第6章传感器技术.docx

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第6章传感器技术

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6.1传感器技术实验基础知识

6.1.1传感器技术实验要求

①认真预习实验，保证在进实验室前，要掌握实验基础知识，要有一份详细的预习报告，预习报告包括每个实验的硬件电路图、程序和程序框图，预习报告（包括程序）必须手写。

不得有相同的或者复印的预习报告。

如果没有预习报告、预习报告雷同或者复印预习报告，则报告相同的同学都不得进入实验室做实验，回去重新预习，以后约时间做实验。

②传感器实验采用开放形式，实验室开放，开放实验室期间随时答疑。

③实验过程中要认真记录实验数据，可以讨论实验中出现的问题，但不能喧哗，不得做与实验无关的事情。

④实验报告要认真写，要写出实验过程中的问题和如何解决问题，不得抄袭。

⑤保持实验室卫生，不得在实验室里乱丢弃垃圾。

实验结束后，把实验桌周围的垃圾打扫干净。

6.1.2传感器技术实验台介绍

CSY－2000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等组成。

1.主机箱

提供高稳定的±15V、±5V、＋5V、±2V－±10V（步进可调）、＋2V－＋24V（连续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；气压源0－20KPa（可调）；温度（转速）智能调节仪；计算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数显表；漏电保护开关等。

其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。

2.振动源

振动台振动频率1Hz－30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。

转动源手动控制0－2400转／分；自动控制300－2400转／分。

温度源范围常温－180℃。

3.传感器

传感器基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度（AD590）传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八个。

传感器增强型有基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器等。

4.实验模板

实验模板基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波共十块模板。

增强型增加与选配传感器配套的实验模板。

6.1.3传感器技术实验台使用

开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。

将AC　220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。

做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无后方可接通电源。

合上调节仪（温度开关）电源开关，调节仪的PV显示测量值；SV显示设定值。

合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。

1.维护

①防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面。

②实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。

2.故障排除

①开机后数显表都无显示，应查AC　220V电源有否接通；主机箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。

如都正常，则更换主机箱中主机电源。

②转动源不工作，则手动输入＋12V电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。

③振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。

④温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。

如都正常，则更换温度源。

6.2传感器技术实验内容

本课程共8学时，有20个实验可供选作。

6.2.1差动变压器的性能实验

1.实验目的

①了解差动变压器的工作原理和特性；

②掌握差动变压器的性能测试方法。

2.实验预习要点

①复习教材差动变压器基础知识；

②复习差动变压器的测试方法。

3.实验设备

差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

4.实验内容

差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

根据图6-1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图6-1差动变压器电容传感器安装示意图

①在模块上按图6-2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div）。

图6-2中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：

设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图6-2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图6-2中

（1）、

（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。

②旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表6-1。

从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

③实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表6-1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

图6-2差动变压器连结示意图

表6-1差动变压器位移X值与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

5.思考题

①用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHZ的振动幅值，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受什么影响？

②试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

6.2.2激励频率对差动变压器特性的影响

1.实验目的

①了解差动变压器内部结构；

②掌握初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。

2.实验预习要点

①复习教材差动变压器基础知识；

②复习差动变压器的性能测试方法。

3.实验设备

差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

4.实验内容

动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式

表示,式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。

①差动变压器安装同6.2.1。

接线图同图6-2。

②选择音频信号输出频率为1kHz，Vp-p＝2V。

从LV输出，（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1、Rw2使输出变得更小。

③用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置2.50mm处，有较大的输出。

④分别改变激励频率从kHz-9kHz，将测试结果记入表6-2。

作出幅频特性曲线。

表6-2不同激励频率时输出电压的关系

F（Hz）

1kHz

2kHz

3kHz

4kHz

5kHz

6kHz

7kHz

8kHz

9kHz

V0（v）

5.思考题

①什么是幅频特性，从表6-2可以得出什么结论？

②体会与建议。

6.2.3差动变压器零点残余电压补偿实验

1.实验目的

①了解差动变压器差动变压器的特性；

②掌握差动变压器零点残余电压补偿方法。

2.实验预习要点

①复习教材差动变压器基础知识；

②复习差动变压器的零点残余电压测试方法。

3.实验设备

差动变压器实验模板、音频振荡器、测微头、差动变压器、示波器。

4.实验内容

由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B－H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。

称其为零点残余电压。

①按图6-3接线，音频信号源从LV插口输出，实验模板R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。

图6-3零点残余电压补偿电路

②利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰－峰值。

③调整测微头，使差动放大器输出电压最小。

④依次调整RW1、RW2，使输出电压降至最小。

⑤将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。

⑥从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰-峰值）。

（注：

这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压＝V零点p-p／K，K为放大倍数）。

5.思考题

①请分析经过补偿后的零点残余电压波形。

②体会与建议。

6.2.4电容式传感器的位移实验

1.实验目的

①了解电容式传感器结构及其特点；

②掌握电容式传感器的测试方法。

2.实验预习要点

①复习教材电容式传感器基础知识；

②复习电容式传感器位移的测量方法。

3.实验设备

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。

4.实验内容

利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。

①按图6-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。

不然得调换接头。

一般接线：

二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。

图6-4电容传感器位移实验接线图

②将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔，如图图6-4所示。

③将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。

④接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表6-3。

表6-3电容传感器位移与输出电压值数据表

V（mv）

X（mm）

⑤根据表6-3数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

5.思考题

①试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

②体会与建议。

6.2.5直流激励时霍尔式传感器位移特性实验

1.实验目的

①了解霍尔式传感器原理与应用。

②掌握直流激励时霍尔式传感器的测试方法。

2.实验预习要点

①复习教材霍尔式传感器基础知识；

②复习直流激励时霍尔式传感器位移的测试方法。

3.实验设备

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元、相敏检波、移相、滤波模板、双踪示波器。

4.实验内容

根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

①将霍尔传感器按图6-5安装。

霍尔传感器与实验模板的连接按图5－2进行。

1、3为电源±4V，2、4为输出。

②开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。

③微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表6-4。

表6-4直流激励时输出电压和位移数据表

V（mv）

X（mm）

④作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

图6-5霍尔传感器安装示意图

图6-6霍尔传感器位移直流激励实验接线图

5.思考题

①本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

②体会与建议。

6.2.6交流激励时霍尔式传感器的位移实验

1.实验目的

①解交流激励时霍尔式传感器的特性；

②掌握交流激励时霍尔式传感器的测试方法。

2.实验预习要点

①复习教材差动变压器基础知识；

②复习差动变压器的零点残余电压测试方法。

3.实验设备

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元、相敏检波、移相、滤波模板、双踪示波器。

4.实验内容

交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。

①传感器安装同图6-5，实验模板上连线见图6-7。

图6-7交流激励时霍尔传感器位移实验接线图

②调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv端子输出信号。

该信号输出频率为1KHz，电压峰－峰值为4V（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。

③调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。

④调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。

⑤使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表6-5。

表6-5交流激励时输出电压和位移数据表

V（mv）

X（mm）

⑤根据表6-5数据作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。

5.思考题

①利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？

②体会与建议。

6.2.7霍尔测速实验

1.实验目的

①了解霍尔转速传感器的应用；

②掌握霍尔转速传感器的测速方法。

2.实验预习要点

①复习教材霍尔传感器的基础知识；

②复习霍尔转速传感器的测速的应用。

3.实验设备

霍尔转速传感器、直流源＋5V、转动源2－24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

4.实验内容

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，圆盘每转一周磁场就变化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量被测旋转物的转速。

①根据图6-8，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。

传感器的端面中心对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2～3ｍｍ。

图6-8霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图

②首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的2—24ｖ电压调节旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（显示选择打到20ｖ档）监测大约为１.25V；将转速调节中的＋2V－24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。

③将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。

④将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。

⑤将数显单元上的开关拨到转速档。

⑥调节转速调节电压使转动速度变化。

观察数显表转速显示的变化。

从2Ｖ开始记录每增加１Ｖ相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据）；画出电机的ｖ—ｎ（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。

5.思考题

①利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

②本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？

③体会与建议。

6.2.8电涡流传感器位移实验

1.实验目的

①了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性；

②掌握电涡流传感器测量位移的方法。

2.实验预习要点

①复习教材电涡流传感器的基础知识；

②复习电涡流传感器的位移测试方法。

3.实验设备

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

4.实验内容

通过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，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。

①根据图6-9安装电涡流传感器，根据图6-10接线。

图6-9电涡流传感器安装示意图

图6-10电涡流传感器位移实验接线图

②观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

③将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

④在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

⑤将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选择电压20V档。

⑥用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

⑦使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表6-6。

表6-6电涡流传感器位移X与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

⑧根据表6-6数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

5.思考题

①电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

②用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

③体会与建议。

6.2.9被测体材质对电涡流传感器特性影响

1.实验目的

①了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响；

②掌握电涡流传感器性能测量的方法。

2.实验预习要点

①复习教材电涡流传感器的基础知识；

②复习电涡流传感器的性能测试方法。

3.实验设备

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、铜和铝的被测体圆盘。

4.实验内容

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性能。

①根据6.2.8中图6-9安装电涡流传感器，根据图6-10接线。

②将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

③在测微头端部装上铝圆片，作为电涡流传感器的被测体。

④将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选择电压20V档。

⑤用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

⑥使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表6-7。

表6-7电涡流传感器位移X与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

⑦在测微头端部装上铝圆片，作为电涡流传感器的被测体，重复③-⑥将结果列入表6-8。

表6-8电涡流传感器位移X与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

⑧根据表6-7、表6-8数据分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

5.思考题

①当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？

②体会与建议。

6.2.10被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验

1.实验目的

①了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关；

②掌握电涡流传感器性能测量的方法。

2.实验预习要点

①复习教材电涡流传感器的基础知识；

②复习电涡流传感器的性能测试方法。

3.实验设备

直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同形状铝被测体二个、数显单元。

4.实验内容

电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。

①根据6.2.8中图6-9安装电涡流传感器，根据图6-10接线。

②在测微头上分别用三种不同的被测铝圆盘进行电涡位移特性测定，分别记入表6-9。

表6-9不同尺寸时的被测体特性数据表

X（mm）

被测体1

被测体2

③根据表6-9数据计算目前范围内三种被测体1号、2号的灵敏度、并说明理由。

5.思考题

①目前现有一个直径为10mm的电涡流传感器，需对一个轴直径为8mm的振动进行测量？

试说明具体的测试方法与操作步骤。

②体会与建议。

6.2.11电涡流传感器测量振动实验

1.实验目的

①了解电涡流传感器测量振动的原理；

②掌握电涡流传感器测量振动的方法。

2.实验预习要点

①复习教材电涡流传感器的基础知识；

②复习电涡流传感器测量振动的原理和方法。

3.实验设备

电涡流传感实验模板、电涡流传感器、低频振荡器、振动台、直流电源、检波、滤波模块、数显单元、测微头、示波器。

4.实验内容

根据电涡流传感器动态特性和位移特性，选择合适的工作点即可测量振幅。

①根据6.2.7中图6-8安装电涡流传感器，注意传感器端面与被测体振动台面（铝材料）之间的安装距离即为线形区域。

将电涡流传感器两端插入实验模板标有L的两端插孔中，实验模板输出端接示波器一个通道。

②将低频振荡信号接入振动台激励源插孔，一般应避开梁的自振频率,将振荡频率设置在6－10HZ之间。

③低频振荡器幅度旋钮初始为零，慢慢增大幅度，但振动台面与传感器端面不碰撞。

④用示波器观察电涡流实验模板输出端Vo波形，调节传感器安装支架高度，读取正弦波形失真最小时的电压峰－峰值。

⑤保持振动台的振动频率不变，改