSY－3000系列传感器与检测技术实验台是在2000系列的基础上加常用的光电探测器实验，主要用于各大专院校、中专及职业技术院校开设的“自动检测技术”“传感器原理与技术”“工业自动化控制”“非电量电测技术”“光电检测技术”等课程的教学实验。

它是采用最新推出的模块化结构的产品。

实验台上采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础。

希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识的理解，并在实验的进行过程中通过信号的拾取、转换、分析、掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。

一、实验台的组成

CSY－3000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等组成。

1、主机箱：

提供高稳定的±

15V、±

5V、＋5V、±

2V－±

10V（步进可调）、＋2V－＋24V（连续可调）直流稳压电源；

直流恒流源0．6mA－20mA可调；

音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；

低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；

气压源0－20KPa（可调）；

温度（转速）智能调节仪（开关置内为温度调节、置外为转速调节）；

计算机通信口；

主机箱面板上装有电压、电流、频率转速、气压、光照度数显表；

漏电保护开关等。

其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能，在排除接线错误后重新开机一下才能恢复正常工作。

　　2、振动源：

振动台振动频率1Hz－30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。

转动源：

手动控制0－2400转／分；

自动控制300－2400转／分。

温度源：

常温－150℃。

　　3、传感器：

基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器、光照度探头、纯白高亮发光二极管、红外发光二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、反射式光电开关共二十六个（其中二个光源）。

增强型：

基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器等。

　　4、实验模板：

基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波模板、光电器件

（一）、光开关共十二块模板。

增强型增加与选配传感器配套的实验模板。

二、电路原理

实验模板电路原理已印刷在模板的面板上，实验接线图参见下文中的具体实验内容。

三、使用方法

1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；

电流表显示选择旋钮打到200mA档；

步进可调直流稳压电源旋钮打到±

2V档；

其余旋钮都打到中间位置。

2、将AC　220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。

3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。

4、合上调节仪（温度开关）电源开关，调节仪的PV显示测量值；

SV显示设定值。

5、合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。

6、数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。

四、仪器维护及故障排除

1、维护

⑴　防止硬物撞击、划伤实验台面；

防止传感器及实验模板跌落地面。

⑵　实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。

2、故障排除

⑴　开机后数显表都无显示，应查AC　220V电源有否接通；

主机箱侧面AC　220V插座中的保险丝是否烧断。

如都正常，则更换主机箱中主机电源。

⑵　转动源不工作，则手动输入＋12V电压，如不工作，更换转动源；

如工作正常，应查调节仪设置是否准确；

控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。

⑶　振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；

如有输出，更换振动源的振荡线圈。

⑷　温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；

温度源的保险丝是否烧断；

调节仪设置是否准确。

如都正常，则更换温度源。

五、注意事项

1、在实验前务必详细阅读实验指南。

2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱的面板和实验模板面板。

3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。

4、请勿将主机箱的±

电源引入实验模板时接错。

5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

6、实验完毕后，请将传感器及实验模板放回原处。

7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。

8、实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。

实验一金属箔式应变片—半桥性能实验

一、实验目的：

熟悉半桥的不同性能、了解其特点。

二、基本原理：

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EKε／2。

U0＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R2+△R2）－R4／（R3＋R4）〕E

＝〔（1＋△R1／R1）／（1＋△R1／R1＋R2／R1+△R2／R1）－（R4／R3）／（1＋R4／R3）〕E

设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1／R1＜＜1。

△R1≈△R2

U0≈（1／2）（△R1／R1）E

电桥的电压灵敏度:

S＝U0／（△R1／R1）≈kE＝（1／2）E

三、实验设备：

传感器与检测技术实验台、主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

图1半桥原理

四、实验步骤：

图2应变式传感器半桥接线图

1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上。

将实验模板差动放大器调零：

用导线将实验模板上的±

15v、⊥插口与主机箱电源±

15v、⊥分别相连，再将实验模板中的放大器的两输入口短接（Vi＝0）；

调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；

将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；

调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2接线。

注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；

在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。

记下实验数据填入表1画出实验曲线，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δ。

实验完毕，关闭电源。

表1

重量

电压

三、思考题：

1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：

（1）对边

（2）邻边。

2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：

（1）电桥测量原理上存在非线性

（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。

实验二金属箔式应变片—全桥性能实验

了解全桥测量电路的优点。

全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。

当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R2+△R2）－（R4+△R4）／（R3+△R3＋R4+△R4）〕E

△R1≈△R2≈△R3≈△R4

U0≈（△R1／R1）E

S＝U0／（△R1／R1）≈kE＝E

图1全桥原理

图2全桥性能实验接线图

实验方法与实验一相同，将实验数据填入表1画出实验曲线；

进行灵敏度和非线性误差计算。

五、思考题：

1、测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以

（2）不可以。

2某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图2，如何利用这四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图2应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验三直流激励时霍尔式传感器位移特性实验

了解霍尔式传感器原理与应用。

二、实验设备：

主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。

1、测微头的组成

如图1，测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。

图1测位头组成与读数

2、测微头读数

测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），另一排是半毫米刻线（０.５ｍｍ／格）；

微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（０.０１ｍｍ／格）。

用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。

微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。

测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；

再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图9—1甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；

遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图9—1乙已过零则读２.５１４ｍｍ；

如图9—1丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。

3、测微头使用

测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10ｍｍ处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置时再拧紧支架座上的紧固螺钉。

当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

三、基本原理

根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。

1、安装好霍尔传感器和测微头。

2、按图2示意图接线（实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ），将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档。

3、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。

图2霍尔传感器（直流激励）位移实验接线示意图

4、以某个方向调节测微头2ｍｍ位移，记录电压表读数作为实验起始点；

再反方向调节测微头每增加0.2mm记下一个读数（建议做4ｍｍ位移），将读数填入表1。

表112.475mm

X（mm）

V（mv）

作出V－X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。

本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

实验四交流激励时霍尔式传感器的位移实验

了解交流激励时霍尔式传感器的特性。

主机箱、测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器／相敏检波器／低通滤波器模板、双线示波器。

三、基本原理：

交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。

1、传感器、测微头安装使用同实验三。

2、实验模板接线见图1（千万注意：

暂时不要将主机箱中的音频振荡器Ｌｖ接入实验模板）。

图1交流激励时霍尔传感器位移实验接线图

3、首先检查接线无误后，合上主机箱总电源开关，调节主机箱音频振动器的频率和幅度旋钮，用示波器、频率表监测LV输出频率为1KHz，幅值为4V的峰－峰值；

关闭主机箱电源，再将LV输出电压（1KHz、4V、）作为传感器的激励电压接入图1的实验模板中（注意电压幅值过大会烧坏传感器）。

4、合上主机箱电源，调节测微头使霍尔传感器的霍尔片处于两磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。

5、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器Rw和相敏检波电位器Rw，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。

6、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表1。

表1交流激励时输出电压和位移数据

7、根据表1作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。

实验五霍尔转速传感器测电机转速实验

了解霍尔转速传感器的应用。

主机箱、霍尔转速传感器、转动源。

利用霍尔效应表达式：

UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。

每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

1、根据图1将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2～3ｍｍ。

图1　霍尔转速传感器实验安装、接线示意图

2、首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2—24ｖ旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（显示选择打到20ｖ档）监测大约为１.25V；

然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图1所示分别接到主机箱的相应电源和频率／转速表（转速档）的Fin上。

3、合上主机箱电源开关，在小于12Ｖ范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。

4、从2Ｖ开始记录每增加１Ｖ相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据）；

V（v）

n（r/min）

5、画出电机的ｖ—ｎ（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。

1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？

实验六磁电式转速传感器测速实验

了解磁电式测量转速的原理。

主机箱、磁电式传感器、转动源。

基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：

发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。

图2

图1磁电转速传感器实验安装、接线示意图

1、根据图2将磁电式转速传感器安装于架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2～3ｍｍ。

2、按图1接线，首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2—24ｖ旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（显示选择打到20ｖ档）监测大约为１.25V；

然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图16所示分别接到主机箱的相应电源和频率／转速表（转速档）的Fin上。

注意：

磁电式转速传感器测速实验中，传感器不用接电源。

。

为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？

实验七光电转速传感器测速实验

了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

主机箱、转动源、光电转速传感器—光电断续器（已装在转动源上）。

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的（光电断续器），传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。

图1光电传感器测速实验

1、将主机箱中的转速调节2－24V旋钮旋到最小（逆时针旋到底）并接上电压表；

再按图25所示接线，将主机箱中频率／转速表的切换开关切换到转速处。

2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于12Ｖ范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。

3、从2Ｖ开始记录每增加１Ｖ相应电机转速的数据（待转速表显示比较稳定后读取数据）；

画出电机的ｖ—ｎ（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。

已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。

实验八差动变压器的应用—振动测量实验

了解差动变压器测量振动的方法。

主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、振动源、示波器。

由实验九差动变压器性能实验基本原理可知，当差动变压器的铁芯连接杆与被测体连接时就能检测到被测体的位移或振动。

1、将差动变压器按图1卡在传感器安装支架的U型槽上并拧紧差动变压器的夹紧螺母，调整传感器安装支架使差动变压器的铁芯连杆与振动台中心点磁钢吸合并拧紧传感器安装支架压紧螺帽，再调节升降杆使差动变压器铁芯大约处于线圈的中心位置。

图1差动变压器振动测量安装、接线图

2、按图1接线，并调整好有关部分，调整如下：

（1）检查接线无误后，合上主机箱电源开关，用频率表、示波器监测音频振荡器LV的频率和幅值，调节音频振荡器的频率、幅度旋钮使Lv输出4—5KHz、Vop-p=2V的激励电压。

（2）用示波器观察相敏检波器输出（图中低通滤波器输出中接的示波器改接到相敏检波器输出），调节升降杆（松开锁紧螺钉转动升降杆的铜套）的高度，使示波器显示的波形幅值为最小。

（3）仔细调节差动变压器实验模板的RW1和RW2（交替调节）使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅值更小，基本为零点。

（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。

（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线（否则再调节RW1和RW2）。

（6）振动源的低频输入接上主机箱的低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。

用示波器观察放大器相敏检波器Vo及低通滤波器的Vo波形。

3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表1。

Ｆ（Ｈｚ）

Vp-p（V）

4、根据实验结果作出梁的振幅—频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与实验七用应变片测出的结果相比较。

5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。

6、注意事项：

低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。

1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？

2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？

实验九压电式传感器测振动实验

了解压电传感器的测量振动的原理和方法。

主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。

压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。

（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。

1、按图1所示将压电传感器安装在振动台面上（与振动台面中心的磁钢吸合），振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。

图1压电传感器振动实验安装、接线示意图

2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，