机电系统测控实验东南大学机械工程学院2006年1
1 机电系统测控实验 东南大学机械工程学院 2006 年
目录1绪论1第1章位移的测量·11.1常用位移传感器11. 2位移测量（电涡流）201. 3光纤、光电传感器211. 4综合型实验内容28第2章振动的测量…2. 128常用振动传感器2. 228振动测量实验内容·39第3章温度的测量·3. 139常用温度传感器3. 239温度测量443. 3综合型实验内容·第4章48力、弯矩、压力的测量484. 1常用力传感器4. 248力测量（应变片）4.369综合、研究型实验内容·73第5章噪声的测量·735. 1常用噪声传感器（电容式，磁铁式，压电式）5.273噪声测量实验内容78第六章信号调理电路.786.1常用信号调理单元·786.2.1移相器实验806.2.2相敏检波器84第七章控制系统实验：847. 1系统时间响应模拟实验917. 2系统频率响应模拟实验97主要参考文献·97附录：电子模拟原理简述·101附录：CSY—10型传感器实验仪使用说明104附录：YE3817型应变放大器使用说明112附录：YE2536型静态应变仪115附录：YE5937型位移测量仪..117附录：CWY—D0500电涡流传感器119附录：UJ31型低电势直流电位差计124附录：AC15型直流复射式检流计2
2 目 录 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 第 1 章 位移的测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.1 常用位移传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.2 位移测量（电涡流）„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.3 光纤、光电传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 20 1.4 综合型实验内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 21 第 2 章 振动的测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 28 2.1 常用振动传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 28 2.2 振动测量实验内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 28 第 3 章 温度的测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 39 3.1 常用温度传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 39 3.2 温度测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 39 3.3 综合型实验内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 44 第 4 章 力、弯矩、压力的测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 48 4.1 常用力传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 48 4.2 力测量 （ 应变片）„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 48 4.3 综合、研究型实验内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 69 第 5 章 噪声的测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 73 5.1 常用噪声传感器（电容式，磁铁式，压电式）„„„„„„„„„„ 73 5.2 噪声测量实验内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 73 第六章 信号调理电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 78 6.1 常用信号调理单元„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 78 6.2.1 移相器实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 78 6.2.2 相敏检波器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 80 第七章 控制系统实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 84 7.1 系统时间响应模拟实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 84 7.2 系统频率响应模拟实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 91 主要参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 97 附录：电子模拟原理简述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 97 附录：CSY—10 型传感器实验仪使用说明„„„„„„„„„„„„„„„„ 101 附录：YE3817 型应变放大器使用说明„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 104 附录：YE2536 型静态应变仪„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 112 附录：YE5937 型位移测量仪„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 115 附录：CWY——DO500 电涡流传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 117 附录：UJ31 型低电势直流电位差计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 119 附录：AC15 型直流复射式检流计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 124
绪论现代科学技术的发展，使得改革传统的教学方式迫在眉睫。现代教学改革的重要手段之一就是改革传统的实验教学模式，通过增加实验和培训内容，重点培养学生的创新能力和动手能力，提高学生的实际操作水平，培养适应社会需求的人才。本教材是机械系统测试技术，控制工程基础两门专业课程的实验教材。CSY一一10型综合传感器实验仪是“传感器技术”、“工业自动化控制”“非电量电测技术”、“工程检测技术”等检测仪表类课程实验教学的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过教材所提供的书数十种实验内容，能完成包含光、电、磁、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过学习，实验者可以对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有比较直观的感性认识，并可在该实验仪器上举一反三地开发出新的实验内容。本书总的实验数目48个。所有的实验内容要求在每一个实验内容中介绍。1
1 绪 论 现代科学技术的发展，使得改革传统的教学方式迫在眉睫。现代教学改革的重 要手段之一就是改革传统的实验教学模式，通过增加实验和培训内容，重点培养学 生的创新能力和动手能力，提高学生的实际操作水平，培养适应社会需求的人才。 本教材是机械系统测试技术，控制工程基础两门专业课程的实验教材。 CSY——10 型综合传感器实验仪是“传感器技术”、“工业自动化控制”、 “非电量电测技术”、“工程检测技术”等检测仪表类课程实验教学的多功能教学 仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体， 可以组成一个完整的测试系统。通过教材所提供的书数十种实验内容，能完成包含 光、电、磁、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过学习，实验者可以 对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有比较直观的感性认识，并可在该实验 仪器上举一反三地开发出新的实验内容。 本书总的实验数目 48 个。 所有的实验内容要求在每一个实验内容中介绍
第1章位移的测量1.1常用位移传感器根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器有电阻式，电感式，差动变压器式，感应同步，磁栅，光栅和激光等。本章主要是通过实验进一步加深对电涡流式，电感式，差动变压器式，激光传感器的了解。1.2位移测量1.2.1月电涡流式传感器静态位移性能研究一、实验目的了解电涡流式传感器的工作原理和工作情况，和其它与之相关的实验进行灵敏度比较。二、实验原理电涡流式传感器的结构是由线圈和金属涡流测试片组成，当线圈中通以高频交变电流后与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当线圈、被测体（涡流片）、激励信号源确定，保持温度不变，则阻抗Z只与距离X有关。将阻抗变化经涡流变换器换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。三、所需单元和部件涡流变换器，涡流式传感器探头，铁测片，测微器，V/F表。四、有关旋钮的初始位置V/F表置于20V档。五、注意事项1、被测物体与涡流式传感器探头平面必须平行，探头尽量对准被测物体中间，以减小涡流损失。2、由于信号调理单元电路结构的特殊性，涡流变换器的输出始终为负值。（注：涡流变换器见仪器面板示意图）。3、当涡流变换器与电涡流传感器探头线圈连接，并处于工作状态时，在两者联接线端接入示波器后由于负载效应会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小（如果示波器探头阻抗太小，甚至会使变换器停振而无输出，或是使传感器在初始状态有一死区）。六、实验内容1、转动测微器，振动圆平台中间的磁铁与“测微头”相吸，圆平台处于（目测）水平位置，按注意事项调整好涡流传感器探头（这时被测铁测片与涡流传感器探头平面相接）。2
2 第1章 位移的测量 1.1 常用位移传感器 根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器有电阻式，电感式，差动变压器式，感应 同步，磁栅，光栅和激光等。本章主要是通过实验进一步加深对电涡流式，电感式，差动变压 器式，激光传感器的了解。 1.2 位移测量 1.2.1 电涡流式传感器静态位移性能研究 一、实验目的 了解电涡流式传感器的工作原理和工作情况，和其它与之相关的实验进行灵敏度比较。 二、实验原理 电涡流式传感器的结构是由线圈和金属涡流测试片组成，当线圈中通以高频交变电流后与 其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗 Z ，而涡流的大小与金属片 的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离 X 有关。当线圈、被测体（涡流片）、激励 信号源确定，保持温度不变，则阻抗 Z 只与距离 X 有关。将阻抗变化经涡流变换器换成电压 V 输出，则输出电压是距离 X 的单值函数。 三、所需单元和部件 涡流变换器，涡流式传感器探头，铁测片，测微器，V/F 表。 四、有关旋钮的初始位置 V/F 表置于 20V 档。 五、注意事项 1、被测物体与涡流式传感器探头平面必须平行，探头尽量对准被测物体中间，以减小涡流 损失。 2、由于信号调理单元电路结构的特殊性，涡流变换器的输出始终为负值。（注：涡流变换 器见仪器面板示意图）。 3、当涡流变换器与电涡流传感器探头线圈连接，并处于工作状态时，在两者联接线端接入 示波器后由于负载效应会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小（如果示波器探头阻抗太 小，甚至会使变换器停振而无输出，或是使传感器在初始状态有一死区）。 六、实验内容 1、转动测微器，振动圆平台中间的磁铁与“测微头”相吸，圆平台处于（目测）水平位 置，按注意事项调整好涡流传感器探头（这时被测铁测片与涡流传感器探头平面相接）
2、根据图1.1的电路结构，将涡流传感器探头、涡流变换器、电压表、示波器连接起来，组成一个测量线路。涡流电压表示波器变换器11涡流传感器图1.1电涡流传感器接线图3、开启仪器电源，将测微头位移，使得电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值。用示波器连接涡流变换器输出端观察电涡流传感器高频波形，信号频率约为1MHz。4、用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧铁测片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路“停振”。5、往下旋动测微器，使圆平台的“自由端”往下产生位移（刚开始时，电压表显示的数值为零，一直到有一定距离后才会发生变化，这时的数据作为起始数据）。每位移0.25mm，记一个电压表数值，将所记数据填入下表，根据所得数据计算灵敏度S。S=△VI△X（式中△V为电压变化，X为相应的振动圆平台的位移变化）。0.0X (mm)V(mV)七、实验设备1、CSY一10型传感器实验仪。2、双线示波器。八、仪器说明书见附录。九、实验报告1、根据实验结果，作出V一X关系曲线2、开始时，电压表显示的数值为零，一直到有一定距离后才会发生变化，为什么？3、根据测试结果，找出当前被测物体为金属片时，线性范围的中点位置（最佳工作点），涡流传感器探头与铁测片的距离。4、、如何提高其线性范围。5、与其它传感器比较有什么优缺点。3
3 2、根据图 1.1 的电路结构，将涡流传感器探头、涡流变换器、电压表、示波器连接起来， 组成一个测量线路。 3、开启仪器电源，将测微头位移，使得电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有 一电压值。用示波器连接涡流变换器输出端观察电涡流传感器高频波形，信号频率约为 1MHz。 4、用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧铁测片，此时涡流变换器输出电压为零。涡 流变换器中的振荡电路“停振”。 5、往下旋动测微器，使圆平台的“自由端”往下产生位移（刚开始时，电压表显示的数值 为零，一直到有一定距离后才会发生变化，这时的数据作为起始数据）。每位移 0.25mm，记一 个电压表数值，将所记数据填入下表，根据所得数据计算灵敏度 S。S = ΔV/ΔX（式中ΔV 为 电压变化，ΔX 为相应的振动圆平台的位移变化）。 X（mm） 0.0 V(mV) 七、实验设备 1、CSY — 10 型传感器实验仪。 2、双线示波器。 八、仪器说明书 见附录。 九、实验报告 1、根据实验结果，作出 V—X 关系曲线 2、开始时，电压表显示的数值为零，一直到有一定距离后才会发生变化，为什么？ 3、根据测试结果，找出当前被测物体为金属片时，线性范围的中点位置（最佳工作点）， 涡流传感器探头与铁测片的距离。 4、如何提高其线性范围。 5、与其它传感器比较有什么优缺点。 图 1.1 电涡流传感器接线图 涡流传感器 涡流 变换器 电压表 示波器