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传感器技术实验指导书最新版本
传感器技术实验指导书
淮阴师范学院物理与电子电气工程学院
2012.9.10
1型传感器系统综合实验装置简介
实验台主要由试验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。
1.实验台部分
这部分设有1k～10 音频信号发生器、1～30 低频信号发生器、直流稳压电源±15V、+5V、±2-±10V、2-24V可调四种、 数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。
2.三源板部分
热源：
0~220V交流电源加热，温度可控制在室温~120
转动源：
2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500（转/分）
振动源：
装有振动台1—30（可调）
3.处理（模块）电路部分
包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、温度检测与调理、压力检测与调理等共十个模块。
4.数据采集、分析部分
为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件）。
14位转换、采样速度达300，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图等处理，能对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务。
二、实验内容
结合本装置的数据采集系统，不用外配示波器，可以完成大部分常用传感器的实验及应用。
实验一、金属箔应变片的性能研究
实验1金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
一、实验目的：
了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、实验仪器：
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验原理：
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
Δε，式中Δ为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δ为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
图1-1
图1-2
通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
（1-1）
E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为
。
四、实验内容与步骤
1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1234=350Ω。
2．从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端短接，输出端2接数显电压表（选择2V档），调节电位器4，使电压表显示为0V。
4的位置确定后不能改动。
关闭主控台电源。
3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节1,使电压表显示为零。
4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2，读取数显表数值，保持3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。
重量（g）
电压（）
表1－1
五、实验报告
根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δ×100％，式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；·S为满量程（200g）输出平均值。
六、注意事项
加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验2金属箔式应变片――半桥性能实验
一、实验目的：
比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、实验仪器：
同实验一
图2-1
实验3金属箔式应变片――全桥性能实验
一、实验目的：
了解全桥测量电路的优点。
二、实验仪器：
同实验一。
三、实验原理：
全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：
ε（3-1）
E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
四、实验内容与步骤
1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。
2．放大器调零，参考实验一步骤2。
3．按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节1，使电压表显示为零。
图3-1
4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节3，改变差动放大器的增益，使数显电压
表显示0.020V左右，读取数显表数值，保持3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表3-1，关闭电源。
表3-1
重量（g）
电压（）
五、实验报告
根据记录表3-1的实验资料，计算灵敏度ΔΔW，非线性误差δf3
六、思考题
比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
实验4直流全桥的应用——电子称实验
一、实验目的：
了解直流全桥的应用及电路的定标
二、实验仪器：
同实验一
三、实验原理：
电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。
四、实验内容与步骤
1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将电路调零
2．将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。
3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.00V，若不为0.00V，再次调节4调零。
4．重复2、3步骤的定标过程，直到精确为止，把电压量纲改为重量量纲即可以称重。
5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表，关闭电源。
表4-1
重量（g）
电压（）
五、实验报告
根据计入表4-1的实验资料，计算灵敏度ΔΔW，非线性误差δf4
作出输出电压-重量曲线。
实验二、霍尔及光电传感器测转速实验
实验1霍尔转速传感器测速实验
一、实验目的：
了解霍尔组件的应用—测量转速。
二、实验仪器：
霍尔传感器、+5V、2-24V直流电源、转动源、频率/转速表。
三、实验原理；
利用霍尔效应表达式：
，当被测圆盘上装有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。
本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。
四、实验内容与步骤
1．霍尔转速传感器及转动源已经安装于传感器实验箱
（二）上，其中霍尔转速传感器位于转动源的右边。
安装根据图15-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。
图15-1
2．将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端。
3.“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。
“2-24V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。
3．合上主控台电源，调节2-24V输出，观察转动源转速与电源的关系，并通过通信接口的第一通道1，用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。
电压（V）
转速
计算值
五、实验报告
1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。
2.观察并记录霍尔组件输出的脉冲波形
3.作出转速-电压曲线。
六、注意事项
1．转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。
2．转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。
3．转动源的输入电压不可低于2V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘，长时间也可能烧坏电机。
七、思考题
1、根据上面实验观察到的波形，分析为什么方波的高电平比低电平要宽。
2、测量转速还可以用什么传感器？
实验2光电转速传感器测速实验
实验目的：
1.了解光电传感器测转速的原理及运用；
2.了解光电池的光照特性，熟悉其应用。
3.了解光敏电阻的光照特性和伏安特性。
基本原理：
1.光电传感器由红外发射二极管、红外接收管、达林顿输出管及波形整形组成。
发射管发射红外光经电机反射面反射，接收管接收到反射信号，经放大，波形整形输出方波，再经转换测出频率。
2.在光照作用下，由于元件内部产生的势垒作用，在结合部使光激发的电子空穴分离，电子与空穴分别向相反方向移动而产生电势的现象称为光伏效应。
硅光电池就是利用这一效应制成的光电探测器件。
3.在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。
光电导效应是半导体材料的一种体效应。
光照愈强，器件自身的电阻愈小。
基于这种效应的光电器件称光敏电阻。
光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。
所需单元及部件：
电机控制单元、小电机、表、光电传感器、＋5V电源、可调±2V－±10V直流稳压电源、主副电源、示波器；硅光电池、直流稳压电源、数字电压表；光敏电阻、直流稳压电源、电桥平衡网络中W1电位器、表。
实验步骤
（一）：
光电传感器测转速实验
图1测速电路图
1.在传感器的安装顶板上，拧松小电机前面的轴套的调节螺钉，连轴拆去电涡流传感器，换上光电传感器。
将光电传感器控头对准小电机上小的白圆圈（反射面），调节传感器高度，离反射面2—3为宜。
2.传感器的三根引线分别接入传感器安装顶板上的三个插孔中（红色接＋2V，黑色接地，兰色接）。
再把和地接入数显表（表）的和地口。
3.合上主、副电源，将可调整±2V－±10V的直流稳压电源的切换开关切换到±4V，在电机控制单元的V＋处接入＋4V电压，调节转速旋钮使电机转动。
4.将表的切换开关切换到2K档测频率，表显示频率值。
可用示波器观察F。
输出口的转速脉冲信号（＞2V）。
5.根据测到的频率及电机上反射面的数目算出此时的电机转速。
即：
N＝表显示值÷2×60（）
6.实验完毕，关闭主、副电源。
实验步骤
（二）：
硅光电池特性实验
1．光电池在不同的照度下，产生不同的光电流和光生电动势。
它们之间的关系就是光照特性。
按图2安装接线（注意接线孔的颜色相对应）。
图2硅光电池光照特性实验接线图
2.电压表置2V档，直流稳压电源±4V档。
3.将＋4V接入仪器顶部光敏类类传感器盒＋4V端口。
4.将光强调节旋钮关至最小（逆时针旋转）。
记录此时电压表读数，这是外界自然光对硅电池的影响。
5.慢慢调节光强旋钮，发光二极管亮度增加，每旋转200，记录一个数据。
光强
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
输出
根据数据表格，作出实验曲线。
实验步骤（三）：
光敏电阻特性实验
1.
按图示接线
图3光敏电阻特性实验
2.将直流稳压电源±4V接入仪器顶部光敏类传感器盒±4V端口。
3.将光强调节旋钮关至最小（逆时针旋转），置2V档，调节W1电位使示值最小。
4..慢慢调节光强旋钮，发光二极管亮度增加，每旋转200，记录一个数据。
光强
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
输出
根据数据表格，作出实验曲线。
思考问题：
反射型光电传感器测转速产生误差大、稳定性差的原因是什么？
实验三、压电式传感器振动实验
一、实验目的：
了解压电式传感器的原理；掌握压电式传感器测量振动的原理和方法。
二、实验仪器：
振动源、低频振荡器、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块
三、实验原理：
压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。
四、实验内容与步骤
1．观察压电式传感器的结构，根据图19-1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。
压电传感器已安装在振动梁的圆盘上。
2．将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按下图19-1接线，合上主控台电源开关，调节低频幅度到最大、低频频率调到适当位置，使振动梁的振幅最大（达到共振）。
3．将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端1，用上位机观察压电传感器的输出波形。
图19-1
五、实验报告
1．观察并记录压电传感器在谐振时的输出波形
2.调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至适中，测微头移开平行梁，低频振荡信号接入激振线圈，调节频率，调节时用频率表监测频率，改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值，用示波器读出峰峰值填入下表，作出幅度-频率曲线，找出系统的共振频率。
频率（）
幅值（）
六、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。
3.相敏检波器输入含有一些直流成份与不含直流成份对电压表读数是否有影响，为什么？
4.根据实验数据，计算灵敏度的相对变化值，比较电压放大器和电荷放大器受引线电容的影响程度，并解释原因？
5.如何用压电传感器进行频率测量？
实验四、热敏电阻的特性研究
实验1100温度控制实验
一、实验目的：
了解智能模糊+位式调节温度控制原理。
二、实验仪器：
智能调节仪、100、温度源。
三、实验原理：
位式调节
位式调节（）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。
位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。
智能模糊调节
智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（）功能使得无需设置控制参数。
在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除饱和积分现象，当误差趋小时，采用算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。
温度控制基本原理
由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。
本实验仪采用智能模糊+位式双重调节控制温度。
用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可以节约实验时间。
当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻100的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。
智能温度控制原理框图如图27-1所示。
图27-1智能温度控制原理框图
三、实验内容与步骤
1．在控制台上的“智能调节仪”单元中“控制对象”选择“温度”，并按图27-2接线。
2．将2-24V输出调节调到最大位置，打开调节仪电源。
3．按住
3秒，窗口显示“
”进入智能调节仪参数设定，继续按
键直到窗口显示“
”，按
、
使窗口显示21，按“
”可改变小数点位置。
4．继续按
键使窗口显示“
”，按
、
使窗口显示1。
按住“
”键同时按住
3秒可回到初始状态，跳出参数设置。
5．按住
3秒，窗口显示“
”进入智能调节仪参数设定，按
、
使窗口显示50（上限报警值），按“
”可改变小数点位置。
6．继续按
键直到窗口显示“
”，按
、
使窗口显示0（下限报警值），按“
”可改变小数点位置。
继续按
键并设置参数，见下表。
7．设定好参数值，回到初始测量状态，按
或
键可修改窗口的给定值，按“
”键可改变小数点位置。
这里先设置为50.0。
8．回到初始测量状态按“
”键3秒不放，可进入自整定状态，此时窗口交替显示“
”字样和给定值。
经过一段时间就可以将温度源的温度控制在500C左右。
9．重复第5步和第7步，将给定值和上限报警值改为55，经过几个周期的振荡，可将温度源的温度稳定在新的给定值550C。
表27-1
参数
参数含义
说明
设置范围
实设定值
1
上限报警
测量值大于1值时将产生上限报警。
测量值小于1时仪表解除上限报警，设置1到其最大值（9999）可避免产生报警作用。
-19999999℃
或1定义单位
给定值
2
下限报警
测量值小于2值时将产生下限报警。
测量值大于2时仪表解除下限报警，设置1到其最大值（9999）可避免产生报警作用。
同上
9999
1
正偏差
报警
采用人工智能调节时，当偏差（测量值减给定值）大于1时产生正偏差报警。
当偏差小于1时正偏差报警解除。
设置1=9999，正偏差报警功能被取消。
0-99990C或1定义单位
9999
2
负偏差
报警
采用人工智能调节时，当偏差（测量值减给定值）大于2时产生负偏差报警。
当偏差小于2时负偏差报警解除。
设置2=9999，负偏差报警功能被取消。
同上
9999
回差（死区、滞环）
回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁/解除。
0-20000C或1定义单位
0
控制方式
0采用位时控制（），只适合要求不高的场合进行控制时采用。
1采用人工智能调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。
2启动自整定参数功能，自整定结束后自动设置为3
3采用人工智能调节时，自整定结束后仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定功能，以防止误操作重复启动自整定。
0-3
1
I
保持参数
I、P、d、t等参数为人工智能调节算法的控制参数
I参数值主要决定调节算法中积分的作用，和调节的积分时间类同。
0-9999或1定义单位
自动
设置
P
速率参数
P值类似调节器的比例带，但变化相反，P值越大，比例、微分作用成正比例增强，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。
1-9999
自动
设置
d
滞后时间
滞后时间参数d是人工智能算法相对标准算法而引进的新的重要参数，本表根据d参数来进行一些模糊规则运算，以便能较完善地解决超调现象及振荡现象，同时使控制响应速度最佳。
0-2000秒
自动
设置
t
输出周期
反映仪表运算调节的快慢，t值越大，比例作用增强，微分减弱，t值越小，则比例作用减弱，微分作用增强。
t值大于或等于5秒时，则微分作用被完全取消，系统成为比例或比例积分调节。
0-125秒
自动
设置
输入规格
用于选择输入规格21对应100；34对应0-5V电压输入
0-37
21
小数点位置
0显示格式为0000，不显示小数点
1显示格式为000.0，小数点在十位
2显示格式为00.00，小数点在百位
3显示格式为0.000，小数点在千位
0-3
1
输入下限显示值
用于定义输入信号下限刻度值
-19999999或1定义单位
0
输入上限显示值
用于定义输入信号上限刻度值，配合使用
同上
200
主输入
平移修正
用于对输入进行平移修正，以补偿传感器本身的误差
0.1或
1定义单位
0
输出方式
表示主输出方式，应和主输出上安装的模块类型一致
0-2
1
输出下限
通常作为限制调节输出最小值
0-220
0
输出上限
限制调节输出最大值
0-220
220
报警
输出定义
参数用于定义1、2、1、2报警功能的输出位置，由以下公式定义其功能：
×1×2×4×8×16
0时上限报警由继电器1输出，1时上限报警由继电器2输出
0时下限报警由继电器1输出，1时下限报警由继电器2输出
0时正偏差报警由继电器1输出，1时正偏差报警由继电器2输出
0时负偏差报警由继电器1输出，1时负偏差报警由继电器2输出
0报警时在下显示器交替显示报警符号，如1、2等
0-31
17
系统功能
选择
参数用于选择部分系统功能
0为反作用调节，输入增大时，输出趋向减小
1为正作用调节，输入增大时，输出趋向增大
0-1
0
通讯地址
仪表安装485通讯接口后用于定义仪表通讯地址
0-100
不设
波特率
仪表有通讯接口时定义通讯波特率
不设
输入
数字滤波
当因输入干扰而导致数字跳动时可采用数字滤波将其平滑，0表示没有任何滤波，值越大，测量值越稳定，但响应越慢。
0-20
0
运行状态
用于定义自动/手动工作状态
0手动调节状态
1自动调节状态
2自动调节状态，并禁止手动操作。
不需要手动功能时，该功能可防止因误操作而进入手动状态。
0-2
2
参数修改
级别
0允许修改现场参数、给定值。
1可以查看现场参数，不允许修改，但允许设定给定值。
2可以查看现场参数，不允许修改，也不允许设定给定值
808可设置全部参数和给定值
0-9999
0
1-
8
现场参数定义
定义现场参数，没用到用表示
不设
图27-2
实验2铂电阻温度特性实验
一、实验目的：
了解铂热电阻的特性与应用
二、实验仪器：
智能调节仪、100（2只）、温度源、温度传感器实验模块
三、实验原理：
利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。
当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值通过测量电路转换电信号，即可得到被测温度。
四、实验内容与步骤
1．重复实验1，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入另一只铂热电阻温度传感器100。
2．将±15V直流稳压
电源接至温度传
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