传感器技术实验指导书 N1018ZY13Sens12SB版要点.docx

传感器技术实验指导书 N1018ZY13Sens12SB版要点.docx

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传感器技术实验指导书N1018ZY13Sens12SB版要点

传感器技术

实验指导书

（ZY13Sens12SB版）

电子信息工程系

前言

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。

ZY13Sens12SB型传感器技术实验台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。

ZY13Sens12SB型传感器技术实验台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。

目录

第一章传感器实验台介绍1

第二章使用说明5

第三章传感器实验台实验指导6

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥6

实验二金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较7

实验三差动变压器的性能9

实验四霍尔式传感器位移特性及其应用11

实验五压电传感器引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响12

实验六光纤传感器的位移测量实验14

第一章传感器实验台介绍

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）、扩散硅压阻式压力传感器、气敏传感器及湿敏元件。

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。

教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。

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控制振动盘，激振线圈Ⅱ控制振动双平衡梁。

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

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1HZ～10KHZ。

二、二种振荡器

1、音频振荡器

1KHz—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。

第二章使用说明

一、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、位移及振动结构的工作范围做到心中有数。

二、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（或图象显示）

三、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，变换电路电源的引入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。

四、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，请捏住插头插拔。

五、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。

六、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。

七、本仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。

八、本实验仪器在仪表面板上安装的电机转动调节下方的开关是控制光纤实验时的光源的，在进行光纤实验时请打开，不用时请关闭。

第三章传感器实验台实验指导

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥

一、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。

二、实验内容：

了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。

（用测微头实现）

三、实验仪器：

直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、电压表、主、副电源。

四、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：

∆R/R=Ku式中∆R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,u=∆l/l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元件，通过它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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压UOL=EKu/4。

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，差动放大增益最大。

2、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，目的是为了让学生组桥容易。

3、做此实验时应将低频振荡器的幅度旋至最小，以减小其对直流电桥的影响。

六、实验步骤：

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、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。

3、根据图１接线。

R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。

RX=R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，电压表置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，使电压表显示为零，然后将电压表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使电压表显示为零。

4、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平衡梁的自由端（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）使电压表显示最小，再旋动测微头，使电压表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。

5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下电压表显示的值。

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）

电压（mv）

6、根据所得结果计算灵敏度S=∆V/∆X（式中∆X为梁的自由端位移变化，∆V为相应电压表显示的电压相应变化）。

7、实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。

七、实验报告：

在实验报告中填写《实验报告一》，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：

本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？

实验二金属箔式应变片：

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ΣR分别为∆R=R、2∆R=R、4∆R/R。

根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于UO1=EKu/4，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为EKu/2和EKu。

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。

2、按图1接线，图中R4为应变片，r及W1为调平衡网络。

3、调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到±4V档。

选择适当的放大F[增益，然后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）。

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：

在实验报告中填写《实验报告二》，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？

实验三差动变压器的性能

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

差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。

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）。

注意传感器引线的接法：

红线接1号端子；黑线接2号端子；蓝线接3号端子；绿线接4号端子；黄线接5、6号端子。

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3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，在模块上按3－2接线，1、2接示波器第一通道，3、4接示波器第二通道。

音频振荡器信号必须从主控台中Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4——5KHz（可用主控台的频率表Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp－p＝4V（可用示波器监测）。

图3－1差动变压器安装示意图

图3－2双线示波器与差动变压器连线示意图

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.5mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表，再由Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

X（mm）

V（mv）p-p

4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表中数据画出Vop-p－X曲线，作量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

七、实验报告

在实验报告中填写《实验报告三》，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

1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

2、当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双踪示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？

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？

实验四霍尔式传感器位移特性及其应用

一、实验目的

1、了解霍尔式传感器的原理与特性。

2、了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。

二、实验内容

1、利用霍尔式传感器的特性在直流激励下测量静态位移。

2、利用霍尔传感器的特性用于电子秤的应用。

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、砝码、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。

电子秤实验原理即霍尔传感器的直流激励特性原理。

通过对电路调节使电路输出的电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即可成为一台原始电子秤。

五、实验注意事项

1、利用霍尔式传感器的特性在直流激励下测量静态位移。

1）差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置20V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。

2、利用霍尔传感器的特性用于电子秤的应用。

1）直流稳压电源置±2V档，电压表置2V档，主、副电源关闭。

2）此霍尔传感器的线性范围较小，所以砝码和重物不应太重。

3）砝码应置于平台的中间部分，避免平台倾斜。

六、实验步骤

1、利用霍尔式传感器的特性在直流激励下测量静态位移。

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4-1接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。

图4-1霍尔传感器接线图

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）

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。

2、利用霍尔传感器的特性用于电子秤的应用。

1）开启主、副电源将差动放大器调零，关闭主、副电源。

2）调节测微头脱离平台并远离振动台。

3）按图4-1接线，开启主、副电源，将系统调零。

4）差动放大器增益调至最小位置，然后不再改变。

5）在称重平台上放上砝码，填入下表：

W（g）

V（v）

七、实验报告

在实验报告中填写《实验报告四》，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？

实验五压电传感器引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响

一、实验目的：

验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用。

二、实验内容：

采用相同的测试电路，了解引线对电压放大器和电荷放大器的影响。

三、实验仪器：

低频振荡器、电压放大器、电荷放大器、低通滤波器、相敏检波器、电压表、单芯屏蔽线、差动放大器、直流稳压源、双线示波器。

四、实验原理：

压电传感器的前置放大器有两个作用：

一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电传感器输出的弱信号。

根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号。

因此设计前置放大器也有两种形式：

一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。

五、实验注意事项：

1、低频振荡器的幅度旋钮置于最小，电压表置于20V档，差动放大器增益旋钮至最小，直流稳压电源输出置于4V档。

2、低频振荡器的幅度要适当，以免引起波形失真。

3、梁振动时不应发生碰撞，否则将引起波形畸变，不再是正弦波。

4、由于梁的相频特性影响，压电式传感器的输出与激励信号一般不为1800，故表头有较大跳动，此时，可以适当改变激励信号频率，使相敏检波输出的两个半波尽可能平衡，以减少电压表跳动。

六、实验步骤：

1、按图5-1接线，相敏检波器参考电压从直流输入插口输入，差动放大器的增益旋钮旋到适中。

直流稳压电源打到±4V档。

图5-1接线图

2、示波器的两个通道分别接