传感器原理及工程应用学生实验指导书.docx
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传感器原理及工程应用学生实验指导书
传感器原理及工程应用学生实验指导书
1 《传感器原理及应用》 实验指导书 测控技术实验室 2012年9月 2 实验1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、实验原理：
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：
ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/l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Uo1=EKε/4。
三、实验设备：
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用 表。
四、实验方法和要求：
1、根据图1—1－1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 图1－1－1应变式传感器安装示意图 2、接入模板电源±15V，检查无误后，合上主控台电源开关，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，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零。
关闭主控箱电源为止）。
3 3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V如图1－1—2所示。
检查接线无误后，合上主控台电源开关。
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砝码加完。
记下实验结果填入下表，关闭电源。
图1－1—2应变式传感器单臂电桥实验接线图 重量（g） 电压（mv）根据上表计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％式中Δm为输出值与拟合直线的最大偏差：
yF·S满量程输出平均值，此处为200g。
五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：
正应变片负应变 片正、负应变片均可以。
半桥性能实验 一、实验目的：
1、加深了解金属箔式应变片的应变效应，半臂电桥工作原理和性能； 2、比较半桥与单臂电桥的不同性能和特点。
二、实验原理：
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UO2＝EKε／2。
三、实验设备：
同实验。
4 四、实验方法与要求：
传感器安装同实验。
做实验的步骤2，实验模板差动放大器调零。
根据图1－2—1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的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验方法3、4同实验中4、5的方法，将实验数据记入下表，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δf2。
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。
图1－2—1应变式传感器半桥实验接线图 3、下表是半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量电压 五、思考题：
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：
对边邻边。
全桥性能实验 一、实验目的：
1、掌握金属箔式应变片的应变效应，全桥工作原理和性能； 2、比较、总结三种测量电路输出时的灵敏度和非线性度。
二、实验原理：
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，当应变片初始阻值：
R1＝ R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。
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。
5 三、实验设备：
同实验四、实验步骤：
传感器安装同实验一。
根据图1－3—1接线，实验方法与实验相同。
将实验结果填入下表；进行灵敏度和非线性误差计算。
图1－3—1全桥性能实验接线图 全桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量电压 五、思考题：
全桥测量中，当两组对边电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2 时，是否可以组成全桥：
可以不可以。
实验2 压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的：
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。
二、实验原理：
扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。
在压
11 2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。
图3－2—1霍尔传感器安装示意图 图3－2—2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图 3、微头向轴向方向推进，每转动记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表。
XV（mv） 作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
五、思考题：
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
12 电涡流传感器位移特性实验 一、实验目的：
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、实验原理：
通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗， 而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
三、实验设备：
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验方法与要求：
根据图3－3—1安装电涡流传感 图3－3—1电涡流传感器安装示意图 1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
2、根据图3—3—2将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
3、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
4、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
。
5、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
13 图3－3—2电涡流传感器位移实验接线图 6、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔读一个数，直到输出几乎不变为止。
将结果列入下表。
7、电涡流传感器位移X与输出电压数据 XV（v） 8、根据上表数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度。
9、将铁质圆片换成铝质和铜质圆片。
10、重复进行被测体为铝质圆片和铜质圆片时的位移特性实验，将实验数据分别记入下表。
被测体为铝质圆片时的位移为输出电压数据 XV（v） 被测体为铜质圆片时的位移与输出电压数据XV（v） 试比较三种不同的被测体材料，对电涡流传感器性能有何影响？
五、思考题：
电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器。
14 实验4转速传感器测速实验霍尔测速实验 一、实验目的：
了解霍尔转速传感器的应用。
二、实验原理：
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、实验设备：
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、实验方法与要求：
1、根据图4－1—1，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。
图4－1—1霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图 2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端。
3、将霍尔转速传感器输出端插入数显单元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：
利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？
本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？
15 磁电式转速传感器测速实验 一、实验目的：
了解磁电式测量转速的原理。
二、实验原理：
基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：
e?
?
Nd?
dt发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、和计数等电路即可以测量转速。
三、实验设备：
磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源2－24V。
四、实验方法与要求：
1、磁电式转速传感器按图4—1－1安装传感器端面离转动盘面2mm左右。
将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。
2、将显示开关选择转速测量档。
3、将转速电源2－24V用引线引入到台面板上24V插孔，合上主控箱电开关。
使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。
五、思考题：
为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理吗？
光电传感器测转速实验 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、实验原理：
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 管和光电池，发光管发出的光源在转盘上反射后光电池接受转换成电信号，于转盘上有相间的16个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。
三、实验设备：
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、实验方法与要求：
1、光电转速传感器已安装在三源板上，把三源板上的＋5V、接地V0与主控箱上的＋5V、地、数显表的Vin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，使电机转动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。
16 实验5光电耦合器的应用 一、实验目的：
掌握光电耦合器的工作原理及应用。
二、实验原理：
光耦合器是将发光元件与受光器件组合封装在同一个密封体内的器件，发光元件和受光 器件及信号处理电路可集成在一块芯片上。
工作时，将电信号加到输入端，使发光元件发光，而受光器件在发光元件光辐射的作用下输出光电流，从而实现电－光－电两次转换，通过光进行输入端和输出端的耦合。
三、实验设备：
光电耦合器TLP521-4、直流电源5V、发光二极管、万用表、单片机开发系统、计算机。
四、实验方法和要求：
1．实验系统的结构框图 2、实验所用芯片TLP-2管脚图 3．利用TLP521-4光电耦合器芯片设计开关量信号隔离电路，当输入高电平信号时，点亮发光二极管；4．利用TLP521-4光电耦合器芯片设计开关量信号隔离电路，当输入低电平信号时，点亮发光二极管；5．利用TLP521-4光电耦合器芯片设计两个信号的与电路，要求逻辑正确。
6．利用单片机开发系统和光电耦合器设计一个带有信号隔离的按键检测系统。
五、思考题：
说明当传感器输出信号是OC门时，信号隔离电路如何设计。
17 实验6光纤传感器的位移特性实验 一、实验目的：
1、了解光纤位移传感器的工作原理及构成方法。
2、掌握光纤位移传感器的使用方法。
二、实验原理：
本实验采用的是传光型光纤，它两束光纤混合后，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，光源发出的光传到端部射出后再经被测体反射回来，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、实验设备：
光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。
四、实验方法和要求：
1、根据光纤传感器安装示意图,如下图所示：
将实验用光纤传感器固定于支架上。
将两束光纤插入实验模板上的座孔上，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，如下图所示：
18 3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。
4、实验模板接入主控台±15V电源，合上主控箱电源开关，调Ｒw使数显表显示为零。
5、转测微头，被测体离开探头，每隔读出数显表值。
6、完成实验数据的采集。
将实验数据填入下表：
XV 7、以位移数据为X轴，电压数据为Y轴，作V0=f（x）曲线,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？
利用光纤传感器测转速可以吗？
若可以，请你独立完成测速实验。
实验7 铂电阻测温特性实验 一、实验目的：
了解热电阻的特性与应用。
二、实验原理：
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－℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：
Rt=Ro（1+At+Bt）,Ro系温度为0℃时的电阻。
本实验Ro＝100℃。
A＝×10／℃，B＝－×10／℃，铂电阻是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。
－2 －7 2 2 三、实验设备：
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、实验方法与要求：
19 温度控制仪面板图说明 图7－1—1温度控制仪面板 ①设定键②设定值减少键③设定值增加键④设定值显示器⑤测量值显示器⑥控制输出显示灯⑦自正定指示灯⑧第一报警指示灯⑨第二报警指示灯1、温度控制简要原理如下：
当总电源K1合上，直流电源24V加于继电器7、8端有直流电压，导通，加热器通电加热，当温度达到设定值时，于热电偶的热电势的作用，温控仪内部比较反转断开，继电器7、8端失去电压，断开，加热炉停止加热，此时，直流电源24V加于电风扇，风扇转动加速降温，因为温度上升后有一定惯性，因此该温度仪上冲量较大。
仪表操作：
将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。
选择K型热电偶接入主控面板温度控制中的Ei（+﹑-）标准值插孔中，一般红线为正极，合上热源开关。
仪表将A﹑B、C程序自检：
A﹑所有数码管笔画及指示灯点亮，用来检测发光系统是否正常工作，B、PV窗口显示“TYPE”,SV窗口（即下排显示窗口）显示仪表目前应配类型（此过程持续2S） C、显示仪表的控制范围，SV窗口显示下限测量控制值，PV窗口显示上限控制值，设定比例带时就是根据此范围来取得比例系数的。
例如：
PV窗口显示100℃，SV窗口显示-50℃，则范围为150℃. 2、仪表进行完以上三步自检后，即投入正常测控状态，上排PV窗口显示测量值，下排SV窗口显示设定值； 3、要想修改设定值时，请在正常的显示方式下，按一下SET键，PV窗口显示“SP”，SV窗口显示已设置的值，此时按▲键向上调节设定值，按▼键向下调节设定值，按SET键来完成确认修改，在不按任何键的状态下自动退回到正常显示状态，仪表承认修改；4、要想修改“SP”以外的参数值，请在正常显示方式下，按住SET键3秒以上，即可进入内部参数设定，根据应用系统需要设置不同的参数值，特别是“Pb”“Ti”“Td”“t”四项，应请有经验的操作人员设定。
当然也可以通过打开自整定参数功能来实现PID参数和自动整定。
5、“AT”值的默认值为OFF，将其设置成ON后，面板上的AT指示灯亮，仪表按照普通的二位式调节仪表来控制系统，经过上下3个振荡周期后，将会得出系统设定点的最佳PID参数值，并永久保存，除非用户自行更改，或重新启动自整定功能而使其改变。
启动自整定时，应尽量避免引入任何的干扰信号，否则将可能导致得出不正确的参数，破坏系统的正常运行。
6、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的电源插座上；将风扇电源24伏按正负极性接入主控箱面板电源24伏；转速电源是可调的，用万用表监测按顺时针到24伏，合上热源开关，使温度度控制仪表通电。
7、在温度控制仪上设定t=25℃，温控仪面板温度值设定方法参见温度控制仪表说明。
8、将温度传感器实验模板输出VO2与主控箱数显表输入Vi相接，波段开关选择电压4V档，此时2V档数显表电压指示灯亮。
9、将Pt100铂电阻三根线插入实验模板标Rt的a、b和R6端上，用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线接b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R5相接。
见图7－1—2 图7—1－2铂电阻测温电路图 10、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
21 点之间在室温下输出为零。
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。
11、在常温基础上，将设定温度值可按Δt=5℃读取数显表值。
将结果填入下表。
关闭电源主控箱电源开关。
铂电阻热电势与温度值 t（℃）V（mv） 根据上表值计算其非线性误差。
五、思考题：
如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？
湿敏传感器实验 一、实验目的：
了解湿敏传感器的原理及应用范围。
二、实验原理：
当湿度是指大气中所含水蒸气的量时，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，绝 对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，用每立方米多少千克来表示，绝对湿度也称水气浓度或水气密度。
相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。
湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。
实验使用中多用相对湿度概念。
湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性，湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。
高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。
具有感湿功能的高分子聚合物，例如，乙酸－丁酸纤维素和乙酸－丙酸比纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸和脱湿的能力，感湿薄膜复在金箔电极上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜，这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。
三、实验设备：
湿敏传感器、湿棉花球、直流源3V、数显单元。
四、实验方法与要求：
1、湿敏传感器的电路原理图如图7－2—1，电路和湿敏传感器探头已成一体。
仔细观察传感器。
2、将传感器红色线接电源＋5V，兰色线接数显单元，2V档。
黑色线接地。
22 图7—2－1湿敏传器电路原理图 3、接通电源预热3—5分钟后记下数显表读数。
4、将湿棉花逐渐接近湿度传感器观察数显表头读数变化。
5、移走湿棉花，待数显表示值回复到原示值时，观察数显表头读数变化。
6、本实验装置测试精度为5％，其输出电压与相对湿度值如下表所示。
根据下表及实验中的三个数值分别7、计算其相对湿度值。
UO相对湿度％RH0010203040506070809100 五、思考题：
若要设计一个恒湿控制装置，应考虑具备哪些环节？
实验8热释电红外模块的应用 一、实验目的：
掌握热释电红外模块的工作原理及应用。
二、基本原理：
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种于热变化 产生的电极化现象，被称为热释电效应。
热释电红外模块是一个将热释电红外传感器、放大器、信号处理电路、延时电路和高低电平输出电路集成于一体的新器件。
它具有灵敏度高、抗干扰能力强、耐低温及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能量，适用于人体移动的探测报警系统。
三、实验设备：
热释电红外模块、直流电源5V、发光二极管、峰鸣器、万用表、单片机开发系统、PC 机。
23 四、实验方法和要求：
1、实验系统的结构框图 2、实验系统的接线图 3、实验原理图 4、利用单片机开发系统和热释电红外模块设计一个来客告知系统，有人时点亮指示灯，峰鸣器响。
要求自己设计实验电路，并编制程序进行调试。
五、思考题：
热释电红外模块的安装位置以及环境温度的变化是否对模块的使用有影响？
24 实验9 集成温度传感器的特性实验 一、实验目的：
了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。
二、实验原理：
集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于 绝对温度的理想线性输出，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极――发射极电压与温度成线性关系。
为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。
集成温度传感器有电压型和电流型二种，电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。
因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。
具有很好的线性特性。
本实验采用的是国产的AD590。
它只需要一种电源。
即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻即可实现电流到电压的转换。
它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。
图9－1—1集成温度传感器实验原理图 三、实验设备：
温度控制单元、加热源、集成温度传感器、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。
四、实验方法与要求：
1、将集成温度传感器加热端插入加热源的一个插孔中，尾部红色线为正端，插入实验模板的a端，见图9—1－1，另一端插入b孔上，a端接电源＋4V，b端与R5相接，R6接地，接上直流源±15V。
2、先将运放IC1、、IC2、IC、IC4调零，短接R5、R6,逆时针轻轻调节RW2到底使其增益最小，调节RW3使输出UO2为零，数显表显示为零。
25 3、合上加热源开关，温度从20℃开始，每隔5℃在数显表上读取一个点的电压值，上限不超过100℃，记入下表。
TV（V） 4、上表数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。
五、思考题：
大家知道在一定的电流模式下PN结的正向电压与温度之间具有较好的线性关系，因此就有 温敏二极管，你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极管在50℃－100℃之间，作温度特性，然后与集成温度传感器相同区间的温度特性进行比较，从线性看温度传感器线性优于温敏二极管，请阐明理。
压电式传感器测振动实验 一、实验目的：
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、实验原理：
压电式传感器惯性质量块和受压的压电片等组成。
工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的
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