传感器实验指导书09综述.docx

1、传感器实验指导书09综述传感器应用技术实验指导书 2012-9-10目 录CSY2000型传感器与检测技术实验台说明书 3实验一 应变片单臂电桥性能实验 6实验二 应变片半桥性能实验 12实验三 应变片全桥性能实验 13实验四 应变片直流全桥的应用电子秤实验 13实验五 移相器、相敏检波器实验 16实验六 差动变压器的性能实验20实验七 差动变压器测位移特性实验 25实验八 差动变压器的应用振动测量实验 27实验九 电容式传感器测位移特性实验 30实验十 线性霍尔传感器测位移特性实验 32实验十一 开关式霍尔传感器测转速实验34实验十二 磁电式转速传感器测转速实验 35实验十三 压电式传感器测

2、振动实验37实验十四 电涡流传感器测量位移特性实验41实验十五 光纤位移传感器测位移特性实验44实验十六 光电传感器测量转速实验47实验十七 温度源的温度调节控制实验 56实验十八 Pt100铂电阻测温特性实验 60实验十九 K热电偶测温特性实验 66实验二十 集成温度传感器(AD590)的温度特性实验 71CSY2000型传感器与检测技术实验台说明书一、实验台的组成CSY2000型传感器与检测技术实验台由主机箱、传感器、实验电路(实验模板)、转动源、振动源、温度源、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。1、主机箱：提供高稳定的15V、5V、5V、2V10V（步进可调）、2V24V（连续可调）直

3、流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz30Hz（连续可调）；传感器信号调理电路；智能调节仪；计算机通信口；主机箱上装有电压、气压等相关数显表。其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。2、振动源（动态应变振动梁与振动台）：振动频率3Hz30Hz可调（谐振频率9Hz12 Hz左右）；3、转动源：手动控制0转/分2400转分、自动控制3002200转分。4、温度源：常温200。 5、气压源：020Kpa（连续可调）。6、传感器：基本型有箔

4、式应变片(350)传感器(秤重200g)、扩散硅压力传感器(20Kpa)、差动变压器(4mm)、电容式位移传感器(2.5mm)、霍尔式位移传感器(1mm)、霍尔式转速传感器(2400转/分)、磁电转速传感器(250转/分2400转/分)、压电式传感器、电涡流传感器(1mm)、光纤位移传感器(1mm)、光电转速传感器(2400转/分)、集成温度(AD590)传感器(室温120)、K热电偶(室温150)、E热电偶(室温150)、Pt100铂电阻(室温150)、Cu50铜电阻(室温100)、湿敏传感器(1095RH)、气敏传感器(502000ppm)等。增强型：基本型基础上可选配扭矩传感器(25Nm

5、)、超声位移传感器(2001500mm)、PSD位置传感器(2mm)、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器(25mm)、红外热释电传感器、指纹传感器(演示)等。7、调理电路(实验模板)：基本型有电桥及调平衡网络、差动放大器、电压放大器、电荷放大器、电容变换器、电涡流变换器、光电变换器、温度变换器、移相器、相敏检波器、低通滤波器。增强型增加与选配传感器配套的实验模板。8、数据采集处理软件，另附。9、实验台：尺寸为1600800750mm，实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。二、电路原理实验电路原理已印刷在面板上(实验模板上) ，实验接线图参见文中的具体实验内容。三、使用方法1、开机前将电压表显

6、示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到2V档；其余旋钮都打到中间位置。2、将AC220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。4、合上调节仪(器)电源开关，设置调节仪(器)参数；调节仪(器)的PV窗显示测量值；SV窗显示设定值(具体内容参见实验)。5、数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。四、仪器维护及故障排除1、维护防止硬物撞

7、击、划伤实验台面；防止传感器跌落地面。实验完毕要将传感器、配件及连线全部整理放置好。2、故障排除开机后数显表都无显示，应查AC220V电源有否接通；主机箱侧面AC220V 插座中的保险丝是否烧断。如都正常，则更换主机箱中主机电源。转动源不工作，则手动输入12V电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。如都正常，则更换温度源。五

8、、注意事项1、在实验前务必详细阅读实验指南。2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱及面板。3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（）短接，因短接时间长易造成电路故障。4、请勿将主机箱的电源引入实验电路时接错。5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。6、实验完毕后，请将传感器及附件放回原处。7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。8、实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。 实验一 应变片单臂电桥性能实验一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。二、基本原理：电阻应变式传

9、感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设

10、其长为：L、半径为r、材料的电阻率为时，根据电阻的定义式得 （11）当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率的变化为dL、dA、d相应的电阻变化为dR。对式（11）全微分得电阻变化率 dR/R为： （12）式中：dL/L为导体的轴向应变量L; dr/r为导体的横向应变量r 由材料力学得： L= - r (13)式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.30.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（13）代入式（12）得： （14）式（14）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下

11、所产生的电阻的相对变化量。 (1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取 （15）其灵敏度系数为：K= 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/Rd。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使

12、电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。3、贴片式应变片应用在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、箔式应变片的基本结构金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为

13、0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图11所示。(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片图11应变片结构图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，与丝式应变片工作原理相同。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： RRK 式中：RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,=L/L为电阻丝长度相对变化。5、测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因

14、此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图12（a）、（b）、（c）所示。 （a）单臂 （b）半桥 （c）全桥图12 应变片测量电路（a）、单臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E设R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K为灵敏度系数。则Uo(14)(R1R1)E(14)

15、(RR)E(14)KE(b)、双臂(半桥)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全桥同理:Uo(RR)EKE6、箔式应变片单臂电桥实验原理图 图13 应变片单臂电桥性能实验原理图图中R5、R6、R7为350固定电阻，R1为应变片； RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源4V。桥路输出电压Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差动放大器输出为Vo。三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4位数显万用表（自备）。四、实验步骤：应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应

16、变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。1、将托盘安装到传感器上，如图

17、14所示。图14 传感器托盘安装示意图2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。）。图15测量应变片的阻值示意图3、实验模板中的差动放大器调零：按图16示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置(先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。图16差动放在器调零接线示

18、意图4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图17示意图接线，将2V10V可调电源调节到4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。图17应变片单臂电桥实验接线示意图表1 应变片单臂电桥性能实验数据重量(g)0电压(mV)05、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度SV/W（V输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差，=m/yFS 100式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值

19、，此处为200g。实验完毕，关闭电源。实验二 应变片半桥性能实验一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图21所示。不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压Uo(12)(RR)E(12)KE 。图21 应变片半桥特性实验原理图三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤：1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。 2、关闭主机箱电源，除将图17改成图22示意图接线

20、外，其它按实验一中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表2中。图22 应变片半桥实验接线示意图表2 应变片半桥实验数据重量(g)0电压(mV)03、根据表2实验数据作出实验曲线，计算灵敏度SV/W，非线性误差。实验完毕，关闭电源。 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：（1）对边（2）邻边。实验三 应变片全桥性能实验一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图31所示。应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其

21、变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压Uo(RR)EKE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。图31应变片全桥特性实验接线示意图三、需用器件和单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤：实验步骤与方法（除了按图32示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。图32 应变片全桥性能实验接线示意图表3全桥性能实验数据重量(g)电压(mV)五、思考题：测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否

22、可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。实验四 应变片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：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图51。本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定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。图51 数字电子称原理框图三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤：1、按实验一中的1和3步骤实验。2、关闭主机箱电源，按图32 （应变片全桥性能

23、实验接线示意图）示意接线，将2V10V可调电源调节到4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；3、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)。4、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。5、重复3、4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，将砝码依次放在托盘上称重；放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。 实验五 移相器、相敏检波器实验一、实验目的：了解移相器、相敏检波器的工作原理。二、基本原

24、理：1、 移相器工作原理：图71为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。图中，IC-1、R1、R2、R3、C1 图71 移相器原理图与模板上的面板图构成一阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为： KF1(j)=Vi/V1=-(1-jR3C1)/(1+jR3C1) KF1()=1F1()=-2tg-1R3C1其中： =2f,f为输入信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：KF2(j)=Vo/V1=-(1-jRwC3)/(1+jRwC3) KF2()=1F2()=-2tg-1RwC3由此可见，根

25、据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中F2=0，因此F1决定了图71所示的二阶移相器的初始移相角：即F=F1=-2tg-12fR3C1若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：F=F1-F2=-2tg-12fR3C1+2tg-12fRwC3已知R3=10k,C1=6800p,Rw=10k,C3=0.022F,如果输入信号频率f一旦确定，即可计算出图71所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。2、相敏检波器工作原理：图72为相敏检波器（开关式）原理图与实验模板上的面板图。图中，AC为交流参考

26、电压输入端，DC为直流参考电压输入端，Vi端为检波信号输入端，Vo端为检波输出端。图72 相敏检波器原理图与模板上的面板图原理图中各元器件的作用：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V -14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V70V（0 -14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V70V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3-V1；当V70V时，Q5-1截止（

27、相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图73为相敏检波器的工作时序图。图73相敏检波器工作时序图三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、音频振荡器；移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；双踪示波器(自备)。四、实验步骤：(一)移相器实验1、 调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图74示意接线，检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节音频振荡器的频率（用示波器测量）为=1kHz，幅度适中（2VVp-p8V）。图74移相器实验接

28、线图2、正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它设置(提示：触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS10S范围内选择、触发方式选择AUTO 。垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、灵敏度VOLTS/DIV在1V5V范围内选择)，调节移相器模板上的移相电位器（旋钮），用示波器测量波形的相角变化。3、调节移相器的移相电位器（逆时针到底0k顺时针到底10k变化范围），用示波器可测定移相器的初始移相角（=1）和移相范围。4、改变输入信号频率为=9kHz，再次测试相应的和。测试完毕关闭主电源。（二）相敏检波器实验1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将2V10V可调电源调节到2V档。按图75示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量）；结合相敏检波器工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系(跟随关系，波形相同)。提示：示波器设置除与(一)移相器实验2中的垂直输入耦合方式选择直流耦合DC外，其它设置都