检测技术基本实验指导书09年.docx
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检测技术基本实验指导书09年
信号与控制综合实验
实验指导书
第三分册检测技术基本实验
华中科技大学电气与电子工程学院
实验教学中心
2009年4月
目录
实验
实验十九霍尔式传感器的直流激励特性……………3
实验二十 应变式传感器的研究……………………5
实验二十一温度传感器测温实验………………………10
——热电偶测温实验
——热敏电阻测温实验
——PN结测温实验
实验二十二差动变压器的标定…………………………14
——相敏检波器的工作原理
——差动变压器的性能检测
——差动变压器零残电压的补偿
——差动变压器的标定
实验二十三超声波传感器距离测量………………………18
实验二十四PT100铂热电阻测温实验…………………21
附录
传感器系统实验仪使用说明………………………………23
实验指南……………………………………………………………28
第三章检测技术基本实验
实验十九霍尔式传感器的直流激励特性
一、实验目的
了解霍尔式传感器的结构、工作原理，霍尔元件控制电路和信号调理电路的特点，学会用霍尔传感器做静态位移测试。
二、实验原理
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度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位移。
三、实验所需部件
直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头
四、实验步骤
实验操作台实验接线图
图2-1霍尔式传感器实验电路图
1．差动放大器调零。
差动放大器增益置合适位置（增益电位器顺时针方向旋到底为100倍，逆时间旋到底为1倍），“+、-”输入端用实验线对地短接，输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。
用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。
调零后“调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。
2．
按图2-1接线，调节实验台顶端右侧的振动圆盘上、下位置，目测霍尔元件位于梯度磁场中间位置。
开启电源（注意:
直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件）。
调节测微头和电桥WP，使差放输出为零。
3．旋动测微头使霍尔元件在梯度磁场中上、下有一个较大的位移，用电压表观察系统输出是否正负对称。
如不对称则需重新调节霍尔元件在梯度磁场中间位置，直到正负输出对称为止。
4．上、下移动测微头各3.5㎜，每变化0.5㎜读取相应的电压值并记录下来。
做出V-X曲线，求出灵敏度及线性。
五、思考题
1、电压控制型和电流控制型的霍尔元件有何不同？
并各给出一种具体的型号加以说明。
为什么本次试验中的霍尔元件直流激励电压不能超过规定的大小？
2、为什么传感器的信号调理电路一般采用差动放大电路？
3、如何利用霍尔传感器作一电子秤来称重？
试说明基本思路和做法。
4、当霍尔元件进入均匀磁场时，霍尔电压是否仍随位移量的增加而线性增加？
六、实验预习和实验报告要求
1、明确本次实验的目的和任务，预习有关霍尔元件的特性、霍尔传感器的结构及工作原理；对霍尔元件控制电路和信号调理电路的要求。
2、实验报告要求：
（1）画出实验原理框图；
（2）记录、整理实验数据、表格，画出有关曲线并计算灵敏度、非线性度。
（3）回答思考题。
实验二十 应变式传感器的研究
一、实验目的：
1、了解金属薄式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式；
2、测试应变梁形变的应变输出；
3、比较金属薄式应变片单臂、半桥及全桥的性能。
二、实验原理：
应变片是一种将机械构件的应变转换为电阻值变化的变换元件，一般做成片状，简称为应变片。
应变片按材料的不同有金属应变片和半导体应变片。
应变片是最常用的测力的传感元件。
当用应变片测试时，应变片应牢固的粘贴在测试体表面，当测试件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化，通过电桥电路，将电阻值的变化转换成电信号输出。
图1-1 常用电桥测量电路
金属薄式应变片最常用的电桥测量电路如图1-1所示，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零。
图中桥臂四个电阻为R1、R2、R3和R4，电阻的相对变化率分别为
、
、
和
，当使用一个应变片时，若设图中R2为应变片，其他三臂为固定电阻，则构成单臂电桥电路。
这时输出电压V０的表达式为：
公式中：
为电阻R2所对应的应变值；K为应变片灵敏度系数。
当用两个应变片（如图1-1R2、R3为应变片时）组成半桥差动工作状态时，对应的电桥输出电压为：
当桥路中四个桥臂均为应变片，并且构成全桥差动电路时，电桥的输出电压：
电桥的电压灵敏度（
）对于单臂、半桥及全桥分别为
、
和US。
由此可知，当US和电阻相对变化一定时，电桥的电压灵敏度KU与各桥臂阻值无关。
电桥输出电压UO经差动放大器后，由
位数字直流电压表显示悬臂梁的应变。
本实验采用的一付平行悬臂梁在CSY系列传感器系统实验仪的左侧，如图1-2所示，梁的上表面和下表面对应地贴有八片应变片，其中六片为金属薄式应变片（BHF-350），在六片中有四片为梁上表面和下表面的工作应变化，分别用符号
和
表示，另外两片为横向粘贴的温度补偿片，用符号
和
表示。
还有两片为半导体应变片。
图1-2 应变片分布位置
三、实验任务：
1、观察应变片的结构及粘贴方式；
2、差动放大器的调零：
差动放大器增益置100倍（增益电位器顺时针方向旋到底）“+、-”输入端用实验线对地短接。
输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。
用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。
调零后“调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。
3、单臂工作情况测试：
（1）按图1-3所示电路连接实验线路，电路中R1、R2、R3和WD为电桥中的固定电阻和直流平衡电位器，R1=R2=R3=350Ω,电桥电压为±4V，R为应变片（可选上、下梁中的一片工作片）；
实验操作台图1-3 单臂工作测试实验线路
（2）测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢，用以调节使应变梁处于基本水平状态。
（3）确认接线无误后，开启总电源，调节电桥直流平衡电位器WD，使测试系统输出为零（用数字电压表监视）；
（4）转动测微头，记录应变梁向上位移及数字电压显示的电压值。
每移位0.5㎜记录一对应电压值，共上移5㎜。
并记录数据列表如下：
位移量
（㎜）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压值
（V）
根据表中所测数据计算系统灵敏度S，（
）和电桥电压灵敏度
并做出V-X关系曲线。
4、半桥和全桥工作性能测试。
（1）在完成实验任务3的基础上，不改变差动放大器的增益和调零电位器，依次将图1-3中的R1、R2、R3换成金属薄式应变片，分别接成半桥（图1-4）和全桥（图1-5）测试系统；
（2）重复实验任务3中
（2）-（4）步骤，测出半桥和全桥输出电压数据并记录列表，计算灵敏度。
图1-4 半桥测试实验线路
图1-5 全桥测试实验线路
四、实验注意事项：
1、实验前应检查实验接线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线；
2、接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时应轻轻把反方向转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂；
3、认真检查实验接线，确认接线无误并经指导教师检查后才能启动仪器电源，仪器内部稳压电源（±2V、±4V、±6V、±8V、±10V、±15V）不能对地短路。
4、接入半桥和全桥的应变片须注意其受力方向，使其接成差动式。
五、思考题：
1、金属电阻应变片和半导体应变片工作原理上有哪些不同？
2、什么是传感器差动结构？
传感器采用差动结构有什么优点？
六、实验预习和实验报告要求：
1、认真复习电阻应变式传感器的工作原理及测量电路有关章节。
2、认真阅读本实验的指导书。
实验内容、步骤以及概念不清楚，不得进行实验。
3、熟悉CSY10A系列传感器系统实验仪的结构布置、使用办法及注意事项。
4、实验报告内容：
（1）用坐标纸绘制单臂、半桥、全桥情况下，悬臂梁向上位移时，输出电压V0与位移量X的关系曲线，并按端基法计算非线性误差；
（2）分别计算单臂、半桥、全桥时的电桥电压灵敏度KU和系统灵敏度S。
（3）对实验结构讨论；
（4）完成思考题。
七、实验仪器设备：
CSY10A型传感器系统实验仪 一台
数字万用表 一个
实验二十一温度传感器测温实验
一、实验目的
1、了解热电偶、金属热电阻、热敏电阻及PN结温度传感器的结构，熟悉他们的工作特性；
2、比较热电偶、金属热电阻、热敏电阻及PN结温度传感器的工作原理、性能、特点及应用场合。
二、实验原理
热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生电动势。
通过测量此电动势就可以知道两端的温差。
若将热电偶的冷端固定某一温度（一般为室温或0℃）则热电偶的热端温度即可知道，从而实现温度的测量。
本次实验中，热电偶由两只铜－康铜热电偶串接而成，分别装在上、下梁表面。
金属热电阻和热敏电阻都是基于热电阻效应，金属热电阻随温度升高而增加，最常见的金属热电阻材料是铂、镍或铜。
金属热电阻的基本结构十分简单，其敏感部分由玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料支撑并与导线相连，外部包覆保护外套。
热敏电阻由钴、锰、镍等金属氧化物以不同配方高温烧结而成，它通常有三种类型：
正电阻温度系数的热敏电阻（PTC）、负电阻温度系数的热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻（CTR），CTR主要用于温控开关。
在温度测量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC应用较多。
由于热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，因而引线电阻对测量影响小，非常适合测量微弱温度变化的场合。
缺点是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。
本实验采用NTC热敏电阻，型号为MF-51，25℃时的阻值为8-10K
，热敏电阻装于悬臂梁上封套内。
半导体P-N结具有非常良好的温度特性，根据P-N结特性表达式
可知，当一个P-N结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，根据这一原理制成的P-N结温度传感器具有良好的测温精度。
P-N结温度传感器有温敏二极管、温敏三极管以及温敏晶体管和辅助电路集成在同一芯片上制成的集成化温度传感器三种类型。
本实验用P-N结温度传感器，可以直接显示绝对温度。
三、实验任务
1、铜-康铜热电偶测温
图3-1 热电偶测温
（1）如图3-1接线。
差动放大器双端输入接入热电偶，打开电源，差动放大器增益放大100倍，调节调零电位器，使差动放大器输出为0。
（2）接通加热器电源，用自备温度计测出热电偶冷端（即室温）的温度
。
（3）随着加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压变化，待加热器温度处于稳定时（输出电压基本不再变化），记下电压表读数，其电动势为E（t，
）,（注意:
此时电压表读数是经过差动放大器放大100倍的值）。
（4）查表求出此时热电偶测得的温度t。
设：
热电偶端温度（即被测温度）为t。
冷端温度为0℃的温度为ｔ0，热电偶产生的电动势为E，则热电偶实际电动势E（t，
）应满足以下表达式：
E（t，
）=E（t，
）+E（
）
式中：
E（t，
）为实际测量所得电动势。
E（
）为温度修正电动势（通过查阅附录热电偶分度表得到）。
最后可通过E（t，
）值从热电偶分度表查到所测温度t。
2、热敏电阻测温
（1）将热敏电阻接入温度变换器Rｔ端口，如图3-2所示，调节“热敏增益”，使加热前加压输出U0尽可能大。
用温度计测量环境温度T0，并记录下来。
（2）将自备的半导体点温度计探头放入两应变梁之间的电加热器上，打开加热器，观察自备半导体点温计的温升和温度变换器输出电压
的变化。
温度每升3℃，记录下电压值，待电压稳定后记下最终温度T，并列表如下：
（℃）
（V）
根据表中数据，用坐标纸做出V-T曲线，求出该传感器的灵敏度
。
3、P-N结温度传感器测温
图3-2 热敏电阻测温接线示意图
（1）将P-N结温度传感器
接入温度变换器右侧P-N结端口，如图3-2所示，输出电压
接电压表（2V档）开启电源。
此时电压表显示绝对温度T。
（2）用自备的半导体点温计测量室温t，调节温度变换器右下方的电位器（温度调节），使摄氏温度t与绝对温度T满足关系式t＝T-273。
（3）将半导体点温计放在加热器上，打开加热器，观察随温度上升时的电压表变化。
（注意：
输出的电压表显示小数点后三位数字即为绝对温度值，比较半导体点温计的温度与P-N结的绝对温度）
（4）将半导体点温计所测温度与P-N结温度传感器测得温度列表比较，试分析差别原因。
t（℃）
T（k）
四、实验注意事项
1、热电偶测温时，仪器中的差动放大器放大倍数近似100，所以，由差动放大器放大后的热电势并不十分精确，因此查表所得的热端温度也是近似值。
2、加热器电源内部已接好，接通开关，红色指示灯亮即表示正在加热。
五、思考题
1、热电偶、金属热电阻、半导体热敏电阻和P-N结温度传感器的测温基本原理是什么？
2、什么是热电偶的冷端温度校正法（又称计算修正法）？
六、实验预习及实验报告要求
1、认真预习热电偶、热电阻等温度传感器工作原理及测量电路的有关章节。
2、认真阅读本实验指导书，明确实验目的、内容及实验步骤。
3、实验报告要求：
（1）将实验任务1-3的各实验电路图绘出，并将所测数据列表，加以分析，按照端基法计算非线性误差。
（2）对误差原因分析。
（3）完成思考题。
七、实验仪器设备
CSY10A型传感器系统实验仪 一台
数字万用表 一个
附录：
铜－康铜热电偶分度（自由端温度0℃）单位:
mv
工作端温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
de/dt（vu）
0
0.000
0.039
0.078
0.116
0.155
0.194
0.234
0.273
0.312
0.352
38.6
10
0.391
0.431
0.471
0.510
0.550
0.590
0.630
0.671
0.711
0.751
39.5
20
0.792
0.832
0.873
0.914
0.951
0.995
1.036
1.077
1.118
1.159
40.4
30
1.201
1.242
1.284
1.325
1.367
1.408
1.450
1.492
1.534
1.576
41.3
40
1.618
1.661
1.703
1.745
1.788
1.830
1.873
1.916
1.958
2.001
42.4
50
2.044
2.087
2.130
2.174
2.217
2.260
2.304
2.347
2.391
2.435
43.0
60
2.478
2.522
2.566
2.610
2.654
2.698
2.743
2.787
2.831
2.876
49.8
70
3.920
2.965
3.010
3.054
3.099
3.144
3.189
3.234
3.279
3.325
44.5
80
3.370
3.415
3.491
3.506
3.552
3.597
3.643
3.689
3.735
3.781
45.3
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
46.0
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
46.8
实验二十二差动变压器的标定
一、实验目的
通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。
二、实验原理
差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的相同线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上。
由于零残电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，电压经过放大器会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常关系，因此必须采用适当的方法进行补偿。
零残电压中主要包含两种波形成份：
1、基波分量：
这是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。
2、高次谐波：
主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。
减少零残电压的办法有：
1、从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对程；2、采用相敏检波电路；3、选用补偿电路。
相敏检波器工作原理：
相敏检波电路如图所示，图
为输入信号端，
为交流参考电压输入端，
为输出端。
为直流电压参考输入端。
⑤、⑥为整形电路将正弦信号转换成的方波信号，使相敏检波器中的电子开关正常工作。
当
、
端输入控制电压信号时，通过差动放大器的作用使D和J处于开关状态，从而把
端输入的正弦信号转换成半波整流信号。
相敏检波器原理图
实验操作台上相敏检波器图
三、实验所需部件
差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微仪
四、实验步骤
（一）了解相敏检波器工作原理
1．调节音频振荡器输出频率为5KHZ，输出幅值2V，将音频振荡器00端接相敏检波器的输入端①，相敏检波器的输出端③与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端接数字电压表2V。
相敏检波器的交流参考电压输入端②分别接00、1800，使相敏检波器的输入信号和交流参考电压分别同相或反相，用示波器观察相敏检波器输出端③的波形变化和电压表电压值变化。
注意：
示波器的“触发”方式要选择正确。
可以看出，当相敏检波器的输入信号和交流参考信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表只是正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。
记录下观察到的各种情况波形及电压值。
2．用示波器两通道观察相敏检测器⑤⑥的波形并记录下观察到的波形。
可以看出，相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
（二）差动变压器性能检测
1.按下图接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出。
2.音频振荡器输出频率5KHz，输出值VP-P值2V。
3.用手提变压器磁芯，观察示波器第二通道的波形是否能过零翻转，以判断两个次级线圈的联接方式，如不能过零翻转，则需改变两个次级线圈的串接端，使两个次级线圈反向串联。
（三）差动变压器零残电压的补偿
1.根据上图接线，差动放大器增益调到最大，音频LV端输出VP-P值2V，调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。
2.调节测微仪带动衔铁在线圈中运动，使差动放大器输出电压最小，调整电桥网络WDWA电位器，使输出更趋减小。
3.提高示波器第二通道灵敏度，将零残电压波形与激励电压波形比较，观察零点残余电压的波形，说明经过补偿后的零残电压主要是什么分量？
（四）差动变压器的标定
1.按上图接线，差动放大器增益适度，音频振荡器Lv端输出5KHZ，VP-P值2V。
2.调节电桥WD、WA电位器，移相器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。
3.旋动测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称。
如不对称则需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。
注意：
示波器CH1、CH2通道分别接入相敏检波器1、2端口，用手将衔铁位置压到最低，调节电桥、移相器，当CH1、CH2所观察到的波形正好同相或反相时，则系统输出可做到正负对称。
4.旋动测微仪，带动衔铁向上5mm，向下5mm位移，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并填入表格。
位移mm
电压V（上移）
（下移）
五、思考题
1、为什么在差动变压器的标定中电路中要加移相器？
作用是什么？
2、差动变压器标定的含义，为什么要进行标定？
六、实验预习及实验报告要求：
1、明确本次实验的目的和任务，预习有关差动变压器的结构及工作原理、零点残余电压的补偿方式、相敏检波电路的工作原理。
2、实验报告要求：
（1）画出实验原理框图；
（2）记录、整理实验数据、表格，画出有关曲线并计算灵敏度、非线性度。
七、实验仪器设备：
CSY10A型传感器系统实验仪 一台
数字示波器 一台
实验二十三超声波传感器距离测量
一、实验原理
1、超声波测距工作原理
超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波发生器不断地发射出40kHz超声波，当遇到障碍物时反射，超声波接受器接收到反射的信号，通过发射和接收信号的时间差可求出距离。
计算距离公式
，式中的C为超声波波速，Δt为接收器接收到信号的时间差。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，声波传输速率为
m/s，其中T为绝对温度，C0=331.4m/s，表1列出了几种不同温度下的声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，一般认为C为常数340m/s。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只要测得超声波发射和接收到信号的时间差，即可求得距离。
这就是超声波测距仪的机理。
由于超声波测距范围小,基本上被用在汽车倒车避撞装置上。
表1声速与温度关系表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
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