传感器与检测技术实验指导书.docx
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传感器与检测技术实验指导书
辽东学院自编教材
传感器与检测技术
实验指导书
蔡杰编
（电子信息工程专业用）
信息技术学院
2013.10
内容提要
本实验指导书共安排八个实验，内容涉及各种传感器的应用与实现。
前言
本实验指导书注重理论联系实际，培养学生解决实际问题的能力，达到学以致用，为今后的专业课程的学习打下坚实的基础。
在编写中难免有不当之处，恳请各位学者赐教，也希望各位同仁提出定贵的意见。
谢谢。
目录
实验一应变传感器实验.........................1
实验二电容式传感器实验.......................3
实验三压电式传感器实验.......................5
实验四霍尔传感器实验.........................7
实验五热电偶测温实验.........................9
实验六气敏传感器实验.........................11
实验七湿敏传感器实验.........................13
实验八转速控制实验...........................15
实验一应变传感器实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
一、实验目的
了解金属应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为
式中
为电阻丝电阻相对变化；
为应变灵敏系数；
为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件。
如图1-1所示，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，R5=R6=R7=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压:
为电桥电源电压；
式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=
。
三、实验内容与步骤
1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．差动放大器调零。
从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。
将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。
关闭主控台电源。
（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）
3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。
4．加托盘后电桥调零。
电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。
5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表。
重量（g）
电压（mV）
6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
四、实验报告
1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；
2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％。
式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S为满量程（200g）输出平均值。
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验二电容式传感器实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
一、实验目的
了解电容传感器的结构及特点。
二、实验原理
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：
式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：
改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
三、实验内容与步骤
1．按下图21-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。
图21-2
2．将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。
3．接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。
（Rw确定后不能改动）
4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表21-1
X（mm）
V（mV）
四、实验报告：
根据表21-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验三压电式传感器实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
一、实验目的
了解压电式传感器测量振动的原理和方法。
二、实验原理
压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、实验内容与步骤
1．将压电传感器安装在振动梁的圆盘上。
2．将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按下图30-1接线，合上主控台电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅逐渐增大。
3．将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端Ui1，Uo1接Ui2，Uo2接移相检波低通模块低通滤波器输入Ui，输出Uo接示波器，观察压电传感器的输出波形Uo。
图30-1
四、实验报告
改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振动幅度下压电传感器输出波形的频率和幅值。
并由此得出振动系统的共振频率。
振动频率（Hz）
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
18
20
22
24
26
30
Vp-p（V）
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验四霍尔传感器实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
一、实验目的
了解霍尔组件的应用——测量转速
二、实验原理
利用霍尔效应表达式：
UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。
三、实验内容与步骤
1.安装根据图28-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。
图28-1
2．将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。
3．打开实验台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±6）、16V（±8）、20V（±10）、24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。
也可用示波器观测霍尔元件输出的脉冲波形。
表28-1
电压（V）
+4V
+6V
+8V
+10V
12V
16V
20V
24V
转速（rpm）
4、实验报告
1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。
2．根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验五热电偶测温实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
1、实验目的
了解热电偶传感器的应用
2、实验原理
将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端（也称自由端），冷端可以是室温也可以是经过补偿后的0℃、25℃的模拟温度场。
三、实验内容与步骤
1.将热电偶插到温度控制仪两个传感器插孔中任意一个插孔中，（K型、E型已装在一个护套内），K型热电偶的自由端（红、黑线）接到温控仪面板上的EK端（红+、黑-），用它作为标准传感器，配合温控仪用于设定温度，注意识别K型（红+、黑-）、E型（蓝+、绿-）引线标记及正极、负极不要接错。
2.将E型热电偶的自由端（蓝+、绿-）接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a（蓝）、b（绿）孔上，作为被测传感器用于实验，按图5-1接线。
图5-1热电偶测温性能实验电路
3.将R5、R6端接地，RW2大约置中，将V02端与模块上数显电压表Vi端相接，调节Rw3使数显表显示零（数显表置200mv档）。
4.去掉R5、R6接地线，将热电偶a、b端与放大器R5、R6相接，打开温控仪电源并设置温度T=50℃，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在50℃时，记录下电压表读数值。
5.重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显电压表指示值与温控仪指示的温度值，填入表中
四、实验报告
1．根据表中的实验数据，作出UO2-T曲线，分析热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差
2..热电偶测量的是温差值还是摄氏温度值？
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验六气敏传感器实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
一、实验目的
了解气敏传感器原理及特性。
二、实验原理
本实验所采用的SnO2（氧化锡）半导体气敏传感器属电阻型气敏元件；它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化：
若气浓度发生，则阻值发生变化，根据这一特性，可以从阻值的变化得知，吸附气体的种类和浓度
3、实验内容与步骤
1.将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板上传感器固定支架上。
2．按图32-1接线，将气敏传感器，接线端红色接＋5V加热电压，黑色接地；电压输出选择±10V，黄色线接+10V电压、蓝色线接Rw1上端。
3．将±15V直流稳压电源接入差动变压器实验模块中。
差动变压器实验模块的输出Uo接主控台直流电压表。
打开主控台总电源，预热5分钟。
4．用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化。
四、实验报告
酒精检测报警，常用于交通片警检查有否酒后开车，若要这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素？
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验七湿敏传感器实验
实验类型：
实验课时：
指导教师：
时间：
2013年月日课次：
第节教学周次：
第周
实验分室：
实验台号：
实验员：
一、实验目的
了解湿敏传感器的原理和应用。
二、实验原理
湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位窨体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。
湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。
实验使用中多用相对湿度概念。
湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。
高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。
具有感湿功能的高分子聚合物，例如，乙酸－丁酸纤维素和乙酸－丙酸比纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力，感湿薄膜覆在金箔电极（下电极）上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜（上电极），这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化
三、实验内容与步骤
1．湿敏传感器实验装置如图所示，红色接线端接+5V电源，黑色接线端接地，蓝色接线端和黑色接线端分别接频率/转速表输入端。
频率/转速表选择频率档。
记下此时频率/转速表的读数。
2．将湿棉球放入湿敏腔内。
并插上湿敏传感器探头，观察频率/转速表的变化。
3．取出湿纱布，待数显表示值下降回复到原示值时，在干湿腔内被放入部分干燥剂，同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上，观察数显表头读数变化
四、实验报告
输出频率f与相对湿度RH值对应如下，参考下表，计算以上三中状态下空气相对
湿度。
RH（%）
Fre（HZ）
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
实验八转速控制实验
一、实验目的
了解霍尔转速传感器的应用。
二、实验原理
根据霍尔效应表达示UH=KHIB，当KHI不变时，在转速圆盘上装上N只磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。
圆盘每转一周，表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次。
此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速
三、实验内容与步骤
1.根据图示，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。
霍尔转速传感器安装示意图
2.将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端，红（+）、绿（），不要接错。
3.将霍尔传感器输出端（黄线）接示波器或者频率计。
4.调节电动转速电位器使转速变化，用示波器观察波形的变化（特别注意脉宽的变化），或用频率计观察输出频率的变化。
四、实验报告
转盘开始转动，逐渐加快，转速和频率计分别显示转速和频率，记录表格中如下：
▽T（s）
▽N
本次
实验
成绩
项目及比例
实验操作
（50%）
报告书写
（30%）
出勤和课堂纪律
（10%）
课堂提问
（10%）
得分
成绩合计
教师签字：
批改日期：
升级会员 