传感器实验内容.docx

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传感器实验内容

CSY－3000型传感器与检测技术实验台

说　　明　　书

CSY3000型传感器与检测技术实验台是本公司为适应不同类别、不同层次的专业需要，在2000系列传感器与检测技术实验台的基础上，增加了一些光电传感器而最新推出的模块化的新产品。

CSY－3000型传感器与检测技术实验台，主要用于各大专院校、中专及职业技术院校开设的“自动检测技术”“传感器原理与技术”“工业自动化控制”“非电量电测技术”等课程的教学实验。

它是采用最新推出的模块化结构的产品。

实验台上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的理解，并在实验的进行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有的基本的操作技能与动手能力。

一、实验台的组成

CSY－3000型传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。

1、主机箱：

提供高稳定的±15V、±5V、＋5V、±2V～±10V（步进可调）、＋2V～＋24V（连续可调）直流稳压电源；直流恒流源0.6mA～20mA可调；音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；气压源0～20KPa（可调）；智能调节仪（器）；计算机通信口；主控箱面板上装有电压、电流、频率转速、气压、光照度数显表；漏电保护开关等。

其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能，在排除接线错误后重新开机一下才能恢复正常工作。

　　2、振动源：

振动台振动频率1Hz～30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。

　　3、转动源：

手动控制0～2400转／分；自动控制300～2200转／分。

　　4、温度源：

常温～200℃。

5、气压源0～20KPa（可调）；

　　6、传感器：

基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器、光照度探头、纯白高亮发光二极管、红外发光二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、反射式光电开关共二十六个（其中二个发光源）。

　　增强型：

基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器、色敏传感器。

　　7、调理电路（实验模板）：

基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波共十块模板。

增强型还增加与选配传感器配套的实验模板。

　　8、数据采集卡及处理软件，另附。

　　9、实验台：

尺寸为1600×800×750mm，实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。

二、电路原理

实验模板电路原理已印刷在面板上（实验模板上），实验接线图参见下文中的具体实验内容。

三、使用方法

1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。

　　2、将AC　220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。

　　3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。

4、合上调节仪（器）电源开关，在参数及状态设置好的情况下，调节仪的PV窗口显示测量值；SV窗口显示给定值。

5、合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。

6、数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。

四、仪器维护及故障排除

　1、维护

　⑴　防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面损坏。

　⑵　实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。

　2、故障排除

⑴　开机后数显表都无显示，应查AC　220V电源有否接通；主控箱侧面AC　220V插座中的保险丝是否烧断。

如都正常，则更换主控箱中主机电源。

　　⑵　转动源不工作，则手动输入＋12V（0—24V可调）电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压（将可调24V电源调节到电机相应的工作电压情况下），如无电压，更换主控箱中的转速控制板。

否则更换智能调节仪。

　　⑶　振动源不工作，检查主控箱面板上的低频振荡器有无输出（调节较大幅度后调节频率），如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。

　　⑷　温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。

如都正常，则更换温度源。

五、注意事项

1、在实验前务必详细阅读实验指南。

2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主控箱的面板和实验模板面板。

3、严禁将主控箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。

4、严禁将主控箱的±电源引入实验模板时接错。

　5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

　6、实验完毕后，请将传感器及实验模板放回原处。

7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。

六、随机附件详见装箱清单

（一）

实验一应变片单臂电桥性能实验

一、实验目的：

了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

二、基本原理：

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应

　　所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：

设其长为：

L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得

（1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：

（1—2）

式中：

dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr 

由材料力学得：

                εL=-μεr         （1—3）

式中：

μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度

   它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

（1）、金属导体的应变灵敏度K：

主要取决于其几何效应；可取

（1—5）

其灵敏度系数为：

K=

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

（2）、半导体的应变灵敏度：

主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。

在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

   半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

3、贴片式应变片应用

在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右

的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。

（a）丝式应变片                                       （b）箔式应变片

图1—1应变片结构图

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，与丝式应变片工作原理相同。

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：

ΔR／R＝Kε式中：

ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。

5、测量电路

  为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图1—2应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1—3应变片单臂电桥性能实验原理图

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。

桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。

差动放大器输出为Vo。

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；4

位数显万用表（自备）。

四、实验步骤：

应变传感器实验模板说明：

应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。

实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。

加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。

多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。

1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。

图1—4传感器托盘安装示意图

2、测量应变片的阻值：

当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4

的阻值。

在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：

阻值变大，受压的应变片：

阻值变小。

）。

图1—5测量应变片的阻值示意图

3、实验模板中的差动放大器调零：

按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换

开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

图1—6差动放在器调零接线示意图

4、应变片单臂电桥实验：

关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码（尽量靠近托盘的中心点放置），读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。

图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图

表1应变片单臂电桥性能实验数据

重量（g）

0

电压（mV）

0

5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS×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：

yFS满量程输出平均值，此处为200g。

实验完毕，关闭电源。

实验二应变片半桥性能实验

一、实验目的：

了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。

二、基本原理：

应变片基本原理参阅实验一。

应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。

不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。

其桥路输出电压Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE。

图2—1应变片半桥特性实验原理图

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。

2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。

读取相应的数显表电压值，填入表2中。

图2—2应变片半桥实验接线示意图

表2应变片半桥实验数据

重量（g）

0

电压（mV）

0

3、根据表2实验数据作出实验曲线，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。

实验完毕，关闭电源。

五、思考题：

半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：

（1）对边

（2）邻边。

实验三应变片全桥性能实验

一、实验目的：

了解应变片全桥工作特点及性能。

二、基本原理：

应变片基本原理参阅实验一。

应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。

应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。

当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈（△R／R）E＝KεE。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。

图3—1应变片全桥特性实验接线示意图

三、需用器件和单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。

实验完毕，关闭电源。

图3—2应变片全桥性能实验接线示意图

表3全桥性能实验数据

重量（g）

电压（mV）

五、思考题：

测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以

（2）不可以。

*实验四应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的：

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

二、基本原理：

如图4（a）、（b）、（c）

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图4应变电桥

（a）、Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R2）－R4／（R3＋R4）〕E

＝〔（1＋△R1／R1）／（1＋△R1／R1＋R2／R2）－（R4／R3）／（1＋R4／R3）〕E

设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1／R1＜＜1。

Uo≈（1／4）（△R1／R1）E

所以电桥的电压灵敏度:

S＝Uo／（△R1／R1）≈kE＝（1／4）E

（b）、同理:

Uo≈（1／2）（△R1／R1）E

S＝（1／2）E

（C）、同理:

Uo≈（△R1／R1）E

S＝E

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。

经实验验证阐述理由（注意：

实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。

实验完毕，关闭电源。

实验五应变片直流全桥的应用—电子秤实验

一、实验目的：

了解应变直流全桥的应用及电路的标定。

二、基本原理：

常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。

数字电子秤实验原理如图5—1。

本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。

图5—1数字电子称原理框图

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

1、按实验一中的1和3步骤实验。

2、关闭主机箱电源，按图3—2（应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将

±2V～±10V可调电源调节到±4V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；

3、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）。

4、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.000V。

5、重复3、4步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，将砝码依次放在托盘上称重；放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。

实验完毕，关闭电源。

（二）

实验十六电容式传感器的位移实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

1、原理简述：

电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。

电容传感器的输出是电容的变化量。

利用电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。

电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱（圆筒）形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组（单边）式的传感器。

它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。

如图16—1所示：

它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。

设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln（R／r）。

图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε22∆X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明∆C与∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图16—1实验电容传感器结构

1、测量电路（电容变换器）：

测量电路画在实验模板的面板上。

其电路的核心部分是图

16—2的二极管环路充放电电路。

图16—2二极管环形充放电电路

在图16—2中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和CX1、CX2（实验差动电容位移传感器）组成。

当高频激励电压（ｆ>100kHz）输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容CX1和

CX2两端电压均由E1充到E2。

充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对CX1充电到O点（地）；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。

此时，D4和D6由于反偏置而截止。

在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为：

Q1＝CX2（E2-E1）（16—1）

当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电。

CX1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。

在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为：

Q2＝CX1（E2-E1）（16—2）

当然，（16—1）式和（16—2）式是在C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。

电容C4的充放电回路由图16—2中实线、虚线箭头所示。

在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为：

Ｑ＝Q2-Q1＝（CX1-CX2）（E2-E1）＝△CX△E（16—3）

式中：

CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。

设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为：

i＝fＱ＝f△CX△E（16—4）

式中：

△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。

由（16—4）式可看出：

f、△E一定时，输出平均电流i与△CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝IRw。

由传感器原理已知∆C与∆X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知∆X位移。

2、电容式位移传感器实验原理方块图如图16—3

图16—3电容式位移传感器实验方块图

三、需用器件与单元：

主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

四、实验步骤：

1、按图16—4示意安装、接线。

图16—4电容传感器位移实验安装、接线示意图

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：

逆时针转到底再顺时传３圈）。

3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V，再转动测微头（同一个方向）6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。

以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数（这样转12圈读取相应的电压表读数），将数据填入表16（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。

表16电容传感器位移实验数据

X（mm）