传感器原理及应用实验指导书.docx
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传感器原理及应用实验指导书
《传感器原理与应用》
实验指导书
朱蕴璞王芳编写
孔德仁审定
南京理工大学
二〇〇九年九月
实验须知
1．传感器实验仪是贵重实验设备，请在每个实验前认真阅读实验指导书，尤其是每个实验最后的实验注意事项。
2．实验仪器电源的开关原则:
连接测量线路,确认准确无误后，开启仪器电源；
实验完毕，关闭仪器电源，拆除测量线路。
3．稳压电源不可对地短路。
4．实验过程中，心要细、动作要轻，不可有强制性机械动作出现。
5．实验严格按操作规程进行，否则，出现损坏责任自负。
6．实验完毕，请一切恢复到实验前的状态，然后离开实验室。
目录
实验一传感器静态标定实验…………………………………………3
实验二应变式传感器特性实验……………………………………10
实验三电感式、涡流式、电容式、霍尔式位移传感器特性实验……………………………………………………………14
实验四重量测量实验（选做）………………………………………25
实验五转速测量实验………………………………………………29
实验六温度实验……………………………………………………34
实验一传感器静态标定实验
（注：
“压力传感器的静态标定及特性指标的求取”与“光纤位移传感器静态标定及特性指标求取“两实验取其一。
）
压力传感器的静态标定及特性指标的求取
1、实验目的
掌握压力传感器静态标定的基本方法以及压力传感器的静态特性指标的求取。
2、实验内容
（1）组建压力测试系统；
（2）学习压力测试系统的标定过程；
（3）计算压力测试系统静态特性指标。
3、实验原理及方法
图1压力传感器标定系统原理框图
被标传感器和压力表接入活塞压力计压力油路，活塞压力计产生一系列标准压力，该标准压力值由压力表指示。
4、实验仪器设备
活塞压力计一台，数字万用表一只，动态电阻应变仪一台，压力表一只。
5、实验步骤
（1）反复排除活塞压力计油腔内的空气，最后将压力泵手轮摇出。
（2）把压力传感器装在活塞压力计的联接螺帽上，关闭油杯。
（3）传感器输出接入可调零的桥盒，电桥输出接入数字万用表。
当输出量很小，无法直接用万用表测得时，可先将传感器接入动态电阻应变仪桥盒（注意电桥的连接），桥盒的另一端连线接应变仪输入（选择一个通道）；将应变仪专用电源接好；电阻应变仪电压输出接数字万用表。
（说明：
后者标定是整个系统标定，所求得的指标也为系统指标）
（4）压力表指示为零时，开启仪器电源（注意：
开启仪器电源前应变仪各通道应处于关闭状态），将应变仪灵敏度旋钮放在适中位置，按照动态电阻应变仪调零规则（应变仪衰减档从大到小），各档分别调节电阻、电容平衡旋钮将系统输出调整为零，最后将应变仪衰减档放在适中位置上。
（5）按活塞压力计的操作规程，转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置，并转动托盘。
（6）按所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需要的压力（等间隔6~8个点至满量程），用数字万用表记录传感器在相应压力下的电压输出，数据记录于表1。
（此过程称为升程）
（7）在满量程处逐点减少砝码重量，使压力计产生所需要的压力（等间隔6~8个点至零点）。
用数字万用表记录传感器在相应压力下的电压输出，数据记录于表1。
（此过程称为回程）
（8）重复4次实验步骤6、7，数据记录于表1。
（9）计算压力传感器的灵敏度、迟滞、非线性度及重复性。
表1数据记录、计算平均值及子样标准偏差表
压力（MPa）
0
……
（满量程）
输出
（mV）
1次
升程
回程
2次
升程
回程
3次
升程
回程
平均值（mV）
升程
回程
子样标准偏差
升程
回程
表2以端点连线为工作特性曲线时特性指标的计算表
压力
（Mpa）
平均值
（mV）
迟滞值
（mV）
端点连线
理论值
（mV）
非线性
（mV）
升程
回程
升程
回程
0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
（满量程）
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
7、实验注意事项
（1）在整个标定过程中，系统只允许开始为零压力时的1次调零。
（2）压力表的量程必须稍大于被标传感器的量程，所加压力不要超过传感器满量程的10%。
光纤位移传感器静态标定及特性指标求取
1、实验目的
掌握光纤位移传感器静态标定的基本方法以及静态特性指标的求取方法。
2、实验内容
（1）组建光纤位移传感器测试系统；
（2）学习光纤位移传感器测试系统的标定过程；
（3）计算光纤位移传感器测试系统的静态特性指标。
3、实验原理
反射式光纤位移传感器的工作原理如图3、4所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分成两束，分别作为接受光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。
当光发射器发出的红外光经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接受光纤至光电转换元件将接受到的光信号转换为电信号。
其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。
输出电信号（电压）同输入（位移）之间关系必须通过标定来得到，本系统由测微头产生标准位移，数字电压表记录输出电压。
4、实验仪器设备
CSY传感器综合实验仪，光纤、光电变换器、支架、反射片、测微头、电压表
5、实验步骤
（1）观察光纤结构：
本仪器中光纤探头为圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接受光纤。
（2）将原装电涡流线圈上得电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准度铬反射片。
（3）振动台上装上测微头，开启电源，光电变换器VO端接电压表。
旋转测微头，带动振动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时VO输出为最小。
（4）旋动测微头，使反射面离开探头，每隔0.2mm取一VO电压值填入下表3，至5mm结束。
（此过程称为升程）
（5）探头返回，同样每隔0.2mm取一VO电压值填入下表4。
（此过程称为回程）
（6）重复2次实验步骤4、5。
（7）按平均值作出VO—x曲线，分析并找出传感器前波段和后波段的线性段。
（8）计算你所找出的前波段的线性段的灵敏度、非线性、重复性及迟滞。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
7、实验注意事项
（1）光电变换器工作时VO最大输出电压以2V左右为好，可通过调节增益电位器控制，调节好后，在整个标定过程中，增益电位器不可再动。
（2）实验时请保持反射镜片的洁净与光纤端面的垂直度。
（3）工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。
（4）注意背景光对实验的影响。
（5）光纤勿成锐角曲折。
表4数据记录表
位移（mm）
电压（mV）
0
0．2
……
4.8
5.0
1次
升程
回程
2次
升程
回程
3次
升程
回程
实验二应变式传感器特性实验
1、实验目的
了解掌握应变式传感器及不同测量处理电桥的特性。
2、实验内容
（1）观察掌握箔式应变片、半导体应变片的结构、工作原理、相关测量电路及粘贴方式。
（2）比较单臂桥、差动半桥及全桥间的输出关系。
（3）比较箔式应变片、半导体应变片的输出。
（4）观察掌握温度对单臂桥、差动桥输出的影响。
（5）观察掌握温度对箔式应变片和半导体应变片的影响。
3、实验原理及方法
应变片是常用的测力元件。
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时，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，电阻的相对变化分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当电阻的相对变化绝对值大小相等时，若单臂桥的输出为U单，则差动半桥的输出为2U单，差动全桥的输出为4U单。
温度变化引入了测量误差，实用测试电路中必须进行温度补偿。
在电桥中，R1、R2为相邻臂工作片（或其中一片只起补偿作用），当温度变化时两应变片的电阻变化△R1、△R2符号相同，大小值相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出。
4、实验仪器设备
CSY传感器实验仪（直流稳压电源（±2V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、半导体应变片、加热器）。
5、实验步骤
（1）调零。
差动放大器增益顺时针方向旋转到底，“+、–”输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表。
开启仪器电源，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，关闭仪器电源，然后拔掉实验线。
（调零后电位器不要变化）
（2）按图5将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电阻和直流平衡电位器，R1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±2V。
（3）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。
（4）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。
（5）旋动测微头（以水平状态下输出电压为零）。
测微头向上移动4mm，每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，按表1格式记录（注：
表5只是数据记录格式，请另外用记录纸记录）；在4mm处测微头向下移动8mm（即测微头至–4mm处），同样每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值；在–4mm处测微头向上移动4mm（即测微头至0mm处）。
同样每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值。
（6）重复上面实验1次。
表5数据记录表
位移x（mm）
-4
-3.5
…
-0.5
0
+0.5
…
+3.5
+4
电压（mV）
1次
向上
…
向下
…
…
向上
…
2次
向上
…
向下
…
…
向上
…
（7）开启“加热”电源，观察并记录测试系统输出电压随温度升高而发生的变化，然后关闭“加热”电源
（8）关闭仪器电源。
将上面实验中R4换成箔式应变片（注意R1、R4构成差动工作）；调节使应变梁处于基本水平状态；重复实验4、5、6、7。
（9）关闭仪器电源。
将上面实验中R1、R2、R3、R4换成箔式应变片（注意R1、R2、R3、R4构成差动工作）；调节使应变梁处于基本水平状态；重复实验4、5、6。
（10）关闭仪器电源。
将上面实验中R1换成半导体应变片，R2、R3、R4为固定电阻；调节使应变梁处于基本水平状态；重复实验4、5、6、7。
（11）关闭仪器电源。
（12）根据所测数据，用平均值在同一坐标图上作出箔式应变片单臂桥、箔式应变片半桥、箔式应变片全桥、半导体应变片单臂桥的输出—输入关系曲线，并计算灵敏度。
（13）根据实验观察，分析温度对单臂桥、半桥的影响。
（14）根据实验观察，分析温度对箔式单臂桥、半导体单臂桥的影响。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
7、实验注意事项
（1）实验前应检查实验接插线是否完好，连接时应尽量使用较短的接插线，以免引入干扰。
（2）接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
（3）稳压电源不要对地短路。
（4）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灵敏度与负△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。
（5）此实验中直流激励电压只能用±2V，以免引起半导体自热。
（6）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外部环境必须一致，否则无可比性。
实验三电感式、涡流式、电容式、霍尔式、
位移传感器特性实验
差动螺管式电感位移传感器特性实验（选做）
1、实验目的
了解掌握差动式电感位移传感器的特性。
2、实验内容
（1）观察掌握螺管式电感传感器的结构组成。
（2）了解电感传感器相关测量电路组成。
（3）掌握螺管式电感传感器的位移特性。
3、实验原理及方法
利用差动变压器的两个次级线圈和衔铁组成。
衔铁和线圈的相对位置变化引起螺管线圈电感值的变化。
次级两个线圈必须差动状态连接，当衔铁移动时将使一个线圈电感增加，而另一线圈的电感减小。
4、实验仪器设备
CSY传感器实验仪（差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、测微头），示波器。
5、实验步骤
（1）按实验一的方法，差动放大器调零，关闭仪器电源。
（2）差动变压器两个次级线圈组成差动状态，按图6接线，音频振荡器LV端作为恒流源供电（频率为5kHz左右），差动放大器增益适度。
差动变压器的两个线圈和电桥上的两个固定电阻R组成电桥的四臂，电桥的作用是将电感变化转化为电桥电压输出。
（3）振动台处于自然状态（微调衔铁，使衔铁在线圈的中间位置），开启电源。
（4）用示波器观察相敏检波器的输出端波形，调节电桥中的WD电位器，使相敏检波器输出波形尽量平直，然后再调节移相器“移相”旋钮和电桥中WA旋钮，使系统为零（电压表指示为零），这样系统灵敏度会最高。
（5）装上测微头，并调节测微头使衔铁处于线圈中间位置（电压表指示为零）。
（6）按实验一的方法分别向上、向下各位移5mm，记录实验数据于下表6，作出输出电压—输入位移曲线，求出灵敏度。
表6数据记录表
位移x（mm）
-5
-4
…
-1
0
+1
…
+4
+5
电压
（mV）
1次
上
…
下
…
…
上
…
2次
上
…
下
…
…
上
…
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
7、实验注意事项
（1）仪器中两副悬臂梁的固有频率因尺寸不同而不同。
（2）衔铁位置可松开支架上小螺丝稍作上、下调节。
电涡流位移传感器特性实验
1、实验目的
了解掌握电涡流位移传感器的特性。
2、实验内容
（1）了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
（2）通过实验说明不同的材料对电涡流传感器的特性的影响。
3、实验仪器设备
CSY传感器实验仪（电涡流线圈、电涡流变换器、电压表、铜涡流片、铝涡流片、金属涡流片），示波器。
4、实验原理及方法
电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，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涡流片的电阻率、导磁率、厚度以及与线圈的距离x有关。
当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与x距离有关。
将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离x的单值函数。
5、实验步骤
（1）安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者保持平行。
安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。
涡流变换器输出接电压表20V档。
（2）开启仪器电源，用测微头将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输出。
用示波器接涡流变化器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHz。
（3）用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，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。
（4）旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起（算位移为零）每位移0.2mm记录一个读数，并用示波器观察示波器观察变化器的高频振荡器的高频振荡波形。
将V、x数据填入下表7。
（5）关闭仪器电源，将金属涡流片换成铜涡流片，重复实验步骤2、3、4。
（6）关闭仪器电源，将铜涡流片换成铝涡流片，重复实验步骤2、3、4。
（7）关闭仪器电源。
（8）在同一坐标纸上作出V—x曲线，分别找出线性范围、求出灵敏度。
表7数据记录表
位移x（mm）
电压V（V）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
金属
1次
向上
向下
2次
向上
向下
铜
1次
向上
向下
2次
向上
向下
铝
1次
向上
向下
2次
向上
向下
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
电容位移传感器特性实验
1、实验目的
了解掌握电容位移传感器的特性。
2、实验内容
观察电容传感器结构、掌握电容传感器的工作原理和测量方法。
3、实验原理及方法
电容传感器有多种形式，本仪器中是差动变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为Cx1,下层的定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cx1和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量有关，即与振动台的位移有关。
4、实验仪器设备
CSY传感器实验仪（电容传感器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头）。
5、实验步骤
（1）按图7接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。
（2）装上测微头，带动振动台位移，使电容片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。
（3）以此为起点，向上和向下移动片。
每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。
记录数据于下表8，并作出V—x曲线，求得灵敏度。
表8数据记录表
位移x（mm）
输出V（V）
…
…
-0.5
0
0.5
…
…
…
1次
上
下
上
2次
上
下
上
（4）低频振荡器输出接“激振
”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
7、实验注意事项
（1）电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。
位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。
（2）如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
压电式加速度传感器特性实验（选做）
1、实验目的
了解掌握压电式加速度传感器的特性。
2、实验内容
（1）观察压电加速度计的结构。
（2）验证压电式传感器的工作原理。
3、实验原理及方法
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
压电传感器是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测。
4、实验仪器设备
CSY传感器实验仪（压电式传感器、电荷放大器（电压放大器）、低频振荡器、电压/频率表），示波器。
5、实验步骤
（1）观察了解压电式加速度传感器的结构：
由双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。
（2）按图8接线，低频振振荡器输出接“激振
”端，开启仪器电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。
（3）当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形VP-P也最大，由此可以得出结论：
压电式传感器是一种对外力作用敏感的传感器。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1）实验目的
（2）实验内容
（3）实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4）实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5）实验步骤
（6）实验结果记录
（7）实验信息处理与分析
（8）实验心得体会
7、实验注意事项
做此实验时，悬臂梁振动频率不能过低，否则电荷放大器将无输出。
霍尔传感器特性实验
1、实验目的
了解掌握霍尔位移传感器的特性。
2、实验内容
（1）观察霍尔传感器的结构、工作原理。
（2）学会用霍尔传感器做静态位移测试。
3、实验原理及方法
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。
当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。
霍尔元件在梯度磁场中上、
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