传感器实验指导书.docx
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传感器实验指导书
目录
一、基本实验
实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥…………………………………1
实验二差动变压器式的性能…………………………………………………3
实验三差动变压器零点残余电压的补偿……………………………………5
实验四移相器实验……………………………………………………………6
实验五相敏检波实验…………………………………………………………7
实验六电涡流式传感器的原理………………………………………………10
实验七被测体材料对电涡流传感器的影响…………………………………12
实验八差动变面积型电容式传感器的原理…………………………………13
实验九霍尔式传感器的特性…………………………………………………15
实验十磁电式传感器性能……………………………………………………17
实验十一压电传感器动态响应实验…………………………………………18
二、综合性实验
实验十二电子秤的设计……………………………………………………19
实验十三PN结温度测试仪…………………………………………………20
实验十四光纤位移传感器…………………………………………………21
三、附录Ⅰ：
CSY-
型传感器实验仪简介…………………………………22
附录Ⅱ：
CSY-
型传感器实验仪电路原理图……………………………25
附录Ⅲ：
传感器安装示意图及面板示意图………………………………35
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥
一、实验目的：
﹝1﹞了解悬梁梁受力（梁端位移）时产生应变的原理。
﹝2﹞了解金属箔式应变片受到应变时电阻的变化规律。
﹝3﹞掌握单臂电桥检测电阻的方法。
二、实验仪器：
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。
三、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1-1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。
（4）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。
（5）——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（mm）
电压（mv）
（6）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）。
（7）实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
四、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，让学生组桥容易。
（2）为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出，适当减小
差动放大增益，此时差动放大器不必重调零。
（3）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。
（4）电位器W1、W2，在有的型号仪器中标为WD、WA。
五、思考题：
（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，（见附录图一），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。
实验二差动变压器性能
一、实验目的
（1）了解电感式传感器的差动变压器的工作原理。
（2）了解电感式传感器的差动变压器的输出特性。
（3）掌握差动变压器的测量方法。
二、实验仪器
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。
三、实验步骤
（1）根据图2-1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。
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。
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）
5mm
4.8mm
4.6mm
…
0.2mm
0mm
-0.2mm
…
-4.8mm
-5mm
Vo（p-p）
四、思考题
（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？
实验三差动变压器零点残余电压的补偿
一、实验目的
﹝1﹞了解产生零点残余电压的原因。
﹝2﹞了解如何用适当的线路对残余电压进行补偿。
﹝3﹞了解补偿线路对输出电压的影响。
二、实验仪器
音频振荡器、测微头、电桥、差动变压器、差动放大器、双线示波器、振动平台、主副电源。
有关旋钮的初始位置：
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1V/div，触发选择打到第一通道，差动放大器的增益旋到最大。
三、实验步骤
（1）接图3-1接线，音频振荡必须从LV插口输出，W1，W2，r,c,为电桥单元中调平衡网络。
（2）开启主．副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度钮使示波器一通道显示出为2伏峰—峰值。
调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。
（3）调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
（4）依次调整W1，W2，使输出电压进一步减小，必要时重新调节测微头，尽量使输出电压最小。
（5）将二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波形相比较。
经过补偿后的残余电压波形：
为波形，这说明波形中有分量。
（６）经过补偿后的残余电压大小：
Ｖ残余p-p＝Ｖ残余p-p/100与实验十六未经补偿残余电压相比较。
（７）实验完毕后，关闭主、副电源。
四、
注意事项
（1）由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。
因此次级输出波形难以用一般示波来看，要用差动放大器使双端输出转换为单端输出。
（2）音频信号必须从LV插口引出。
实验四移相器实验
一、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
二、实验仪器
移相器、音频振荡器、双线（双踪）示波器、主、副电源
三、实验步骤
（1）了解移相器在实验仪所在位置及电路原理。
（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。
四、思考题
（１）根据图4-1，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、R3、C超前移相，在R3＝R1时，KF1（jω）=Vm/Vλ=-（1-jωRwC2）/（1+jωR2C1）,KF1（ω）=1,ΦF1（ω）=-π-2tg-1ωR2C1。
A2、R4、R5、RW、C2滞后移相，在R5＝R4时，KF2（jω）=V/Vm=（1-jωRwC2）/（1+jωC2）,KF2（ω）=1,ΦF2（ω）=-2tg-1ωRwC1，ω＝2πf。
分析：
f一定时Rw=0－10KΩ相移Δφ，及Rw一定时，f变化相移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？
实验五相敏检波器实验
一、实验目的
了解相敏检波器的原理和工作情况。
二、实验仪器
相敏检波器、移相器、音频振荡器、双线示波器（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２０Ｋ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。
三、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5-1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。
（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5-2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，将低能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Ｖ表２０Ｖ档）。
图5-2
（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。
单位：
Ｖ
Vip-p
0.5
1
2
4
8
16
Vo
（7）关闭主、副电源，根据图5-3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。
（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。
单位：
Ｖ
Vip-p
0.5
1
2
4
6
8
16
Vo
四、思考题
（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。
实验六电涡流式传感器的静态标定
一、实验目的
﹝1﹞了解电涡流式传感器的工作原理。
﹝2﹞了解电涡流式传感器的特点。
﹝3﹞掌握电涡流传感器的测量原理。
二、实验仪器
涡流变换器、F／V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。
三、实验步骤
（1）装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。
（2）观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。
（3）用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至F／V表，电压表置于２０Ｖ档，见图，开启主、副电源。
（4）用示波器观察涡流变换器输入端的波形。
如发现没有振荡波形出现，再将被测体移开一些。
可见，波形为波形，示波器的时基为us/cm，故振荡频率约为。
（5）适当调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示波器及电压表的数值，填入下表：
建议每隔0.10mm读数，到线性严重变坏为止。
根据实验数据。
在座标纸上画出Ｖ－Ｘ曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度。
（最好能用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度）。
可见，涡流传感器最大的特点是，传感器与被测体间有一个最佳初始工作点。
这里采用的变换电路是一种。
实验完毕关闭主、副电源。
Ｘ（mm）
Vp-p（v）
V（v）
三、实验注意事项
﹝1﹞测量过程中金属导体要固定不动。
﹝2﹞铁片应与传感器测试头平行，并将测试头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。
﹝3﹞传感器在初试时可能出现一段死区。
四、实验分析
﹝1﹞根据测量结果，在坐标纸上画出V—X曲线，求出灵敏度S，S=△V/△X，并指出线性范围。
﹝2﹞用理论方法计算灵敏度并与实际测量值比较。
实验七被测体材料对电涡流传感器特性的影响
一、实验目的
了解被测体材料对涡流传感器性能的影响。
二、实验仪器
涡流传感器、涡流变换器、铁测片、F／V表、测微头、铝测片、振动台、主、副电源。
三、实验步骤
（1）安装好涡流传感器，调整好位置。
装好测微头。
（2）按实验六图6-1接线，检查无误，开启主、副电源。
从传感器与铁测片接触开始，旋动测微头改变传感器与被测体的距离，记录F表读数，到出现明显的非线性为止，然后换上铝测片重复上述过程，结果填入下表（建议每隔0.05mm读数）：
X（mm）
V铝（v）
V铁（v）
根据所得结果，在同一座标纸上画出被测体为铝和铁的两条Ｖ－Ｘ曲线，照实验二十二的方法计算灵敏度与线性度，比较它们的线性范围和灵敏度。
关闭主、副电源。
可见，这种电涡流式传感器在被测体不同时必须重新进行工作。
四、注意事项
（1）传感器在初始时可能为出现一段死区。
（2）此涡流变换线路属于变频调幅式线路，传感器是振荡器中一个元件，因此材料与传感器输出特性之间的关系与定频调幅式线路不同。
实验八差动变面积型电容式传感器
一、实验目的
﹝1﹞了解电容式传感器的工作原理。
﹝2﹞了解差动变面积型电容传感器的测量原理。
﹝3﹞掌握差动式电容传感器灵敏度的分析方法。
二、实验仪器
电容传感器、电压放大器、低通滤波器、Ｆ／V表、激振器、示波器
有关旋钮的初始位置：
差动放大器增益旋钮置于中间，Ｆ／V表置于Ｖ表２Ｖ档。
三、实验步骤
（1）按图8-1接线。
（2）F／V表打到20V，调节测微头，使输出为零。
（3）转动测微头,每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。
X（mm）
V（mv）
退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法，记下X（mm）及V（mv）值。
（4）计算系统灵敏度Ｓ。
Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ（式中ΔＶ为电压变化，ΔＸ为相应的梁端位移变化），并作出Ｖ－Ｘ关系曲线。
X（mm）
V（mv）
（5）卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。
四、实验注意事项
﹝1﹞注意电容变换器的接法，上面两个插口是输入，一个输出插口为VO。
﹝2﹞调节低频振荡器产生振荡时，要注意其幅度旋钮不能太大，以免损坏设备。
五、实验分析
﹝1﹞根据测量结果，在坐标纸上画出V—X曲线，求出系统灵敏度S，S=△V/△X，并指出线性范围。
﹝2﹞分析V—X曲线中，出现非线性的原因。
﹝3﹞试分析电容变换器在这里所起的作用。
实验九霍尔式传感器的特性—直流激励
一、实验目的
﹝1﹞了解霍尔传感器的特性与工作原理。
﹝2﹞掌握霍尔传感器的测量方法。
二、实验仪器
霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F／V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。
有关旋钮初始位置：
差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置２０Ｖ档，直流稳压电源置２Ｖ档，主、副电源关闭。
三、实验步骤
（1）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。
（2）开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图2１接线，Ｗ１、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
（3）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
（4）开启主、副电源调整Ｗ１使电压表指示为零。
（5）上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.1mm读一个数，将读数填入下表：
X（mm）
V（V）
X（mm）
V（v）
作出Ｖ－Ｘ曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。
可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。
（6）实验完毕关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。
三、注意事项
（1）由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。
（2）一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。
（3）激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。
四、实验分析
﹝1﹞根据测量结果，画出V—X曲线，求出系统灵敏度S，S=△V/△X。
﹝2﹞分析系统产生非线性的原因。
实验十磁电式传感器的性能
一、实验目的
了解磁电式传器的原理及性能
二、实验仪器
差动放大器、涡流变换器、激振器、示波器、磁电式传感器、涡流传感器、振动平台、主、副电源。
有关旋钮的初始位置：
差动放大器增益旋钮置于中间，低频振荡器的幅度旋钮置于最小，Ｆ／Ｖ表置２ＫＨz档。
三、实验步骤
（1）观察磁电式传感器的结构，根据图10-1的电路结构，将磁电式传感器，差动放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连，开启主、副电源。
（2）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表：
F（HZ）
３
４
５
６
７
８
９
１０
２０
25
V（p-p）
（3）拆去磁电传感器的引线，把涡流传感器经涡流变换器后接入低通滤波器，再用示波器观察输出波形（波形好坏与涡流传感器的安装位置有关，参照涡流传感器的实验）并与磁电传感器的输出波形相比较。
四、实验分析
（1）根据测量结果，画出V—X曲线，求出系统灵敏度S，S=△V/△X。
（2）分析系统产生非线性的原因。
五、思考题
（１）试回答磁电式传感器的特点？
（2）比较磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位，为什么？
实验十一压电传感器的动态响应实验
一、实验目的
了解压电式传感器的原理、结构及应用。
二、实验仪器
低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、Ｆ／Ｖ表、主、副电源、振动平台。
有关旋钮的初始位置：
低频振荡器的幅度旋钮置于最小，F／V表置Ｆ表２ＫＨＺ档。
三、实验步骤
（1）观察压电式传感器的结构，根据图11-1的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。
并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。
（2）将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。
（3）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表：
F（HZ）
5
7
12
15
17
20
25
V（p-p）
（4）示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较观察其波形相位差。
四、实验分析
（1）根据测量结果，画出V—X曲线，求出系统灵敏度S，S=△V/△X。
（2）分析系统产生非线性的原因。
五、思考题
（1）根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？
（2）试回答压电式传感器的特点。
比较磁电式传感器输出波形的相位差Δφ大致为多少？
为什么？
实验十二电子秤的设计
一、实验目的
﹝1﹞了解各类常用传感器的工作原理及特性。
﹝2﹞学会如何运用传感器装置进行实际测量。
二、实验要求
﹝1﹞利用实验仪器上的传感器装置、标准重量的砝码（10g）及相关处理电路设计一个可以称重的电子秤。
﹝2﹞将被测物的重量用电压表或示波器显示为一个电量信息。
﹝3﹞通过分析计算出某一未知物体的重量。
﹝4﹞分析所设计的测量系统的测量范围、测量精度、系统的灵敏度和线性范围。
三、实验设计方案
独立完成传感器的选取方案的选择及测量电路的设计。
四、实验分析
﹝1﹞分析系统的量程、灵敏度，指出其线性范围。
﹝2﹞分析产生测量误差的主要原因。
﹝3﹞讨论提高测量精度的方法。
实验十三PN结温度测试仪
一、实验目的
﹝1﹞了解PN结温度传感器的特性及工作情况。
﹝2﹞学会如何利用传感器装置进行实际测量。
二、实验要求
﹝1﹞利用PN结温度传感器、V/F表及相关的处理电路设计一个测温电路。
﹝2﹞将被测量（温度）用电压表或示波器显示为一电量信息。
﹝3﹞通过分析计算出某被测环境的温度值。
﹝4﹞分析所设计的测量系统的测量范围、测量精度、系统的灵敏度和线性范围。
三、实验设计方案
独立完成测量电路的设计及方案的选择。
四、实验分析
﹝1﹞分析系统的测温范围、灵敏度，指出其线性范围。
﹝2﹞分析该测温电路的误差来源。
﹝3﹞如要要求该
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