传感器及检测技术实验讲解13电子及14自动化.docx

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传感器及检测技术实验讲解13电子及14自动化

周次

实验项目名称

要点与重点

掌握程度

实验类型

实验要求

学时

9

常用电子测量仪器的使用

万用表、*数字存储示波器、电子计数器、程控电源、LCR测试仪等的使用

熟练

验证性

必做

2

10

电阻式传感器

金属箔式应变传感器，半导体应变传感器

熟练

验证性

必做

2

11

变电抗式传感器

电涡流传感器，电容传感器

熟练

验证性

必做

2

12

光电式传感器

光敏传感器，光电转速传感器

熟练

验证性

必做

2

13

温度传感器

标准K分度热电偶，集成温度传感器

熟练

验证性

必做

2

14

磁电、压电、电容传感器的特性研究

*利用现有设备，设计实验方案，测量磁电、压电、电容传感器的特性

正确

综合性实验

必做

2

15-16

数字温度计

*以Cu50热电阻为传感器，进行温度传感、信号调理电路设计与制作，实现温度传感、信号调理、数字显示。

正确

综合性实验

必做

4

实验一常用电子仪器的使用

一、实验目的

1、掌握数字万用表、台式万用表、数字存储示波器、函数信号发生器、数字频率计、可编程直流稳压电源、LCR测试仪等典型电子测量仪器的原理、性能和基本使用方法；

2、了解测量的基本原理。

二、实验仪器

1、数字万用表；2、台式万用表；3、数字存储示波器；4、函数信号发生器；5、可编程直流稳压电源；6、LCR测试仪。

三、实验原理

1、万用表

万用表具有用途多、量程广、使用方便等优点，是电子测量中最常用的工具。

它可以用来测量电阻，交流电压和直流电压，有的万用表还可以测量晶体管的主要参数及电容器的电容量，还有通断蜂鸣、检测频率、温度等功能。

掌握万用表的使用方法是电子技术的一项基本技能。

数字万用表是可以实现多种测量功能的数字式仪器，其前端为实现各种变换电路，如：

AC/DC变换、I/V变换、Z/V变换等，变换后得到直流电压，通过以A/D转换器为核心的DVM即实现数字化测量，并通过内置的CPU，实现测量自动化。

2、数字存储示波器

数字存储示波器（DigitalStorageOscilloscope，简称为DSO）是将捕捉到的波形通过A/D转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储器中。

它具有记忆、存贮被观察信号功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。

图1-2典型数字存储示波器原理框图

一个典型的数字存储示波器原理方框图如图1-2所示，它有实时和存储两种工作模式。

当处于实时工作模式时，其电路组成原理与一般模拟示波器一样。

当处于存储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段。

在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当地放大或衰减，然后再经过“取样”和“量化”两个过程的数字化处理，将模拟信号转换成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。

在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出，并经D/A转换器转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。

与此同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，加到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟输入信号。

5、函数信号发生器

函数信号发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号发生器。

多波形信号发生原理：

函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其它波形，通常基于RC、LC振荡器，稳定度在10－2―10－3之间。

（1）方波三角波发生器

它最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波——三角波发生器，其原理框图如1-3所示：

（2）正弦波形成电路

正弦波可以由三角波获得，其方法是分段折线逼近的波形综合法。

分段折线逼近的实现电路图如图1-4所示：

（3）锯齿波形成电路

将下图1-5（a）所示三角波与图1-5（b）所示方波直接叠加就可得到图1-5（c）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图1-4（d）所示的锯齿波。

（4）用专门的IC构成的信号发生器

ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。

其中ICL8038芯片具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。

6、合成信号源

（1）频率合成原理

当要获得许多稳定的信号频率时，不能采用很多个晶体振荡器来产生，应采用频率合成的方法来得到。

图1－6频率合成原理

频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率（一般由高稳定的石英晶体振荡器产生），通过基本的代数运算（加、减、乘、除），得到一系列所需的频率。

（2）频率合成分类

Ⅰ、直接频率合成。

它是通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器将其选出。

Ⅱ、锁相式频率合成。

它是一种间接式的频率合成技术，利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。

Ⅲ、直接数字合成（DDS）。

基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号。

合成信号源的频率稳定度高，通常在10－6――10－8之间

7、任意信号发生器

（1）任意波形发生器的工作原理

任意波形发生器的原理与DDS基本相同，如下图1－7所示：

它包括信号的频率合成及波形合成，它采用波形取样、数据存储和波形恢复等数字技术。

它截取所要产生的信号波形的一个周期，进行等间距的均匀取样和量化，获得的波形数据存入存储器RAM中。

波形恢复时，以与取样时钟同频率的时钟顺序读出存储的波形数据，经D/A转换后即可以得到所需要波形的信号、

（2）任意波形发生器的主要技术指标

任意波形发生器的种类很多，性能各异，其基本的功能及性能指标有：

Ⅰ、波形编辑功能；Ⅱ、输出波形频率；Ⅲ、相位分辨力；Ⅳ、幅度分辨率；Ⅴ、输出通道数。

任意波形发生器简介：

下图1－8是某种任意波形发生器的系统结构框图

四、实验步骤

1、万用表的应用

（1）测直流电压源的输出电压；

（2）测量供电系统50HZ交流电（要注意安全）；

（3）测电阻，与LCR测试仪对比；

（4）测电容，与LCR测试仪对比；

（5）测电感，与LCR测试仪对比；

（6）练习平常用得比较少的功能，如测频率、测温度、测二极管的导通压降、判断三极管的三极以及放大倍数等等，并把测量值记录下来。

2、信号发生器的应用

（1）分别调出正弦波、方波、三角波；

（2）设置频率300Hz；

（3）设置峰－峰值4V。

3、示波器的应用

（1）探头补偿调试；

（2）用示波器分别观察正弦波、方波、三角波波形、频率、幅度与信号发生器示值比较，观察一个周期的波形、上升沿、下降沿，写出具体操作过程。

要把面板上的功能都用一用，比如自动读数、光标读数功能，波形存储功能，切换两个通道，算法切换功能。

4、LCR测试仪的使用

分别测量已给电阻、电容、电感的值：

R

L

C

标称

1

1M

10

100

1nF

1

F

万用表测的值

LCR测试仪测的值

误差

五、实验报告

1、记录实验数据

2、总结各种仪器的使用方法

实验二金属箔式与半导体式应变计的性能测试

一．实验目的：

１．观察了解箔式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式。

２．验证单臂、半桥、全桥的性能，比较各桥路间的输出关系。

３．说明实际使用的应变电桥的性能和原理。

４．了解温度对测试系统的影响，说明箔式应变片和半导体应变计的灵敏度和温度效应。

５．通过实验对两种应变电路的特性有充分的了解。

二．实验所需部件：

直流稳压电源、应变式传感器实验模块、金属箔式应变计及温度补偿片、半导体式应变计、砝码、数字电压／频率表、应变加热（位于主机面板的温控单元下面）。

三．实验原理：

1.箔式应变片性能——单臂电桥

本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。

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，

。

2.箔式应变片三种桥路性能比较

已知单臂、半桥和全桥电路的∑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近似等于

·E·∑R，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对于单臂、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，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关

３．金属箔式应变计的温度效应

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

由此引起测试系统输出电压发生变化。

用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图

（1）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R1*R4＝R2*R3，电桥仍满足平衡条件，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，而不感受悬臂梁的应变。

　　　图

（1）　　　　　　　　　　　　　　图

（2）

４．半导体应变片性能

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。

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。

半导体应变计主要是根据硅半导体材料的压阻效应制成，当半导体晶体受到作用力时，晶体除产生应变外，电阻率也会发生变化。

与金属应变片相比，半导体应变计灵敏系数很高，可达100～200，但是在稳定性及重复性方面都不如金属箔式片。

实际使用时都是采用全桥工作形式以达到相对稳定。

四．实验步骤：

（一）箔式应变片三种桥路性能比较

图（3）

１．首先差放调零，连接主机与应变式传感器实验模块之间的电源，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对地短路。

输出端接数字电压表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，然后关闭主机电源，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。

２．观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图（3）将所需实验部件连接成单臂电桥，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，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。

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。

调节模块电桥上的WD电位器，使系统输出为零。

４．在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，每个砝码的重量为20g，每放一个砝码，记录一个输出电压值，并记入下表

（1）：

重量（g）

电压（v）

表

（1）

图（4）

图（5）

５．按图（4）将图（3）中的固定电阻R1换接金属箔式应变计组成半桥电路，按图（5）将图（3）中的固定电阻R2、R3，换接金属箔式应变计组成全桥电路。

６．重复3-4步骤，完成半桥系统与全桥系统测试实验，数据记入表

（1）。

记录重量——电压值，并填入下表。

重量（g）

半桥（V）

全桥（V）

表

（2）

（二）金属箔式应变计的温度效应

1．关掉电源，拆掉连线，按图（3）接成单臂应变电桥，再开启主机电源，调节“WD”电位器，使系统输出为零。

2．开启“应变加热”电源，观察系统输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（加热器加热温度约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出大致的温飘△V/△T，然后关闭加热电源，待其冷却。

3．按图（3）将电桥中的固定电阻R1换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整“WD”电位器，使系统输出为零。

4．开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，求出温飘，然后与未进行补偿时的电路进行比较。

（三）半导体应变片性能

1.关掉电源，拆掉连线。

按图（6）接线，R是半导体应变计，直流激励输出电压为2V，以免因为电压过高引起半导体应变计自热。

图（６）

2.连接主机与模块的电源并开启，调节电桥WD电位器，使系统输出为零，此时差动放大器增益可置最大电压表可先置20V档。

13.按单臂电桥实验步骤，调节电桥中的ＷＤ电位器使系统输出为零，逐一加上砝码，记录重量-电压值，求出灵敏度，记入表（3）。

表（3）

重量（g）

单臂电压（V）

双臂电压（V）

图（８）

14．按图（8）接入二片半导体应变片和二个固定电阻，组成应变半桥。

15．激励电压接2V，打开主机电源，调节电桥中WD电位器使系统输出为零。

16．按步骤13进行操作，数据记录在表（3），计算出灵敏度。

五．注意事项：

１．进行上述实验时激励电压，差动放大器增益等实验条件必须一致，否则就无可比较性。

２．做单臂电桥实验时，由于应变片的零飘和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零飘值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路必然会出现输出电压漂移现象，这是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的飘移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。

３．箔式应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相反，如接反则电路无输出或输出很小。

４．半导体应变计加热后温飘是非常大的，即使是加热到了相对的热平衡，但只要温度不是绝对稳定，电桥输出往往还是不能稳定，这不是仪器的毛病。

５．由于半导体应变计非常灵敏，当环境温度有微小变化时都会引起电桥不平衡，电路输出电压变化。

随着加热温度的改变，半导体单臂电桥系统输出电压要有一个相当长的时间才能基本稳定。

实验三变电抗式传感器

一．实验目的：

１．了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。

２．通过实验说明不同的涡流感应材料对电涡流传感器特性的影响。

３．掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。

二．实验原理：

１．电涡流式传感器的静态标定

电涡流式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，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。

当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。

将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。

２．被测材料对电涡流式传感器特性的影响

线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。

而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流率有关，还与线圈与导体间的距离ｘ有关。

因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Ｚ的函数关系为：

Z=F（ρ,μ,r,f,x）式中，ｒ为线圈与被测体的几何因子。

３．电容式传感器特性

电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。

传感器由两组定片和一组动片组成。

当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。

如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。

三．实验所需部件：

电涡流式传感器、三种金属涡流片、电涡流变换器、螺旋测微仪、示波器、数字电压/频率表、电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器。

四．实验步骤：

图（9）

１．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行（必要时可稍许调整探头角度），安装好螺旋测微仪，如图（9）将电涡流线圈的上端对应接入涡流变换器输入端，涡流变换器输出端接电压表20V档。

２．开启仪器电源，调节测微头位移将电涡流线圈与金属涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出，用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。

３．用螺旋测微仪带动振动圆盘使电涡流线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零，涡流变换器中的振荡电路停振。

４．旋动螺旋测微仪使电涡流线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形，记录V—X数据，作出V－X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。

５．分别对铁、铜、铝被测体进行测量，记录数据在表（5），在同一坐标直作出V－X曲线。

６．分别找出各被测体的线性范围、灵敏度，并进行比较。

７．从实验得出结论：

被测材料不同时灵敏度与线性范围都不同，必须分别进行标定。

位移（mm）

灵敏度

V铁（v）

V铝（v）

V铜（v）

表（5）

图（10）

８．按图（10）接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。

９．装上螺旋测微仪，带动振动圆盘移动，使电容动片位于两静片中间位置，调节差动放大器“调零”旋钮使差动放大器输出为零。

10．以此为起点，旋动螺旋测微仪向上和向下移动，直至动片与一组静片全部重合为止。

记录数据在表（6），并作出V—X曲线，求得灵敏度。

位移（mm）

电压（v）

表（6）

11．低频振荡器输出接“激振I”端，移开螺旋测微仪，适当调节低频振荡器频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。

五．注意事项：

１．当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小（如果示波器探头阻抗太小，甚至会使变换器电路停振而无输出），或是使传感器在初始状态有一死区。

２．电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。

位移和振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变。

如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。

３．由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并不回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向的采集。

实验四光电式传感器

一．实验目的：

１．了解光电开关的原理和应用。

２．了解光敏电阻的工作原理和光敏电阻的应用。

二．实验原理：

１．光电传感器——光电开关转速测量

光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。

与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图（11）形式，就形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。

图（1１）

一个是发光二极管，一个是受光二极管，当光线照射到受光管它就迅速导通、导通电压近似于90度饱和（上升），当光线被阻挡电压也会迅速承90度截止（下降），这样测到的就是方波（也叫矩形波）。

要是1/2那就是在一个圆周内被光线照射两次，所以电机转速＝方波频率÷2。

２．光电传感器——光敏电阻暗灯控制

由半导体材料制成的光敏电阻，光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图（12）所示。

为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。

光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。

当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。

入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。

由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。

图（12）

三．实验所需部件：

光电开关、测速电机、示波器、数字电压/频率表、光纤光电传感器实验模块、光敏电阻。

四．实验步骤：

图（13）

１．观察光电开关结构：

传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3μm左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。

２．连接主机与实验模块电源线，按图（13）将光电开关　　端上下对应接光电变换器端，光电输出FO端接示波器和数字电压／频率表2KHZ。

３．开启主机电源，用手转动电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。

４．打开电机开关，调节电机转速。

用示波器观察光电转换器VＯ端，并读出波形频率，与频率表所示频率比较。

５．电机转速＝方波频率÷2

６．将一较强光源照射仪器转盘上方，观察测试方波是否正常。

７．由此可以得出结论，光电开关受外界影响较小，工作可靠性较高。

图（14）

８．观察