传感器技术实验指导书.docx
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传感器技术实验指导书
《传感器技术实验》
实验指导书
适用专业：
电气自动化
湖南交通工程学院
前言
《传感器技术》课程，在高等理工科院校测控技术与仪器类各专业的教学计划中，是一门重要的专业基础课，而《传感器技术实验》课程是完成本课程教学的重要环节。
其主要任务是通过实验巩固和消化课堂所讲授理论内容的理解，掌握常用传感器的工作原理和使用方法，提高学生的动手能力和学习兴趣。
其目的是使学生掌握非电量检测的基本方法和选用传感器的原则，熟悉各种传感器与检测技术的关系，以及各类在工程中的实际应用，拓宽学生的知识领域，锻炼学生的实践技能，培养学生独立处理问题和解决问题的能力，培养学生科学的工作作风。
本实验开设实验总学时数：
16，开设实验总个数：
8个，课内选做2个。
实验内容有：
金属箔式应变计性能——应变电桥、双孔应变传感器——称重实验、温度传感器——热电偶测温实验、温度传感器——铂热电阻、电感式传感器——差动变压器性能、电感传感器——差动螺管式传感器位移测量、霍尔式传感器——直流激励特性、电容式传感器性能等。
其中双孔应变传感器——称重实验、电感传感器——差动螺管式传感器位移测量为综合性实验。
课内选做实验有：
差动变压器的应用——电子秤、电涡流传感器——静态标定。
其他仪器与仪表专业也选择其中的2个或3个较为典型的传感器实验作为课内实验。
实验一金属箔式应变计性能——应变电桥3
实验二双孔应变传感器——称重实验6
实验三温度传感器——热电偶测温实验8
实验四温度传感器——铂热电阻11
实验五电感式传感器——差动变压器性能13
实验六电感传感器——差动螺管式传感器位移测量15
实验七霍尔式传感器——直流激励特性17
实验八电容式传感器性能19
实验九差动变压器的应用——电子秤21
实验十电涡流传感器——静态标定23
附录A实验仪器简介25
附录B实验操作须知27
实验一：
金属箔式应变计性能——应变电桥
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2、测试应变梁变形的应变输出。
3、比较各桥路间的输出关系。
二、实验内容
本实验主要了解和掌握箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。
三、实验原理、方法和手段
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，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。
通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，
；当二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，
。
四、实验组织运行要求
本实验采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
直流稳压电源+4V、公共电路模块
（一）{公共电路模块}、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表。
六、实验步骤
1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。
输出端接电压表2V档。
开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
（图1）
2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图
（1）将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。
调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。
4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：
位移mm
电压V
根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线，计算灵敏度S：
S=
七、思考题
比较各桥路间的输出关系。
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
1、实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。
2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。
3、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。
4、因为是小信号测试，所以调零后电压表应置2V档，用计算机数据采集时应选用200mv量程。
实验二：
双孔应变传感器——称重实验
实验学时：
2
实验类型：
（综合）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
1、比较各桥路间的输出关系
2、几种桥路的性能比较
3、桥路电路的实际应用
二、实验内容
本实验主要是在实验1的基础上进一步了解和掌握几种桥路的性能，以及桥路的实际应用。
知识点：
应变电桥差动的概念几种电桥的输出比较电桥的实际应用
三、实验原理、方法和手段
本实验选用的是标准商用双孔悬臂梁式称重传感器，四个特性相同的应变片贴在如图所示位置，弹性体的结构决定了R1和R3、R2和R4的受力方向分别相同，因此将它们串接就形成差动电桥。
当弹性体受力时，根据电桥的加减特性其输出电压为：
。
四、实验组织运行要求
本实验采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
直流稳压电源、双孔悬臂梁称重传感器、公共电路模块
（一）{公共电路模块}，称重砝码（20克/个）、数字电压表。
（图2）
六、实验步骤
1、观察称重传感器弹性体结构及贴片位置，连接主机与实验模块的电源连接线，开启主机电源，调节放大器调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。
2、接好传感器测试系统线路，称重传感器工作电压选用+4V，差动放大器增益为最大（100倍），输出端接电压表。
调节电桥WD调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。
3、逐步将砝码放上称重平台，调节增益电位器，使V0端输出电压与所称重量成一比例关系，记录W（克）与V（mv）的对应值，并填入下表：
W（克）
V（mv）
4、记录W与V值，并做出W-V曲线，进行灵敏度、线性度与重复性的比较。
5、与双平行悬臂梁组成的全桥进行性能比较。
七、思考题
比较三种桥路的灵敏度。
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
称重传感器的激励电压请勿随意提高。
注意保护传感器的引线及应变片使之不受损伤。
实验三：
温度传感器——热电偶测温实验
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
了解和掌握温度传感器-热电偶的测温原理和方法。
二、实验内容
1、观察热电偶的结构
2、热电偶测温回路的连接。
3、热电偶的测量温度和输出电压的关系
三、实验原理、方法和手段
由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。
（图3）
图（3）中T为热端，To为冷端，热电势Et=
本实验中选用两种热电偶镍铬—镍硅（K）和镍铬—铜镍（E）。
四、实验组织运行要求
本实验采用以采用集中授课形式模式组织教学。
五、实验条件
K、E分度热电偶、温控电加热炉、{温度传感器实验模块}、
位数字电压表。
六、实验步骤
1、观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。
温控器：
作为热源的温度指示、控制、定温之用。
温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。
温度设定：
拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需的温度时停止。
然后将拨动开关扳向“测量”侧，（注：
首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。
2、首先将温度设定在50℃左右，打开加热开关，{加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座}，热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，
位万用表置200mv档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度热电偶的热电势，并记录电炉温度与热电势E的关系。
3、因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正
E（T，To）=E（T,t1）+E（T1,T0）
实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势
查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。
4、继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃和130℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能。
七、思考题
热电偶温度的大小与实际电动势与分度表值误差的关系？
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
加热炉温度请勿超过150℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。
因为温控仪表为E分度，所以当钮子开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度。
实验四：
温度传感器——铂热电阻
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
了解和掌握温度传感器-铂热电阻的测温原理和方法。
二、实验内容
1、观察铂热电阻的结构
2、铂热电阻测温回路的连接。
3、铂热电阻的测量温度和输出电压的关系
三、实验原理、方法和手段
铂热电阻测温范围一般为-200~650℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）
式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值
RO——铂热电阻在0℃时的电阻值
A——系数（=3.96847×10-31/℃）
B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）
将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。
四、实验组织运行要求
本实验采用以采用集中授课形式模式组织教学。
五、实验条件
铂热电阻（Pt100）、加热炉、温控器、温度传感器实验模块
（一）、{温度传感器实验模块}、数字电压表、水银温度计或半导体点温计。
六、实验步骤
1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于热电阻旁感受相同的温度。
2、开启主机电源，调节热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。
3、开启加热开关，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（温度表上显示的温度值是炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。
并记录数据填入下表：
℃
VO（mv）
做出V-T曲线，观察其工作线性范围。
七、思考题
热电偶和铂热电阻的测温方法比较。
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
加热器温度一定不能过高，以免损坏传感器的包装。
实验五：
电感式传感器——差动变压器性能
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。
二、实验内容
1、观察差动变压器的基本结构
2、验证差动变压器的基本特性
三、实验原理、方法和手段
电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器，差动变压器由衔铁、初级线圈和次级线圈组成，初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器原边。
次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图（4）。
（图4）
（图5）
四、实验组织运行要求
本实验采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器。
六、实验步骤
1、按图（13）接线，差动变压器初级线圈必须从音频信号源LV功率输出端接入，双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv/格。
2、打开主机电源，调整音频输出信号频率，输出Vp-p值2V，以示波器第二通道观察到波形不失真为好。
3、用手上下提压{左右移动}改变变压器磁芯在线圈中位置，观察示波器第二通道所示波形能否过零翻转，否则改接次级二个线圈的串接端。
4、用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压Vp-p值，同时注意初次级线圈波形相位。
位移mm
电压Vp-p
根据表格所列结果，作出V-X曲线，指出线性工作范围。
5、仔细调节测微仪使次级输出波形无法再小时，即为差动变压器零点残余电压，提高示波器第二通道灵敏度，观察残余电压波形，分析其频率成分。
七、思考题
为什么差动变压器性能试验中有些测量的数据点不符合线形的规律？
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
示波器第二通道为悬浮工作状态（即示波器探头二根线都不接地）。
实验六：
电感传感器——差动螺管式传感器位移测量
实验学时：
2
实验类型：
（综合）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
了解差动差动螺管式传感器的基本结构及原理，通过实验掌握差动螺管式传感器位移测量的方法。
二、实验内容
1、观察差动螺管式传感器的基本结构2、差动螺管式传感器位移测量
知识点：
电感传感器的性能差动螺管式传感器的原理差动螺管式传感器的实际应用
三、实验原理、方法和手段
差动螺管式电感传感器由电感线圈的二个次级线圈反相串接而成，工作在自感基础上，由于衔铁在线圈中位置的变化使二个线圈的电感量发生变化，包括两个线圈在内组成的电桥电路的输出电压信号因而发生相应变化
四、实验组织运行要求
本实验采用以以采用集中授课形式组织教学。
五、实验条件
差动变压器二组次级线圈、音频信号源、公共电路模块
（一）
（二）、{公共电路实验模块}、电感传感器实验模块、电压表、示波器、测微仪
（图6）
。
六、实验步骤
1、连接主机与实验模块电源线，按图（16）组成测试系统，两个次级线圈必须接成差动状态，差动放大器增益不要太大，具体调节注意点可参照实验二十三。
2、旋动测微仪使衔铁居中线圈，此时LO′=LO″，系统输出为零。
3、当衔铁在线圈中上{左}、下{右}位移时，LO′≠LO″，电桥失衡，输出电压信号的大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁位移方向有关，衔铁向上{左}和向下{右}移动时输出波形相差约1800，（可用示波器观察相敏检波器①、②端），因此必须经过相敏检波器才能判断电压极性。
以衔铁位置居中为起点，分别向上{左}、向下{右}各位移5mm，记录V、X值并填入下表（每位移0.5mm记录一个数值）：
Xmm
0
V0
0
依此做出V-X曲线，求出灵敏度S，指出线性工作范围。
七、思考题
差动螺管式传感器位移测量的特点，以及和差动变压器电感传感器的比较？
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
实验七：
霍尔式传感器——直流激励特性
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
了解霍尔传感器的基本结构及原理，通过实验掌握霍尔传感器直流激励特性。
二、实验内容
1、观察霍尔传感器的基本结构
2、掌握霍尔传感器直流激励特性
三、实验原理、方法和手段
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。
霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。
（图7）
四、实验组织运行要求
本实验采用以以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
霍尔传感器、直流稳压电源（2V）、公共电路模块
（一）、{霍尔传感器实验模块}、电压表、测微仪。
六、实验步骤
1、{安装好梯度磁场及霍尔传感器}连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，另一激励端接地，实验接线按图（23）所示，差动放大器增益10倍左右。
2、用螺旋测微仪调节振动平台{精密位移装置}使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。
3、从中点开始，调节螺旋测微仪，上下{左右}移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：
Xmm
0
V0mv
0
作出V-X曲线，求得灵敏度和线性工作范围。
如出现非线性情况，请查找原因。
七、思考题
霍尔传感器测位移的特点以及同其他位移传感器的比较。
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
直流激励电压只能是2V，不能接+2V（4V）否则锑化铟霍尔元件会烧坏。
实验八：
电容式传感器性能
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
了解电容式传感器的基本结构及原理，通过实验掌握电容式传感器的性能。
二、实验内容
1、观察电容式传感器的基本结构
2、掌握电容式传感器性能
三、实验原理、方法和手段
差动式平行{同轴}变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。
（图8）
四、实验组织运行要求
本实验采用以以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
电容传感器、电容传感器实验模块、激振器I、测微仪。
六、实验步骤
1、观察电容传感器结构：
传感器由一组动片和两组定片组成，{一个动极与两个定级组成}，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图（29）接好实验线路，增益不宜太大。
2、打开主机电源，用测微仪带动传感器动片{极}位移至两组定片{极}中间，{调整调零电位器}，此时模块电路输出为零。
3、向上{左}和向下{右}位移动片{极}，每次0.5mm，直至动片{极}静{极}片完全重合为止，记录数据，作出V-X曲线，求出灵敏度。
Xmm
V0（v）
七、思考题
电容传感器测位移的特点以及同其他位移传感器的比较。
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
1、电容动片与定片之间距离须相等{动极须位于环型定极中间}，必要时可作调整，实验时电容不能发生擦片，否则信号会发生突变。
2、电容动片是由悬臂梁带动的，由于钢梁弹性恢复的滞后，实验时虽然测微仪刻度回到初始位置，但实验模块输出电压并不一定回到零位，此时可反复几次反方向旋动测微仪，使输出电压过零后再回到初始位置，开始反方向的实验。
实验九：
差动变压器的应用——电子秤
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（选修）
一、实验目的
了解差动变压器传感器的基本结构及原理，通过实验掌握差动变压器传感器的性能及电子秤的使用方法。
二、实验内容
1、观察差动变压器传感器的基本结构
2、掌握差动变压器传感器性能和电子秤的应用
三、实验原理、方法和手段
差动式平行{同轴}变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。
（图8）
四、实验组织运行要求
本实验采用以以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
差动变压器、电感传感器实验模块、公共电路模块
（一）
（二）、{公共电路实验模块}、电压表、振动平台、砝码、示波器。
六、实验步骤
1、参照实验五接线，将系统输出电压调节为零，低通滤波器输出接电压表2V挡。
2、将所有砝码放上振动平台，调节差动放大器增益，使输出电压与所称重量成一比例关系。
3、分别依次取走砝码和重新堆上砝码，将所称重量与输出电压值记入下表：
W克
V0
4、作出V-W曲，并在取走砝码后在平台放一不知重量之物品，根据曲线坐标值大致求出此物重量。
七、思考题
差动变压器压力的测量同其他位压力传感器的比较。
八、实验报告
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
九、其它说明
由于悬臂梁的机械弹性滞后，此电子秤的重复性不一定太好
实验十：
电涡流传感器——静态标定
实验学时：
2
实验类型：
（验证）
实验要求：
（选修）
一、实验目的
了解电涡流传感器的基本结构及原理，通过实验掌握电涡流传感器的性能。
二、实验内容
1、观察电涡流传感器的基本结构
2、掌握电涡流传感器性能
三、实验原理、方法和手段
电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上感应产
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