传感器原理及应用实验标准.docx
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传感器原理及应用实验标准
传感器实验报告
参考格式及评分标准
1.金属箔式应变片
实验1金属箔式应变片：
直流单臂、半桥、全桥比较
实验2金属箔式应变片：
交流全桥
2.差动变压器式电感传感器
实验3差动变压器性能测试
实验4差动变压器的标定及应用
3.电涡流式传感器
实验5电涡流式传感器的静态标定
实验6被测体材料对电涡流传感器特性影响
4.霍尔式传感器
实验7霍尔传感器的直流激励特性
5.光电式传感器
实验8光纤位移传感器的静态测量
实验9光纤位移传感器的动态测量二
6.综合设计型实验
实验10光电传感器应用实验
实验11气敏传感器应用实验
●要求1、2、3、5实验编写报告，有数据，并结果正确，每题5分。
（实验成绩占总成绩的20%）
每台仪器性能存在差异，测量结果不完全相同，下列实验数据仅供参考。
金属泊式应变片
实验1.金属泊式应片：
直流单臂、半桥、全桥比较
实验目的：
验证单臂、半桥、全桥的性能，比较它们的测量结果。
实验所需单元：
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V（频率/电压）表。
实验步骤：
（1）直流电源旋在±2V档。
F/V表置于2V，差动放大器增益打到最大。
（2）系统调零，观察梁上的应变片，转动测微头，使梁处于水平位置（目测），接通总电源及副电源。
放大器增益旋至最大。
（3）差动放大器调零，方法是用导线将放大器正负输入端与地连接起来，输出端接至F/V表输入端，调整差动放大器上的调零旋钮，使表头指示为零。
（4）电桥调零，根据图1的电路，利用电桥单元上的接线和调零网络连接好测量电路。
图中r及w1为调平衡网络，先将Rx设置为工作片。
（5）直流电源打到±4V，调整电桥平衡电位器使电压表为零（电桥调零）。
（6）
测微头调整在整刻度（0mm）位置，开始读取数据。
应变片直流电桥电路
（7）上下旋动测微头，每移动1mm（两圈）读取一个数值，测试数据如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
0
-1
-2
-3
-4
-5
1
2
3
4
V（mv）
0
-22
-47
-67
-87
-106
27
44
68
92
（8）保持差动放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一个应变片，形成半桥电路，调好初始值与零点，测试数据如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
0
-1
-2
-3
-4
-5
1
2
3
4
V（mv）
0
-46
-89
-134
-177
-208
35
78
122
165
（9）保持差动放大器增益不变，将R1、R2两个电阻换成另外两个应变片，接成一个直流全桥，并重新回到初始位置调整零点。
测出位移后的电压值填入下表：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
0
-1
-2
-3
-4
-5
1
2
3
4
V（mv）
0
-81
-158
-243
-320
-399
89
173
257
341
（10）在同一坐标上描绘出X—V曲线，比较三种接法的灵敏度。
金属泊式应变片直流电桥输出特性（X—V）曲线
思考题：
1．根据X—V曲线，计算三种接法的灵敏度k0=∆V/∆X，说明灵敏度与哪些因素有关？
单桥k0=∆V/∆X=20mV/mm
半桥k0=∆V/∆X=40mV/mm
全桥k0=∆V/∆X=80mV/mm
灵敏度与电桥电路形式有关，全桥输出灵敏度最大。
2．根据X—V曲线，描述应变片的线性度好坏。
实际曲线全桥、半桥输出线性度好于单桥输出。
3．如果相对应变片的电阻相差很大会造成什么结果，应采取怎样的措施和方法？
如果相对应变片的电阻相差很大，造成电桥失去平衡，通过调平衡电阻W1可调节零输出，若电桥仍无法平衡，可通过串、并电阻改变应变片使电桥平衡。
4．如果连接全桥时应变片的方向接反会是什么结果，为什么？
应变片的方向接反后，应变电阻变化时产生的输出电压变化相互抵消，使电桥输出减小。
实验2.金属泊式应变片：
交流全桥
实验目的：
了解交流供电的四臂应变电桥的原理、工作情况和实际应用。
实验所需单元：
音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器和相敏检波器，低通滤波器、F/V表，双线示波器。
实验步骤：
（1）用F/V表20K档将音频振荡器调至5KHz，幅度旋至适当位置。
再将F/V表打到2V档，打开主电源。
（2）打开副电源，差动放大器调零，放大器增益适中。
（3）按图电路连接工作电桥，图中R1--R4均为应变片，W1、r为电阻调平衡网络，W2、C为电容调平衡网络，电桥交流激励从音频振荡器LV插口输出，幅度适中。
（4）用示波器观察，调整移相器，使输入输出同相。
（5）测微头旋至梁的水平位置，调整w1、w2使电压表指示为零,示波器观察放大器和相敏检波器输出为最小（理论值为零）。
（6）旋转测微头，每隔1mm（两圈）读一个数，实际测量数据如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
0
-1
-2
-3
-4
-5
1
2
3
4
V（mv）
0
-34
-57
-93
-111
-136
20
37
56
77
（7）
根据所得测量数值，作出X—V曲线，并与直流电桥的结果进行比较。
应变片交流电路（电阻应变仪测量实验电路）
金属泊式应变片，交流电桥输出特性（X—V）曲线
差动变压器式电感传感器
实验3.差动变压器性能测试
实验目的：
了解差动变压器的工作原理，观察差动变压器的输出特性及性能。
实验所用单元：
音频振荡器，差动变压器，双波示波器。
实验步骤：
⑴ 按图接线，将音频振荡器LV输出至差动变压器初级，频率为4KHZ。
⑵ 打开主电源及副电源调整音频振荡器幅度，用示波器观察，使音频LV信号输出电压峰峰值为2V。
⑶ 节测微头使次级的差动输出电压最小，提高示波器灵敏度，读出的最小电压叫做_谐波，观察输入与输出相位差约为__180°，是一次谐波_正交分量。
当铁芯由上至下时，相位由同相变为反相。
4从零开始，旋转测微头，从示波器上读出电压Vp-p值填入下表：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
0
-1
-2
-3
-4
-5
1
2
3
4
Vp-p（v）
0.0036
0.0122
0.022
0.0305
0.0385
0.045
0.011
0.02
0.027
0.038
5据所得结果，画出X—Vp-p曲线，指出曲线线性工作范围，求出灵敏度。
k=△V/△X
差动变压器性能测试电路
差动变压器性能测试X—Vp-p曲线
实验4.差动变压器的标定及应用
实验目的：
了解差动变压器测量系统的组成和标定方法以及差动变压器的实际应用。
实验所用单元：
音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、电桥、低频振荡器、激荡器、示波器。
实验步骤：
（1）打开电源，用F/V表20K档将音频振荡输出调至4KHZ，差动放大器增益适中再将
F/V表打到2V档。
（2）按图接好线路，打开主电源和副电源。
（3）上下调整测微头，使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置。
（4）利用示波器，调整音频振荡器幅度，使激励电压幅值Vp-p为2V。
（5）调整电桥的平衡网络W1、W2，调整测微头，使电压输出为零。
（6）用手指按下梁的头部，给梁一个较大的位移，调整移相器，使电压输出指示最大，同时用示波器观察相敏检波器的输出波形。
（7）输出电压为零开始，旋转测微头，每隔1mm读出电压输出值填入下表内：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
0.5
1.0
1.5
2.0
V（mv）
0
-1.15
-2.32
-3.47
-4.55
-5.51
1.40
2.59
3.72
4.75
（8）根据测量结果，作出V—X曲线，并求出灵敏度：
差动变压器测量系统接线图
差动变压器标定曲线（V-X）
电涡流式传感器
实验5.电涡流式传感器静态标定
实验目的：
了解电涡流式传感器的原理及工作性能
实验所需单元：
涡流变换器、电压表、铁和铝测片、涡流传感器、示波器。
实验步骤：
（1）安装好传感器，观察传感器结构，它是一个平绕线圈。
（2）用导线将涡流传感器接入涡流变换器的输入端，将输出端接至电压表。
电压表置于20v档，测量电路如图12所示，打开主电源和副电源。
（3）用示波器观察涡流变换器的输入端波形，如果没有振荡波形，应移动被测体。
根据示波器扫描时基计算出振荡波形的频率为__________。
（4）调整测微头，使传感器与被测铁片接触，从接触开始读数，用示波器观察振荡波形的峰--峰值Vp-p，电压表检测输出电压值V。
每隔0.25mm读一次数。
到线性破坏为止。
将结果填入下表：
△X（mm）
0
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50Vp-p（v）
0
0.48
0.60
0.68
0.76
0.82
0.88
0.94
1.00
1.06
V（v）
-0.01
-1.27
-1.80
-2.23
-2.60
-2.95
-3.27
-3.58
-3.86
-4.14
（5）根据实验结果，画出V-X曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度k。
（6）用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度。
涡流传感器测量电路原理图
静态标定曲线（V-X）
思考题
（1）涡流传感器最大的特点是什么？
（2）传感器与被测体间有一个最佳初始工作状态，为什么？
（3）涡流传感器适宜做什麽样的位移检测？
实验6.被测体材料对电涡流传感器特性影响
实验目的：
了解被测体对涡流传感器的影响
实验步骤：
（1）以上实验结束后，将铁片换成铝片，调整好传感器位置，装好测微头，按图接线。
（2）用示波器观察涡流变换器输入端，电压表接变换器输出端。
（3）从传感器与铝片接触开始，旋转测微头改变传感器与被测体间的距离，每0.25mm记录一次电压表读数，到出现明显的非线性为止。
然后换上铁片重复上述过程，将所得结果填入下表：
X（mm）
9.00
8.75
8.50
8.25
8.00
7.75
7.50
7.25
7.00
6.75
铁（V）
-1.20
-1.22
-1.28
-1.34
-1.40
-1.44
-1.48
-1.50
-1.52
-1.56
铝（V）
-4.83
-4.94
-5.26
-5.55
-5.80
-6.04
-6.22
-6.38
-6.51
-6.62
（4）
根据所得结果，在同一坐标纸上画出两条V-X曲线，分别计算出他们的灵敏度与线性度，比较它们的线性范围。
被测材铁V-X曲线被测材铝V-X曲线
电涡流变换器
思考题：
（1）解释涡流传感器在初始时出现的死区。
（2）不同材料涡流传感器的灵敏度和线性度不同，所以在被测体不同时，必须再进行什么工作?
霍尔式传感器
实验7.霍尔传感器的直流激励特性
实验目的：
了解霍尔传感器的基本原理与特性
实验所用单元：
霍尔传感器、电桥、差动放大器、直流电源、F/V电压表。
实验步骤：
（1）差动放大器增益旋至最小，F/V电压表量程置2V档，直流稳压电源放在2V档。
（2）开启电源，差动放大器调零。
（3）按图接好电路，调整平衡网络w1，使电压指示为零。
（4）旋动测微头，每0.2mm读一个数，记下电压表的输出电压值，并将结果填入下表：
X（mm）
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
V（v）
0
0.038
0.089
0.123
0.180
0.229
0.268
0.333
0.367
0.425
X（mm）
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V（v）
-0.035
-0.071
-0.106
-0.135
-0.165
-0.187
-0.206
-0.225
-0.252
-0.262
（5）
根据测量结果作出V—X曲线，指出线性范围。
求出灵敏度K=△V/△X
图霍尔传感器直流激励V-X曲线
思考题
（1）实验测出的实际上是磁场的分布情况，它的线性好坏是否影响位移测量的线性度好坏。
霍尔传感器直流特性测试
光电式传感器
实验8.光纤位移传感器的静态测量
实验目的：
了解光纤位移传感器的工作原理、装置结构和性能。
实验所需单元：
差动放大器、F/V表、光纤传感器、振动台。
实验步骤：
1．观察光纤位移传感器结构，由两束光纤混合后，组成Y型光纤。
探头端面为半圆分布；光电三极管及转换电路已在内部安装。
1．右边实验振动态上贴有反射纸，作为光的反射面。
2．按图接线，直接将光/电转换信号送差动放大器放大；F/V显示器接放大器输出端。
3．旋转测微头，使光纤探头与反光纸接触，调节差动放大器增益最大，调整放大器调零电位器使电压读数为最小。
4．旋转测微头，使光纤探头慢慢离开反光纸，观察电压读数由小---大---小的变化。
5．旋转测微头，每个0.05mm读取一个数据，将其填入下表：
△X（mm）
0
0.50
0.85
1.25
1.75
2.25
V（mv）
0.002
0.849
1.193
0.831
0.295
0.124
光纤位移传感器静态测量
光纤静态测量V-x曲线
实验9.光纤位移传感器的动态测量
实验目的：
了解光纤位移传感器的测速应用。
实验所需单元及部件：
电机控制，差动放大器，小电机，F/V表，光纤位移传感器，直流稳压电源，示波器。
实验步骤：
1．了解电机控制，小电机端面上贴有两张反射纸；
2．按图接线，将差动放大器的增益置最大，F/V表的切换开关置2V，开启主，副电源；
3．将光纤探头移至电机上方对准电机上的反光纸，调节光纤位移传感器，使F/V表显示最大。
再用手稍微旋转电机，让反光面避开光纤探头。
调节差动放大器的调零，使F/V表显示接近零；
4．将直流稳压电源置±10V档，在电机控制单元V+处接入+10V电压，调节旋钮使电机运转；
5．F/V表置2K档显示频率，用示波器观察F输出端的转速脉冲信号，（Vp-p=4V）；
6．根据脉冲信号的频率及电机上反光片的数目换算出此时的电机转速；
6．实验完毕关闭主，副电源，拆除接线，把所有旋钮复原。
注：
如果示波器上观察不到脉冲波形，请调整探头与电机间的距离，同时检查一下示波器的输入衰减开关位置是否合适（建议使用不带上衰减的探头）。
图光纤传感器测速
思考题：
1．光纤传感器在位移测量中有哪些特点，灵敏度如何？
2．以上实验光纤是作为传光的介质，是否具有测量的功能。
3．反射式光纤位移传感器中，反射光的强弱对位移测量有哪些影响?
实验10.光电开关应用实验（综合设计型实验）
1实验目的和任务
了解光电式传感器的基本结构，掌握开关式光电传感器及其转换电路的工作原理。
认识检测元器件；设计、搭接和调试电路；测量、记录实验数据。
根据具体给出的器件设计一发光报警电路。
当有物体插入光传感器的槽中割断光路时，电路中发光二极管点亮（报警），没有物体遮挡时二极管不亮（不报警）。
2实验步骤
（1）根据给出的器件设计电路。
（2）在面包板上插接设计电路。
检查接线确实无误，接至直流电源5V。
（3）用物体遮挡光隔离器的光路，观察电路状态，如果有相应变化说明电路正确。
（4）测量光电管有遮挡和无遮挡时输出电压值。
（5）编写实验报告，内容包括：
目的、任务、电路设计及实验内容；调试过程及调试中碰到的问题和解决的方法；测量数据记录（发光管正向压降、受光器件有无遮挡时输出电压）。
3实验器件：
光电断路器传感器GK122一个；PNP型三极管9015一个；发光二极管一只；
电阻100K、4.7K、8.2K各一只。
4实验板装配电路如图所示
实验板装配电路图
思考题
（1）根据实验结果设计一种采用光电开关检测的电机转速控制电路。
（2）光电开关的输出信号是开关量还是模拟量；要获得入射光信号与输出信号同相位变化时，电路输出端应如何连接；相反相位又如何连接。
实验11气敏传感器应用实验（综合设计型实验）
1实验目的
了解气敏传感器及其转换电路的工作原理，利用气敏传感器制作气体浓度测试装置，认识气敏元件。
设计、搭接和调试电路，了解气体测量的正确方法。
2实验任务
根据给出的器件设计一简易酒精浓度测试装置。
当有一定浓度的酒精或有害气体靠近时，条形LED显示器显示，并且LED条形显示器所亮的个数与酒精浓度成正比，即酒精浓度增大LED亮的个数增多，反之减少。
3实验要求
（1）根据给出的器件设计电路，可参考气体测量原理图设计。
（2）插好器件后用导线在面包板上插接联接线路。
（3）检查无误后接通5V直流电源，观察LED条形显示器的状态。
如果无显示或多显示调整20K电位器，使LED条形码在正常空气状态时一位发光显示。
（4）用带有酒精的棉球靠近气敏传感器（或用液化气）观察LED条形码的变化，酒精越多（气体越浓）LED条形码点亮的个数越多；当酒精棉离开时LED条形码显示的个数不会马上减少，随时间LED条形码逐渐减少。
4实验报告
内容包括：
目的、任务；实验框图及电路设计；调试方法及调试中碰到的问题和分析解决问题的方法；测量数据记录有不同浓度下气敏传感器的输出电压和对应LED条形码点亮的个数。
5实验器件：
气敏传感器MQ411一个；LED条形驱动器集成块LM3914一只；
条形发光二极管B10A一个；电位器20K一个；电阻1.8K、2.7K、3.9K各一只。
6气体测量电路原理图
气体测量电路原理图
思考题
1.电阻型气敏传感器可将其看成哪种电参数？
气体浓度变化时，控制电路中的哪个参量？
2.若要改变电路检测气体浓度的范围，应该改变电路中的哪个元件参数？
3.如果气体浓度变化时，LED显示器没有反映，应该如何从哪几个部分检查电路或器件？
4.气敏传感器加热丝有什么作用？
如何检查加热丝是否工作，如果没有电压会有什么现象？
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