传感器实验指导书.docx
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传感器实验指导书
传感器（检测与转换）
实验指导书
目录
实验一电阻式传感器的单臂电桥性能实验3
实验二电阻式传感器的半桥性能实验6
实验三电阻式传感器的全桥性能实验8
实验四变面积式电容传感器特性实验10
实验五差动式电容传感器特性实验13
实验六差动变压器的特性实验14
实验七自感式差动变压器的特性实验16
实验八光电式传感器的转速测量实验18
实验九接近式霍尔传感器实验20
实验十涡流传感器的位移特性实验22
实验十一被测体材质对涡流传感器特性的影响实验24
实验十二温度传感器及温度控制实验（AD590）25
实验十三超声波传感器的位移特性实验28
实验十四磁电式传感器的特性实验30
实验十五压电加速度式传感器的特性实验32
附录一计算机数据采集系统的使用说明33
附录二检测与转换技术（传感器）实验台使用手册35
实验一电阻式传感器的单臂电桥性能实验
一、实验目的
1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。
2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。
3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元
电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：
ΔR/R＝Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/L。
通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。
2、电阻应变式传感如图1-1所示。
传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。
1─外壳2─电阻应变片3─测杆4─等截面悬臂梁5─面板接线图
图1-1电阻应变式传感器
3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R1、R2、R3为固定，R为电阻应变片，输出电压UO＝EKε，E为电桥转换系数。
图1-2电阻式传感器单臂电桥实验电路图
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。
将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。
2、将实验箱（实验台内部已连接）面板上的±15V和地端，用导线接到差动放大器上；将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（实验台为增益旋钮）逆时针旋到终端位置。
3、用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V档按键（实验台为将电压量程拨到20V档）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。
4、按图1-2接线，R1、R2、R3（电阻传感器部分固定电阻）与一个的应变片构成单臂电桥形式。
5、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。
分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。
表1-1
X（mm）
-2.0
-1.6
-1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
UO（mV）
-15
-11
-9
-6
-3
0
2
4
8
11
14
五、实验报告
1、根据表1-1中的实验数据，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、传感器的输入电压能否从＋5V提高到＋10V？
输入电压的大小取决于什么？
3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。
实验二电阻式传感器的半桥性能实验
一、实验目的
掌握半桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元
同实验一。
三、实验原理及电路
将两个受力方向不同的应变片电阻分别接入电桥的两个相邻桥臂，组成半桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度提高，非线性得到改善。
实验电路图见图2-1，当两个应变片的阻值和应变量相同时，半桥输出电压UO＝2EKε
四、实验步骤
1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。
2、按图2-1接线，将两个受力方向相反的应变片接入电桥中。
图2-1电阻式传感器半桥实验电路
3、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。
分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。
表2-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表2-1的实验数据，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、进行半桥测量时，接入的两个应变片电阻的受力方向为什么必须相反？
实验三电阻式传感器的全桥性能实验
一、实验目的
掌握全桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元
同实验一。
三、实验原理及电路
将四个应变片电阻分别接入电桥的四个桥臂，两相邻的应变片电阻的受力方向不同，组成全桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度进一步提高，非线性得到改善。
实验电路图见图3-1，全桥的输出电压UO＝4EKε
四、实验步骤
1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。
2、按图3-1接线，将四个应变片接入电桥中，注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。
图3-1电阻式传感器全桥实验电路
3、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。
分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。
表3-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表3-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、全桥测量时，四个应变片电阻是否必须全部一样？
实验四变面积式电容传感器特性实验
一、实验目的
1、了解变面积式电容传感器的基本结构。
2、掌握变面积式电容及二极管环形电桥的工作原理。
3、掌握变面积式电容传感器的调试方法。
二、实验所用单元
电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、实验电路框图如图4-1所示。
电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器放大后，用数字电压表显示出来。
图4-1电容式传感器实验电路框图
2、图4-1中的电容转换电路图如图4-2所示。
图中的信号发生器用于产生方波信号。
电容转换由二极管环形电桥完成，二极管环电桥工作原理如图4-3所示。
固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升沿，C0被充电，充电途径是VD3→C0；与此同时，Cx1也被充电，其充电途径是C9→VD5→Cx1。
在方波的下降沿，C0和Cx1都放电，C0的放电途径是C0→VD4→C9；Cx1的放电途径是Cx1→VD6。
由于C9在一个周期内的充电和放电平均电流分别为：
IU＝fVPCx1和ID＝fVPC0，式中f是脉冲频率，VP为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I＝ID－IU＝fVP（C0-Cx1）。
从该式中可以看出电容的变化与AB间的电路成正比。
在图4-2中，增加了L1、L2、C10和R6。
L1和L2对高频方波的阻抗很大，而直流电阻很小，与R6一起形成了AB间的直流通路，使充放电流的直流分量得以通过。
C10用作滤波。
这样在R6两端就有与电容变化量成正比的直流电压输出。
图4-2电容转换电路原理图
图4-3二极管环形电桥原理图
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示12mm左右。
将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器动极旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且静极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。
2、差动放大器调零（参见实验一）。
3、按图7-2接线，将可变电容Cx1与固定电容C0接到实验板上，位移台架的接地孔与转换电路板的地线相连。
4、接通电源，调节测微器使输出电压UO接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200～400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压UO记入下表中。
表4-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表4-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、本实验的灵敏度和线性度取决于哪些因素？
实验五差动式电容传感器特性实验
一、实验目的
1、了解差动式电容传感器的基本结构。
2、掌握差动式电容传感器的调试方法。
二、实验所用单元
电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
实验电路框图如图5-1所示。
与实验七不同之处在于接入电容转换电路的两个电容都为可变电容，当电容传感器的动极移动时，两个电容的电容量都发生变化，但变化方向相反，这样就构成差动式的电容传感器。
图5-1电容式传感器实验电路框图
四、实验步骤
按照实验四的步骤进行实验，注意接入电路板的两个电容为Cx1和Cx2。
将实验结果记入下表中。
表5-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表5-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、试比较差动式和变面积式两种电容传感器的优劣。
实验六差动变压器的特性实验
一、实验目的
1、了解差动变压器的基本结构。
2、掌握差动变压器及整流电路的工作原理。
3、掌握差动变压器的调试方法。
二、实验所用单元
电感式传感器、电感式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、差动变压器由一个初级线圈和两个次级线圈及一个铁芯组成，当铁芯移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化使次级线圈的感应电势产生变化，一个次级线圈的感应电势增加，另一个则减少，将两个次级线圈反向串接，就可以引出差值输出，其输出电势反映出铁芯的位移量。
2、差动变压器实验电路图如图6-1所示。
图6-1差动变压器实验电路图
传感器的两个次级线圈（N2、N3）电压分别经UR1、UR2两组桥式整流电路变换为直流电压，然后相减，经过差动放大器放大后，由电压表显示出来。
R1、R2为两桥臂电阻，RP1为调零电位器，R3、R4、C1组成滤波电路，R5为负载电阻，采用这种差动整流电路可以减少零点残余电压。
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电感式传感器置于位移台架上。
调节测微器使其指示12mm左右，将测微器装入台架上部的开口处，再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使铁芯离开底面10mm，注意要使铁芯能在传感器中轻松滑动，再将两个滚花螺母旋紧。
2、差动放大器调零（参见实验一）。
3、按图6-1将信号源的两输出端A、B接到传感器的初级线圈N1上，传感器次级线圈N2、N3分别接到转换电路板的C、D与H、I上，并将F与L用导线连接，将差动放大器与数字电压表连接好。
这样构成差动变压器实验电路。
4、接通电源，调节信号源输出幅度电位器RP2到较大位置，平衡电位器RP1处于中间位置，调节测微器使输出电压接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益使输出电压的值为300mV左右，再回调测微器使输出电压为0mV。
此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X和对应的输出电压UO记入下表。
表6-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表6-1，画出输入/输出特性曲线，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、分析为什么采用差动整流电路可以减少零点残余电压？
实验七自感式差动变压器的特性实验
一、实验目的
1、了解自感式差动变压器的基本结构。
2、掌握自感式差动变压器及整流电路的工作原理。
3、掌握自感式差动变压器的调试方法。
二、实验所用单元
电感式传感器、电感式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
自感式差动变压器电路图如图7-1所示。
图7-1自感式差动变压器实验电路图
传感器的两个次级线圈（N2、N3）作为交流电桥的两个桥臂，R1、R2为另外两个桥臂，D1、D2、D3、D4组成相敏整流器，A、B之间输入交流电压，M、N之间输出脉动直流电压，经R3、R4、C1滤波后输出直流电压。
四、实验步骤
1、按实验六的步骤1和2进行操作。
2、按图7-1将信号源的A端接至次级线圈N2、N3的中间连线点，B端接至L，N2上端接E点，N3下端接G点，B与L、J与M、K与N连接，差动放大器与电压表接线不变，这样构成自感式差动变压器实验电路。
3、按实验六的步骤4进行实验，将实验结果记入下表。
表7-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表7-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、比较差动变压器和自感式差动变压器的灵敏度和线性度。
实验八光电式传感器的转速测量实验
一、实验目的
1、了解光电式传感器的基本结构。
2、掌握光电式传感器及其转换电路的工作原理。
3、掌握差动变压器的调试方法。
二、实验所用单元
光电式传感器、光电式传感器转换电路板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、光断续器原理如图8-1所示，一个开口的光耦合器，当开口处被遮住时，光敏三极管接收不到发光二极管的光信号，输出电压为0，否则有电压输出。
图8-1光断续器示意图图8-2测速装置示意图
2、图8-2为测速装置示意图，其中微型电动机带动转盘在两个成90度的光继续器的开口中转动，转盘上一半为黑色，另一半透明，转动时，两个光继续器将输出不同相位的方波信号，这两个方波信号经过转换电路中的四个运放器，可输出相位差分别为0°、90°、180°、270°的方波信号，它们的频率都是相同的，其中任意一个方波信号均可输出至频率表显示频率。
方波信号经整形电路后可转换为电压信号进行显示。
原理如图8-3所示。
3、微型电动机的转速可调，电路图如图8-4所示，调节电位器RP可输出0～12V的直流电压。
图8-3光电传感器实验原理图
图8-4电机调速电路图
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将光电式传感器置于位移台架上，将传感器上的A、B点与转换电路板上的A、B点相连；转换电路板上的0～12V输出接到传感器上；转换电路的输出UOUT接到数字电压表上；0°输出端接至频率表。
2、接通电源，调节电位器RP使输出电压从最小逐渐增加到最大，观察数字电压表上显示的电压以及频率表上显示的频率的变化情况。
五、实验报告
怎样根据显示的频率换算出电动机的转速？
实验九接近式霍尔传感器实验
一、实验目的
1、掌握开关型集成霍尔传感器及其转换电路的工作原理。
2、了解利用开关型集成霍尔传感器制作接近开关的方法。
二、实验所用单元
霍尔式传感器转换电路板、霍尔电路配套磁钢和铁片（实验十九中的涡流载体）、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、实验电路如图9-1所示。
电路主要由三部分组成，第一部分是霍尔集成电路，第二部分是触发器，第三部分是两个非门。
当发光二极管亮时，表示有输出信号。
图9-1霍尔传感器实验原理图
2、对于普通的霍尔接近开关，当磁体靠近时输出状态翻转，磁体离开后状态立即复原。
而对于锁存开关，因为增加了数据锁存器，输出状态可以保持，直到有复位信号或磁体再次触发接近开关，开关的状态才会恢复。
四、实验步骤
1、按照图9-1接线。
2、普通接近开关实验
（1）将S1断开，霍尔集成电路、R1与VD1构成普通接近开关，用磁钢的S极接近霍尔集成电路的有字面，VD1亮，磁钢远离有字面，VD1灭。
如果用磁钢的N极去触发霍尔集成电路，VD1不亮，说明霍尔集成电路要求磁路系统有方向性。
（2）将磁钢吸附于装在测微器测杆顶端的铁片上，S面向下，正对霍尔集成电路。
下旋测微器，使磁钢慢慢接近霍尔电路，当VD1亮时，读出测微器数值X和输出电压UO，填入下表中；然后再上旋测微器，使磁钢慢慢远离霍尔电路，直到VD1灭，再读出此时的X和UO，填入下表中，共测5组，分析传感器的复现性。
表9-1
VD1
亮
灭
亮
灭
亮
灭
亮
灭
亮
灭
X（mm）
UO（V）
3、锁存式接近开关实验
将S1接通，S2断开（S2用于提供复位信号），整个系统即构成锁存开关。
先将S2接通，再断开，使触发器复位，用磁钢接近霍尔电路，观察VD1和VD2的亮灭情况，再使磁钢离开霍尔电路，观察VD1和VD2的亮灭情况，了解锁存开关是怎样锁住状态的。
五、实验报告
1、对于霍尔集成电路，是磁钢接近时触发还是远离时触发？
2、根据表9-1中的一组数据，画出霍尔集成电路的输入/输出特性曲线
，并说明这种曲线表示了开关型霍尔传感器的什么特性，该特性具有什么优点？
3、锁存开关与普通接近开关相比有什么优缺点？
实验十涡流传感器的位移特性实验
一、实验目的
1、了解涡流式传感器的基本结构。
2、掌握涡流式传感器的工作原理及性能。
二、实验所用单元
涡流式传感器和铁片、涡流式传感器转换电路板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，引起线圈的电感发生变化。
而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
实验电路如图10-1所示，采用电容式三点式振荡器，用于产生高频电流，电流的大小与电感L2（即涡流感应头中的线圈）的大小有关，滤波后输出直流信号。
图10-1涡流式传感器实验原理图
四、实验步骤
1、将涡流式传感器装在位移台架上，并与转换电路板连接起来。
2、将测微器测杆与铁片连接在一起。
3、接通电源，适当调节测微器的高度，使铁片与涡流感应头刚刚接触，记下此时测微器读数和输出电压，并从此点开始向上移动铁片，将位移量X与输出电压UO记入下表中。
建议每隔0.2mm读一次数值，共读取20组数据。
表10-1
X（mm）
UO（V）
X（mm）
UO（V）
五、实验报告
1、根据表10-1的数据，画出涡流式传感器的输入/输出特性曲线
，并求出拟合曲线的方程。
2、涡流式传感器的量程与哪些因素有关？
实验十一被测体材质对涡流传感器特性的影响实验
一、实验目的
了解不同的被测体材料对涡流式传感器特性的影响。
二、实验所用单元
与实验十九相同，另加铜和铝的被测体小圆盘。
三、实验原理及电路
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的特性。
四、实验步骤
实验步骤与实验十九相同，只是分别用铜圆盘和铝圆盘代替实验十九中的铁圆盘，并将实验数据分别记入表11-1和表11-2中。
表11-1被测体为铜圆盘时的位移与输出电压数据
X（mm）
UO（V）
X（mm）
UO（V）
表11-2被测体为铝圆盘时的位移与输出电压数据
X（mm）
UO（V）
X（mm）
UO（V）
五、实验报告
1、根据表11-1和表11-2的数据，分别画出特性曲线，并与实验十九的实验结果一起进行比较。
2、如果被测体为非金属，如何进行位移的测量？
实验十二温度传感器及温度控制实验（AD590）
一、实验目的
1、熟悉半导体型温度传感器AD590的基本性能。
2、应用AD590实现对温度的检测和简单控制。
二、实验所用单元
保温盒（内附温度传感器）、温度传感器转换电路板、温度控制电路板、玻璃管水银温度计、直流稳压电源、低压交流电源、数字电压表、位移台架
三、实验原理及电路
1、温度传感器电路如图12-1所示。
AD590能把温度信号转变为与绝对温度值成正比的电流信号I0，比例因子为1μA/K。
通过运算放大器实现电流运算
，在运算放大器输出端得到与温度成线性关系的电压UO。
通过调节电位器RP1和RP2，可以使UO在被测温度范围内具有合适数值。
例如被测温度范围为0～100℃，则可在0℃时，调节RP1使UO为0V；在100℃时，调节RP2使UO为5V，这样被测温度每变化1℃对应UO变化50mV。
图12-1温度传感器实验原理图
在本实验中，由于0℃和100℃这两个温度不便得到，因此温度/电压的标定采用理论值推算的方法。
在0℃下AD590的电流理论值为273.2μA，要使输出电压UO为0V，则I0与I1相等：
，那么
100℃下AD590的电流理论值为373.2μA，此时要使UO为5V，则：
，那么
2、如果将转换电路的输出电压连接到加热及温度控制电路中（图12-2）的电压比较器，通过继电器控制保温盒电热元件的通电或断电，这样根据电压比较器调温端的基准电压大小，就能使保温盒内的温度保持在某一数值范围内。
图12-2加热及温度控制电路图
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