传感器与自动检测技术实验.docx

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传感器与自动检测技术实验

传感器与自动检测技术实验

指导书

张毅李学勤编著

重庆邮电学院自动化学院

2004年9月

目录

CSY-2000型传感器系统实验仪介绍……………………..…………….1

实验一金属箔式应变片测力实验（单臂单桥）………………………..3

实验二金属箔式应变片测力实验（交流全桥）…………………………6

实验三差动式电容传感器实验……………………………………….9

实验四热敏电阻测温实验……………………………………………..12

实验五差动变压器性能测试………………………………………….14

实验六霍尔传感器的特性研究……………………………………….17

实验七光纤位移传感器实验…………………………………………..21

CSY-2000型传感器系统实验仪介绍

本仪器是专为《传感器与自动检测技术》课程的实验而设计的，系统包括差动变压器、电涡流位移传感器、霍尔式传感器、热电偶、电容式传感器、热敏电阻、光纤传感器、压阻式压力传感器、压电加速度计、压变式传感器、PN结温度传感器、磁电式传感器等传感器件，以及低频振荡器、音频震荡器、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、涡流变换器等信号和变换器件，可根据需要自行组织大量的相关实验。

为了更好地使用本仪器，必须对实验中使用涉及到的传感器、处理电路、激励源有一定了解，并对仪器本身结构、功能有明确认识，做到心中有数。

在仪器使用过程中有以下注意事项：

1、必须在确保接线正确无误后才能开启电源。

2、迭插式插头使用中应注意避免拉扯，防止插头折断。

3、对从各电源、振荡器引出的线应特别注意，防止它们通过机壳造成短路，并禁止将这些引出线到处乱插，否则很可能引起一起损坏。

4、使用激振器时注意低频振荡器的激励信号不要开得太大，尤其是在梁的自振频率附近，以免梁振幅过大或发生共振，引起损坏。

5、尽管各电路单元都有保护措施，但也应避免长时间的短路。

6、仪器使用完毕后，应将双平行梁用附件支撑好，并将实验台上不用的附件撤去。

7、本仪器如作为稳压电源使用时，±15V和0~±10V两组电源的输出电流之和不能超过1.5A，否则内部保护电路将起作用，电源将不再稳定。

8、音频振荡器接小于100Ω的低阻负载时，应从LV插口输出，不能从另外两个电压输出插口输出。

9、本仪器应与电网地线可靠连接，不能只用两根线供电，否则将会有严重的干扰，对人身也不安全。

实验台简介：

双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器可做静态或动态测量。

变梁：

应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。

〈一〉、传感器

1、金属应变式传感器铂式应变电阻值：

350Ω×4，温度补偿片×2。

2、热电偶（热电式）传感器

直流电阻：

10Ω左右，由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T，冷端温度为环境温度。

3、差动变压器

量程:

≥5mm直流电阻：

5Ω－10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体，暗电阻≥0.1mΩ。

4、电涡流位移传感器：

量程：

3mm，直流电阻:

1Ω－2Ω,多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。

5、霍尔式传感器

日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中,量程:

±3mm。

6、磁电式传感器

直流电阻：

30Ω－40Ω，由线圈和铁芯组成，灵敏度：

0.5v/m/s。

7、压电加速度传感器

PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。

谐振频率：

>-35KHz。

8、电容式传感器

量程：

±5mm，由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容传感器。

9、压阻式压力传感器

量程：

15Kpa，供电：

≤4V，MPS压阻式压力传感器。

10、光纤传感器

光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围：

±1mm，红外线发射、接收，2×60股丫形、半圆分布。

11、PN结温度传感器

利用半导体PN结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，灵敏度：

-2mV/℃。

12、热敏电阻

半导体热敏电阻NTC：

温度系统为负，25℃时为10KΩ。

13、气敏传感器

TP-3：

酒精测量范围：

50—2000ppm。

14、湿敏电阻

高分子薄膜电阻型：

RH:

几MΩ—几KΩ，响应时间：

吸湿、脱湿小于10秒。

湿度系数：

0.5RH%/℃，测量范围：

10%R11--95%RH，工作温度：

0℃--50℃。

15、光电传感器

由光耦、达林顿输出及整形电路组成，n≤2400r/min。

〈二〉、信号及变换：

电桥：

用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交，直流调平衡网络。

差动放大器：

通频带0-10kHz，可接成同相，反相，差动输入结构，增益为1-100倍的直流放大器。

电容变换器：

由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。

电压放大器：

增益约为5倍，同相输入，通频带0-10KHz

移相器：

允许最大输入电压10Vp-p，移相范围≥±20°（50kHz时）

相敏检波器：

可检波电压频率0-10kHz，允许最大输入电压10Vp-p，极性翻转整形电路与电子开关构成的检波电路。

电荷放大器：

电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。

低通滤波器：

由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz。

涡流变换器：

输出电压≥∣8∣V（探头离开被测物）。

变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件。

光电变换座：

由红外发射、接收管组成。

〈三〉、二套显示仪表

数字式电压/频率表：

3位半显示，电压范围0—200V、0—20V，频率范围3Hz—2KHz、10Hz—20KHz。

指针式毫伏表：

分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。

〈四〉、二种振荡器

音频振荡器：

0.4KHz—10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，0°、180°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。

低频振荡器：

1—30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。

〈五〉、二套悬臂梁、测微头

双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。

〈六〉、电加热器二组

由电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。

〈七〉、测速电机一组

由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。

〈八〉、二组稳压电稳

直流±15V，主要提供高性能低文波小数温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。

±2v~±10v五档输出，最大输出电流1A。

提供直流激励源。

实验一金属箔式应变片测力实验（单臂单桥）

一、实验目的

1、从理论上了解金属箔式应变片的平衡电桥直流单臂桥的工作原理和工作情况。

2、了解金属箔式应变片的实际应用—测力。

二、实验器材

CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：

直流稳压电源、电桥、差动放大器、称重传感器、电压表、砝码

三、实验原理

1、金属箔式应变片可以把应变的变化转化为电阻的变化，如果应变是由外力引起的，则电阻变化反映了外力的变化。

2、为了显示和记录应变的大小，就必须将电阻的变化通过测量电桥电路转化为电压或电流的变化。

3、测量电桥主要有平衡电桥和不平衡电桥两种，前者常用直流供电，并且在测试前和测试时需要两次平衡，一般用于静态应变测量；后者是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，可满足动态应变的测量需要。

四、实验步骤

1、观察整个传感实验仪的结构。

2、在确保线路正确接好之后才能开启电源。

3、旋钮初始位置为直流稳压电源±2V档，电压表2V档。

4、将差动放大器调零。

差动放大器调零方法：

用实验线将差动放大器的正负输入端和地端连接起来，将增益顺时针调到最大位置，然后将差动放大器输出端接到电压表的输入插口，打开电源，调整差动放大器的调零旋钮使电压表的示数为零。

5、差动放大器调零后，关闭电源，拆除接线，差动放大器增益置中。

6、

根据图1所示的电路结构，利用电桥单元上的接线插孔和调零网络连接好测量线路（差动放大器接成同相或反相均可）。

图1系统接线图

7、装上传感器称重托盘。

8、将直流稳压电源转换到±4V档，预热数分钟，调整电桥平衡电位器使电压表示数为零。

9、为保证实验中输出指示不溢出，可先将10只20克的砝码全部放到托盘上，如果指示溢出，适当减小差动放大器增益直至不溢出。

10、在传感器托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一个砝码记下一个数值，根据所得数据计算系统灵敏度S，并作出V-W关系曲线。

，ΔV为电压变化率，ΔW为相应的重量变化率。

五、实验数据及处理

W（g）

V（v）

六、注意事项

1、电桥上端虚线表示的四个电阻实际并不存在，仅作为一个标记供学生参考。

2、为确保实验中输出指示不溢出，可先将砝码加到最大重量，如果溢出则适当减小差动放大器的增益。

3、在做此实验时，低频振荡器的幅度关到最小，以减小它对直流电桥的影响。

。

七、问题与思考

1、本实验电路对直流稳压电源有什么要求？

对差动放大器有什么要求？

2、根据图2的差动放大原理图，分析其工作原理，说明它既能做差动放大，又能做同相或反相放大器的原理。

实验二金属箔式应变片测力实验（交流全桥）

一、实验目的

1、交流供电的不平衡电桥的工作原理和工作情况。

2、了解交流供电的四臂电桥的原理和工作情况。

3、了解交流供电的金属箔式应变片的实际应用—测力。

二、实验器材

CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：

音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、低通滤波器、电压表、砝码

三、实验原理

4、金属箔式应变片可以把应变的变化转化为电阻的变化，如果应变是由外力引起的，则电阻变化反映了外力的变化。

5、为了显示和记录应变的大小，就必须将电阻的变化通过测量电桥电路转化为电压或电流的变化。

6、测量电桥主要有平衡电桥和不平衡电桥两种，前者常用直流供电，并且在测试前和测试时需要两次平衡，一般用于静态应变测量；后者是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，可满足动态应变的测量需要。

7、为了补偿电桥电路的非线性误差，可以采用差动电桥的方法，差动电桥分为半桥差动和全桥差动，在全桥差动的情况下，电桥的电压灵敏度比单臂电桥的灵敏度提高了四倍，并且还能起到温度补偿的作用，因此全桥差动电路得到了广泛的应用。

8、

本实验中就是采用交流差动全桥，其原理图如图1所示。

9、全桥差动电路的输出电压为：

图1交流差动全桥

四、实验步骤

1、将差动放大器调零，方法见实验一。

2、

按照图2接线。

图2系统接线图

图中，R1~R4为应变片，W1、W2、C、r为调平衡网络，电桥激励必须从LV插口输出。

3、调好移相器。

方法是将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0°或180°输出均可），然后将示波器的两根输入线分别接到移相器的输入端和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。

旋转移相器上的旋钮，观察两个波形间的相位的变化，使信号与输入相同。

4、在传感器上加上砝码进行标定，并记录标定数据。

5、在传感器上加上一个重量未知的重物，记下电压表的读数。

6、根据记录的数据，得出重物的重量。

五、实验数据及处理

1、梁标定数据

W（g）

V（v）

2、传感器标定数据

W（g）

V（v）

3、重物在梁端时的电压表读数为（），重物在传感器上的电压表读数为（）。

4、根据数据，得出重物的重量为（）

六、注意事项

4、砝码应该放在梁端的磁铁上。

5、在悬臂梁系统的自由端部不能与外界碰擦。

七、问题与思考

如果将该交流全桥作为电子秤的方案投入实际的应用，你认为还有哪些部分需要改进。

实验三差动式电容传感器实验

一、实验目的

4、了解差动式电容传感器的原理

5、了解差动式电容传感器的特性

6、通过实验计算出系统的灵敏度

二、实验器材

1、CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：

电容传感器、差动放大器、低通滤波器、V/F表、激振器

2、示波器

三、实验原理

电容传感器是以电容为传感元件，将被测物理量变化转变为电容量变化进行测量的，平板电容器的电容为：

式中，

为极板面积，

为极板间介电系数，

为相对介电系数，

为真空介电系数（常数），

为极板间距离，由上式可知，

、

、

发生变化就会引起电容变化。

变面积式电容传感器就是利用极板面积

的变化进行位移变化测量的。

图1为直线位移电容传感器原理。

当动极板移动

后，面积

就改变，电容也发生改变，值为：

从而电容的变化值为：

灵敏度为：

由此可见，变面积电容式传感器的输出特性是线性的，其灵敏度为常数，增大极板边长，减小极板间隙可以提高灵敏度，为了避免边沿电场影响其线性特性，极板另一边长度不宜过小。

四、实验步骤

1、差动放大器调零。

2、

实验接线图如图2所示。

图2实验接线图

3、差动放大器增益旋钮置于中间，V/F表打到2V，调节测微头，使输出为零。

4、旋动测微头，每次0.5mm，记下此时测微头的读数以及电压表的读数，直到电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。

5、退回测微头至初始位置，并开始以反方向旋动，重复上述步骤4，并记下测微头的读数以及电压表的读数X（mm）和V（mV）。

6、根据实验数据计算系统的灵敏度

，并作出V-X曲线。

7、卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。

五、数据记录和处理

1、第一组V-X数据

X（mm）

V（mV）

2、第二组V-X数据

X（mm）

V（mV）

3、作出V-X曲线

4、计算灵敏度

（自行设计表格并计算）

实验四热敏电阻测温实验

一、实验目的

1、了解NTC热敏电阻的热敏现象，即观察其电阻值随温度的变化情况。

2、了解热敏电阻的类别、特性和主要参数。

二、实验器材

CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：

加热器、热敏电阻、直流稳压电源、电压表

三、实验原理

1、热敏电阻分类及主要用途

热敏电阻的温度系数有正有负，因此分为PTC热敏电阻（正温度系数）和NTC热敏电阻（负温度系数）。

PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，常用于恒温加热控制或温度开关，也可用于彩电中自动消磁元件，功率型PTC也可作为发热元件使用，缓变型PTC则用于温度补偿或温度测量。

NTC热敏电阻的测量范围通常较宽，在-50℃-+300℃，主要用于温度测量，在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛用于自动控制和电子线路的热补偿线路中，具有体积小，重量轻，热惯性小，工作寿命长，价格便宜等优点，并且本身电阻值大，可忽略引线长度带来的误差，适用于远距离传输。

其缺点主要是非线性大，稳定性差，有老化现象，误差较大，一致性差等，一般只用于低精度的温度测量。

2、热敏电阻的特性和参数

热敏电阻的主要特性包括：

电阻-温度特性、伏-安特性和安-时特性，主要参数包括标称电阻值、电阻温度系数（热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率）、耗散系数、热容量、能量灵敏度和时间常数。

四、实验步骤

1、

实验接线图如图1所示。

2、将电压表置于2V档。

3、按照图1接线，调整W1，使电压表指示为100mV左右。

4、将-15V电源接入加热器，观察电压表的读数变化，电压表的输入电压为：

图1实验接线图

五、实验数据记录及处理

根据实验情况，当温度（）时，RT阻值（），Vi则（）。

实验五差动变压器性能测试

一、实验目的

1、了解差动变压器的原理。

2、了解差动变压器的工作情况。

3、了解差动变压器的零点残余电压的现象。

4、作出V-X曲线，了解输出电压的相位变化，求出差动变压器的灵敏度。

二、实验器材

1、CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：

音频振荡器、测微头

2、示波器

3、有关旋钮的初始位置：

音频振荡器：

4KHz

双踪示波器：

第一通道灵敏度为500mV/cm；第二通道灵敏度为10mV/cm，第一通道触发。

三、实验原理

差动变压器是一种电感传感器，把被测位移量转换为互感变化，使次级线圈感应电压发生相应变化从而进行测量。

差动变压器的电气连接图如图1所示，次级线圈S1和S2反极性串联，当初级线圈P加上一定交流电压Ep时，次级线圈产生感应电压，当铁芯处在中心位置时，输出电压Es理论上为0，实际上则存在零点残余电压E0，随着铁芯位置偏离中心，Es逐渐增大，且在铁芯向上或向下运动时，Es的相位变化180°。

四、实验步骤

1、按照图2接线，注意，音频震荡器必须从LV接出。

图2实验接线图

2、调整音频振荡器幅度旋钮，使音频LV信号输入到初级线圈的电压为2Vp-p（2V峰-峰值）。

3、旋动测微头，从示波器上读出次级输出电压的峰峰电压值，记录数据，并注意初级和次级波形的相位关系。

4、测试零点残余电压，首先仔细调节测微头，使次级的差动输出电压为最小，必要时将通道二的灵敏度打到较高档，如2mV/cm，测出的这个最小电压即为零点残余电压，并记录其大小和相位。

五、实验数据记录及处理

1、位移与输出电压关系实验数据

位移（mm）

电压（mV）

2、当铁芯从上至下时，相位由（）相变为（）相。

3、零点残余电压大小为（），它与输入电压的相位差约为（），因此是（）正交分量。

4、根据所测试的结果，作出电压-位移曲线，并指出线性工作的范围。

5、差动变压器的灵敏度为：

，

进一步说，由于灵敏度还与激励电压有关，因此：

根据公式，计算灵敏度。

六、注意事项

1、差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口（LV插口）输出。

2、差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，即同名端相连（可通过信号相位有否变化判别）

3、差动变压器与示波器的连线应尽量短，以使干扰尽量小。

实验六霍尔传感器的特性研究

一、实验目的

1、了解霍尔传感器的原理

2、了解霍尔传感器的特性

3、根据实验数据求出霍尔传感器的灵敏度。

二、实验器材

CSY2000型传感器系统实验仪。

本实验使用部件及单元有：

霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、电压表、直流稳压电源、测微头

有关旋钮位置：

1、差动放大器增益旋钮打到最小；

2、电压表置于2V档；

3、直流稳压电源置于2V档。

三、实验原理

霍尔效应是磁电效应的基础，其工作原理如图1所示。

图1工作原理图

图中为一块长为L，宽为b，厚度为h的N型半导体薄片，置于磁感应强度为B的外磁场中，当沿长方向通以电流I时，半导体中的电子受到洛仑兹力FL的作用，

（1）

其中e为电子电量，v为电子运动速度，B为磁感应强度，α为电子运动方向与磁场方向之间的夹角。

在力FL的作用下，电子被推向半导体的一侧，并在该侧面积累负电荷，而在另一面积累正电荷，这样在基片的两侧面就建立起静电场EH，电子又受到静电力FH的作用：

（2）

当达到动态平衡时，有：

（3）

当电子运动方向与磁场方向相互垂直时，有

，因此：

因为霍尔电势为EH，则EH/b=VH，VH为霍尔电压，因此：

（4）

通过薄片的电流I与片中载流子的浓度n、运动速度v和薄片的横切面积bd的关系为：

（5）

霍尔电压VH为：

（6）

上式中：

，为霍尔常数，

为霍尔灵敏度。

霍尔常数是由材料的性质决定的常数，任何载流子迁移率不等于零的材料，在一定条件下都能产生霍尔电势。

通过测量霍尔电势的输出即可得到测量结果。

四、实验步骤

1、首先必须特别注意，激励电压必须≤±2V，否则霍尔片容易损坏。

2、

差动放大器调零，方法见实验一。

3、实验接线图如图2所示，W1，r1为电桥单元中的直流平衡网络。

4、

图2实验接线图

装好测微头。

5、调整W1使电压表指示为0。

6、上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.2mm读一个数，从15.00mm到5.00mm左右为止，记录数据。

五、实验数据记录及处理

1、X-V数据记录

X（mm）

V（v）

X（mm）

V（v）

2、作出V-X曲线，指出传感器的线性范围。

3、根据数据求出灵敏度。

4、本实验实际上测出的是磁场的分布情况，它的线性越好，位移量的线性度越高，它的变化越陡，则位移测量的灵敏度也越大。

六、注意事项

1、由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。

2、一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。

3、激励电压不能增大，以免损坏霍尔片。

实验七光纤位移传感器实验

一、实验目的

1、了解光纤位移传感器的原理、结构和性能。

2、了解光纤位移传感器的静态应用。

3、了解光纤位移传感器的动态应用

二、实验器材

CSY2000型传感器系统实验仪。

本实验使用部件及单元有：

差动放大器、电压表、光纤位移传感器、低通滤波器、振动台

三、实验原理

1、光纤位移传感器在原理上分为传光型和功能型两类，前者光纤只起到传输光的作用，必须在光纤端面加上其他敏感元件才能构成传感器；而后者则是利用了光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。

2、

本实验中使用的是Y型光纤传感器，属于反射型光纤传感器，其原理图如图1所示。

图1一种光纤位移传感器的结构

3、在图1中，A面是反射面，光源发出的光耦合到发送光纤中，从光纤探测头端面射出，入射到A面上，A面的反射光有一部分进入接收光纤中，当A面到探测头端面之间的距离发生变化时，进入接收光纤的光强度也相应发生变化，从而使光探测器上发出的电信号也随之发生变化，这样就能进行测量。

四、实验步骤

1、光纤位移传感器的静态测量

1）观察仪器的光纤位移传感器结构，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，探头其截面为半圆分布。

2）在振动台面上贴上反射片，电压表置2V档。

3）

按