csy实验指导书 副本.docx

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csy实验指导书副本

CSY2001/2001B型传感器系统综合实验台简介

CSY2001/2001B型实验台分主机与实验模块二部分。

2001型主机：

传感器实验平台：

装有气敏、电容、PSD光电位置、热释电红外、光电（光断续器）、光电阻、集成温度、半导体热敏、铂热电阻、PN结温敏、热电偶、电涡流、磁电、压电加速度、霍尔、湿敏（RH、CH）、电感、双孔悬臂梁称重、半导体应变、金属箔式应变、MPX扩散硅压阻、光纤位移、光栅等二十余种经典和新型的传感器（传感器的种类可根据用户的需要增减）。

以及进行实验所需的两副双平行悬臂梁和螺旋测微仪、位移平台、温控电加热炉、支架、平台、旋转测速电机等，传感器接口位于仪器面板下侧排列。

主机内装有：

直流稳压电源：

+2V~+10V分五档输出，最大输出电流1.5A

+15V、+9V（12V）、激光电源，最大输出电流1.5A

音频信号源：

0.4KHz-10KHz输出连续可调，最大Vp-p值20V

00、1800端口反相输出

00、LV端口功率输出，最大输出电流1.5A

1800端口电压输出，最大输出功率300mw

低频信号源：

1Hz~30Hz输出，连续可调，最大输出电流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I、II的信号频率源。

转换开关的作用：

当倒向V0侧时，低频信号源正常使用，V0端输出低频信号，倒向Vi侧时，断开低频信号电路，Vi作为电流放大器输入端，输出端仍为V0端。

电压/频率表：

31/2位数字表、电压显示0~2V、0~20V两档，频率显示0~2KHz、0~20KHz两档，灵敏度≤50mv。

温控电加热器：

由热电偶控温的300W电加热炉，最高炉温400℃，实验控温200℃。

提供温度传感器热源及热电偶测温、标定及应变传感器加热等功能。

通信接口：

标准RS232口，提供实验仪与计算机通信接口。

数据采集卡：

12位A/D转换，信号输入端为电压/频率表的“IN”端。

气压源：

电动气泵，气压输出≤20KP；气压表：

满量程40KP。

整套仪器共有实验模块14个，实验模块电源统一为四芯标准接口。

2001B型主机:

装有磁电、压电加速度、半导体应变、金属箔式应变、衍射光栅等传感器,信号源、温控电加热器、显示仪表、电动气压源、数据采集及通信接口性能均与2001型相同。

分别安装在十余个实验模块面板上二十种传感器与2001型主机工作台上安装的传感器性能相同，其中电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器可在模块上做静态位移实验，也可安装在主机的振动台上做动态性能测试。

2001B型主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。

实验连接线均用灯笼状的插头及配套的插座，接触可靠，防旋防松脱，并可在使用日久断线后重新修复。

CSY2001/2001B型传感器实验台传感器性能、参数指标：

气敏传感器（MO3），对酒精敏感，测量范围10-2000ppm灵敏度RO/R>5

电容式传感器：

2001型:

平行变面积差动式电容，线性范围≥3mm。

2001B型:

圆筒变面积差动式电容,线性范围≥3mm。

热释电红外传感器：

光谱范围7~15μm,光频响应0.5~10HZ。

光电传感器：

红外发光管、光敏三极管及施密特整形电路组成的光断续器。

光电阻：

半导体材料制成的光敏传感器，阻值范围10MΩ~nKΩ。

集成温度传感器：

电流型集成温度传感器，测量范围-55-200℃。

热电偶：

标准热电偶镍铬—镍硅（K分度），温控热电偶镍铬—铜镍（E分度）。

半导体热敏电阻：

MF51，负温度系数，测温范围-50-300℃。

铂热电阻：

Pt100测温范围≤650℃。

PN结温敏二极管：

测温范围-40-150℃，精度1%。

光纤位移传感器：

双支Y型导光型光纤传感器，线性范围1.5mm。

电涡流传感器：

量程0-3mm,由扁平线圈和多种金属涡流片组成。

磁电传感器：

灵敏度0.4V/m/S，动铁与线圈组成。

霍尔传感器：

梯度磁场与锑化铟线性霍尔元件组成，测量范围+2.5mm。

压电加速度传感器：

PZT双压电晶片、质量块及压簧组成，频响>5Hz。

湿敏电容：

测量范围：

0-99%RH，线性度+2%。

湿敏电阻：

测量范围：

0-99%RH，阻值范围10MΩ-nkΩ。

差动变动器：

一组初级线圈、两组次级线圈及软磁铁心组成，测量范围+5mm。

称重传感器：

商用双孔悬臂梁结构，称重范围≤500克，精度1%。

半导体应变计：

BY型，灵敏系数120。

金属箔式应变计（贴于双平行悬臂梁上）：

BHF环氧基底防蠕变，工作片×4，温度补偿片×2，灵敏度系数2.06。

压阻式传感器：

MPX压阻式差压传感器,量程0-50KP，精度1%。

光栅莫尔条纹位移传感器:

测试精度1%mm。

（仅2001B型有）

CCD图象传感器：

光敏面尺寸：

1/3英寸。

工作电压12V。

实验操作须知：

1、使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。

2、了解测试系统的基本组成：

合适的信号激励源→传感器→处理电路（传感器状态调节机构）→仪表显示（数据采集或图象显示）

3、实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，2001型主机与模块的电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。

4、实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，为延长使用寿命，请捏住插头连接。

5、实验指导中的“注意事项”不可忽略。

传感器的激励信号不准随意加大，否则会造成传感器永久性的损坏。

6、本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化。

限于实验条件，有些实验只能做为定性演示（如湿敏、气敏传感器），能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。

7、本仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。

8、实验指导书中凡{}内均为CSY2001B型特有的内容。

实验一金属箔式应变计性能——应变电桥

实验目的：

1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。

2、测试应变梁变形的应变输出。

3、比较各桥路间的输出关系。

实验原理：

本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。

应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应

变片时，

；当二个应变片组成差动状态工作，则有

；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，

。

实验所需部件：

（括号{}内为2001B型内容）

直流稳压电源+4V、公共电路模块

（一）{公共电路模块}、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表

实验步骤：

1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。

输出端接电压表2V档。

开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。

（图1）

2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图

（1）将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。

将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。

3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。

调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。

4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：

位移mm

电压V

根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线，计算灵敏度S：

S=

。

注意事项：

1、实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。

2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。

3、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。

4、因为是小信号测试，所以调零后电压表应置2V档，用计算机数据采集时应选用200mv量程。

实验二金属箔式应变计三种桥路性能比较

实验原理：

已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/R、△2R/R、4△R/R。

根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于

·E·∑·∑R，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。

由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

实验所需部件：

直流稳压电源（+4V）、公共电路模块{应变式传感器实验模块}、箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表。

实验步骤：

1、在完成实验一的基础上，依次将图

（1）中的固定电阻R1，换接应变计组成半桥、将固定电阻R2、R3，换接应变计组成全桥。

2、重复实验一中实验3-4步骤，完成半桥与全桥测试实验。

3、在同一坐标上描出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。

注意事项：

应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。

实验三双孔应变传感器——称重实验

实验原理：

本实验选用的是标准商用双孔悬臂梁式称重传感器，四个特性相同的应变片贴在如图所示位置，弹性体的结构决定了R1和R3、R2和R4的受力方向分别相同，因此将它们串接就形成差动电桥。

当弹性体受力时，根据电桥的加减特性其输出电压为：

实验所需部件：

直流稳压电源、双孔悬臂梁称重传感器、公共电路模块

（一）{公共电路模块}，称重砝码（20克/个）、数字电压表。

（图2）

实验步骤：

1、观察称重传感器弹性体结构及贴片位置，连接主机与实验模块的电源连接线，开启主机电源，调节放大器调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。

2、接好传感器测试系统线路，称重传感器工作电压选用+4V，差动放大器增益为最大（100倍），输出端接电压表。

调节电桥WD调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。

3、逐步将砝码放上称重平台，调节增益电位器，使V0端输出电压与所称重量成一比例关系，记录W（克）与V（mv）的对应值，并填入下表：

W（克）

V（mv）

4、记录W与V值，并做出W-V曲线，进行灵敏度、线性度与重复性的比较。

5、与双平行悬臂梁组成的全桥进行性能比较。

注意事项：

称重传感器的激励电压请勿随意提高。

注意保护传感器的引线及应变片使之不受损伤。

实验四箔式应变计的温度效应及补偿

实验原理：

当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。

为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。

本实验中采用的是电桥补偿法，图（3）所示。

（图3）

实验所需部件：

贴于双平行悬臂梁上的温度补偿片（一片）、金属箔式应变片（一片）、直流稳压电源（+4V），公共电路模块

（一）、电压表、应变加热器、温度计（自备）

实验步骤：

1、按图

（1）接成单臂应变电桥，开启主机电源，调整系统输出为零。

记录环境温度T。

2、开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出温飘△V/△T，然后关闭加热电源，待其冷却。

4、将电桥中接入的一个固定电阻换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整系统输出为零。

5、开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，求出温飘，然后与未进行补偿时的电路进行比较。

注意事项：

在面板的箔式应变片接口中，从左至右6片箔式片分别是：

1、3为上梁工作片，2、4为下梁工作片，5、6为上、下梁的补偿片，请注意应变片接口上所示符号表示的相对位置。

“应变加热”源温度是不可控制的，只能达到相对的热平衡。

实验五半导体应变计性能

实验原理：

半导体应变计主要是根据硅半导体材料的压阻效应制成，当半导体晶体受到作用力时，晶体除产生应变外，电阻率也会发生变化。

与金属应变片相比，半导体应变计灵敏系数很高，可达100~200，但是在稳定性及重复性方面都不如金属箔式片。

实际使用时都是采用全桥工作形式。

实验所需部件：

贴于双平行悬臂梁上的半导体应变计（一片）、直流稳压电源（2V）、公共电路模块

（一）{公共电路模块}、电压表、应变加热器、温度计（自备）

（图4）

实验步骤：

1、按图（4）将应变计接入差动放大器、电桥、电压表、注意直流激励输出电压为2V，以免因为电压过高引起半导体应变计自热。

2、连接主机与公共电路模块的电源并开启，调节电桥WD电位器，使系统输出为零，此时差动放大器增益可置最大电压表可先置20V档。

3、用手提、压平行悬臂梁上下各约5mm,观察电路输出电压变化范围、应变梁弹性恢复及重复性情况。

4、打开“应变加热”开关，记录半导体单臂电桥的温飘情况。

（此时电压表应放20V档）

注意事项：

由于半导体应变计非常灵敏，当环境温度有微小变化时都会引起电桥电路输出电压变化。

随着加热温度的改变，半导体单臂电桥系统输出电压要有一个相当长的时间才能基本稳定。

实验六半导体应变计直流半桥测试

实验目的：

了解实际运用的半导体应变电桥的运用。

实验所需部件：

半导体应变计（二片）、直流稳压电源（2V）、公共电路模块

（一）{公共电路模块}、螺旋测微仪、电压表

（图5）

实验步骤：

1、在实验五的基础上按图（5）将固定电阻换成二片应变片，组成半导体半桥。

2、用螺旋测微仪将悬臂梁调至水平，激励电压接2V。

3、打开主机电源，调整电桥中WD电位器使电路输出为零。

4、按实验一步骤3-4进行操作，测出V-X值，画出V-X曲线，计算出灵敏度。

5、比较半导体应变计接成半桥后与单臂电桥的稳定性。

注意事项：

由于半导体半桥灵敏度高，输出信号较大，必要时可适当减小差动放大器增益。

实验七箔式应变计与半导体应变计性能比较

实验目地：

通过实验对两种应变电路的特性有充分的了解

实验所需部件：

直流稳压电源、箔式应变计、半导体应变计、公共电路模块

（一）{公共电路模块}、螺旋测微仪、数字电压表、应变加热器、温度计（自备）

实验步骤：

1、分别进行箔式应变单臂电桥与半导体应变单臂电桥实验，直流激励源统一为±2V，差动放大器增益置一固定位置，接线如图

（1）。

调整系统，在相同的外部环境下测得两组数据并填入下表：

位移Xmm

灵敏度

V半导体单臂

V箔式单臂

V半导体半桥

V箔式半桥

2、将电桥中R1固定电阻分别换成箔式片与半导体片，做半桥实验，测得的两组数据也填入上表。

3、在同一坐标上做出四条V-X曲线进行比较。

4、打开应变加热器，测得箔式应变电桥与半导体应变电桥的温飘，进行温度特性比较。

注意事项：

半导体应变计加热后温飘是非常大的，即使是加热到了相对的热平衡，但只要温度不是绝对稳定，电桥输出往往还是不能稳定，这不是仪器的毛病。

实验八移相器实验

实验目地：

说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。

实验原理：

图（6）为移相器电路示意图。

（图6）

由图可求得该电路的闭环增益G（S）：

则

当R1=R2=R3=R4=R5=10K时有

由正切三角函数半角公式可得

ω＞

时，输出相位滞后于输入，当ω＜

时，输出相位超前输入。

实验所需部件：

公共电路模块

（二）{公共电路模块}（移相器、相敏检波器、低通滤波器）、音频信号源、双线示波器

实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，音频信号源频率幅值旋钮居中，信号输出端连接移相器输入端。

2、打开主机电源，双线示波器两探头分别接移相器输入与输出端，调整示波器，观察两路波形。

3、调节移相器“移相”电位器，观察两路波形相应变化。

4、改变音频信号源频率，观察频率不同时移相器移相范围的变化。

5、对照移相器电路图分析其工作原理。

注意事项：

因为实验仪的音频信号是由函数发生器产生，不是纯正弦信号，所以通过移相器后波形局部有失真，这并非仪器故障。

正确选择双线示波器的“触发”方式及其它设置，以保证能看到移相波形的变化。

实验九相敏检波器实验

实验目的：

说明由施密特开关电路及运放组成的相敏检波器电路的原理。

实验原理：

相敏检波电路如图（7）所示：

图中①为输入信号端，②为交流参考电压输入端，③为检波信号输出端，④为直流参考电压输入端。

当②、④端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把①端输入的正弦信号转换成全波整流信号。

实验所需部件：

公共电路模块

（二）{公共电路模块}（相敏检波器、移相器、低通滤波器）、音频信号源、直流稳压电源、电压表、示波器

（图7）

实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，音频信号输出接相敏检波输入端①。

2、直流稳压电源2V档输出（正或负均可）接相敏检波器④端。

3、示波器两通道分别接相敏输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。

4、改变④端参考电压的极性，观察输入、输出波形的相位和幅值关系。

由此可以得出结论：

当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。

5、将音频振荡器00端输出信号送入移相器输入端，移相器的输出与相敏检波器的参考输入端②连接，相敏检波器的信号输入端①接音频00输出。

6、用示波器两通道观察附加观察插口⑤、⑥的波形。

可以看出，相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。

7、将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通输出端接数字电压表20V档。

8、示波器两通道分别接相敏检波器输入、输出端。

9、适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表电压值变化，然后将相敏检波器的输入端①改接至音频振荡器1800输出端口，观察示波器和电压表的变化。

由上可以看出，当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。

10、调节移相器“移相”旋钮，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入Vp-p值与输出直流电压的关系。

11、使输入信号与参考信号的相位改变1800，得出实验结果。

注意事项：

相敏检波器实验插口端的序数从左至右，从上至下为①—⑥号。

实验十箔式应变计组成的交流应变全桥

实验目的：

本实验说明交流激励的四臂应变电桥的原理及工作情况。

实验原理：

图（8）是交流全桥的一般形式。

当电桥平衡时，Z1Z4=Z2Z3，电桥输出为零。

若桥臂阻抗相对变化为△Z1/Z1、△Z2/Z2、△Z3/Z3、△Z4/Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。

交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。

交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。

（图8）

实验所需部件：

公共电路模块

（一）

（二）{公共电路模块}、音频信号源、箔式应变计（四片）、螺旋测微仪，电压表、示波器

实验步骤：

1、连接主机与实验模块的电源线，按图（8）正确接线，音频信号源幅度与频率旋钮居中，开启主机电源。

2、用螺旋测微仪调节悬臂梁至水平位置，调节电桥直流调平衡电位器WD，使系统输出基本为零，并用WA进一步细调至零，示波器接相敏检波器③端观察波形。

3、用手将悬臂梁自由端往下压至最低，调节“移相”旋钮使检敏检波器③端波形成为首尾相接的全波整流波形。

然后放手，悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中WD和WA电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。

4、装上螺旋测微仪，分别从水平位置将悬臂梁上移和下移5mm,测得数据填入下表：

Xmm

0

Vmv

0

在坐标上作出V-X曲线，求出灵敏度。

注意事项：

以后凡用交流信号激励的传感器测试电路的实验，电桥电路调节都可以参照上述实验的调节方式，以增加相位差，系统输出达到较高的灵敏度。

实验十一交流信号激励的称重传感器实验

实验目地：

称重传感器实际使用时一般都为交流激励，通过此实验验证交流激励较之直流激励可以使传感器提高抗干扰性和稳定性。

实验所需部件：

双孔悬臂梁称重传感器、称重砝码、音频信号源、公共电路模块

（一）

（二）、{应变式传感器实验模块、公共电路实验模块}、电压表、示波器

实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，参照图（8）连接称重传感器与信号源、差动放大器、移相器、相敏检波器与低通滤波器、电压表，示波器探头接相敏检波器③端。

2、开启主机电源，按交流全桥实验方式调节各部电路，使系统输出为零。

3、依次在称重盘上放上砝码，记录W（重量）、V（电压）值，并记录下表：

W（克）

Vmv

作出W-V曲线，计算灵敏度，并与直流激励的称重系统进行比较。

4、取走砝码，放上未知重量的物品，根据W-V曲线确定物品重量。

注意事项：

称重传感器量程为500克，实验时注意不要超出量程100%，请勿用力揿压。

实验十二交流激励频率对全桥的影响

实验目地：

通过改变交流全桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度。

实验所需部件：

音频信号源、公共电路模块

（一）

（二）、{公共电路模块、应变式传感器实验模块}、箔式应变计（四片）、称重传感器、电压表、螺旋测微仪