《传感器与检测技术》实验实施方案1.docx
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《传感器与检测技术》实验实施方案1
自考“机电一体化”专业衔接考试《传感器与检测技术》课程
实验环节实施方案
一、实验要求
根据《传感器与检测技术》课程教学要求，实验环节应要求完成3个实验项目。
考虑到自考课程教学实际情况，结合我院实验室的条件，经任课教师、实验指导教师、教研室主任和我院学术委员会认真讨论，确定开设3个实验项目。
实验项目、内容及要求详见我院编制的《传感器》课程实验大纲。
二、实验环境
目前，我院根据编制的《传感器》课程实验大纲，实验环境基本能满足开设的实验项目。
实验环境主要设备为：
1、486微机配置
2、ZY13Sens12BB型传感器技术实验仪
三、实验报告要求与成绩评定
学生每完成一个实验项目，要求独立认真的填写实验报告。
实验指导教师将根据学生完成实验的态度和表现，结合填写的实验报告评定实验成绩。
成绩的评定按百分制评分。
四、实验考试
学生在完成所有实验项目后，再进行一次综合性考试。
教师可以根据学生完成的实验项目，综合出3套考试题，由学生任选一套独立完成。
教师给出学生实验考试成绩作为最终实验成绩上报。
五、附件
附件1《传感器与检测技术》课程实验大纲
附件2实验报告册样式
以上对《传感器与检测技术》课程实验的实施方案，妥否，请贵校批示。
重庆信息工程专修学院
2009年4月14日
附件1
《传感器与检测技术》课程实验教学大纲
实验课程负责人：
段莉开课学期：
本学期
实验类别：
专业课程实验类型：
应用性实验
实验要求：
必修适用专业：
机电一体化
课程总学时：
15学时课程总学分：
1分
《传感器与检测技术》课程实验项目及学时分配
序号
实验项目
实验内容及要求
学时
实验类型
备注
1
实验一
金属箔式应变片性能—单臂电桥
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、比较各桥路间的输出关系。
3
应用性
2
实验二
热电偶原理及现象
1、观察了解热电偶的结构。
2、熟悉热电偶的工作特性。
3、学会查阅热电偶分度表。
3
应用性
3
实验三
压电传感器引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响
验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用。
3
应用性
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥
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、比较各桥路间的输出关系。
二、实验内容
了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。
（用测微头实现）
三、实验仪器
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、电压表、主、副电源。
四、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
式中
为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,
为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压
。
五、实验注意事项
1、直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大增益最大。
2、电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。
3、做此实验时应将低频振荡器的幅度旋至最小，以减小其对直流电桥的影响。
六、实验步骤
1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
2、将差动放大器调零：
用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与电压表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。
3、根据图１接线。
R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
RX=R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，电压表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使电压表显示为零，然后将电压表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使电压表显示为零。
图1
4、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平衡梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使电压表显示最小，再旋动测微头，使电压表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下电压表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：
位移（mm）
0.5
1
1.5
2
2.5
电压（mv）
100
130
160
190
220
6、根据所得结果计算灵敏度
（式中
为梁的自由端位移变化，
为相应电压表显示的电压相应变化）。
7、实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告一》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？
答：
直流电源要稳定；放大器零漂要小。
实验二热电偶原理及现象
一、实验目的
1、观察了解热电偶的结构。
2、熟悉热电偶的工作特性。
3、学会查阅热电偶分度表。
二、实验内容
通过观察热电偶的现象了解热电偶的工作原理和特性。
三、预备知识
热电偶的热电势与温度之间的关系式：
其中：
t------热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。
tn------热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。
to------0℃
1、热端温度为t,冷端温度为室温时热电势。
（100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联）。
2、热端温度为室温，冷端温度为0℃，铜－康铜的热电势：
:
查以下所附的热电偶自由端为0℃时的热电势和温度的关系即铜－康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。
工作端温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.383
-0.421
-0.459
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.720
0
-0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.147
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
-0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.822
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.483
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
四、实验仪器
＋15V不可调直流稳压电源、差动放大器、电压表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主、副电源。
五、实验原理
二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。
六、实验注意事项
1、电压表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。
2、加热时间不要超过两分钟。
3、温度计探头不要触在应变片上，只要触及应变片附近的梁体即可。
七、实验步骤
1、了解热电偶在实验仪上的位置及符号，实验仪所配的热电偶是由铜－康铜组成的简易热电偶，分度号为T。
实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。
2、按图４接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使电压表显示零，记录下自备温度计的室温（此时的温度为冷端温度）。
图4
3、将＋15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地（加热时间不要超过2分钟）。
观察电压表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下电压表显示的读数E。
4、用自备的温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来。
（注意：
温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。
5、根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：
计算热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势，
根据计算结果，查分度表得到温度t。
6、热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。
（注意：
本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只要了解热电势现象）
7、实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器＋15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去＋15V电源连接线），其它旋钮置原始位置。
热电偶测的电压值（mv）
热电偶测的温度（℃）
温度计测的温度（℃）
八、实验报告
在实验报告中填写《实验报告四》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
工作端温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.383
-0.421
-0.459
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.720
0
-0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.147
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
-0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.822
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.483
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
九、实验思考题
1、为什么差动放大器接入热电偶后需再调差放零点？
答：
热电偶的自由端与工作端处在室温。
2、即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有很大误差，为什么？
答：
热电偶测量温度时，其冷端保持温度恒定（冰点温度），热端接触待测物体，此时产生温差电动势。
但由于冷端处于室温环境中，热端与冷端温差并非热端与冰点的温差，因此必须加入冷端补偿电路，此时测得的电动势才与摄氏温度一一对应。
但由于本实验中冷端温度为室温且没有用冷端补偿器，所以导致测量温度有很大误差。
结论：
自由端（冷端）与放大器的连接没有用补偿导线（或者说没有用冷端补偿器）。
实验三压电传感器引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响
一、实验目的
验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用。
二、实验内容
采用相同的测试电路，了解引线对电压放大器和电荷放大器的影响。
三、实验仪器
低频振荡器、电压放大器、电荷放大器、低通滤波器、相敏检波器、电压表、单芯屏蔽线、差动放大器、直流稳压源、双线示波器。
四、实验原理
压电传感器的前置放大器有两个作用：
一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电传感器输出的弱信号。
根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号。
因此设计前置放大器也有两种形式：
一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。
五、实验注意事项
1、低频振荡器的幅度旋钮置于最小，电压表置于20V档，差动放大器增益旋钮至最小，直流稳压电源输出置于4V档。
2、低频振荡器的幅度要适当，以免引起波形失真。
3、梁振动时不应发生碰撞，否则将引起波形畸变，不再是正弦波。
4、由于梁的相频特性影响，压电式传感器的输出与激励信号一般不为1800，故表头有较大跳动，此时，可以适当改变激励信号频率，使相敏检波输出的两个半波尽可能平衡，以减少电压表跳动。
六、实验步骤
1、按图27接线，相敏检波器参考电压从直流输入插口输入，差动放大器的增益旋钮旋到适中。
直流稳压电源打到±4V档。
图27
2、示波器的两个通道分别接到差动放大器和相敏检波器的输出端。
3、开启电源，观察示波器上显示的波形，适当调节低频振荡器的幅度旋钮，使差动放大器的输出波形较大且没有明显的失真。
4、观察相敏检波器输出波形，解释所看到的现象。
调整电位器，使差动放大器的直流成份减少到零，这可以通过观察相敏检波器输出波形而达到，为什么？
5、适当增大差动放大器的增益，使电压表的指示值为某一整数值（如1.5V）。
6、将电压放大器换成电荷放大器，重复实验。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告二十七》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
根据实验现象，结合压电传感器原理和电压、电荷放大器的原理，试回答引线分布电容对电压放大器和电荷放大器的性能有什么影响？
答：
引线分布电容的大小对电压放大器影响较大，而对电荷放大器影响较小。
实验四差动变压器的标定
一、实验目的
了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。
二、实验内容
学习差动变压器测量系统的组成和标定方法。
三、实验仪器
音频振荡器、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、电压表、示波器、主、副电源。
四、实验原理
差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：
表示,式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
五、实验注意事项
1、如果接着做下一个实验则各旋钮及接线不得变动。
2、差动变压器次级的两个线圈必须接成差动形式（同名端相接）。
3、音频振荡器的信号必须从LV输出端输出。
六、实验步骤
1、按图12接好线路。
图12
2、装上振动平台上的测微头，使测微头与振动平台吸合。
上下调整使测微头使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置。
3、开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮，使激励电压的峰峰值为2V。
4、利用示波器和电压表，调整各调零及平衡电位器，使电压表指示为零。
5、给梁一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形。
6、旋转测微头，每隔0.1mm读数记录实验数据，填入下表，作出V-X曲线，并求出灵敏度。
顺时针旋转
X（mm）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
V（mV）
1.2
1.28
1.33
1.39
1.43
逆时针旋转
X（mm）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
V（mV）
1.09
1.02
0.94
0.86
0.77
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告十二》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
在实验步骤（5）中，移相器在这里起什么作用？
答：
由于机械和电路的原因使两个次级线圈中的感应电势不仅数值不等，相位也存在误差。
因相位温差所产生的零点残余电压，无法通过调整衔铁的位移来消除。
而移相器的作用是补偿相位温差来提高电路测量的准确性。
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