《传感器技术》实验指导书108.docx

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《传感器技术》实验指导书108

《传感器技术》实验指导书

福建农林大学计算机与信息学院电子信息工程系

目录

引言1

第一章传感器实验仪介绍2

第一节传感器实验仪台体简介2

第二节传感器参数性能说明2

第三节变换电路原理简介3

第四节其它部分简介4

第二章《传感器技术》实验仪实验指导6

实验一金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较6

*实验一金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较8

实验二差动变压器性能10

实验三差动变面积式电容传感的静态及动态特性12

实验四霍尔式传感器的直流激励静态位移特性14

引言

传感器是机电一体化中各种设备和装置的“感觉器官”，它将各种各样形态各异的信息量转换成能够被直接检测的信号。

在当今信息社会的时代，如果没有传感器，现代科学技术将无法发展。

传感器在机电一体化系统乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位。

为了适应这一时代发展的需要，全国各大中专院校及各类职业技术学校都相继将传感器教学纳入教学任务，作为电子、电器、测控以及工业自动化类专业的一门必修课。

ZY13Sens12BB型传感器技术实验仪是根据传感器的教学大纲，综合多所院校老师的教学意见开发的传感器系列实验系统。

主要用于各大、中专院校及职业院校开设的《传感器原理及技术》、《自动化检测技术》、《非电量电测技术》、《工业自动化仪表及控制》、《机械量电测》等课程的实验教学。

ZY13Sens12BB型传感器技术实验仪采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础，希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识及实验原理的理解，并在实验进行的过程中通过信号的拾取、转换、分析，掌握作为一个科技工作者应具备的基本的操作技能与动手能力。

ZY13Sens12BB型传感器技术实验仪内含15种传感器，基本涵盖了高校教学大纲中要求掌握的所有传感器。

各单元部件及变换处理电路的多种组合可以进行几十种传感器的实验；在外配双线示波器的情况下可以进行多种动态演示实验。

实验编排的层次从易到难、从静态到动态、从验证型到应用型，力求做到通俗易懂，贴近人的认知过程。

学生在实验之前应对相应实验内容进行预习，实验完成后根据原始记录进一步加深对实验原理的理解，力求完成实验后对所有的传感器能有全面的认识！

第一章传感器实验仪介绍

第一节传感器实验仪台体简介

实验仪主要由四部分组成：

传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。

一、传感器安装台部分

装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小电机、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线插孔、霍尔传感器的四个方形磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动磁芯、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动磁芯）及扩散硅压阻式压力传感器。

湿敏传感器及气敏传感器安装在表头面板上。

二、显示及激励源部分

包括电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V－±10V档位调节）、电压数字显示表、频率数字显示表、音频振荡器、低频振荡器、+15V不可调稳压电源。

三、实验主面板上传感器符号单元

所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。

四、处理电路单元

由电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。

ZY13Sens12BB实验仪共有15种传感器，配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。

第二节传感器参数性能说明

双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。

（注：

激振线圈Ⅰ控制振动双平衡梁，激振线圈Ⅱ控制振动盘。

做实验时注意正确接线。

）

一、差动变压器

量程:

≥5mm直流电阻：

5Ω－10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。

二、电涡流位移传感器

量程:

≥1mm直流电阻：

1Ω－2Ω多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。

三、霍尔式传感器

量程:

≥±2mm直流电阻：

激励源端口：

500Ω－1.5KΩ输出端口：

300Ω－500Ω

日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于方形磁钢构成的梯度磁场中。

四、热电偶

直流电阻：

10Ω左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T，冷端温度为环境温度。

五、电容式传感器

量程：

≥±2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。

六、热敏电阻

半导体热敏电阻NTC：

温度系数为负，25℃时为10KΩ。

七、光纤传感器

由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。

红外线发射、接收、直流电阻：

500Ω－1.5kΩ2×60股Y形、半圆分布。

八、压阻式压力传感器

量程：

10Kpa（差压）供电：

≤6V直流电阻：

Vs+---Vs-：

350Ω－450ΩVo+---Vo-：

3KΩ－3.5KΩ；美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。

九、压电加速度计

PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。

谐振频率：

≥10KHz，电荷灵敏度：

q≥20pc/g。

十、应变式传感器

箔式应变片阻值：

350Ω、应变系数：

2。

本实验仪共有六片应变片，做实验时从主面板单元符号引入。

十一、PN结温度传感器：

利用半导体PN结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。

灵敏度：

-2.1mV/℃。

十二、磁电式传感器

0.21×1000直流电阻：

30Ω－40Ω由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：

0.5v/m/s

十三、气敏传感器

MQ3型对酒精敏感的气敏传感器；测量范围：

50－2000ppm。

十四、湿敏电阻

高分子薄膜电阻型：

RH：

几兆Ω－几千Ω响应时间：

吸湿、脱湿时间小于10秒。

湿度系数：

0.5RH%/℃测量范围：

10％－95％工作温度：

0℃－50℃

第三节变换电路原理简介

传感器实验仪共有九种变换电路，其实验插孔均从面板上引出，按实验指导搭建电路可完成所有的实验。

一、电桥

用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。

二、差动放大器

通频带0～10KHz。

可接成同相、反相、差动结构，增益为1-100倍直流放大器。

三、电容变换器

由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。

四、电压放大器

增益约为5倍；同相输入；通频带0～10KHz。

五、移相器

允许最大输入电压10Vp-p；移相范围≥±20º（5KHz时）。

六、相敏检波器

可检波电压频率0～10KHz；允许最大输入电压10Vp-p。

极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。

七、电荷放大器

电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。

八、低通滤波器

由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。

九、涡流变换器

输出电压≥|8|V（探头离开被测物）

变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件。

十、光电变换座

由红外发射、接收组成。

第四节其它部分简介

一、二套显示仪表

1、数字式电压表

三位半数显，电压范围0－200mV、0—2V、0—20V。

2、数字式频率表

五位数显，频率范围0.4KHz－10KHz、1HZ－30HZ。

二、二种振荡器

1、音频振荡器

0.4KHz—10KHz输出连续可调，Vp-p值20V输出连续可调，180、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。

2、低频振荡器

1—30Hz输出连续可调，Vp-p值20V输出连续可调，最大输出电流0.5A。

三、二套悬臂梁、测微头

双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行位移与振动实验。

四、电加热器二组

电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温（注意加热时间不要超过2分钟）。

五、测速电机一组

由可调的低噪声高速直流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。

六、二组稳压电源

直流＋15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。

±2V—±10V分五档输出，最大输出电流1.5A。

提供直流激励源。

第二章《传感器技术》实验仪实验指导

实验一金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较

一、实验目的

1、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度并得出相应的结论。

二、实验内容

金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较。

（用测微头实现）

三、实验仪器

直流稳压电源、差动放大器、电桥、电压表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。



四、实验原理

已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为

、

、

。

根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于

，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为

和

。

由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

五、实验注意事项

1、直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大。

2、在更换应变片时应将电源关闭。

3、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。

4、在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。

5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。

六、实验步骤

1、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电压表的输入插口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电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。

2、按图1接线，图中R4为应变片，r及W1为调平衡网络。

3、调整测微头使测微头与双平行梁吸合，并使双平行梁处于水平位置（目测），然后将直流稳压电源打到±4V档，选择适当的放大增益。

调整电桥平衡电位器W1，使表头显示为零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。

图1

4、旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。

位移（mm）

电压（mv）

5、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使电压表显示表显示为零，重复4过程同样测得读数，填入下表。

位移（mm）

电压（mv）

6、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换

成，R2换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。

接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使电压表显示为零。

重复4过程将读出数据填入下表。

位移（mm）

电压（mv）

7、在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。

七、实验报告

详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

单臂电桥、半桥、全桥的灵敏度有何关系？

*实验一金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较

一、实验目的

1、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度并得出相应的结论。

二、实验内容

金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较。

（用砝码实现）

三、实验仪器

直流稳压电源、差动放大器、电桥、电压表、应变片、砝码、主、副电源。

四、实验原理

已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为

、

、

。

根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于

，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为

和

。

由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

五、实验注意事项

1、做此实验之前，应使测微头脱离双平行梁。

2、直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大。

3、在更换应变片时应将电源关闭。

4、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。

5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。

六、实验步骤

1、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电压表的输入插口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电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。

2、根据图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，电压表置20V档。

开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使电压表显示为零，等待数分钟后将电压表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使电压表显示为零。

3、在传感器双平行梁的磁铁上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。

根据所得结果计算系统灵敏度

，并作出V-W关系曲线，

为电压变化率，

为相应的重量变化率。

重量（g）

电压（mV）

4、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节电桥W1使电压表显示表显示为零，重复（3）过程同样测得读数，填入下表：

重量（g）

电压（mV）

5、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。

接成一个直流全桥，调节电桥W1同样使电压表显示零。

重复（3）过程将读出数据填入下表：

重量（g）

电压（mV）

6、在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。

实验二差动变压器性能

一、实验目的

了解差动变压器原理及工作特性。

二、实验内容

验证变压器式电感传感器的原理和工作特性。

三、实验仪器

音频振荡器、测微头、示波器、主、副电源、差动变压器（两副边L0的下端为同名端）、振动平台。

四、实验原理

差动变压器由一只初级线圈和二只次级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。

五、实验注意事项

1、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。

2、差动变压器次级的两个线圈必须接成差动形式（同名端相接）。

3、音频振荡器的信号必须从LV输出端输出。

六、实验步骤

1、根据图2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，观察差动变压器原边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。

图2

2、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。

3、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。

（式中

为电压变化，

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）

七、实验报告

详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

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？

由于什么原因造成的？

实验三差动变面积式电容传感的静态及动态特性

一、实验目的

了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。

二、实验内容

利用差动变面积式电容传感器的特性进行静态位移测量及动态测量。

三、实验仪器

电容传感器、电压放大器、低通滤波器、电压表、激振器、示波器。

四、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，与两组静片之间的相对面积发生变化，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。

五、实验注意事项

1、差动放大器增益旋钮置于中间，电压表置于2V档。

2、调整电容传感器，使电容传感器的一组动片和两组定片不相碰。

3、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。

六、实验步骤

1、根据图3接线。

图3

2、电压表打到2V，调节测微头，使输出为零。

3、以此为起点，向上和向下转动测微头,每次0.5mm，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。

位移（mm）

电压（mV）

4、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。

位移（mm）

电压（mV）

5、计算系统灵敏度Ｓ。

（式中

为电压变化，

为相应的梁端位移变化），并作出Ｖ－Ｘ关系曲线。

6、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。

七、实验报告

详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

如果不着重调整电容片的相对位置，会有什么现象？

实验四霍尔式传感器的直流激励静态位移特性

一、实验目的

了解霍尔式传感器的原理与特性。

二、实验内容

利用霍尔式传感器的特性在直流激励下测量静态位移。

三、实验仪器

霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、电压表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。

四、实验原理

霍尔式传感器是由工作在四个方形磁钢组成的梯度磁场和位于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态位移。

五、实验注意事项

1、差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置2V档，直流稳压电源置±2V档，关闭主、副电源。

2、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。

3、一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。

4、激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。

六、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，四个方形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4接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。

图4

3、装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于方形磁钢上下之间正中位置。

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。

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。

七、实验报告

详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

霍尔传感器的特点？