传感器原理实验3.docx
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传感器原理实验3
传感器原理实验指导书
黄敏郝鹏飞
陕西科技大学电气与信息工程学院
2003.9
目录
实验一热电偶测温8
实验二金属箔式应变片性能及电桥12
实验三半导体应变片性能检测16
实验四霍尔式传感器直流激励特性20
实验五压电传感器动态特性实验22
实验六差动变压器性能检测24
实验七磁电式传感器性能检测27
实验八差动变面积电容传感器特性29
实验九电涡流传感器静态性能检测31
实验十扩散硅压力传感器实验33
实验十一光电器件特性测量36
实验十二光纤位移传感器实验测量40
实验十三热释电红外传感器特性实验43
实验十四温度变送器的校验（设计性实验）45
实验仪简介
CSY传感器系统实验仪上采用的大部分传感器虽是教学传感器（透明结构便于教学）但其结构与线路是工业应用的基础。
实验帮助广大学生加深理解课本知识，学会作为一个科技工作者应具有的动手能力、操作技能及分析与解决问题的能力。
实验指导书每个实验中都有注意事项。
希望学生认真阅读，谨慎操作，否则容易引起器件损坏。
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。
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Φ3.５插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、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、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、半导体扩散硅压阻式差压传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒、热释电传感器、光电开关、硅光电池、光敏电阻元件安装盒，具体安装部位参看附录。
显示及激励源部分：
电机控制单元、主电源、直流稳压电源（土2V一土10V分５档调节）、F/V显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5ｍV－500ｍV）、音频振荡器、低频振荡器、土15V不可调稳压电源。
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。
处理电路单元：
电桥单元、差动放大器、电容变换放大器、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。
CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验,也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。
二、主要技术参数、性能及说明
（一）传感器安装台部分：
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。
应变梁：
应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。
（或采用标准双孔悬臂梁传感器应变梁）。
传感器：
1．差动变压器（电感式）
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圈，铁芯为软磁铁氧体。
2．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。
3．霍尔式传感器
量程：
≥2mm，直流电阻：
激励源端口800Ω-1.5KΩ；输出端口300Ω-500Ω。
日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。
4．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。
5．电容式传感器
量程：
≥土2mm。
由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。
6．热敏电阻
半导体热敏电阻NTC：
温度系数为负，25℃时为10KΩ。
7．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。
8．半导体扩散硅压阻式压力传感器
量程：
10KPa（差压）供电：
≤６Ｖ
美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器。
9．压电加速度计
PZT-5压电晶片和铜质量块构成。
谐振频率：
≥10KHz，电荷灵敏度：
ｑ≥20PC/G。
10．应变式传感器
箔式应变片电阻值：
350Ω、应变系数：
2，平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有６片应变片，横向所贴的两片为温度补偿片。
11．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，能直接显示被测灵敏度：
－2.1mV／℃。
12．磁电式传感器
Φ0.21Ｘ1000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
13．气敏传感器MQ3（酒精）：
测量范围：
50－2000PPM。
14．湿敏电阻
高分子薄膜电阻型（ＲＨ）：
几兆Ω一几KΩ；响应时间：
吸湿、脱湿小于10秒。
湿度系数：
0.5ＲＨ％／℃；测量范围：
10％－95％，工作温度为0℃－50℃。
15．光电开关：
反射型
16．光敏电阻：
CDS材料：
几Ω一几MΩ
17．硅光电池：
SI日光型
18．热释电红外传感器：
远红外式
（二）信号及变换
1．电桥：
用于组成直流或交流电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。
2．差动放大器：
通频带0－10ＭHz。
可接成同相、反相，差动结构，增益为1－100倍的直流放大器。
3．电容变换器：
由高频振荡，放大和双Ｔ电桥组成的处理电路。
4．电压放大器：
增益约为５倍同相输入。
通频带0－10KHz。
5．移相器：
允许最大输入电压10Vp－p移相范围≥20（5ＫＨｚ时）
6．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
7．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。
8．低通滤波器：
由50Ｈz陷波器和ＲＣ滤波器组成，转折频率35ＨZ左右
9．涡流变换器：
输出电压≥181Ｖ（探头离开被测物），变频调幅式变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件
10．光电变换座：
由红外发射、接收组成。
（三）二套显示仪表
１．数字式电压／频率表：
３位半显示，电压范围（0－２V、0－20V，频率范围3Hz-2KHz。
10Hz－20KHz，灵敏度≤50mV。
２．指针式毫伏表：
85CL表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5％。
（四）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，180º、0º反相输出，LV端最大功率输出电流0.5Ａ。
２．低频振荡器：
ｌ－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，Ｖｉ端可提供用做电流放大器。
（五）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，另一到副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（右边圆盘式工作台由“激振Ι”带动。
左边平行式悬臂梁由“激振Ⅱ”带动）。
（六）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。
（七）测速电机一组
由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电开关、光纤传感器配合进行测速实验。
（八）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。
（九）计算机联接与处理
数据采集卡：
十二位Ａ／Ｄ转换，采样速度10000点/秒，采样速度可控制，采样形式多样。
标准RS－232接口，与计算机串行工作。
良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集＼数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。
使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。
仪器下部面板左下角处的开关为控制处理电路15Ｖ的工作电源，进行实验时请勿关掉，为保证仪器正常工作，严禁15Ｖ电源间的相互短路，建议平时将此两插口封住。
指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象不影响测试。
注意：
本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证，而非工业应用型的传感器定量测试。
各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常。
1．应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。
各接线图两个节点间即一实验接插线，接插线可多根迭插，为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转。
2．热电偶，接入差动放大器，打开“加热”开关，观察随温度升高热电势的变化。
3．热敏式，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温度升高，电阻两端的阻值变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。
4．Ｐ－Ｎ结温度传感器，进行Ｐ－Ｎ结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度Ｔ。
5．进行“移相器实验”用双踪示波器观察两通道波形。
6．进行“相敏检波器实验”，相敏检波器端口序数规律为从左至右，从上到下，其中５端为参考电压输入端。
7．进行“电容式传感器特性”实验，当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器Ｖ。
端电压应正负过零变化。
8．进行“光纤传感器位移测量”，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微仪带动反射片位置变化，从差动放大器输出端读出电压变化值。
9．进行光纤（光电）式传感器测速实验，从Ｆ／Ｖ表Ｆo端读出频率信号。
Ｆ／Ｖ表置2Ｋ档。
10．低通滤波器：
将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端，输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。
11．进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。
12．进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，直流激励信号不能大于2Ｖ。
13．进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形。
14．进行“压电加速度传感器”实验，此实验与上述第十一项内容均无定量要求。
15．进行“电涡流传感器的静态标定”实验，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。
16．进行“扩散硅压力传感器”实验，注意MPX压力传感器为差压输出，故输出信号有正、负两种。
17．进行“气敏传感器特性”实验，观察输出电压变化。
18．进行‘湿敏传感器特性演示”实验。
19．进行“光敏电阻”实验
20．进行“硅光电池”实验
21．进行“光电开关（反射）”实验
22．进行“热释电传感器”实验。
以上第17项起实验均为演示性质，无定量要求。
23．如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅《微机数据采集系统软件》使用说明。
数据采集卡已装入仪器中，其中Ａ／Ｄ转换是１２位转换器。
仪器后部的ＲＳ２３２接口与计算机串行口相接，信号采集前请正确设置串口，否则计算机将收不到信号。
仪器工作时质量需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。
上述检查及实验能够完成，则整台仪器各部分均为正常。
实验时请非常注意实验任务书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下再开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，实验工作台上各传感器部分，如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。
附件中的称重砝码是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方。
实验开始前请检查实验连接是否完好，以保证实验顺利进行。
本实验仪器需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度０℃-40℃。
实验一热电偶测温
一．实验目的
1.掌握热电偶测温原理，了解其测温过程。
2.学会分度表的应用。
3.了解ＮＴＣ热敏电阻的热敏特性现象。
二．实验原理
1.热电偶的基本工作原理是热电效应，二种不同的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。
通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶（具体热电偶原理参考教课书）。
当工作端与参比端的温度不同时，通过测量热电势即可知道两端温差。
如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或零摄氏度）。
则另一端的温度就可知，从而实现温度测量。
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）。
本实验仪有二个热电偶，它们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。
2.热电偶一般测高温时线性较好，而热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便。
热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：
ＰＴＣ（正温度系数）、CTR（临界温度系数）与ＮＴＣ（负温度系数）热敏电阻。
一般ＮＴＣ热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC和CTR属突变型热敏电阻，温度范围较窄，一般用于恒温控制或温度开关。
通常的NTC热敏电阻测温范围为：
-50℃－＋300℃。
一般只适用于低精度的温度测量。
三．实验所需部件
1.主副电源
2.–15Ｖ直流稳压电源
3.可调直流稳压电源
4.差动放大器
5.F/Ｖ数显表。
6.加热器
7.热电偶及双孔悬臂梁、热敏电阻。
四．实验任务与步骤
（一）热电偶测温
1.了解热电偶、差动放大器、F/Ｖ数显表，-15V电源在实验仪上的位置及符号，按图示1接线（-15V电源先不要接）。
2.注意旋钮初始位置：
Ｆ／Ｖ数显表：
置于2Ｖ档。
差动放大器：
将增益旋钮顺时针调到最大。
开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使Ｆ/Ｖ表显示为零。
图1热电偶测温电路图
3.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。
记录实验室内的室温。
4.用玻璃管温度计测出此时上梁表面热电偶处的温度ｔ并记录下来（注意：
温度计不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。
5.实验完毕后关闭主、副电源，尤其是加热器–１５Ｖ电源（玻璃管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。
6.根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：
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）温度，也就是室温
to----0℃
7.热端温度为t，冷端温度为室温tn时的热电势：
其中：
Et----F/V表显示值
K----差动放大器的放大倍数，此处K=100
N----热电偶串联数目，此处N=2
8.热端温度为室温tn，冷端温度为０℃铜-康铜热电势Ｅ（tn，to），可以从以下所附的铜-康铜热电偶分度表中得到。
9.根据以上计算结果得到热端温度为ｔ、冷端温度为０℃时的热电势Ｅ（ｔ,to），然后查分度表得到上梁表面温度t。
10.将热电偶测得温度值与玻璃管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，只是了解热电势现象）。
（二）热敏电阻测温
1.了解热敏电阻在实验仪的所在位置及符号（它是一个蓝色元件，封装在加热器旁）。
2.将F/V数显表置于2Ｖ档，直流稳压电源切换开关置±2Ｖ档．按图示2接线。
3.开启主、副电源，调整Ｗ1电位器。
使Ｆ／Ｖ数显表指示为200mV左右。
4.将-15Ｖ电源接入加热器，观察电压表的读数变化，并得出当温度升高时，温敏电阻Rt是增大还是减小，由此判断出本次使用的是何种温度系数的热敏电阻。
图2热敏电阻测温电路图
五．思考
1.为什么差动放大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会有很大误差，为什么？
3.如果你手上有这样一个热敏电阻，想把它作为一个0~50℃的温度测量电路，你认为该怎样来实现？
铜—康铜热电偶分度（0℃）
分度号：
T
工作端温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.308
-0.421
-0.459
0.496
0.534
0.571
0.608
0.646
0.683
0.720
0
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
4.012
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
实验二金属箔式应变片性能及电桥
一．实验目的
1．了解金属箔式应变片的应变特性。
2．掌握和理解应变片单桥、双桥和全桥的性能和相互关系。
二．实验原理
应变片是最常用的测力传感元件。
当测试体受力发生形变时，其应变主要由电阻率变化引起。
如果用应变片检测物体受力情况，应变片要牢固地粘贴在检测物体表面。
当检测物体受力时，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路可转换成电信号输出。
电桥电路是最常用的非电量转换电测电路中的一种。
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
、
、
、
，当使用一个应变片时，应变
；当使用两个应变片组成差动状态工作，则有
；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，则有
。
由此可知，单臂电桥、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
三．实验所需部件
1．
直流稳压电源
2．电桥及应变片
3．差动放大器
4．悬臂梁及称重砝码
5．电压/数显表
四．实验内容
1.观测由金属箔式应变片构成的单臂电桥来检测悬臂梁系统的受力输出情况。
2.观测由金属箔式应变片构成的双臂电桥来检测悬臂梁系统的受力输出情况。
3.观测由金属箔式应变片构成的全桥来检测悬臂梁系统的受力输出情况。
4.计算单臂电桥、半桥和全桥应变灵敏度，并对其输出进行比较。
五．实验步骤
1．各旋钮初始位置：
直流稳压电源：
±4V档，F/V表：
2V档，差动放大器增益旋钮：
顺时针旋至最大。
了解所需单元、部件在实验仪上所在的位置，观察应变梁上的应变片。
2．差动放大器调零
将差动放大器“增益”旋钮顺时针方向旋到最大，放大器（＋）、（－）输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表。
接通实验仪电源，用“调零”电位器调整差动放大器使输出电压为零，调零后关闭仪器电源，拔掉短路实验线（调零后不要再动“调零”电位器）。
3．测量单臂电桥输出
图1.单臂电桥实验电路
（1）按图1将实验部件用实验线连接成测量桥路。
桥路中的R为均固定电阻，W1为直流调平衡电位器，Rw1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流电源为±4V。
确认接线无误后开启仪器正、副电源，并预热数分钟。
调整电桥W1电位器，使测试系统输出为零。
（2）在悬臂梁称重平台上依次放上砝码，记录对应的输出电压，并将结果填入表1内。
（注：
砝码重量P=20g）
砝码N
1
2
3
4
5
6
电压U（V）
表1
图2.双臂电桥实验电路
4．测量应变半桥输出
按图2将实验部件用实验线连接成测量桥路，重复以上单臂电桥的
（1）、
（2）步骤，并将结果填入表2内。
表2
砝码N
1
2
3
4
5
6
电压U（V）
5．测量应变全桥输出
仿照电路图2，用实验线连接将4个固定电阻都换成应变电阻构成测量全桥，重复以上单臂电桥的
（1）、
（2）步骤，并将结果填入表3内。
表3
砝码N
1
2
3
4
5
6
电压U（V）
六．实验要求
1.根据单、双臂和全桥所测数据，计算每一个砝码所对应灵敏度
之后取平均值。
2.在坐标图上绘出U－N关系曲线，并对三种电桥的灵敏度进行比较。
七．注意事项
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。
2．接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
3．稳压电源不要对地短路，直流激励电压不要过大，以免造成应变片自热损坏。
4．用四个应变片构成差动全桥时，要注意对臂应变片受力方向相同，邻臂应变片受力方反，否则相互抵消就没有输出。
实验三半导体应变片性能检测
一．实验目的
1.了解半导体应变片的应变特性。
2.掌握和理解半导体单臂电桥和双臂电桥的输出特性。
3.了解半导体单臂电桥和双臂电桥的温度补偿状况。
二．实验原理
应变片是最常用的测力传感元件。
由于材料阻值为
，对于半导体应变计，当测试体受力发生形变时，其应变主要由电阻率变化引起。
由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，灵敏度比较大，可以反映出很微小的形变，但是受温度影响大。
如果用应变片检测物体受力情况，应变片要牢固地粘贴在检测物体表面。
当检测物体受力时，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路可转换成电信号输出。
电桥电路是最常用的非电量转换电测电路中的一种。
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
、
、
、
，当使用一个应变片时，应变
；当使用两个应变片组成差动状态工作，则有
；用四
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