传感器技术实验指导书CSYWord格式文档下载.docx

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实验三十一电涡流式传感器的静态标定32

实验三十二被测材料对电涡流传感器33

实验三十三电涡流式传感器的振幅测量33

实验三十四电涡流传感器的称重实验34

实验三十五电涡流传感器电机测速试验34

实验三十六磁电式传感器35

实验三十七压电加速度传感器35

实验三十八电容式传感器特性36

实验三十九力平衡式传感器37

实验四十双平行梁的动态特性39

实验四十一微机检测与转换39

使用说明

CSY系列传感器系列实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。

其特点是集被检测、各种传感器、信号与激励、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。

通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。

通过这些实验，实验者可以对各种不同的传感器计测量电路原理组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。

实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。

一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬梁臂，梁上装有应变式、热敏式、P—N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。

平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号

和

表示。

其中六片为金属箔片式（BHF-350）。

横向所贴得两片为温度补偿片，用符号

片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。

热电式（热电偶）：

串接工作的两个铜—康铜热点偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。

分度表见实验指导书。

热敏式：

上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51,负温度系数，25℃时阻值为8～10K。

P—N结温度式：

根据半导体P—N结温度特性所制成的具有良好线性范围的温度传感器。

压电加速度式：

位于悬梁右部，有PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。

实验工作台左边是由装于机内部的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。

圆盘周围一圈所安装有（仪逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。

电感式（差动变压器）：

由初级线圈Li和两个次级线圈L。

绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁心置于线圈中间，测量范围>

10mm。

电容式：

装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。

磁电式：

有一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。

霍尔式：

HZ-1半导体霍尔片至于两个半圆形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。

电涡流式：

多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>

1mm。

光电式传感器装于电机侧旁。

两幅平行式悬梁臂顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振Ⅰ”带动，左边平行式悬梁臂由“激振Ⅱ”带动。

为进行温度实验，左边悬梁臂之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，工作时能获得高于温度30℃左右的升温。

以上传感器以及加热器、激振线圈得引线端均位于仪器下部面板最上端一样。

实验工作台上还装有测电机一组及控制、调速开关。

两只测微头分别装在左右两边的支架上。

二、信号及显示部分：

位于仪器上部面板

低频振荡器：

1～30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。

音频振荡器：

0.4KHz～10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180°

、0°

为反相输出，LV端最大功率输出0.5A。

支流稳压电源：

±

15V，提供仪器电路工作电源和实验温度的加热电源，最大输出1.5A。

2V～±

10V,相距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。

数字式电压/频率表：

位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度≥50mV,频率显示5Hz～20KHz。

指针式直流毫伏表：

测量范围500Mv、50mV、5mV三档，精度2.5%。

三、处理电路：

位于仪器下部面板

电桥：

用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。

R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流态调节电位器，WA为交流调节电位器。

差动放大器：

增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。

光电变换器：

提供红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。

四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）

组成的光强行光纤传感器。

电容变换器：

由高频振荡、放大和双T电桥组成。

移相器：

允许输入电压20Vp-p,移相范围±

40°

（对频率有所变化）。

相敏检波器：

极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压20Vp-p。

电荷放大器：

电容反馈是放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。

电压放大器：

增益5倍的电阻放大器。

涡流变换器：

变频是调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。

温度变换器：

根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。

低通滤波器：

由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。

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。

以其下部面板左下角处的开关控制处理电路的±

15V工作电源，进行实验时请勿关掉。

指针式毫伏表工作前需要对地短路调零，去掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。

请用户注意，本仪器时实验仪器，各电路完成的实验主要目的的是对各传感器测试电路作定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。

各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：

1．应变片及差动放大器，参考附图2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为一实验接插线，接插线可多跟迭插，为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转。

2．半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。

3．热电偶，按附图4接线，加热器接15V电源，另一端接地，观察随温度升高热电势的变化。

4．热敏式，按附图5接线，进行“热敏传感器实验”，电热加热升温观察随温度升高“V0”端输出电压变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。

5．P-N结温度时，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。

6．进行“移相实验”，用双踪示波器观察两通道波形。

7．进行“相敏检波器实验”，相敏检波端口序数请参照附图6，其中4端为参考电压输入端。

8．进行“电容式传感器特性”实验，接线参照附图7。

当震动原判带动动片上下移动时，电容变换器V0端电压应正负过零变化。

9．进行“光纤传感器——位移测量”光线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，旋动测微头带动反射片位置变化，从“V0”端读出电压变化值。

光电变换器“F0”端读出频率变化方波信号，测量变化时可参照“光纤传感器——转速测量”步骤进行。

10．进行光电式传感器测速实验，Vf端输出的是频率信号。

11．降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。

12．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。

13．进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，接线参照附图9，直流激励信号绝对不能大于±

2V，否则一定会造成霍尔元件烧坏。

14．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，参见附图12。

15．进行“压电加速度传感器”实验，接线参加附图13。

此实验与上述第12项内容均无定量要求。

16．进行“电涡流式传感器的静态标定”实验，接线参照图11，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，有上端口味输出经整流后的直流电压。

17．如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集处理说明。

数据采集卡已装入仪器中，其中A/D转换12位转换器，无漏码最大分辨率1/2048（即0.05%），在此范围内的电压值可视为容许误差。

所以建议在做小信号试验（如应变电桥单臂实验）时选用合适的两城，以正确选取信号。

仪器后部的RS232接口情节计算机COM2口串行工作。

否则计算机收不到信号。

仪器工作时需良好的接地，以减少干扰信号，并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。

实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热点偶。

实验工作台上各传感器部分位置不太正确可以松动调节螺丝稍作调整，已按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为益。

附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬梁臂旁的测微头去开后装于顶端的永久磁钢上方，环形圆片代替砝码做称重实验。

实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。

本实验以需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度0℃～40℃。

实验一箔式应变片性能——单臂电桥

一、实验目地：

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、实验原理：

本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。

应变片式最常用的测力传感元件。

当应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其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中，当电路平衡时，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中，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

；

当二个应变片组成差动状态工作，且R1=R2=R3=R4=R，

。

由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。

三、实验所需部件：

直流稳压电源（±

4V档）、电桥、差动放大电路、箔式应变片、测微头、电压表。

四、试验步骤：

1．调零。

开启仪器电源，差动放大电路增益置100倍（顺时针方向旋到底），“+、-”输入端用实验线对地短路。

输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大其输出电压为零，然后拔掉实验线。

调零后电位器位置不要变化。

如使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，是指针居“零”位。

拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入悬空时的正常情况。

调零后关闭仪器电源。

2．按图

（1）将实验部件用线连成测试桥路。

桥路中R1、R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R应变片（可任选上、下梁中的一片工作）。

直流激励电源为±

4V。

测微头装于悬梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。

3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。

调节电桥WD电位器，使测试系统输出为零。

4．旋转微测头，带动悬臂梁分别作为向上和乡下的运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。

位移

mm

电压

V

根据表中所测的数据计算灵敏度S,S=△X/△V，并在坐标图上做出V-X关系曲线。

五、注意事项：

1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。

2．接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。

3．稳压电源不要对地短路。

实验二箔式应变片三种桥路性能比较

一、实验原理：

说明实际使用的应变电桥的性能和原理。

已知单臂、半桥和全控电路的∑R分别为△R/R、2△R/R、4△R/R。

根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似于1/4·

E·

∑R,电桥灵敏度分别为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大小无关。

二、实验所需部件

三、实验步骤：

1．在完成实验一的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图

（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。

2．重复实验一中3-4步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。

3．在同一坐标轴上描出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。

四、注意事项：

1．应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。

2．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。

3．由于进行位移测量时测微头要从零→正的最大值，又回复到零，在→负的最大值，因此容易造成零点漂移，因此计算灵敏度时可将正△X的灵敏度与负的△X的灵敏度分开计算。

在求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。

实验三箔式应变片的温度效应

一、实验目的：

说明温度变化对应测试系统的影响。

温度变化引起应变片阻值发生变化原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中膨胀系数不同。

由此引起测试系统输出电压仿生变化。

直流稳压电源、电桥、差动放大电路、测微头、电压表、加热器、半导体点温计（自备，也可用仪器中的P-N结温度传感器作参考）。

四、实验步骤：

1．按图

（1）界限，开启电源，调整系统输出为零。

2．记录加热前测试系统感受的温度，点温计可插入二片应变梁之间的加热器当中。

3．开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度计升高而发生的变化。

待电压读数基本稳定后记下电压值。

4．求出温度漂移值△V/△T。

由于本仪器中所使用的BHF箔式应变片具有防自蠕变性能，因此温度系数还是比较小的。

实验四应变电路的温度补偿

一、实验目的：

由于温度变化引入了测量误差，因此实用测量电路中必须进行温度补偿。

二、实验原理：

用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图

（2）所示。

在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1=R2。

当温度变化时两片应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1R4=R2R3，点桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°

，所以只感受温度变化，而不感受悬梁臂的应变。

三、实验所需部件：

四、实验步骤：

1．按图（3）接好线路，图中R′和R″分别为箔式工作片和补偿片。

2．重复实验三1-4步骤，并求出接入补偿片后系统的温度漂移，并与实验三的结果进行比较。

五、注意事项：

应正确选择补偿。

在面板的应变片接线端中，从左至右1-8对接线端分别是：

1-上梁半导体应变片，2-下半导体应变片。

3.5-上梁箔式应变工作片，4.6-下梁。

应变工作片，7.8上、下梁温度补偿片。

电路中工作片与补偿片应在同一应变梁上。

实验五半导体应变片的性能

说明半导体应变计的灵敏度和温度效应。

由于材料的阻值

则

，当应变

，灵敏度

对于箔式应变片，K箔≈1+2μ，主要是由形变引起的。

对于半导体应变计，K半≈（△ρ/ρ）/∑，主要由电阻率变化引起。

由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K半要大于K箔，但是受温度影响大。

直流稳压电源、电桥、差动放大电路、测微头、电压表、加热器、半导体点温计（自备，或P-N结温度传感器）。

1．按图（4）接线，R′是半导体应变计，另一臂电阻是电桥上固定电阻。

开启电源后预热数分钟。

2．按单臂电桥实验步骤调整悬臂梁位置，调整系统输出，用微测头进行位移，记录V,X数据，作出V-X曲线，求出灵敏度。

3．重新调整测量系统输出为零。

用点温计记录加温前的工作温度T。

4．打开“加热”，观察随温度升高系统输出电压温漂情况。

待电压稳定后测得温升，求出系统的温漂△V/△T。

此实验中直流激励只能用±

2V,以免引起半导体自热。

实验六半导体应变片直流半桥测试系统

通过实际运用半导体半桥电路，于实验五的半导体单臂电路进行性能比较。

二、实验所需部件：

直流稳压电源、电桥、差动放大电路、半导体体应变计、测微头、电压表、加热器、半导体点温计（自备，或P-N结温度传感器）。

三、实验步骤：

1．按图（5）接线，电桥中R′和R″为半导体应变计。

2．按实验五步骤测出V，X值，画出V-X曲线，求出灵敏度，测出温度变化时的温漂。

四、注意事项：

此实验的测试条件应于实验五一致。

实验七箔式应变片半导体应变片性能比较

通过实验比较两种应变电路的灵敏度与温度特性。

直流稳压电源、差动放大电路、箔式应变片、半导体体应变计、测微头、电压表、加热器、点温计（自备）。

1．分别作箔式单臂电桥和半导体式单臂电桥实验，接线如图

（1）所示，直流激励为±

2V，差动放大增益为100倍。

调整系统，在相同的外部环境下分别测得两组数据填入表格，求出灵敏度。

位移Xmm

灵敏度

V半导体单臂

V箔式单臂

V半导体单桥

V箔式半桥

2．将电桥中固定电阻换成应变片，做箔式半桥和半导体半桥实验，将测得的两组数据分别填入表格，求出灵敏度。

3．在同一坐标上画出四条V-X曲线以作比较。

4．分别对箔式变片和半导体应变片加热，测出两种测试电路得温漂，并进行比较。

实验结果以证实实验五种对半导体应变片性能的分析。

进行以上实验是激励电压，差动放大器增仪、测微头起始点位置外等外部环境必须一致，否则就无可比性。

实验八移相器试验

说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。

图（6）为移相电路示意图。

该电路的团环增益

把拉普拉斯算符换成频率域的参数，则得到：

又改写为

在实验电路中，常设定幅频特性|G（jω）=1，为此选择参数R1=RF=10KΩ由上，R=20KΩ，则输出幅度与频率无关，闭路增益可简化为：

当R=2R1=2RRF时，|G（jω）|=1。

由上是可以得到相频特性表达式：

由tgψ的表达式和正切三角函数半角公式可以得到：

因此可以得到相移ψ为：

电阻R可以在很宽的范围内变化，当WRC很大时，相移ψ-→0，始终负号表示相位超前，如将电如中R和C互换位置，则可得到相位滞后的情况。

如果阻容网络RC不变，则相移将随输入信号的频率而改变。

移相器、音频振荡器、双线示波器。

1．音频振荡器频率、幅值旋钮居中，将信号（0°

或180°

均可）送入移相器输入端。

2．江双线示波器两侧试线分别接移相器输入输出端，调整示波器，观察波形。

3．调接移相器的“移相”旋钮，观察两路波形的相位变化。

4．改变音频振荡频率，观察不同频率对移相器的移向范围。

5．根据移相器实际电路图分析器工作原理。

移为本次实验仪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。

实验九相敏检波器试验

说明由施密特开关电路及运放组成的相敏检波电路的原理。

相敏检波电路如图（7）所示：

图中①为输入信号端，③为输出端，②为交流参考电压电输入端，④为直流参考电压输入。

当②、④端输入控制电压信号，通过差分放大器的作用使D和J处于开关状态，从而把①端输入的正弦信号转换成半波整流信号。

相敏检波器、移相器、音频振荡器、直流稳压电源、低通滤波器、电压表、示波器。

1．将音频振荡频率、幅度旋转钮居中，输出信号（0°

均可）。

接相敏检波器输入端。

2．将直流稳压电源2V档输出电压（正或负均可）接相敏检波器④端。

3．示波器两通道分别接相敏输入、输出端，输出波形的相位关系和幅值关系。

4．改变④端参考电压的极性，观察输入、输出波形的相位关系。

由此可以得出结论：

当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。

5．将音频振荡器0°

端输出信号送入移相器输入端，移相器的输出端与检敏检波器的参考输入端②连接，相敏检波器的信号输入端接音频0°

输出。

6用示波器两通道观察附加插口⑤、⑥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。

7．将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通输出端接数字电压表20V档。

8．示波器两通道分别接相敏检波器输入、输出端。

9．适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表电压值变化，然后将相敏检波器的输入端改接至音频振荡器180°

输出端口，观察示波器和电压表的变化。

由上可以看出，当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性