10A型传感器系统实验仪实验指导学生.docx
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10A型传感器系统实验仪实验指导学生
使用说明
（仪器使用前请详阅此章）
CSY系列（CSY.CSY10.CSY10A.CSY10B）传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。
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。
通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。
通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。
实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。
各款实验仪的传感器配置及布局是：
（具体布局详见各款仪器工作台布局图）
一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁，梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。
平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。
其中六片为金属箔式片（BHF-350）。
横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。
片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。
（CSY10B型应变梁上只贴有半导体应变计。
）
热电式（热电偶）：
串接工作的两个铜一康铜热电偶（T分度）分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。
分度表见实验指导书。
（CSY10B型上梁表面安装一支K分度标准热电偶。
）
热敏式：
上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25℃时阻值为8~10K。
P-N结温度式：
根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的集成温度传感器。
压电加速度式：
位于悬臂梁自由端部，由PZT-5双压电晶片、铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。
实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。
圆盘周围一圈安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式、压阻式等传感器。
电感式（差动变压器）：
由初级线圈Li和两个次级线圈L。
绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>10mm。
电容式：
由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。
磁电式：
由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。
霍尔式：
半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。
电涡流式：
多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>1mm。
MPX压阻式：
摩托罗拉扩散硅压力传感器，差压工作，测压范围0~50KP。
精度1%。
（CSY10B）
湿敏传感器：
高分子湿敏电阻，测量范围：
0~99%RH。
气敏传感器：
MQ3型，对酒精气敏感，测量范围10-2000PPm，灵敏度RO/R＞5。
光敏传感器：
半导体光导管，光电阻与暗电阻从nMΩ至nKΩ
双孔悬臂梁称重传感器：
称重范围0~500g，精度1%。
光电式传感器装于电机侧旁。
CSY10B上热释电红外传感器装于旋转页轮前面。
两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。
为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，打开加热开关即能加热,工作时能获得高于温度30℃左右的升温。
以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。
实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。
（CSY10B装有激振转换开关）
两支测微头分别装在左、右两边的支架上。
（CSY10B只有右边一支）
二、信号及仪表显示部分：
位于仪器上部面板
低频振荡器：
1~30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流1.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。
音频振荡器：
0.4KHz~10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180°、0°为反相输出，Lv端最大功率输出1.5A。
直流稳压电源：
±12V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A。
±2V~±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。
1
2
数字式电压/频率表：
3位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度≥50mV，频率显示5Hz~20KHz。
指针式直流毫伏表：
测量范围500Mv、50mV、5mV三档，精度2.5%。
数字式温度计：
K分度热电偶测温，精度±1℃。
（CSY10B型）
三、处理电路：
位于仪器下部面板
电桥：
用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。
R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。
差动放大器：
增益可调直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。
光电变换器：
提供光纤传感器红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。
四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。
电容变换器：
由高频振荡、放大和双T电桥组成。
移相器：
允许输入电压20Vp-p，移相范围±40°（随频率不同有所变化）。
相敏检波器：
集成运放极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压≦20Vp-p。
电荷放大器：
电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。
电压放大器：
增益5倍的高阻放大器。
涡流变换器：
变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。
温度变换器（信号变换器）：
根据输入端热敏电阻值、光敏电阻及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。
低通滤波器：
由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。
使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。
仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的工作电源，进行实验时请勿关掉。
指针式毫伏表工作前需输入端对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。
请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。
各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：
（传感器接口与变换器电路输入端接口须一一对应相连接）
1．应变片及差动放大器，参考附图1进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量其阻值。
各接线图两个节点间即为一实验接插线，接插线可多根迭插，并保证接触良好。
2．半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。
3．热电偶，将差动放大器增益放至最大，用实验线将热电偶接入放大器，加热器打开，观察随温度升高热电势的变化。
4．热敏式，直接将传感器接入温度变换器输入端，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温度升高“V0”端输出电压变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。
5．P-N结温度式，进行P-N结集成温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T（K氏温度）。
6．进行“移相器实验”，用双踪示波器观察两通道波形。
7．进行“相敏检波器实验”，相敏检波端口序数请参照附图6，其中4端为参考电压输入端。
8．进行“电容式传感器特性”实验，接线参照附图7。
当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器V0端电压应正负过零变化。
9．进行“光纤传感器——位移测量”，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微头带动反射片位置变化，从“V0”端读出电压变化值。
光电变换器“F0”端输出频率变化方波信号。
测频率变化时可参照“光纤传感器——转速测试”步骤进行。
10．进行光电式传感器测速实验，VF端输出的是频率信号。
11.进行光敏电阻测光实验，信号变换器输出电压变化范围＞1V。
12.进行气敏传感器特性实验，特别注意加热电压一定不能＞±2V。
13.进行湿敏传感器特性演示实验，注意控制激励信号的频率及幅值。
14.进行扩散硅压力传感器实验，试验传感器差压信号输出情况。
15．将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端、输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。
16．进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。
17．进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，接线参照附图17，直流激励信号绝对不能大于2V!
否则一定会造成霍尔元件烧坏。
18．进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，差动放大器增益适当控制,用示波器观察输出波形。
19．进行“压电加速度传感器”实验，接线参见附图20,传感器引线屏蔽层必须接地。
此实验与上述第12项内容均无定量要求。
20．进行“电涡流传感器的静态标定”实验，传感器接入涡流变换器输入端，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为振荡信号经整流后的直流电压。
21．如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及处理说明。
数据采集卡已装入仪器中，其中A/D转换是12位转换器，无漏码最大分辨率1/2048（即0.05%），在此范围内的电压值可视为容许误差。
所以建议在做小信号实验（如应变电桥单臂实验）时选用合适的量程（如200mv），以正确选取信号,减小误差。
仪器后部的RS232接口请接计算机串行口工作。
所接串口须与实验软件设置一致，否则计算机将收不到信号。
仪器工作时需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。
仪器的型号不同，传感器种类不同，则检查项目也会有所不同，请自行根据仪器型号选择实验内容。
上述检查及实验能够完成则整台仪器各部分均为正常。
实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，尽量避免电源短路情况的发生，加热时直流电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。
实验工作台上各传感器部分如相对位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，原则上以按下振动梁松手，周边各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。
附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方，铜质砝码做称重实验之用。
实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。
本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度-10℃~40℃。
目录
使用说明
实验内容（各型传感器实验仪按需选用）
实验一箔式应变片性能――单臂电桥
实验二箔式应变片三种桥路性能比较
实验三箔式应变片的温度效应
实验四应变电路的温度补偿
实验五半导体应变片性能
实验六半导体应变片直流半桥测试系统
实验七箔式应变片与半导体应变片性能比较
实验八移相器实验
实验九相敏检波器实验
实验十箔式应变片组成的交流全桥
实验十一激励频率对交流全桥的影响
实验十二交流全桥的应用――振幅测量
实验十三交流全桥组成的电子秤
实验十四差动变压器性能
实验十五差动变压器零残电压的补偿
实验十六差动变压器的标定
实验十七差动变压器的振动测量
实验十八差动螺管式电感传感器位移测量
实验十九差动螺管式电感传感器振幅测量
实验二十激励频率对电感传感器的影响
实验二十一热电式传感器――热电偶
实验二十二热敏式温度传感器测温实验
实验二十三P－N结集成温度传感器
实验二十四光纤位移传感器――位移测量
实验二十五光纤传感器－转速测量
实验二十六光电传感器的应用――光电转速测试
实验二十七霍尔式传感器的直流激励特性
实验二十八霍尔式传感器的交流激励特性
实验二十九霍尔传感器的应用――振幅测量
实验三十霍尔传感器的应用――电子秤
实验三十一电涡流式传感器的静态标定
实验三十二被测材料对电涡流传感器特性的影响
实验三十三电涡流式传感器的振幅测量
实验三十四电涡流传感器的称重实验
实验三十五电涡流传感器电机测速实验
实验三十六磁电式传感器
实验三十七压电加速度传感器
实验三十八电容式传感器特性
实验三十九扩散硅压力传感器（MPX）实验
实验四十气敏传感器特性
实验四十一湿敏传感器特性演示
实验四十二综合传感器—力平衡式传感器
实验四十三双平行梁的动态特性—正弦稳态响应
实验四十四微机检测与转换—数据采集与处理
实验四十五光敏电阻实验
实验四十六热释电红外传感器探测实验
实验一箔式应变片性能――单臂电桥
一、实验目地：
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、实验原理：
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时，
；当二个应变片组成差动状态工作，则有
；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，
。
由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验所需部件：
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。
四、实验步骤：
1．调零。
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。
拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
调零后关闭仪器电源。
2．按图
（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V。
图
（1）
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电压为零为起点，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。
（或在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，进行上述实验）。
位移mm
电压
V
根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝△V／△X，并在坐标图上做出V－X关系曲线。
五、注意事项：
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。
接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
2.做单臂电桥实验时，由于应变片的零飘和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零飘值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路是必然会出现输出电压漂移现象，这不是仪器不稳定，而是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的飘移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。
3．稳压电源不要长时间对地短路。
实验二箔式应变片三种桥路性能比较
一、实验原理：
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/R、2△R／R、4△R／R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·∑R，电桥灵敏度Ku＝V／△R／R，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E、1/2E和E.。
由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
二、实验所需部件
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。
三、实验步骤：
1．在完成实验一的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图
（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。
2．重复实验一中3－4步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。
3．在同一坐标上描出V－X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
四、注意事项：
1．应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。
2．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。
3．由于进行位移测量时测微头要从零－→正的最大值，又回复到零，再－→负的最大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正△X的灵敏度与负的△X的灵敏度分开计算。
再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。
实验三箔式应变片的温度效应
一、实验目的：
说明温度变化对应变测试系统的影响。
二、实验原理：
温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。
由此引起测试系统输出电压发生变化。
三、实验所需部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微头、加热器、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
四、实验步骤：
1．按图
（1）接线，开启电源，调整系统输出为零。
2．记录加热前测试系统感受的温度，可用热电偶或集成温度传感器测得。
3．开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度升高而发生的变化。
待电压读数基本稳定后记下电压值及温度升高值。
4．求出温度漂移值△V／△T。
五、注意事项：
要观察应变片的温度特性，实验系统必须接成单臂电桥，如果是半桥或全桥形式则系统已经具备补偿作用，温飘现象就不明显。
实验四应变电路的温度补偿
一、实验目的：
由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。
二、实验原理：
用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图
（2）所示。
在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1＝R2。
当温度变化时两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1R4＝R2R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。
V
图
（2）图（3）
三、实验所需部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微头、加热器、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
四、实验步骤：
1．按图（3）接好线路，图中R′和R″分别为箔式工作片和补偿片。
2．重复实验三1－4步骤，求出接入补偿片后系统的温度漂移，并与实验三的结果进行比较。
五、注意事项：
应正确选择补偿片。
在面板的应变片接线端中，从左至右1－8对接线端分别是：
1－上梁半导体应变片，2－下梁半导体应变片。
3.5－上梁箔式应变工作片，4.6－下梁。
应变工作片，7.8－上、下梁温度补偿片。
电路中工作片与补偿片应在同一应变梁上。
实验五半导体应变计性能
一、实验目的：
说明半导体应变计的灵敏度和温度效应。
二、实验原理：
由于材料的阻值
，则
当应变
，灵敏度
;对于箔式应变片，K箔≈1＋2μ，主要是由形变引起。
对于半导体应变计，K半≈（△ρ/ρ）/∑,主要由电阻率变化引起。
由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K半要大于K箔，但是受温度影响大。
图（4）
三、实验所需部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、半导体应变计、测微头、电压表、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
四、实验步骤：
1．按图（4）接线，R′是半导体应变计，另一臂电阻是电桥上固定电阻。
开启电源后预热数分钟。
2．按单臂电桥实验步骤调整悬臂梁位置，调整系统输出，用测微头进行位移，记录V，X数据，作出V－X曲线，求出灵敏度。
3．重新调整测试系统输出为零。
记录加温前的工作温度T。
4．打开“加热”开关，观察随温度升高系统输出电压温漂情况。
待电压稳定后测得温升，求出系统的温漂△V／△T。
五、注意事项：
此实验中直流激励电压只能用±2V，以免引起半导体自热。
实验六半导体应变计直流半桥测试系统
一、实验目的：
通过实际运用的半导体半桥电路，与实验五的半导体单臂电路进行性能比较,特别是要比较两种测试系统的漂移现象.
二、实验所需部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、半导体应变计、测微头、电压表、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）、加热器。
三、实验步骤：
1．按图（5）接线，电桥中R′和R″为半导体应变计。
2．按实验五步骤测出V，X值，画出V－X曲线，求出灵敏度，测出温度变化时的温漂。
图（5）
四、注意事项：
此实验的测试条件应与实验五一致。
实验七箔式应变片与半导体应变片性能比较
一、实验目的：
通过实验比较两种应变电路的灵敏度与温度特性
二、实验所需部件：
直流稳压电源、差动放大器、箔式应变片、半导体应变片、测微头、电压表、加热器、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
三、实验步骤：
1．分别做箔式单臂电桥和半导体式单臂电桥实验，接线如图
（1）所示，直流激励源为±2V，差动放大器增益为100倍。
调整系统，在相同的实验条件下分别测得两组数据填入表格，求出灵敏度。
位移Xmm
灵敏度
V半导体单臂
V箔式单臂
V半导体半桥
V箔式半桥
2．将电桥中一固定电阻换成应变片，做箔式半桥和半导体半桥实验，将测得的两组数据分别填入表格，求出灵敏度。
3．在同一坐标上画出四条V－X曲线以作比较。
4．分别对箔式变片和半导体应变片加热，测出两种测试电路的温漂，并进行比较。
实验结果以证实实验五中对半导体应变片性能的分析。
四、注意事项：
进行上述实验时激励电压，差动放大器增益、测微头起始点位置等实验条件必须一致，否则就无可比性。
实验八移相器实验
一、实验目的：
说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。
移相器电路
图（6）
二、实验原理：
图（6）为移相电路示意图。
该电路的团环增益
把拉普拉氏算符换成频率域的参数，则得到：
又改写为
在实验电路中，常设定幅频特性︱G（jω）︱＝1,为此选择参数R1=RF=10KΩ由上,R=20KΩ,则输出幅度与频率无关，闭路增益可简化为：
当R=2R1=2RRF时，︱G（jω）︱＝1。
由上式可以得到相频特性表达式：
由tgΨ表达式和正切三角函数半角公式可
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