CSY实验指导书.docx
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CSY实验指导书
CYS传感器系统实验仪使用说明
CSY系列传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。
其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。
通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。
通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。
实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。
各款实验仪的传感器配置及布局是：
一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁，梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。
平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。
其中六片为金属箔式片（BHF-350）。
横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。
片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。
（CSY10B型应变梁上只贴有半导体应变计。
）
热电式（热电偶）：
串接工作的两个铜一康铜热电偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。
分度表见实验指导书。
（CSY10B型上梁表面安装一支K分度标准热电偶。
）
热敏式：
上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25℃时阻值为8~10K。
P-N结温度式：
根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的集成温度传感器。
压电加速度式：
位于悬臂梁自由端部，由PZT-5双压电晶片、铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。
实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。
圆盘周围一圈安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式、压阻式等传感器。
电感式（差动变压器）：
由初级线圈Li和两个次级线圈L。
绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>10mm。
电容式：
由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。
磁电式：
由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。
霍尔式：
半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。
电涡流式：
多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>1mm。
MPX压阻式：
摩托罗拉扩散硅压力传感器，差压工作，测压范围0~50KP。
精度1%。
（CSY10B）
湿敏传感器：
高分子湿敏电阻，测量范围：
0~99%RH。
气敏传感器：
MQ3型，对酒精气敏感，测量范围10-2000PPm，灵敏度RO/R＞5。
光敏传感器：
半导体光导管，光电阻与暗电阻从nMΩ至nKΩ
双孔悬臂梁称重传感器：
称重范围0~500g，精度1%。
光电式传感器装于电机侧旁。
两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。
为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，工作时能获得高于温度30℃左右的升温。
以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。
实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。
（CSY10B装有激振转换开关）
两支测微头分别装在左、右两边的支架上。
（CSY10B只有右边一支）
二、信号及仪表显示部分：
位于仪器上部面板
低频振荡器：
1~30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流1.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。
音频振荡器：
0.4KHz~10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180°、0°为反相输出，Lv端最大功率输出1.5A。
直流稳压电源：
±15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A。
±2V~±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。
1
2
数字式电压/频率表：
3位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度≥50mV，频率显示5Hz~20KHz。
指针式直流毫伏表：
测量范围500Mv、50mV、5mV三档，精度2.5%。
数字式温度计：
K分度热电偶测温，精度±1℃。
（CSY10B型）
三、处理电路：
位于仪器下部面板
电桥：
用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。
R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。
差动放大器：
增益可调直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。
光电变换器：
提供光纤传感器红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。
四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。
电容变换器：
由高频振荡、放大和双T电桥组成。
移相器：
允许输入电压20Vp-p，移相范围±40°（随频率不同有所变化）。
相敏检波器：
集成运放极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压≦20Vp-p。
电荷放大器：
电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。
电压放大器：
增益5倍的高阻放大器。
涡流变换器：
变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。
温度变换器（信号变换器）：
根据输入端热敏电阻值、光敏电阻及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。
低通滤波器：
由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。
使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。
仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的±15V工作电源，进行实验时请勿关掉。
指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。
实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，尽量避免电源短路情况的发生，加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。
实验工作台上各传感器部分如相对位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，原则上以按下振动梁松手，周边各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。
附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方，铜质砝码做称重实验。
实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。
本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度0℃~40℃。
实验一电阻应变片性能测试及应用
一、实验目的：
1．观察了解应变片的结构及粘贴方式。
2．测试应变梁变形的应变输出，比较各桥路间的输出关系。
3．了解应变式压力传感器在配料系统中的应用。
二、实验原理：
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，当测件受力发生形变，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，
。
由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验设备：
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。
四、实验步骤：
1．调零。
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，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。
调零后电位器位置不要变化。
如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。
拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
调零后关闭仪器电源。
2．按图2将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V。
图2
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
4．双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，记录差动放大器输出电压值，并列表。
位移mm
电压
V
根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝△X／△V，并在坐标图上做出V－X关系曲线。
5．按图2连接成半桥测试桥路，桥路中有两个桥臂和WD分别为固定电阻和直流调平衡电位器，另两个桥臂为应变片（可任选上、下梁中的两个，根据应变片阻值的变化方向正确接入桥路。
），重复上述步骤4。
6．按图2连接成全桥测试桥路，R1、R2、R3、R均为应变片，且R1与R2、R3与R阻值的变化方向相同，R1与R3阻值的变化方向相反，重复上述步骤4。
五、注意事项：
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。
2．接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
3．稳压电源不要对地短路。
六、思考题：
1．简述电阻应变式压力传感器的工作原理
2．试画出实验用的压力传感器的电阻分布形式，并对此类全桥式电阻应变式压力传感器的结构原理及计算进行分析。
3．造成应变片测量误差的因素有那些？
我们应怎样尽可能的减少误差？
实验二差动变压器特性及振动测量
一、实验目的：
1．了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。
2．了解差动变压器的实际应用。
二、实验原理：
差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。
其原理及输出特性见图3
三、实验设备：
差动变压器、音频振荡器、测微头、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器。
四、实验步骤：
（一）特性实验
1．按图4接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出，双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv／格。
2．音频振荡器输出频率5KHZ，输出值VP－P2V。
3．用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。
4．旋动测微头，带动差动变压器衔铁在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压VP－P值，读数过程中应注意初、次级波形的相位关系。
位移mm
电压V
5．仔细调节测微头使次级线圈的输出波形至不能再小，这就是零点残余电压。
可以看出它与输入电压的相位差约为π／2，是基频分量。
6．根据表格所列结果，画出Vop-p－X曲线，指出线性工作范围。
（二）差动变压器测振实验
1．按图5接线，调节好系统各部分。
2．低频振荡器接入“激振I”，使振动圆盘保持适当振幅。
3．维持低频振荡器输出幅度不变，用示波器观察低通滤波器的输出，电压／频率表2KHZ档接低频输出端，改变振荡频率从5HZ~30HZ，读出Vop-p值，填入下表：
f（HZ）
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
18
20
30
Vop-p
4．根据实验结果做出振动台的振幅――频率特性曲线，指出自振频率。
四、注意事项：
1．示波器第二通道为悬浮工作状态。
2．仪器中两副悬臂梁的固有频率因尺寸不同而不同。
3．衔铁位置可松开支架上小螺丝稍做上、下调节。
五、思考题：
1．如何补偿零点残余电压？
2．如何利用图5所示测量系统进行位移测量
实验三热电偶测温实验
一、实验目的：
1．观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。
2．了解由热电偶、温度调节器等构成的加热炉温度控制系统。
二、实验原理：
热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。
通过测量此电动势即可知道两端温差。
如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或0℃），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。
CSY系列实验仪中热电偶为铜一康铜（T分度）和镍铬-镍硅（K分度）。
由热电偶、温度调节器等构成的加热炉温度控制系统框图如图6所示：
三、实验设备：
热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计、加热炉温度控制系统
四、实验步骤：
（一）热电偶测温实验
1．打开电源，差动放大器增益放100倍，调节调零电位器，使差放输出为零。
2．差动放大器双端输入接入热电偶，打开加热开关，迅速将差动放大器输出调零。
3．随加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数。
4．本仪器上热电偶是镍铬-镍硅热电偶，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。
用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1。
E（t,to）=E（t,t1）+E（t1,to）
实际电动势测量所得电势温度修止电动势
式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，to为热电偶参考端温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度。
查阅镍铬-镍硅热电偶分度表，求出加热端温度t。
5.CSY10B型实验仪的K分度热电偶如插入数字式温度表端口，则直接显示℃温度值。
（二）、热电偶温度控制系统实验
1．在温控仪表上设定目标温度（300度）
2．启动一次电路，开始升温（由于实验时间有限，在实验开始这前老师已设好，并已开始预热炉子）
3．记下系统第一次上升到达目标值的时间，并开始每1分钟记录一个温度数据
4．记下系统第一次下降到达目标值的时间，并开始每1分钟记录一个温度数据
5．以后也是每1分钟记录一个温度数据，共计10分钟。
6．根据记录的温控系统的数据，画出系统响应曲线。
五、思考题：
1．自行分析实验数据（测得的K分度热电偶电压——温度关系），并对照标准K分度表，检测误差产生的原因，提出减小检测误差的方案。
2．如何进行热电偶的冷端温度补偿？
六、注意事项：
因为仪器中差动放大器放大倍数≈100倍，所以用差动放大器放大后的热电势并非十分精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。
镍铬―镍硅热电偶分度表
分度号：
K （自由端温度0℃）
工作端
温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0．000
0．039
0．079
0．119
0．158
0．198
0．238
0．277
0．317
0．357
10
0．397
0．437
0．477
0．517
0．557
0．597
0．637
0．677
0．718
0．758
20
0．798
0．838
0．879
0．919
0．960
1．000
1．041
1．081
1．122
1．162
30
1．203
1．244
1．285
1．325
1．366
1．407
1．448
1．489
1．529
1．570
40
1．611
1．652
1．693
1．734
1．776
1．817
1．858
1．899
1．949
1．981
50
2．022
2．064
2．105
2．146
2．188
2．229
2．270
2．312
2．353
2．394
60
2．436
2．477
2．519
2．560
2．601
2．643
2．684
2．726
2．767
2．809
70
2．850
2．892
2．933
2．975
3．016
3．085
3．100
4．141
3．183
3．224
80
3．266
3．307
3．349
3．390
3．432
3．473
3．515
3．556
3．598
3．639
90
3．681
3．722
3．764
3．805
3．874
3．888
3．930
3．971
4．012
4．054
100
4．095
4．137
4．178
4．219
4．261
4．302
4．343
4．384
4．426
4．467
实验四热电阻测温实验
一、实验目的
掌握热敏电阻的温度特性和测温方法。
二、实验原理：
用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高，可以应用于各领域的优点，热电偶一般测高温线性较好，热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便，本实验中所用热敏电阻为负温度系数。
负温度系数热敏电阻的电阻温度特性可表示为：
Rt＝RtoexpBn（1/T–1/To）
式中Rt、Rto分别为温度T、To时的阻值，Bn为电阻常数，它与材料激活能有关，一般情况下，Bn=2000~6000K，在高温时使用，Bn值将增大。
温度变化时热敏电阻阻值的变化导致运放组成的压/阻变换电路的输出电压发生相应变化。
三、实验设备：
热敏电阻、温度变换器、电压表、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
四、实验步骤：
1．观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入温度变换器Rt端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出Vo端电压值尽可能大但不饱和。
用温度计测出环境温度To并记录。
2.打开加热器，观察温度的温升和温度变换器Vo端的输出电压的变化情况，每升温1℃记录一个电压值，待电压稳定后记下最终温度T。
To（℃）
Vo（V）
根据表中数据作出V－T曲线，求出灵敏度S。
S＝△V／△T
五、思考题：
1．比较热敏电阻和热电偶测温各有何特点？
2．举例说明热敏电阻可以应用在哪些场合？
实验五霍尔传感器的应用
一、实验目的：
1．了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。
2．了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。
二、实验原理：
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。
当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。
霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
三、实验设备：
霍尔传感器、电桥、差动放大器、电压表、测微头移相器、相敏检波器、低通滤波器、音频振荡器、直流稳压电源、双线示波器。
四、实验步骤：
（一）静位移测量
1．按图7接线，装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置。
差动放大器增益适度。
开启电源，调节电桥WD，使差放输出为零。
上、下移动振动台，使差放正负电压输出对称。
2．上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值。
并记入下表，作出V－X曲线，求出灵敏度及线性。
X（mm）
V（v）
（二）振幅测量
1．按图7直流激励接线，将系统调零。
2．低频振荡器接“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。
3．进一步提高低频振幅，用示波器观察差动放大器输出波形，当波形出现顶部削顶时，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电压已不再随位移量的增加而线性增加。
4．再按图8交流激励接线，调节电桥与移相器，提压振动圆盘，使低通滤波器输出电压正负对称。
5．接通低频振荡器，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，并加以描绘。
解释在激励源为交流信号，位移变化信号也为交流时需采用相敏检波器的原因。
五、注意事项：
直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件。
六、思考题：
1．分析测量误差产生的原因？
如何减小测量误差？
2．利用霍尔元件设计一个电子秤。
实验六差动式电容传感器特性及应用
一、实验目的
1.掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
2.学会利用电容式传感器称重。
二、实验原理
电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
三、实验设备
电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头、砝码。
四、实验步骤
1．按图8接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。
2．装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。
3．以此为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。
记录数据，并作出V—X曲线，求得灵敏度。
X（mm）
0
V（v）
4．低频振荡器输出接“激振I”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。
5．以振动平台为载物台，以砝码作标准，用差动变面积式电容传感器设计一个数字式电子秤，并检验其测量误差。
G（g）
V（v）
五、注意事项
1．电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。
位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。
2．如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
3.由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并不回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向的采集。
六、思考题
1．试说明利用差动变面积式电容传感器称重的原理，分析产生的原因。
2．如何利用电容传感器测量物质中的含水量？
实验七光电传感器特性测试及应用
一、实验目的
1．
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