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《传感器与检测技术》

《传感器与检测技术》

实

验

指

导

书

日照职业技术学院

机电工程系

二○○五年三月

实验一温度传感器综合实验

实验二压力传感器综合实验

实验三位移传感器综合实验

实验四超声波测距实验

实验五速度与加速度检测实验

实验六气敏与湿敏传感器实验

实验一温度传感器综合实验

一、铂电阻测温特性实验

（一）实验目的

了解铂电阻的特性与应用。

（二）基本原理

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。

常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0--850℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=Ro（1+At+Bt2）

RO系温度为0℃时的电阻。

本实验RO=100

，A=3.908×10-3/℃，B=-5.802×10-7/℃2，铂电阻采用三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

（三）需用器件与单元

加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。

（四）实验步骤

将Pt100传感器接入主控箱调节仪单元中的“Pt100输入”端口（传感器引线标记相同的二根接入“Pt100输入”上方端口，传感器另外一根引线接入“Pt100输入”下方一个端口）；合上主控箱的漏电保护开关为“ON”,在合上调节仪单元中的“温度开关”为开，合上“控制方式”开关为“内”。

Pt100或K型热电偶作为温度标准接法（参见实验二十九

（2）。

1、将Pt100铂电阻三根线引入Rt的a、b上（用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线分别接b端，另一根接a端。

）和R5端。

这样Rt与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

Rw1中心活动点与R6相接，见图1.1。

Rw2左旋到底（增益最小）。

2、在端点a与地之间加直流源2V，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。

3、加±15V运放电源，调Rw3使Uo2=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。

4、在常温基础上，将设定温度值可按△t=5℃读取数显表值。

将结果填入表1-1。

关闭主控箱电源开关。

表1-1铂电阻电势与温度值

t（℃）

V（mv）

实图1.1

5、根据表1-1值计算其非线性误差。

二、K型热电偶测温性能实验

（一）实验目的

了解K型热电偶测量温度的性能与应用范围。

（二）基本原理

当镍铬一镍硅（镍铝）两种不同的金属组成回路，产生的二个接点有温度差、会产生热电势，这就是热电效应。

温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。

（三）需用器件与单元

K型热电偶（单独的）、K型热电偶、加热源、温度控制仪、数显单元、温度传感器实验模块。

（四）实验步骤

Pt100或K型热电偶（单独的）作温度标准接法不变。

1、将四芯K、E热电偶插入到主控板温度插孔中的中一个孔中用于温度测量。

2、将被测K型热电偶接线插入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端。

3、将R5、R6短路接地，接入±15V电源，打开主控箱电源开关、调节RW3使UO2为零（见实图1.1），将UO2与数显表单元上的Vi相接。

调RW3数显表显示零位，主控箱上电压波段开关拨到2V档。

4、去掉R5、R6短路接线，将a、b端与放大器R5、R6相接，调RW2，将信号放大到比分度值大10倍的毫伏值。

5、在40℃到150℃之间设定△t=5℃。

读出数显表头输出电势与温度值，并记入表1-2。

表1-2K型热电偶热电势与温度数据

t（℃）

V（mv）

6、根据表1-2计算非线性误差。

五、思考题

能否用AD590设计一个直接显示摄氏温度-50℃--50℃数字式温度计并利用本实验台进行实验。

实验二压力传感器综合实验

一、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）基本原理

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：

式中

为电阻丝电阻相对变化，

为应变灵敏系数，

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

。

（三）需用器件与单元

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、

电源、

电源、万用表。

（四）实验步骤

图2.1应变式传感器但比电桥实验接线图

1、根据图2.1接线，应变式传感器已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

2、接入模板电源

（从主控台引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。

关闭主控箱电源。

（注意：

当RW3、RW4的位置一旦确定，就不能改变。

一直到做完三实验为止）。

3、将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源

地与

地短接（因为不共地）如图2.1所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节RW1，使数显表显示为零。

4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。

记下实验结果填入表2-1，关闭电源。

重量（g）

电压（mv）

5、根据表2-1计算系统灵敏度

（

输出电压变化量，

重量变化量）和非线性误差：

式中

为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

（五）思考题

单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片

（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。

二、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）基本原理

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压

。

（三）需用器件与单元

与一实验相同。

（四）实验步骤

1、传感器安装同一实验。

做一实验的步骤2，实验模板差动放大器调零。

图2.2应变式传感器半桥实验接线图

2、根据图2.2接线。

R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻片。

接入桥路电源

，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验步骤3、4同一实验中的步骤4、5，将实验数据记入表2-2，计算灵敏度

，非线性误差

。

若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

表2-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

（五）思考题

1、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。

2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：

（1）电桥测量原理上存在非线性

（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。

三、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）基本原理

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：

R1=R2=R3=R4，其变化值

时，其桥路输出电压

。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

（三）需用器件和单元

同实验一。

（四）实验步骤

1、传感器安装同一实验。

2、根据图2.3（图略）接线，实验方法与半桥实验相同。

将实验结果填入表2-3；进行灵敏度和非线性误差计算。

表2-3全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

（五）思考题

1、全桥测量中，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。

2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

四、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

电子秤实验原理为全桥实验测量原理，通过对电路调节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。

（三）需用器件与单元

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码。

（四）实验步骤

1、按单臂电桥实验中2的步骤，将差动放大器调零，按图2.4（图略）全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。

2、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）或-0.200V。

3、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。

4、重复2、3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，就可以称重。

成为一台原始的电子秤。

5、把砝码依次放在托盘上，填入下表2-4。

重量（g）

电压（v）

6、根据上表，计算误差与非线性误差。

实验三位移传感器综合实验

一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

利用平板电容

和其它结构的关系式，通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、d三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。

（三）需用器件与单元

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。

（四）实验步骤：

1、按（实验指南中图3-1）安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板插座中。

图3.1电容传感器位移实验接线图

2、将电容传感器实验模板的输出端VO1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），RW调节到中间位置。

3、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。

表3-1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

4、根据表3-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线误差

f。

（五）思考题：

试设计利用

的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

二光纤传感器的位移特性实验

（一）实验目的

了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

（二）基本原理

本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。

两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

（三）需用器件与单元

光纤传感器、光纤传感实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。

（四）实验步骤

1、根据（实验指南图9-1）安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。

其内部已和发光管D及光电转换管T相接。

2、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图3.2。

图3.2光纤传感器位移实验接线图

3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。

4、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调RW使数显表显示为零。

5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表3-2。

表3-2光纤位移传感器输出电压与位移数据

X（mm）

V（v）

6、根据表3-2数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。

五、思考题：

光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？

实验四超声波传感器测距实验

一、实验目的

了解超声介质中的传播特性；了解超声波传感器测量距离的原理和结构。

二、基本原理

超声波传感器由发射探头、接收探头及相应的测量电路组成。

超声波是听觉阈值以外的振动，其常用频率范围在20KHZ-60KHZ之间，超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：

横波、纵波、表面波。

本实验为空气介质，用纵波测量距离。

超声波发射探头的发射频率为40KHZ，在空气中波速为344m/s。

当超声波在空气中传播碰到不同介面时会产生一个反射波和折射波，从介面反射回来的波由接收探头接收输入测量电路。

计算超声波从发射到接收之间的时间差Δt，从S=V0·Δt就能算出相应的距离。

V0为超声波在空气中传播速度。

三、需用器件与单元

超声波传感器实验模板、超声波发射及接收器件、发射档板、数显表、±15V电源、示波器。

四、实验步骤

1、超声波传感器由发射探头T和接收探头R组成。

在实验面板的左上方的VR、VT和公共端⊥三个插孔。

2、将VT与VT相连，VR与VR相连，公共端与公共端相连。

从主控箱接入±15V，如图4.1。

图4.1超声波传感器实验模板

3、离超声波传感器20cm（0～20cm左右为超声波测量盲区）处放置反射挡板，合上电源。

实验模板滤波电路输出端与主控箱Vi相接，电压选择20V档。

调节挡板对正探头的角度。

4、以三源板侧边为基准，平行移动反射板，依次递增5cm，读出数显表上的数据，计入表4-1。

表4-1超声波传感器输出电压与距离之关系。

X（cm）

U（V）

5、根据表4-1数据画出V-X曲线，并计算其灵敏度和线性度。

五、思考题：

如何使用超声波传感器制作汽车尾部防撞装置？

实验五速度与加速度检测实验

一霍尔测速实验

（一）实验目的

了解霍尔转速传感器的应用

（二）基本原理

利用霍尔效应表达式：

UH=KHIB，当被测圆盘上装上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。

（三）需用器件与单元

霍尔转速传感器、直流源+5V、转动源2-24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

（四）实验步骤

1、根据实验指南图5-4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。

2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。

3、将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。

4、将转速调节中的+2V-24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。

5、将数显单元上的开关拨到转速档。

6、调节转速调节电压使转动速度变化。

观察数显表转速显示的变化。

五、思考题

1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？

二光电转速传感器测速实验

（一）实验目的

了解光电转速传感器测量转速的原理及方法

（二）基本原理

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通过转盘上开孔透射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。

（三）需用器件与单元

光电转速传感器、直流电源+5V、转动源及2-24V直流源、数显单元。

（四）实验步骤

1、光电转速传感器已经安装在三源板上，把三源板上的+5V、接地、V。

与主控箱上的+5V、地、数显表的Fin相连。

数显表转换开关打到转速档。

2、将转速源2-24V输出旋到最小，接到转动源24V插孔上。

3、合上主控箱电源开关，调节转速源2-24V可改变电机转速，并从数显表上观察电机转速。

（五）思考题

已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。

实验六气敏与湿敏传感器实验

一气敏传感器实验（三线制）

（一）实验目的

了解气敏传感器的原理及应用

（二）基本原理

气敏元件和气敏传感器种类很多，具体对象有氧、氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、丁烷、甲烷、乙醇等，针对不同的测试对象有不同的原理和结构。

本实验采用的是适用于测试酒精气体浓度的气敏元件（实验室安全方便考虑），其基本结构为薄膜型SnO2气敏器件，当SnO2吸附酒精蒸发时气体后，其电导率改变，电阻值发生变化。

其基本测量电路如图。

图6.1气敏传感器测量电路

（三）需用器件与单元

气敏传感器、+6V直流电稳压电源、电压数显表（酒精、药棉球自备）。

（四）实验步骤

1、将气敏传感器的1号引线接入主机箱的“电压选择”中的“Vout”的插孔；2号引线接入“显示选择”中的“Vin”插孔；3号引线接入“电压选择”中的“⊥”相连，并使其与Vin”的“⊥”短接。

2、将“电压选择”切换开关打到±6V档，将“显示选择”切换开关打到20V。

3、合上主机箱“电源开关”，稍等两分钟，将酒精棉球靠近传感器探测，同时观察电压数显表的变化

二湿度传感器实验

（一）实验目的

了解温度传感器工作原理及应用。

（二）基本原理

湿敏元件主要有电容式和电阻式两种。

电容式湿敏元件采用高分子薄膜为感湿材料，用微电子技术制作，其电容值随湿度呈线性变化，当将将湿敏元件接入测量电路时（图6.2），输出电压值随湿度线性变化。

电阻式湿敏元件其电阻值的对数与相对湿度值接近线性关系，同样可用于检测相对湿度RH。

（三）需用器件与单元

湿敏传感器（内含测量电路）、直流源5V、数显单元、湿棉花球。

（四）实验步骤

1、将湿度传感器三根接线：

1号线接电源+5V，2号线为输出、接到主控箱的Vin端，3号线接地。

2、打开电源开关，先预热3-5分钟时间，然后往有机玻璃湿敏腔中加入少量干燥剂，放上传感器，等到显示单元稳定后记下数值。

再拿出干燥剂，在试管中加入湿棉花球，放上传感器，等到显示稳定后记下数显值，比较前后变化量。

图6.2湿敏传感器工作原理图