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传感器实验模板
合肥工业大学实验报告
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实验一CSY-998B+传感器实验仪
1.1CSY---998B+传感器实验仪简介
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。
⑴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、
小机电、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三。
⑵显示及激励源部分
电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V-±10V分5档调节）、F/V数字显示表（可作为电压表和频率表）、（5mV-500mV）、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。
⑶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（包括激振线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。
⑷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。
1.2主要技术参数、性能及说明
1.2.1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U0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）。
⑴差动变压器（电感式）
量程：
≥5mm直流电阻：
5'-10'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。
⑵电涡流位移传感器
量程：
≥1mm直流电阻：
1'-2'多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
⑶霍尔式传感器
量程：
±≥2mm直流电阻：
激励源端口800'-1.5K'；输出端口300'-500'
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。
⑷热电偶
直流电阻：
10'左右由两个铜-康铜热电偶串接而成，分度号为T，冷端温度为环
境温度。
⑸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。
⑹热敏电阻
半导体热敏电阻NTC：
温度系数为负，25℃时为10K'。
⑺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：
500'-2.5k'2×60股Y形、半圆分布。
⑻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。
⑼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。
⑽应变式传感器
箔式应变片电阻值：
350'、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4片应变片，受力工作片分别用符号↑和↓表示。
在998B型仪器中，横向所贴的两片为温度补偿片，用符号表示。
⑾PN结温度传感器
利用半导体P-N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/℃。
⑿磁电式传感器
0.21φ×1000
直流电阻：
30'-40'由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：
0.5V/m/s
⒀气敏传感器
MQ3（酒精）：
测量范围：
50-200ppm。
⒁湿敏电阻
高分子薄膜电阻型（RH）：
几兆'-K'响应时间：
吸湿、脱湿小于10秒。
温度系数：
0.5RH%/℃测量范围：
10%-95%工作温度：
0℃-50℃
⒂光电开关：
（反射型）
⒃光敏电阻：
cds材料：
几'-几M'
⒄硅光电池：
Si日光型
⒅热释电红外传感器：
远红外式
1.2.2信号及变换
⑴电桥：
用于组成直流电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。
⑵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倍的
直流放大器。
⑶电容变换器由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。
⑷电压放大器增益约为5倍，同相输入，通频带0～10KHz
⑸移相器允许最大输入电压10Up-p移相范围≥±20°（5KHz时）
⑹相敏检波器可检波电压频率0-10KHz允许最大输入电压10Up-p
极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路
⑺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。
⑻低通滤波器由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。
⑼涡流变换器输出电压≥|8|V（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
⑽光电变换座由红外发射、接收管组成。
1.2.3二套显示仪表
⑴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。
⑵指针式毫伏表：
85C1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%
1.2.4二种振荡器
⑴音频振荡器：
0.4KHz—10KHz输出连续可调，Up-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。
⑵低频振荡器：
1-30Hz输出连续可调，Up-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。
1.2.5二套悬臂梁、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（右边圆盘式
工作台由“激振I带动，左边平行式悬臂梁由Ⅱ带动）。
1.2.6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。
1.2.7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
1.2.8二组稳压电源
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。
1.2.9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，建议平时将此两输出插口封住。
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。
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。
1.3各电路和传感器性能的检查
（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。
（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
Uo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，参见图13。
（14）进行“电压加速度传感器”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，接线参照图19，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。
仪器工作时需要良好的接地，以减小干扰信号，关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。
实验时请注意实验指导书中的实验内容后的“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，用手按下振动梁再松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。
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℃
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实验2.1金属箔式应变计性能---单臂、半桥、全桥比较
实验目的：
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
实验原理：
已知单臂、半桥和全桥电路的ΣR分别为ΔR/R、2ΔR/R、4ΔR/R。
根
据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4.E.ΣR，电桥灵敏度Ku=U/Δ
R/R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E.。
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。
所需单元和部件：
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副
电源。
有关旋钮的初始位置：
直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到20V档（实验时根据输出电压大小选择合适
的F/V表电压量程，后同，不再赘述。
），差动放大器增益打到最大。
实验步骤：
⑴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。
⑵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F/V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F/V表显示为零，关闭主、副电源。
⑶根据图1.1接线，首先接成单臂电桥。
图1.1
注：
单臂：
R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻，R4为应变片。
半桥：
R1、R2为电桥单元的固定电阻，R3、R4为应变片。
全桥：
R1、R2、R3、R4均为应变片。
⑷将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V表置20V档。
将测微头安装到双平行梁的
自由端（与自由端磁钢吸合），调整测微头使梁处于一个水平位置（目测），固定好测微头。
调节W1，使F/V表显示为零。
若不能调为零，再细调测微头，使F/V表显示为零。
然后将F/V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。
⑸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（记录数据
不少于10组）：
（单臂）
X（mm）
U（v）
X（mm）
U（v）
然后关闭主、副电源。
⑹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F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表（记录数据不少于10
组）：
（半桥）
X（mm）
U（v）
X（mm）
U（v）
然后关闭主、副电源。
⑺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F/V表显示零。
重复（4）过程将读出数据填入下表（记录数据不少于10组）：
（全桥）
X（mm）
U（v）
X（mm）
U（v）
然后关闭主、副电源。
⑻据所得结果计算灵敏度S=△U/△X（式中△X为梁的自由端位移变化，△U为相
应F/V表显示的电压相应变化）。
在同一坐标纸上描出X-U曲线，比较三种接法的灵敏度。
注意事项：
⑴在更换应变片时应将电源关闭。
⑵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。
⑶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。
⑷直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。
⑸接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
⑹电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一个标记。
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实验2.3移相器实验
实验目的：
了解运算放大器构成的移相电路和的原理及工作情况
实验原理：
图1.3为移相电路示意图，由1.3图可求得该电路的闭环增益G（s）。
图1.3
由正切三角函数半角公式可得
从上式可看出，调节电位器W2将产生相应的相位变化。
所需单元及部件：
移相器、音频振荡器、示波器、主、副电源
实验步骤：
⑴了解移相器在实验仪所在位置及电路原理（见图1.3，电路原理见附录）。
⑵将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0°、180°插口输出均可），
开启主、副电源。
⑶将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。
⑷调节移相器上的电位器，观察两个波形间相位的变化。
⑸改变音频振荡器的频率，观察不同频率的最大移相范围。
注意事项：
本仪器中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些
畸变，这不是仪器故障。
正确选择示波器中的“触发”形式，以保证示波器能看到波形的变化。
问题：
⑴根据电路原理图，分析移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。
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实验2.4相敏检波器实验
实验目的：
了解相每检波器的原理和工作情况。
实验原理：
相敏检波电路如图（1.4）（及所附原理图）所示，图中为①输入信号端，
③为输出端，②为交流参考电压输入端，⑤为直流参考电压输入。
当②⑤端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用场效应晶体管处于开关状态。
从而把①输入的正弦信号转换成半波整流信号。
所需单元和部件：
相敏检波器、移相器、音频振荡器、示波器、直流稳压电源、低
通滤波器、F/V表、主、副电源。
有关旋钮的初始位置：
F/V表置20K档。
音频振荡器频率为4KHz,幅度置最小（逆
时针到底），直流稳压电源输出置于±2V档，主、副电源关闭。
实验步骤：
⑴了解相敏检波器和低通滤波器在实验仪面板上符号。
⑵根据图1.4的电路接线，将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波器输入端
①，把直流稳压电源＋2V输出接至相敏检波器的参考输入端⑤，把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③，组成一个测量线路。
图1.4
⑶调整好示波器，开启主、副电源，调整音频振荡器的幅度旋钮，示波器输出电压
为峰峰值4V，观察输入和输出波形的相位和幅度值关系。
⑷改变参考电压的极性，观察输入和输出波形的相位和幅值关系。
由此可得出结论，
当参考电压为正时，输入和输出同相，当参考电压为负时，输入和输出相反。
⑸关闭主、副电源，根据图1.5重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出至相敏检
波器的输入端①，并同时按相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入①和输出端③，将相敏检波器输出端③同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一个测量线路。
（此时，F/V有表置于20V档）。
⑹开启主、副电源，调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下
表（记录数据不少于8组）。
图1.5
单位：
V
Uip-p
0.5
1
2
3
4
8
10
U0
⑺关闭主、副电源，根据图1.6的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°端输出至相敏检波器的输入端①，将从180°输出端输出接至移相器的输入端，把移相器输出端
接至相敏检波器的参考输入端②把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器输出端与直流电压表连接起来，组成一测量线路。
图1.6
⑻开启主、副电源，转动移相器上的移相电位器，观察示波器的显示波形及电压表
的读数，使得输出最大。
⑼调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下表（记录数据不少
于10组）。
单位：
V
Uip-p
0.5
1
2
3
4
8
10
U0
思考：
⑴根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？
移相器在实验线路中的作用
是什么？
（即参考端输入波形相位的作用）
⑵当相敏检波器的输入与开关信号同相时，输出是什么极性的什么波，电压表的读
数是什么极性的最大值。
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实验2.5.1金属箔式应变片-交流全桥
实验目的：
了解交流供电的四臂应变电桥的原理和工作情况。
实验原理：
图1.7是交流全桥的一般形式，当电桥平衡时，Z1Z3=Z2Z4，电桥输出为零。
若桥臂阻抗相对变化为△Z1/Z1、△Z2/Z2、△Z3/Z3、△Z4Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化。
交流电桥工作是增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。
交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。
所需单元及部件：
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、F/V表、双平行梁、应变片、测微头、主、副电源、示波器。
有关旋钮的初始位置：
音频振荡器5KHz，幅度旋钮置中间位置，F/V表旋到20V档,
差动放大器增益旋至中间位置。
实验步骤：
⑴差动放大器调整为零：
将差动放大（+）（-）输入端与地短接，输出端与F/V输入
端Vi相连，开启主、副电源后调差放的调零旋钮使F/V表显示为零，再将F/V表切换开关置2V档，细调差放调零旋钮使F/V表显示为零，然后关闭主、副电源。
⑵按图1.7接线，图中R1、R2、R3、R4为应变片；W1、W2、C、r为交流电桥调节平
衡网络，电桥交流激励源从音频振荡器的LV输出口引入，音频振荡器的频率旋钮置
5KHz，幅度旋钮置中间位置。
图1.7
⑶开启主、副电源。
用手按住双平行梁的自由端，使梁的自由端产生一个大位移。
调节移相器的移相旋钮，使示波器显示全波检波的图形，电压表显示值（绝对值）最大。
然后，调整测微头，使梁复原处于水平位置（目测）。
调节电桥网络中的W1和W2，使
F/V表显示为零。
⑷每转动测微头一周即0.5mm，F/V表显示记录下表（记录数据不少于15组）
Xmm
U0（v）
Xmm
U0（v）
根据所得数据，作出U-X曲线，找出线性范围，计算灵敏度S=△U/△X，并与以前
直流全桥实验结果相比较。
⑸实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮置初始位置。
思考：
在交流电桥中，必须有两个可调参数才能使电桥平衡，这是因为电路存在而引起的。
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实验2.5.2激励频率对交流全桥的影响
实验原理：
由于交流电桥中的各种阻抗的影响，改变激励频率可以提高交流全桥的
灵敏度和提高抗干扰性。
实验所需部件：
电桥、音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通率波器、电压表、测
微仪。
实验步骤：
⑴接线按图1.7进行。
⑵音频振荡器0°端输出信号，频率从0.4KHz—10KHz，接交流全桥，分别测出系统
输出电压，列表填好U，X值（记录数据不少于10组），在同一坐标上做出U—X曲线，
比较灵敏度，并得出结论，该交流全桥工作在哪个频率时较为合适。
注意事项：
⑴做上述实验时频率改变，应保持音频振荡器幅值不变、移相器调节旋钮不动，否
则无可比性。
⑵音频振荡器输出信号的频率用示波器测量，实验仪上的标示不准确。
Xmm
U2k（V）
U5k（V）
U8
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