传感器实验指导书.docx

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传感器实验指导书

第一章传感器电路的其本知识7

1.1概述7

1.1.1传感器7

1.1.2传感器和计量测试技术的关系8

1.1.3传感器和电子计算机的关系8

1.1.4传感器的应用领域和重要性8

1.2传感器的分类9

1.3传感器的基本性能10

1.3.1精确度10

1.3.2输入输出特性11

1.3.3稳定性11

1.4科学技术的发展对传感器性能的要求12

1.4.1高性能12

1.4.2高可靠性12

1.4.3小型化集成传感器12

1.4.4多维化传感器12

1.4.5智能化传感器12

1.4.6利用最新原理开发新型传感器12

第二章传感器整合实验系统13

2.1传感器模块部分13

2.2传感器信号处理板14

2.3分散式I/O控制板15

2.4测控主机部分16

2.5图控软件17

2.6传感器整合实验系统整体结构17

2.7可扩展性19

第三章信号处理板BDX-3CS-SP1及相关传感器模块20

3.1信号处理板BDX-3CS-SP120

3.1.1接线图20

3.1.2接线表21

3.1.3J5（与主控板相连）的管脚定义21

3.2超音波感测器（BDX-3CS-SB1）22

3.2.1性能22

3.2.2功能22

3.2.3结构特征及工作原理22

3.3直流马达（BDX-3CS-SB2）23

3.3.1性能23

3.3.2功能24

3.3.3结构特征及工作原理24

3.4近接开关（BDX-3CS-SB3）25

3.4.1性能25

3.4.2功能25

3.4.3结构特征及工作原理25

3.5微动开关（BDX-3CS-SB4）26

3.5.1性能26

3.5.2功能26

3.5.3结构特征及工作原理26

3.6常见故障及排除方法27

3.7使用注意事项27

第四章信号处理板BDX-3CS-SP2及相关传感器模块28

4.1信号处理板BDX-3CS-SP228

4.1.1接线图28

4.1.2接线表29

4.1.3J5（与主控板相连）的管脚定义29

4.2光遮断器（BDX-3CS-SB5）30

4.2.1性能30

4.2.2功能30

4.2.3结构特征及工作原理30

4.3红外线感测器（BDX-3CS-SB6）31

4.3.1性能31

4.3.2功能31

4.3.3结构特征及工作原理32

4.4光电池（BDX-3CS-SB7）33

4.4.1性能33

4.4.2功能33

4.4.3结构特征及工作原理33

4.5磁簧开关（BDX-3CS-SB8）34

4.5.1性能34

4.5.2功能34

4.5.3结构特征及工作原理34

4.6常见故障及排除方法35

4.7使用注意事项35

第五章BDX-3CS-SP3信号处理板及相关传感器模块36

5.1BDX-3CS-SP3信号处理板36

5.1.1BDX-3CS-SP3信号处理板接线图36

5.1.2接线表37

5.1.3J5（与主控板相连）的管脚定义37

5.2温度开关（BDX-3CS_SB11）38

5.2.1性能38

5.2.2功能38

5.2.3结构特征及工作原理38

5.3热敏电阻（BDX-3CS_SB12）39

5.3.1性能39

5.3.2功能40

5.3.3结构特征及工作原理40

5.4半导体温度感测器（BDX-3CS_SB09）41

5.4.1性能41

5.4.2功能41

5.4.3结构特征及工作原理41

5.5白金温度感测器（BDX-3CS_SB10）43

5.5.1性能43

5.5.2功能43

5.5.3结构特征及工作原理43

5.6常见故障及排除方法44

5.7使用注意事项45

第六章BDX-3CS-SP4信号处理板及相关传感器模块46

6．1BDX-3CS-SP4信号处理板46

6.1.1BDX-3CS-SP4信号处理板接线图46

6.1.2接线表47

6.1.3J5（与主控板相连）的管脚定义47

6.2红外人体感测器（BDX-3CS_SB13）48

6.2.1性能48

6.2.2功能48

6.2.3结构特征及工作原理48

6.3光敏电阻（BDX-3CS_SB14）49

6.3.1性能49

6.3.2功能49

6.3.3结构特征及工作原理49

6.4光电晶体（BDX-3CS-SB15）51

6.4.1性能51

6.4.2功能51

6.4.3结构特征及工作原理51

6.5感烟传感器（BDX-3CS_SB16）52

6.5.1性能52

6.5.2功能52

6.5.3结构特征及工作原理52

6.6常见故障及排除方法53

6.7使用注意事项54

第七章BDX-3CS-SP5信号处理板及相关传感器模块55

7．1BDX-3CS-SP5信号处理板55

7.1.1接线图55

7.1.2接线表55

7.1.3J5（与主控板相连）的管脚定义56

7.2热电偶传感器（BDX-3CS-SB17）56

7.2.1性能56

7.2.2功能57

7.2.3结构特征及工作原理57

7.3湿度传感器（BDX-3CS-SB18）58

7.3.1性能58

7.3.2功能59

7.3.３结构特征及工作原理59

7.3.4实验说明59

7.4压力传感器（BDX-3CS-SB19）60

7.4.1性能60

7.4.2功能60

7.4.3结构特征及工作原理60

7.5称重传感器（BDX-3CS-SB20）61

7.5.1性能61

7.5.2功能62

7.5.3结构特征及工作原理62

7.6常见故障及排除方法63

7.7使用注意事项63

第八章BDX-3CS-SP6信号处理板及相关传感器模块63

8.1BDX-3CS-SP6信号处理板63

8.1.1接线图64

8.1.2接线表64

8.1.3J5（与主控板相连）的管脚定义64

8.2焦电红外线传感器（BDX-3CS-SB21）65

8.2.1性能65

8.2.2功能65

8.2.3结构特征及工作原理66

8.3霍尔传感器（BDX-3CS-SB22）66

8.3.1性能66

8.3.2功能67

8.3.3结构特征及工作原理67

8.4可燃气体传感器（BDX-3CS-SB23）68

8.4.1性能68

8.4.2功能68

8.4.3结构特征及工作原理68

8.5酒精传感器（BDX-3CS-SB24）69

8.5.1性能69

8.5.2功能69

8.5.3结构特征及工作原理69

8.6常见故障及排除方法70

8.7使用注意事项70

第九章接口板使用说明书71

9.1使用对象71

9.2各个插接口定义71

9.4传感器使用资源分配74

第十章图控软件使用方法75

10.1概述75

10.2安装说明75

10.3使用说明77

10.3.1连接信号调理板BDX-3CS-SP179

10.3.2连接信号调理板BDX-3CS-SP280

10.3.3连接信号调理板BDX-3CS-SP381

10.3.4连接信号调理板BDX-3CS-SP482

10.3.5连接信号调理板BDX-3CS-SP583

10.3.6连接信号调理板BDX-3CS-SP684

10.4网络版部分85

10.4.1软件安装85

10.4.2软件使用87

10.4.3软件卸载91

10.5常见故障及排除方法91

第十一章图控软件与监控主机及I/O控制板通讯协议93

11.1RS232及RS485通讯参数93

11.2通讯格式93

11.3各种通讯命令的格式：

94

第十二章测控主机使用方法97

12.1概述97

12.2性能97

12.3功能97

12.4结构及工作原理97

12.5操作说明99

12.6常见故障及排除方法100

12.7使用注意事项100

12.8编程说明101

12.8.1图形点阵模块101

12.8.2键盘模块102

12.8.3继电器控制模块104

12.8.4通讯模块104

12.8.5静态存储器模块104

12.8.6A/D转换模块105

12.8.7D/A转换器106

12.8.8输入/输出扩展接口107

12.8.9附录107

第十三章分散式I/O控制板的的使用109

13.1概述109

13.2性能109

13.3功能109

13.4结构及工作原理109

13.5操作说明111

13.6常见故障及排除方法111

13.7使用注意事项111

13.8编程说明111

13.8.1通讯模块111

13.8.2静态存储器模块112

13.8.3A/D转换模块112

13.8.4D/A转换器113

13.8.5输入/输出扩展接口114

第一章传感器电路的其本知识

1.1概述

1.1.1传感器

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换器件组成。

它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，通常是将非电量或电量转换成易于计算机处理和传输的电量。

从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。

传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。

传感技术是关于传感器及其敏感元件与材料的一门综合性技术。

传统的传感器有的由纯机械结构组成，例如金属弹性元件在压力变化时引起的形变带动指针可制成测流体压力的压力计；双金属片因温度变化引起形变可制成温度计；差动变压器、电感线圈、可变电容器、电位器因被测物位置变化而引起电量变化可制作成位移传感器、力传感器、加速度传感器等力学量传感器。

这种直接以机械量输出或电量输出的传统式传感器（又称结构型传感器）称之力机电型传感器。

近年来由于半导体微电子技术的飞速发展，在半导体材料基础上，运用微电子加工技术，发展起各种门类的敏感元件。

这在国际上被通称为固态敏感元件。

光敏元件就是利用光子能量激发半导体载流子引起电导率变化和反向电流变化，形成光电效应，制成光敏二极管、光敏三极管、光电池、光控晶闸管和图像传感器等。

利用半导体材料受力后电阻变化，可制成力敏元件。

利用半导体单晶和半导体陶瓷的电阻率随温度的变化，可以制成温敏元件，尤其是半导体陶瓷利用其成分的多样性可制成不同温度系数、正负温度系数的温度敏感元件。

利用半导体中洛伦兹力的作用所产生的霍尔效应可做成磁敏元件，利用其因磁引起电阻变化的效应也可制成另一种磁阻式磁敏元件。

利用半导体陶瓷元件的电阻率随施加电压的变化，可制成压敏元件。

用MOS场效应管结构，把金属栅改成钯金属栅，利用钯吸附氢而改变功函数的特点可制成氢气敏元件；利用溶液离子对场效应管栅介质的界面作用可制成离于敏感元件或离子敏场效应管的栅介质涂以各种酶的膜，又可制成生物敏元件。

还有广泛应用的陶瓷型气敏元件、湿敏元件等等。

近期光导纤维也进入了敏感技术领域，利用光纤可以制作不同功能的光纤传感器，例如光纤式位移传感器、光纤压力传感器、光纤式磁传感器、光纤光电开关等。

光纤传感器具有抗电磁干扰，安全、耐恶劣环境和高灵敏度等突出的优点。

敏感元件是构成传感器的敏感元，但同一敏感元件因装置不同可以构成为不同的传感器。

例如力敏元件所受的力是一定质量物体的加速度引起的，在这种情况下力敏元件就构成了加速度传感器。

又如利用霍尔磁敏元件和永磁体的距离可以组成位置传感器。

由此可看到，不同用途的传感器是由不同功能的敏感元件构成的。

敏感元件是敏感技术。

的基础元件，它的质量、水平是传感器质量、水平的物质基础。

1.1.2传感器和计量测试技术的关系

传感器是计量测试的前沿环节。

如果没有传感器对原始信息进行准确、可靠的采集和转换，那么，准确、可靠的计量测试是难以实现的。

试想在一个计量测试系统中，如果传感器的误差很大，后级的检测电路、放大器以及计算机处理系统再精确也是徒劳的。

1.1.3传感器和电子计算机的关系

众所周知，电子计算机只能接收数字信号，对非电量式模拟信号是无能为力的。

因此它需要由传感器把非电量转换成电量，再把模拟信号转换成数字信号，然后才能进入计算机进行处理，再由计算机发出各种控制命令。

由此可知在现代化的测控系统中，传感器和计算机都是不可缺少的环节。

1.1.4传感器的应用领域和重要性

目前，在国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和厂环境保护、生物医学工程等方面都大量使用各种各样的传感器。

例如在航空、航天方面，大型飞机在云层中的自动驾驶，在恶劣的气候条件下安全着陆从造卫星在太空中遥感、遥测等都大量地安装着各种各样的传感器。

在工业生产方面，自动化生产流水线离不开传感器。

又如在家用电器方面，全自动洗衣机、洗碗机也都安装着传感器。

概括而言，传感器可以提高劳动生产率，提高产品质量；可以减轻劳动强度。

改善劳动条件；可以节约能源，降低消耗；可以保证设备安全运行和提高使用寿命可以完成手操作所不做的工作，从而促进科学技术的发展。

1.2传感器的分类

传感器种类繁多，功能各异。

由于同一被测量对象可用不同转换原理实现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计。

出检测不同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类法。

（1）根据传感器感知外界信息所依据的基本效应，可以将传感器分成三大类：

基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器；基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器；基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。

（2）按工作原理分类，可分为应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式等传感器。

（3）根据传感器使用的敏感材料分类，可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等等。

（4）按照被测量分类，可分为力学量传感器、热量传感器、磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。

（5）按能量关系分类，可分为能量控制型和能量转换型两大类。

所谓能量控制型是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化（即传感器输入量的变化）只起到控制的作用。

如用电桥测量电阻温度变化时，温度的变化改变了热敏电阻的阻值，热敏电阻阻值的变化使电桥的输出发生变化（注意电桥的输出是由电源供给的）。

而能量转换型是由传感器输入量的变化直接引起能量的变化。

如热电效应中的热电偶，当温度变化时，直接引起输出电势改变。

再加，传声器直接将声信号转化成电信号输出。

（6）按传感器是利用场的定律还是利用物质的定律，可分为结构型传感器和物性型传感器。

二者组合兼有两者特征的传感器称为复合型传感器。

场的定律是关于物质作用的定律，例如动力场的运动定律、电磁场的感应定律、光的干涉现象等。

利用场的定律做成的传感器，如电动式传感器、电容式传感器、激光检测器等。

物质的定律是指物质本身内在性质的规律。

例如弹性体遵从的虎克定律、晶体的压电性、半导体材料的压阻、热阻、光阻、湿阻、霍尔效应等。

利用物质的定律做成的传感器，加压电式传感器、热敏电阻、光敏电阻、光电管等。

（7）按依靠还是不依靠外加能源工作，可分为有源传感器和无源传感器。

有源传感器敏感元件工作需要外加电源，无源传感器工作不需外加电源。

（8）按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器。

尽管此处列出的传感器分类有较大的概括性，但由于传感器的分类不统一，因而这种分类很难完备，例如有的学者将传感器作了如下分类：

（1）压力；

（2）力／荷重；（3）位移（厚度）；（4）力矩；（5）角度；（6）角速度（转速）；（7）速度；（8）加速度；（9）角加速度；（10）倾斜角；（11）编码器；（l2）振动；（13）气体／烟雾；（14）温度；（15）热能；（16）湿度；（17）水份；（18）露点；（19）液位；（20）料位；（21）流量；（22）流速；（23）风速；（24）电流；（25）电压；（26）电功率；（27）电频率；（28接近开关；（29）磁性开关；（30）光电开关；（31）PH值；（32）电阻率；（33）电导率；（34）水溶氧；（35）生物；（36）红外线；（37）紫外线；（38）光纤；（39）离子；（40）激光；（41）超声波；（42）声音／噪声；（43）触觉；（44）图像／颜色；（45）密度／粘度；（46）混浊度。

1.3传感器的基本性能

1.3.1精确度

精确度是精密度和准确度二者意义的总和。

精确度指标中精度等级的概念非常重要。

精度等级：

在工程测试中为表示仪器测量结果的可靠程度引入一个表示仪器精度等级的概念，用A表示。

A以一系列百分地数值表示。

A通常是仪器在规定工作条件下其最大允许误差△y相对于仪器示值全程y（FS）到的百分数。

表示为：

A％=（△y／y）×100％

这个概念现在被约定俗成地广泛用于各种测试、各类仪表和传感器。

式中的△y可以是仪器的非线性、重复性、回滞等各单项的最大误差值（此时A就成为各单项的精度等级），但这各单项指标中以非线性最为重要，常用它代表总体的精度等级，也有用各单项指标中A值最大者作为总体精度等级的情况。

1.3.2输入输出特性

（1）灵敏度（S）

它表明传感器在稳态工作时输出增量对输入增量的比值即S=△Y／△Xo为了使用的方便，显然需要S为恒值，这就是希望输入输出关系特性是一条直线，这时称传感器工作在线性状态。

S用输出、输入量的实际单位之比表示（如mV／mm）。

灵敏限、分辨率也是表示输入输出关系特性的两大指标。

这里特别指出，数字表的分辨率指标往往较高，若由数字表和传感器组成一个仪器系统，由于传感器精度等级的限制（工业用一般为0.3％左右），那么仪器系统示值的可靠程度就不会如数字表分辨率那样理想。

如一个（0～200）℃量程，0.5％精度的温度传感器配3位半数字表构成一个测量系统，数字表指示中低于0.1℃的示值就没有实际意义。

所以对于数宇式仪器系统要把系统中各部分的分辨率和精度联系起来考虑才能衡量其示值的可靠程度，才能达到最有效最经济的配置。

（2）线性度

线性传感器测出的输入输出曲线与某一规定直线不吻合的程度，称为非线性误差，或称为线性度。

在输出特性曲线与规定直线问，垂直方向k的最大偏差△Ymax相对于最大输出Y的百分数，即为非线性误差E。

表示为：

E=（△Ymax/Y）×100%

（3）回滞

它指输入量在进程和回程时输入输出关系特性不一致的程度。

回滞H是在同一输入量下，进程与回程输出量的最大偏差△Ymax相对于最大输出Y的百分数。

表示为；

H＝（△Ymax／Y）×100%

（4）量程

指传感器测量上、下限值的范围。

1.3.3稳定性

工作条件不变，工作性能在规定时间内保持不变的能力。

4.动态特性

（1）频响

是指传感器能保持其各项性能指标的情况下，能工作的最高频率（有时也顾及最低频率）。

（2）稳定时间

指从输入信号阶跃变化起、到输出信号进入并不再超过对最终稳态值YS规定的允差区时的时间间隔。

（５）可靠性

表示对于规定条件,在规定时间内完成所要求功能的能力。

它有一整套科学的、周密的衡量方法。

1.4科学技术的发展对传感器性能的要求

随着科学技术的发展，人们要求获得的信息不断地增加，因而对传感器也提出了越来越高的要求。

概括起来有以下几个方面：

1.4.1高性能

高灵敏度，高精确度，线性，再现性，高速响应，互换性，无滞后现象等。

1.4.2高可靠性

长寿命，耐恶劣环境，遇到破坏时具有失效保险功能。

1.4.3小型化集成传感器

将敏感元件与信号测量及处理电路都集成在同一芯片上，使检测与信号处理一体化，从而使得整个传感器作积小型化。

1.4.4多维化传感器

利用电子扫描方法，把多个传感器单元制作在一起，使其可以识别空间和复杂物体的状态，即所谓多维化传感器。

例如CCD日像传感器就是已研究成功的一例。

1.4.5智能化传感器

系统由敏感元件、信号调理电路和微处理器或微计算机组成，并赋予智能功能，就组成了一个智能传感器系统。

它可以集成化后同装在一个小壳体里，也可以分散地组成一个系统。

智能型传感器具有数据处理功能、自诊断功能多种形式的输出功能。

1.4.6利用最新原理开发新型传感器

由于科学技术的发展，人们对获取的信息范围越来越大，对于测量的要求越来越高。

国之要求利用新原理（新的物理、化学、生物效应）开发、研制新型传感器。

例如在机器人

工业中极需仿人五官功能的新传感器；又如在宇宙、地球科学和海洋开发等领域也需要大

量的新型传感器。

第二章传感器整合实验系统

早期的传感器实验系统一般采用台式结构，将固定的十几种传感器、共用的信号调理电路置于箱体内部，结合PC机进行传传感器应用的验证性实验。

随着电子技术的发展，人们对传感器实验系统需求也发生了较大的变化。

特别是传感器应用教学方面，老师希望能让学生看到传感器的实物和辅助电路，信号调理板电路原理、电路板相应器件的用法和关键信号测量点。

传感器和信号调理部分、单片机、键盘、显示器结合起来的测量控制系统。

传感器和信号调理板、PC机、图控软件结合起来的测量控制系统。

通过RS-485总线、或其它总线方式，利用光光纤、导线或其它媒介联网的测量控制系统。

对传感器试验系统提出了较高的要求。

北斗星公司针对目前的教学需求开发出了BDX-3CS传感器整合实验系统。

BDX-3CS传感器整合实验系统由传感器的实物和辅助电路模块、信号调理板模块、单片机处理系统模块、I/O控制RS-485总线模块，图型控制软件模块组成。

可以完成以下传感器应用教学实验：

（1）传感器和信号调理实验。

（2）传感器和信号调理与单片机、键盘、显示器结合起来的测量控制系统实验。

（3）传感器和信号调理板、PC机、图控软件结合起来的测量控制系统实验。

（4）通过RS-485总线、联网的测量控制系统实实验。

本综合实验系统有以下特点：

（1）传感器及的实物和辅助电路，信号调理电路，及键盘显示电路全部公开。

学生对各种实物看得见模得到。

（2）传感器辅助电路和信号调理电路全部采用模块化设计，可以对传感器品种进行任意扩展。

（3）信号调理电路采用一对一模式电路设计针对性强。

（4）整体设计各模块有一定的独立性可任意组合出多种实验模式。

（5）通过RS-485总线图控软件结合，可完成贴近实际的工业控制系统。

2.1传感器模块部分

（1）各类传感器：

24种基本传感器基础电路板及连接部件。

其中有热敏电阻、霍尔传感器、感烟传感器、半导体温度传感器、人体红外传感器、红外线传感器、压力传感器、微动开关、光电晶体传感器、光遮断传感器、光电池传感器、瓦斯传感器、酒精传感器、红外线TGS100传感器、光敏电阻传感器、湿度传感器、磁簧开关传感器、直流马