10级工程测试与信号处理实验指导书.pdf

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1、1010 级工程测试与信号处理实验级工程测试与信号处理实验指导书指导书工程测试与信号处理工程测试与信号处理实验报告实验报告姓名姓名班级班级学号学号指导教师指导教师20122012 年下学期年下学期实实验验目目录录实验一实验一金属箔式应变片单臂电桥性能实验金属箔式应变片单臂电桥性能实验实验二实验二金属箔式应变片半桥性能实验金属箔式应变片半桥性能实验实验三实验三金属箔式应变片全桥性能实验金属箔式应变片全桥性能实验实验四实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验实验五实验五电容式传感器的位移特性实验电容式传感器的位移特性实验实验六实验六光电转速传感器的

2、转速测量实验光电转速传感器的转速测量实验实验七实验七霍尔测速实验霍尔测速实验实验八实验八磁电式转速传感器的测速实验磁电式转速传感器的测速实验实验九实验九电涡流传感器的位移特性实验电涡流传感器的位移特性实验实验十实验十被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验实验一实验一金属箔式应变片单臂电桥性能实验金属箔式应变片单臂电桥性能实验了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。工作原理和性能。二、基本原理：二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电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

3、应变效应，描述电阻应变阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：效应的关系式为：R RR RK K式中式中R RR R 为电阻为电阻丝电阻相对变化，丝电阻相对变化，K K 为应变灵敏系数为应变灵敏系数,=l/ll/l 为电阻为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐丝长度相对变化，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受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例、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。变化，电桥的输出电压反映了相应的受力

4、状态。，对单，对单臂电桥输出电压臂电桥输出电压 U Uo1o1=EK=EK/4/4。三、需用器件与单元三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器：应变式传感器实验模板、应变式传感器电子秤、砝码、数显表、电子秤、砝码、数显表、15V15V 电源、电源、4V4V 电源、电源、万用表（自备）万用表（自备）。四、实验步骤四、实验步骤：1 1、根据图（根据图（1 11 1）应变式传感器（电子秤）已装于）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的的左上方的 R1R1、R2R2、R3R3、R4R4。加热丝也接于模

5、板。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，上，可用万用表进行测量判别，R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4350350，加热丝阻值为，加热丝阻值为 5050左右左右一、实验目的：一、实验目的：拉）应变片（拉）应变片（2 2）负（受压）应变片（）负（受压）应变片（3 3）正、负应变片）正、负应变片均可以。均可以。实验二实验二金属箔式应变片半桥性能实验金属箔式应变片半桥性能实验比较半桥与单臂电桥的不同性能、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。了解其特点。二、基本原理：二、基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻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

6、提高，非线性得到改善。当应变片边，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，阻值和应变量相同时，其桥路输出电压其桥路输出电压 U UO2O2EKEK2 2。三、三、需用器件与单元需用器件与单元：同实验一。同实验一。一、一、实验目的：实验目的：四、四、实验步骤：实验步骤：1 1、传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤 2 2，实验模板差动放大器调零。实验模板差动放大器调零。2 2、根据图根据图 1 13 3 接线。接线。R R1 1、R R2 2为实验模板左上方的为实验模板左上方的应变片，注意应变片，注意 R R2 2应和应和 R R1

7、 1受力状态相反，即将传感受力状态相反，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。接入桥路电源应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V4V，调，调节电桥调零电位器节电桥调零电位器 R RW1W1进行桥路调零，进行桥路调零，实验步骤实验步骤 3 3、4 4 同实验一中同实验一中 4 4、5 5 的步骤，的步骤，将实验数据记入表将实验数据记入表 1 12 2，计算灵敏度计算灵敏度 S S2 2U UWW，非线性误差，非线性误差f2f2。若实验时。若实验时无数值显示说明无数值显示说明 R R2 2与与 R R1 1为相同受

8、力状态应变片，为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。应更换另一个应变片。图图 1 13 3 应变式传感器半桥实验接线图应变式传感器半桥实验接线图表表 1 12 2 半桥测量时，输出电压与加负载重量值半桥测量时，输出电压与加负载重量值重重量量电电压压五、五、思考题：思考题：1 1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接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：入电桥时，应放在：（1 1）对边（）对边（2 2）邻边。）邻边。2 2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：为：（1 1）电桥测量原理上存在非线性（）电桥测量原理上存

9、在非线性（2 2）应变片应）应变片应变效应是非线性的（变效应是非线性的（3 3）调零值不是真正为零。）调零值不是真正为零。实验三实验三金属箔式应变片全桥性能实验金属箔式应变片全桥性能实验了解全桥测量电路的优点。了解全桥测量电路的优点。二、基本原理：二、基本原理：全桥测量电路中，全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：接入电桥对边，当应变片初始阻值：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4，其变化值其变化值R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4时，时，其桥路输出电压其桥路输出电压U U0303KEKE。其输出灵敏度比半桥又

10、提高了一倍，非线。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。性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件和单元三、需用器件和单元：同实验一同实验一四、实验步骤：四、实验步骤：1 1、传传感器安装同实验一。感器安装同实验一。2 2、根根据图据图 1 14 4 接线，实验方法与实验二相同。将接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表实验结果填入表 1 13 3；进行灵敏度和非线性误差；进行灵敏度和非线性误差计算。计算。一、实验目的：一、实验目的：1 14 4 全桥性能实验全桥性能实验接线图接线图表表 1 13 3 全桥输出电压与加负载重量值全桥输出电压与加负载重量值重重量量电电

11、压压五、思考题：五、思考题：1 1、全全桥测量中，当两组对边（桥测量中，当两组对边（R R1 1、R R3 3为对边）电阻值为对边）电阻值R R 相同时，即相同时，即 R R1 1R R3 3，R R2 2R R4 4，而，而 R R1 1R R2 2时，是否时，是否可以组成全桥：可以组成全桥：（1 1）可以（）可以（2 2）不可以。）不可以。2 2、某某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上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，贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。桥，是否需要外加电阻。F FF FR3R3R1R

12、1R1R1R RR4R4R RR RR RF FF F图图 1 15 5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验四实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较比较单臂、比较单臂、半桥、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。性度，得出相应的结论。二、实验步骤：二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大

13、器增益必须阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同）相同）。一、实验目的一、实验目的：实验五实验五电容式传感器的位移实验电容式传感器的位移实验一、一、实验目的实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。：了解电容式传感器结构及其特点。二、二、基本原理：基本原理：利用平板电容利用平板电容 C CA Ad d 和其它结构和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A A、d d 中三个参数中，保持二个参数不变，而中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（

14、变变）测微小位移（变d d）和测量液位（变）和测量液位（变A A）等多）等多种电容传感器。种电容传感器。三、三、需用器件与单元：需用器件与单元：电容传感器、电容传感器、电容传感器实验模板、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。稳压源。四、四、实验步骤：实验步骤：1 1、按图按图 3 31 1 安装示意图将电容传感器装于电容安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别传感器实验模板上，判别C CX1X1和和 C CX2X2时，时，注意动注意动极板接地，极板接地，接法正确则动极板左右移动时，接法正确则动极板左右移动时

15、，有正、有正、负输出。负输出。不然得调换接头。不然得调换接头。一般接线：一般接线：二个静片二个静片分别是分别是 1 1 号和号和 2 2 号引线，动极板为号引线，动极板为 3 3 号引线。号引线。2 2、将电容传感器电容将电容传感器电容 C C1 1和和 C C2 2的静片接线分别插的静片接线分别插入电容传感器实验模板入电容传感器实验模板 C Cx1x1、C Cx2x2插孔上，动极插孔上，动极板连接地插孔（见图板连接地插孔（见图 4 41 1）。图图 4 41 1 电容传感器位移实验接线图电容传感器位移实验接线图3 3、将电容传感器实验模板的输出端将电容传感器实验模板的输出端 V Vo1o1与

16、数显表与数显表单元单元 V Vi i相接（插入主控箱相接（插入主控箱V Vi i孔）孔），RwRw 调节到中调节到中间位置。间位置。4 4、接入接入15V15V 电源，电源，旋动测微头推进电容器传感旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔器动极板位置，每间隔 0.2mm0.2mm 记下位移记下位移 X X 与输与输出电压值，填入表出电压值，填入表 4 41 1。表表 4 41 1电容传感器位移与输出电压值电容传感器位移与输出电压值X(X(mmm)m)V(V(mvmv)5 5、根据表根据表 4 41 1 数据计算电容传感器的系统灵敏数据计算电容传感器的系统灵敏度度 S S 和非线性误差和非线

17、性误差f f。五、五、思考题：思考题：试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？实验六实验六磁电式转速传感器测速实验磁电式转速传感器测速实验一、一、实验目的：实验目的：了解磁电式测量转速的原理。了解磁电式测量转速的原理。de N二、二、基本原理：基本原理：基于电磁感应原理，基于电磁感应原理，N N 匝线圈所在磁场的匝线圈所在磁场的dt磁通变化时，线圈中感应电势：磁通变化时，线圈中感应电势：发生发生变化，因此当转盘上嵌入变化，因此当转盘上嵌入 N N 个磁棒时，每转一周线个磁

18、棒时，每转一周线圈感应电势产生圈感应电势产生 N N 次的变化，通过放大、整形和计次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。数等电路即可以测量转速。三、三、需用器件与单元：需用器件与单元：磁电式传感器、数显单元测转速档、磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源直流源 2 224V24V。四、四、实验步骤：实验步骤：1 1、磁电式转速传感器按图磁电式转速传感器按图 5 54 4 安装传感器端面离安装传感器端面离转动盘面转动盘面 2mm2mm 左右。将磁电式传感器输出端插入左右。将磁电式传感器输出端插入数显单元数显单元 FinFin 孔。孔。（磁电式传感器两输出插头插入台磁电式传感器两输出

19、插头插入台面板上二个插孔）面板上二个插孔）2 2、将显示开关选择转速测量档。将显示开关选择转速测量档。3 3、将转速电源将转速电源 2 224V24V 用引线引入到台面板上用引线引入到台面板上 24V24V插孔，合上主控箱电开关。使转速电机带动转盘旋插孔，合上主控箱电开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。五、五、思考题：思考题：为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？能说明理由吗？实验七实验七霍尔测速实验霍尔测速实验一、一、实实验目的：验目的：了解霍尔转速传感器的应用。

20、了解霍尔转速传感器的应用。二、二、基基本原理：本原理：利用霍尔效应表达式：利用霍尔效应表达式：U UH HK KH HIBIB，当被测，当被测圆盘上装上圆盘上装上 N N 只磁性体时，只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化圆盘每转一周磁场就变化N N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电次。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。的转速。三、三、需需用器件与单元用器件与单元：霍尔转速传感器、直流源霍尔转速传感器、直流源5V5V、转动源、转动源2 224V24V、转动源单元、数显单元的转速显示

21、部分。、转动源单元、数显单元的转速显示部分。四、四、实验步骤：实验步骤：1 1、根根据图据图 5 54 4，将霍尔转速传感器装于传感器支架，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。上，探头对准反射面内的磁钢。图图 7 71 1霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图2 2、将将 5V5V 直流源加于霍尔转速传感器的电源端（直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1 1 号号接线端）接线端）。3 3、将将霍尔转速传感器输出端（霍尔转速传感器输出端（2 2 号接线端）插入数显号接线端）插入数显单元单元 FinFin 端，端，3 3 号接线端接地。号接线端

22、接地。4 4、将将转速调节中的转速调节中的2V2V24V24V 转速电源接入三源板转速电源接入三源板的转动电源插孔中。的转动电源插孔中。5 5、将将数显单元上的开关拨到转速档。数显单元上的开关拨到转速档。6 6、调调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。速显示的变化。五、五、思考题：思考题：1 1、利利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？2 2、本本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？实验八实验八光电转速传感器的转速测量实验光电转速传感器的转速测量实验

23、一、一、实实验目的：验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。法。二、二、基基本原理本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，：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，传感器端部有发光管和光电本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受池，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信号，由于转盘上有相间的转换成电信号，由于转盘上有相间的 1616 个间隔，转个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到

24、转速值。计数处理即可得到转速值。三、三、需需用器件与单元用器件与单元：光电转速传感器、直流电源：光电转速传感器、直流电源 5V5V、转、转动源及动源及 2 224V24V 直流源、数显单元。直流源、数显单元。四、四、实实验步骤：验步骤：1 1、光光电转速传感器已安装在三源板上，把三源板上的电转速传感器已安装在三源板上，把三源板上的5V5V、接地、接地 V0V0 与主控箱上的与主控箱上的5V5V、地、数显表的、地、数显表的VinVin 相连。数显表转换开关打到转速档。相连。数显表转换开关打到转速档。2 2、将将转速源转速源 2 224V24V 输出旋到最小，接到转动源输出旋到最小，接到转动源 2

25、4V24V插孔上。插孔上。3 3、合合上主控箱电源开关，使电机转动并从数显表上观上主控箱电源开关，使电机转动并从数显表上观察电机转速。察电机转速。思考题：思考题：已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比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。较一下哪种方法最简单、方便。实验九实验九电涡流传感器位移实验电涡流传感器位移实验一、一、实实验目的：验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。性。二、二、基基本原理：本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体当有导电体接近时，因导电体涡流效

26、应产生涡流损耗，而涡流损接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。量。三、三、需需用器件与单元：用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。四、四、实验步骤：实验步骤：1 1、根根据图据图 8 81 1 安装电涡流传感器。安装电涡流传感器。图图 8 81 1 电涡流传电涡流传感器安装示意图感器安装示意图图图 9-19-1 电涡流传感器安装示意图电涡流传感器安装示意图图图 9 92 2

27、 电涡流传感器位移实验接线图电涡流传感器位移实验接线图2 2、观观察传感器结构，这是一个平绕线圈。察传感器结构，这是一个平绕线圈。3 3、将将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L L 的的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。两端插孔中，作为振荡器的一个元件。4 4、在在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。器的被测体。5 5、将将实验模板输出端实验模板输出端 VoVo与数显单元输入端与数显单元输入端 V Vi i相接。相接。数显表量程切换开关选择电压数显表量程切换开关选择电压 20V20V 档。档。

28、6 6、用用连结导线从主控台接入连结导线从主控台接入 15V15V 直流电源接到模板直流电源接到模板上标有上标有15V15V 的插孔中。的插孔中。7 7、使使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm0.2mm 读一个数，读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表直到输出几乎不变为止。将结果列入表 8 81 1。表表 8 81 1 电涡流传感器位移电涡流传感器位移 X X 与输出电压数据与输出电压数据X X（mmmm）V(v)V(v)8 8、根根据表据表 8 81 1 数据，画出数

29、据，画出 V VX X 曲线，根据曲线找曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为试计算量程为 1mm1mm、3 mm3 mm 及及 5mm5mm 时的灵敏度和线时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）性度（可以用端基法或其它拟合直线）。五、五、思考题：思考题：1 1、电电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量量5mm5mm 的量程应如何设计传感器？的量程应如何设计传感器？2 2、用用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据电涡流传感器进行非接触位移测量时，如

30、何根据量程使用选用传感器。量程使用选用传感器。实验十实验十被测体材质对电涡流传感器特性影响被测体材质对电涡流传感器特性影响一、一、实实验目的：验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。的影响。二、二、基基本原理：本原理：涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。有关，因此不同的材料就会有不同的性能。三、三、需需用器件与单元：用器件与单元：除与实验二十五相同外，另加铜和铝的除与实验二十五相同外，另加铜和铝的被测体圆盘。被测体圆盘。四、四、实实验步骤：验步骤：1 1、传传感器安

31、装与实验二十五相同。感器安装与实验二十五相同。2 2、将将原铁圆片换成铝和铜圆片。原铁圆片换成铝和铜圆片。3 3、重重复实验二十五步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆复实验二十五步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表片时的位移特性测试，分别记入表 8 82 2 和表和表 8 83 3。表表 8 82 2 被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据X X（mmmm）V(v)V(v)表表 8 83 3 被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据X X（mmmm）V(v)V(v)4 4、根根据表据表 8 82 2 和表和表 8 83 3 分别计算量程为分别计算量程为 1mm1mm 和和3mm3mm 时的灵敏度和非线性误差（线性度）时的灵敏度和非线性误差（线性度）。5 5、分分别比较实验二十五和本实验所得结果进行小结。别比较实验二十五和本实验所得结果进行小结。五、五、思考题：思考题：当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？试？