传感器与检测技术实验指导书0325.docx
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传感器与检测技术实验指导书0325
《传感器与检测技术》
实
验
指
导
书
长沙学院电子与通信工程系
２００9年9月
目录
第一章产品说明书…………………………………………………3
第二章实验指导……………………………………………………5
实验1金属箔式应变片性能—单臂电桥5
实验2热电偶原理及现象7
实验3移相器实验9
实验4相敏检波器实验11
实验5差动变压器性能13
实验6差动变压器的标定（静态位移性能）15
实验7差动变压器的应用—振动测量16
实验8差动螺管式电感传感器的静态位移性能17
实验9差动螺管式电感传感器的动态性能18
实验10电涡流式传感器的静态标定19
实验11 电涡流式传感器的应用－振幅测量21
实验12霍尔式传感器的特性—直流激励22
实验13霍尔式传感的特性—交流激励23
实验14霍尔式传感器的应用—振幅测量24
实验15磁电式传感器的性能25
实验16压电传感器的动态响应实验26
实验17 差动变面积式电容传感的静态及动态特性27
实验18综合传感器——力平衡式传感器实验28
实验19双平行梁的动态特性——正弦稳态影响29
第一章产品说明书
一、CSY传感器实验仪简介
实验仪主要由四部分组成：
传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。
传感器安装台部分：
装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器，具体安装部位参看附录三。
显示及激励源部分：
电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V－±10V档位调节）、F／V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。
实验主面板上传感器符号单元：
所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。
处理电路单元：
电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。
教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。
二、主要技术参数、性能及说明
（一）传感器安装台部分
双平行振动梁：
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VO可做静态或动态测量。
应变梁：
应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。
传感器：
1、变压器
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。
量程:
≥5mm，直流电阻：
5Ω－10Ω。
2、电涡流位移传感器
多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
量程:
≥1mm，直流电阻：
1Ω－2Ω。
3、霍尔式传感器
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:
±≥2mm，直流电阻：
激励源端口800Ω－1.5KΩ，输出端口300Ω－500Ω。
直流激励电压≤2V，交流激励信号≤VP-P5V。
4、热电式（热电偶）
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。
直流电阻：
10Ω左右。
5、电容式传感器
由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。
量程：
±≥2mm。
6、热敏电阻
半导体热敏电阻MF-51。
温度系数为负，25℃时为8-10KΩ。
7、压电加速度计
PZT-5双压电晶片和铜质量块和压簧构成。
谐振频率：
≥10KHZ，电荷灵敏度：
q≥20pc/g。
8、应变式传感器
箔式应变片。
阻值：
350Ω，应变系数：
2。
共八片（六片金属箔式片BHF-350,两片为温度补偿片）
9、PN结温度传感器：
利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，敏感面为顶端。
10、磁电式传感器
由线圈和动铁（永久磁钢）组成。
0.21×1000，直流电阻：
30Ω－40Ω，灵敏度：
0.4v/m/s
（二）信号及变换
1、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。
2、差动放大器通频带0～10kHz，可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。
3、电容变换器由高频振荡、放大和双T电桥组成的处理电路。
4、电压放大器增益约为5倍，同相输入，通频带0~10KHz。
5、移相器允许最大输入电压20Vp-p，移相范围≥±40º（随频率有所变化）。
6、相敏检波器可检波电压频率0－10kHz，允许最大输入电压20Vp-p，极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。
7、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。
8、低通滤波器由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。
9、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。
（三）二套显示仪表
1、数字式电压/频率表：
3位半显示，电压范围0—2V、0—20V，频率范围3Hz—2KHz、10Hz—20KHz，灵敏度≥50mV。
2、指针式毫伏表：
85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。
（四）二种振荡器
1、音频振荡器：
0.4KHz—10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，180°、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。
2、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）电加热器一组
电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。
（七）二组稳压电稳
直流±15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。
±2V—10V分五档输出，最大输出电流1.5A。
提供直流激励源。
（八）计算机联接与处理
数据采集卡：
十二位A/D转换，采样频率20—25000次/秒，采样速度可控制，分单次采样与连续采样。
标准RS-232接口，与计算机串行工作。
良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。
第二章实验指导
实验1金属箔式应变片性能—单臂电桥
实验目的：
了解金属箔式应变片、单臂单桥的工作原理和工作情况。
所需单元及部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、一片应变片、F/V表、主副电源。
旋钮初始位置：
直流稳压电源打倒±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。
实验原理：
本实验说明箔式应变片及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，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，
。
实验步骤：
1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片。
应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片，上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
2．将差动放大器调零：
用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi相连；开启主副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零；关闭主副电源。
3．根据图１接线，R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，F／V表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁，开启主副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。
图１
3．将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
4．往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移，记下F／V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：
位移X（mm）
……
电压V（mv）
……
5．据所得结果，计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F／V表显示的电压相应变化）。
6．实验完毕，关闭主副电源，所有旋钮转到初始位置。
注意事项：
1.电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，使组桥容易。
2.做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
问题：
1.本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？
2.根据所给的差动放大器电路原理图，（见附录图1），分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。
实验2热电偶测温实验
实验目的：
了解热电偶的原理及现象
所需单元及附件：
－15V不可调直流稳压电源、差动放大器、F／V表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源
旋钮初始位置：
F／V表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。
实验步骤：
1.了解热电偶原理：
二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。
具体热电偶原理参考教课书。
2.解热电偶在实验仪上的位置及符号，（参见附录）实验仪所配的热电偶是由铜＿康铜组成的简易热电偶，分度号为T。
实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起,产生热电势为二者的总和。
3.按图2接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F／V表显示零，记录下自备温度计的室温。
图2
4.将－15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F／V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F／V表显示的读数E。
5.用自备的温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来。
（注意：
温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。
6.根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：
Eab（t,to）=Eab（t,tn）+Eab（tn,to）
其中：
t------热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。
tn------热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。
to------0℃
（1）热端温度为t,冷端温度为室温时热电势Eab（t,tn）=（f/v表显示读数E）/100*2（100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联）。
（2）热端温度为室温，冷端温度为0℃时铜－康铜热电偶的热电势Eab（tn,to）:
查以下所附的热电偶自由端为0℃时的热电势和温度的关系（铜－康铜热电偶分度表），得到室温（温度计测得）时热电势。
（3）计算热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势，Eab（t,to）。
根据计算结果，查分度表得到温度t。
7.热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。
（注意：
本实验仪所配的热电偶为简易热电偶，并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。
8.实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器－15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去－15V电源连接线），其它旋钮置原始位置。
思考：
1.为什么差动放器接入热电偶后需再调差放零点？
2.即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有很大误差，为什么？
铜-康铜热电偶分度表（自由端温度0℃）
工作端温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.383
-0.421
-0.459
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.720
0
-0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.147
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.822
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.483
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
4.386
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
实验3移相器实验
实验目的：
了解运算放大器构成的移相电路的原理及工作情况
所需单元及部件：
移相器、音频振荡器、双线（双踪）示波器、主副电源。
实验原理：
图3-1为移相器电路示意图。
（图3-1）
由图可求得该电路的闭环增益G（S）：
则
当R1=R2=R3=R4=R5=10K时有
由正切三角函数半角公式可得
ω＞
时，输出相位滞后于输入，当ω＜
时，输出相位超前输入。
实验步骤：
1.了解移相器在实验仪所在位置及电路原理（见图3-2）。
图3-2
2.将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0°、180°插口输出均可），开启主、副电源。
3.将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。
4.旋动移相器上的电位器，观察两个波形间相位的变化。
5.改变音频振荡器的频率,观察不同频率的最大移相范围。
问题：
1.根据附录图10，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。
提示：
A1、R1、R2、Rw1、C1构成超前移相电路，在R2＝R1时，KF1（jω）=Vm/Vin=-（1-jωRwC2）/（1+jωR2C1）,KF1（ω）=1,ΦF1（ω）=-π-2tg-1ωR2C1。
A2、R4、R5、RW2、C2构成滞后移相电路，在R5＝R4时，KF2（jω）=Vout/Vm=（1-jωRwC2）/（1+jωC2）,KF2（ω）=1,ΦF2（ω）=-2tg-1ωRwC1，ω＝2πf。
分析：
f一定,Rw=0－10KΩ时的相移Δφ；Rw一定，f变化时的相移Δφ。
2.如果将双线示波器改为单踪示波器，两路信号分别从Ｙ轴和Ｘ轴送入，根据李沙育图形是否可完成此实验？
实验4相敏检波器实验
实验目的：
了解相敏检波器的原理和工作情况。
所需单元和部件：
相敏检波器、移相器、音频振荡器、双踪示波器（自备）、直流稳压电源、低通滤波器、F／V表、主副电源。
有关旋钮的初始位置:
F／V表置20V档，音频振荡器频率为４KHz，幅度置最小（逆时针到底），直流稳压电源输出置于±2V档，主副电源关闭。
实验原理：
相敏检波电路如图4-1所示：
图中①为输入信号端，②为交流参考电压输入端，③为检波信号输出端，④为直流参考电压输入端。
当②、④端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把①端输入的正弦信号转换成全波整流信号。
（图4-1）
实验步骤：
1.了解相敏检波器和低通滤波器在实验仪面板上的符号。
2.根据图4-2的电路接线，将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波器的输入端
（1），把直流稳压电源＋2V输出接至相敏检波器的参考输入端（5），把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端
（1）和输出端（3）组成一个测量线路。
图4-2
3.调整好示波器，开启主、副电源，调整音频振荡器的幅度旋钮，示波器输出电压为峰峰值4V。
观察输入和输出波的相位和幅值关系。
4.改变参考电压的极性（除去直流稳压电源＋2V输出端与相敏检波器参考输入端（5）的连线，把直流稳压电源的－2V输出接至相敏检波器的参考输入端（5）），观察输入和输出波形的相位和幅值关系。
由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出相，当参考电压为负时，输入和输出相，此电路的放大倍数为倍。
5.关闭主、副电源，根据图4-3电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出端输出至相敏检波器的输入端
（1），将从0°输出端输出接至相敏检波器的参考输入端
（2），把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入
（1）和输出端（3），将相敏检波器输出端（3）同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一个测量线路。
（此时，F／V表置于20V档）。
图4-3
6.开启主、副电源，调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下表。
Vip-p（V）
0.5
1
2
4
8
16
Vo（V）
7.关闭主、副电源，根据图4-4的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出端输出至相敏检波器的输入端
（1），将人180°输出端输出接至移相器的输入端，将从移相器输出端接至相敏检波器的参考输入端
（2），把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端
（1）和输出端（3），将相敏检波器输出端（3）同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一测量线路。
图4-4
8.开启主、副电源，转动移相器上的移相电位器，观察示波的显示波形及电压表的读数，使得输出最大。
9.调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下表。
Vip-p（V）
0.5
1
2
4
6
8
16
Vo（V）
思考：
1.根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么?
移相器在实验线路中的作用是什么？
（即参考端输入波形相位的作用）
2.在完成第五步骤后，将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端
（1）和附加观察端（6）和
（2），观察波形来回答相敏检波器中的整形电路是将什么波转换成什么波，相位如何？
起什么作用？
3.当相敏检波器的输入与开关信号同相时，输出是什么极性的什么波，电压表的读数是什么极性的最大值。
实验5差动变压器性能
实验目的：
了解差动变压器原理及工作情况。
所需单元及部件：
音频振荡器、测微头、示波器、主副电源、差动变压器、振动平台。
有关旋钮初始位置：
音频振荡器4KHz－8KHz之间，双线示波器第一通道灵敏度500mv/div,第二通道灵敏度10mv/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭。
实验原理：
电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器，差动变压器由衔铁、初级线圈和次级线圈组成，初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器原边。
次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输
出特性见图（5-1）。
（图5-1）
（图13）
实验步骤：
1.根据图5-2接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。
开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。
图5-2
2.转动测微头使测微头与振动平台吸合。
再向上转动测微头５mm，使振动平台往上位移。
3.往下旋动测微头，使振动平台产生位移。
每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度S。
S＝ΔV／ΔX（式中ΔV为电压变化，ΔX为相应振动平台的位移变化），作出V－X关系曲线。
X（mm）
5
4.8
4.6
…
0.2
0
-0.2
…
-4.8
-5
Vop-p（mv）
思考：
1.根据实验结果，指出线性范围。
2.当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？
3.用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？
由于什么原因造成？
实验6差动变压器的标定（静态位移性能）
实验目的：
了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。
所需单元及部件：
音频振荡器、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、F/V表、示波器、主副电源。
有关旋钮初始位置：
音频振荡4KHz－8KHz，差动放大器的增益打到最大，F／V表置2V档，主、副电源关闭。
实验步骤：
1.按图6接好线路。
图6
2.装上测微头，上下调整使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置。
3.开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮，使激励电压幅峰峰值为2V。
4.利用示波器和电压表，调整各调零及平衡电位器，使电压表指示为零。
5.给梁一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形。
6.旋转测微头，每隔0
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