0传感器与检测技术实验验指导书.docx
《0传感器与检测技术实验验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《0传感器与检测技术实验验指导书.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
0传感器与检测技术实验验指导书
《传感器与检测技术》
实验指导书
湖北文理学院物电学院
二O一六年九月
目录
实验要求2
实验预习报告内容及格式2
实验报告内容及格式3
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥3
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较5
实验三热电偶原理及现象7
实验四霍尔式传感器的特性—直流激励8
实验五压电传感器的动态响应实验10
实验六光纤位移传感器静态特性实验11
实验七气敏传感器（MQ3）实验13
实验八湿敏电阻（RH）实验16
附录一、CSY传感器实验仪使用说明书17
附录二、传感器安装示意图及面板示意图20
实验要求
1.进入实验室前完成的部分
1）认真阅读实验指导书，明确实验内容，弄懂实验原理。
2）写出预习报告。
2.进入实验室后完成的部分
1）按预习报告中的实验步骤做实验，修改预习报告中有问题的内容。
2）在预习报告中记录实验结果。
3.实验结束后的部分
对实验过程、结果进行分析、总结，写出实验报告。
实验预习报告内容及格式
1.实验目的
2.实验原理
3.所需CSY传感器实验仪单元及部件
4.实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸
实验报告内容及格式
1.实验目的
2.实验原理
3.所需CSY传感器实验仪单元及部件
4.实验内容、步骤及实验结果
5.实验总结
主要包括思考题的解答、对实验过程中的错误描述及错误产生原因的分析、本次实验的收获等。
此项为实验成绩评定的重要依据。
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥
实验目的：
了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。
实验原理：
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的电源的原理和工作情况。
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，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻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量电路中的一种，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，ΣR=△R／R；当二个应变片组成差动状态工作．则有ΣR=2△R／R，用四个应变片组成二个差对工作，且R1=R2=R3=R4=R，ΣR=4△R／R。
其中R1、R2、R3、R4、R的电阻值均为350Ω左右。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
所需CSY传感器实验仪单元及部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁和测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。
旋钮初始位置：
直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大100倍,顺时钟旋到头。
实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸：
（1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
（2）差动放大器调零：
①先用连线将差动放大器输入端的正（＋）负（－）与地短接，再将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi相连；②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F／V表显示为零；③关闭主、副电源，拆去连线。
（3）首先根据图１接线（图１中的R1、R2、R3为单臂电桥单元的固定电阻，R4=Rx为应变片）。
再将稳压电源的切换开关置±2V档，F／V表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示小于2V，然后再将F／V表置2V档，继续调节电桥W1电位继（慢慢地调），使F／V表显示为零。
图１
（4）将测微头转动到10mm刻度，安装到双平行梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化），使F／V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
（5）往下顺时针旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：
位移（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压（mV）
（6）根据所得结果计算灵敏度S单＝ΔV／ΔX=（式中ΔX为梁的自由端位移变化,ΔV为相应F／V表显示的电压相应变化）。
（7）将测微头旋转回到原来的零点，既F/V表显示为零为止。
（8）实验完毕，关闭主、副电源。
注意事项：
（1）电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。
（2）做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
问题：
（1）本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？
（2）根据所给的差动放大器电路原理图，分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较
实验目的：
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
实验原理：
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
已知单臂、半桥和全桥电路的ΣR分别为△R/R、2△R/R、4△R/R。
根据戴维定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于l／4·E·ΣR，电桥灵敏度KU＝V／△R/R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为l／4E、l／2E和E。
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。
所需CSY传感器实验仪单元及部件：
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F／V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
旋钮的初始位置：
直流稳压电源打到±2V档，F／V表打到2V档，差动放大器增益打到最大。
实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸：
（1）按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源，拆去连线。
（2）按图1接线，图中R4=Rx为工作片，r及W1为调平衡网络。
（3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到±2V档。
差动放大器增益打到最大，然后调整电桥平衡电位器W1，使表头显示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。
（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）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
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，组成半桥电路，调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表，并计算灵敏度S半=。
位移（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压（mv）
（6）将测微头旋转回到原来的零点，既F/V表显示为零。
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，组成直流全桥电路（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）。
接成一个直流全桥后，调节电桥W1同样使F／V表显示零。
重复（4）过程将读出数据填入下表，并计算灵敏度S全=。
位移（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
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，试说出它们之间的关系。
注意事项：
（1）在更换应变片时应将电源关闭。
（2）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。
（3）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。
（4）直流稳压电源±2V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。
（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验三热电偶原理及现象
实验目的：
了解热电偶的原理及现象
所需CSY传感器实验仪单元及部件：
－15V不可调直流稳压电源、差动放大器、F／V表、加热器、热电偶（10Ω）、温度计、主副电源。
旋钮初始位置：
F／V表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。
实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸：
（1）了解热电偶原理：
二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。
具体热电偶原理参考教课书。
（2）了解热电偶在实验仪上的位置及符号，（参见附录二）实验仪所配的热电偶是由铜＿康铜组成的简易热电偶，分度号为T。
实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。
（3）按图3接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F／V表显示零，记录下自备温度计的室温。
图3
（4）将－15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F／V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F／V表显示的读数E。
（5）用温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来。
（注意：
温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。
（6）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：
Eab（t,to）=Eab（t,tn）+Eab（tn,to）
其中：
t-----热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。
tn-----热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。
To-----0℃
1．热端温度为t,冷端温度为室温时热电势。
Eab（t,tn）=（f/v显示表E）/100*2（100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联）。
２.热端度为室温，冷端温度为0℃，铜－康铜的热电势：
Eab（tn,to）:
查以下所附的热电偶自由端为0℃时的热电势和温度的关系即铜－康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。
3．计算：
热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势，Eab（t,to）,根据计算结果，查分度表得到温度t。
（7）热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。
（注意：
本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。
（8）实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器－15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去－15V电源连接线）其它旋钮置原始位置。
铜－康铜热电偶分度表（自由端温度0°C）
分度号：
T
工作端温度°C
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.383
-0.421
-0.459
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.720
0
-.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.147
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.822
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.483
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.3012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
思考：
（1）为什么差动放器接入热电偶后需再调差放零点？
（2）即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也了会有很大误差，为什么？
实验四霍尔式传感器的特性—直流激励
实验目的：
了解霍尔式传感器的原理与特性。
实验原理：
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。
当霍尔元件通过恒定电流时，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。
所需CSY传感器实验仪单元及部件：
霍尔片（激励源输入端口：
700Ω－1.5KΩ输出端口：
200Ω－500Ω）、磁路系统、电桥、差动放大器、F／V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。
有关旋钮初始位置：
差动放大器增益旋钮打到最小放大倍数为1倍，F／V电压表置２Ｖ档，直流稳压电源置±２Ｖ档，主、副电源关闭。
实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸：
（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，霍尔片引脚符号如图6A所示。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。
图6A
（2）开启主、副电源将差动放大器增益置最小调零（调零请参见实验一的第2步接线），调零后关闭主电源，拆除调零接线，再根据图6B接线，其中Ｗ１、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
图6B
（3）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
既在调节测微头的上下位置时用数字万用表测试霍尔片输出端的电压，如果电压为零则此时此刻霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
（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±3mm，记下电压表的读数，建议每0.5mm读一个数，将读数填入下表：
X（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
V（mv）
X（mm）
0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3
V（mv）
根据上表数据作出Ｖ－Ｘ曲线，指出线性范围，并求出其灵敏度Ｓ＝。
（6）实验完毕关闭主、副电源。
注意事项：
（1）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。
（2）一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。
（3）激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。
（4）霍尔片输入输出信号千万不能接错，否则烧毁霍尔片输出端。
实验五压电传感器的动态响应实验
实验目的：
了解压电式传感器的原理、结构及应用。
所需CSY传感器实验仪单元及部件：
低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、Ｆ／Ｖ表、主、副电源、振动平台。
有关旋钮的初始位置：
低频振荡器的幅度旋钮置于最小，F／V表置Ｆ表２ＫＨＺ档。
实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸：
（1）观察压电式传感器的结构，根据图5的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。
并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。
图5
（2）将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。
（3）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表：
F（HZ）
5
7
10
12
15
17
20
23
25
V（p-p）
（4）示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较观察其波形相位差。
思考：
（1）根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？
（2）试回答压电式传感器的特点。
比较磁电式传感器输出波形的相位差Δφ大致为多少？
为什么？
实验六光纤位移传感器静态特性实验
实验目的：
了解光纤位移传感器的原理结构、性能。
实验原理：
反射式光纤位移传感器的工作原理如图8A左图所示，光纤采用Y型结构。
两束多膜光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用，当光发射器发出的红外光，经光源光纤照射至反射面，被反射的光经接收光纤至光电转换器将接受到的光信号转换为电信号。
其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到的位移量与感应电势图如图8A右图所示。
图8A
所需CSY传感器实验仪单元及部件：
主副电源、差动放大器、F/V表、光纤传感器（500Ω~2.0KΩ）、振动台。
旋钮初始位置：
F/V表切换开关置于2V档，差放增益最大，主、副电源关闭。
实验内容、步骤及记录实验结果的表格或图纸：
（1）观察光纤位移传感器结构，
升级会员 