《传感器与自动检测技术实验指导书》1新设备.docx

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《传感器与自动检测技术实验指导书》1新设备

传感器与自动检测技术实验指导书

红河学院工学院自动化系

目录

实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

实验二金属箔式应变片——半桥性能实验

实验三金属箔式应变片——全桥性能实验

实验四电容式传感器的位移特性实验

实验五直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

实验六霍尔式传感器的应用——电子秤实验

实验七电涡流传感器位移特性实验

实验八被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验

实验九光纤传感器的位移特性实验

实验十Cu50温度传感器的温度特性实验

实验十一热电阻Pt100测温特性实验

实验十二热电偶测温性能实验

附录一温控仪表操作说明

附录二《微机数据采集系统软件》使用说明

附录三附部分实验接线图

实验一金属箔式应变片——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、基本原理：

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：

式中

为电阻丝电阻的相对变化，

为应变灵敏系数，

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的受力状态变化，电桥的作用是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。

单臂电桥输出电压

O1

。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。

传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模块上，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。

2、接入模块电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器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Vo2与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，调节实验模块上调零电位器Rw4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。

关闭主控箱电源。

3、将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V（从主控箱引入）如图1-2所示。

在电子秤上放上托盘，检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节Rw1，使数显表显示为零。

4、在电子秤上放置一只砝码，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。

记下实验结果填入表一，关闭电源。

表一单臂电桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

5、根据表一计算系统灵敏度S，S=

（

输出电压变化量；

重量变化量）计算线性误差：

f1=

F•S×100%，式中

为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

F•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：

（1）正（受拉）应变片

（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可。

实验二金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的：

比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

二、基本原理：

不同受力方向的两片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。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uo2=

。

三、需要器件与单元：

同实验一。

四、实验步骤：

1、

传感器安装同实验一。

做实验

（一）2的步骤，实验模块差动放大器调零。

2、根据图2-1接线。

R1、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）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，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表二，计算灵敏度S=

，非线性误差

f2。

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。

表二半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

五、思考题：

1、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。

2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：

（1）电桥测量原理上存在非线性

（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。

实验三金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的：

了解全桥测量电路的优点。

二、基本原理：

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，不同的接入邻边，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Uo3=

。

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。

三、需用器件和单元：

同实验一。

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验一。

2、根据图3-1实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表三；进行灵敏度和非线性误差计算。

表三全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

五、思考题：

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以

（2）不可以。

2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻?

实验四电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

利用平板电容

和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择

、A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（

变）、测微小位移（d变）和测量也为（A变）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、相敏检波、滤波模块、数显单元、直流稳压源。

四、实验步骤：

1、按图3-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模块，实验线路见图4-1。

3、将电容传感器实验模块的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.2mm（参考测量间隔）记下位移X与输出电压值，填入表4-1。

表4-1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

5、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差

f。

五、思考题：

试设计利用

的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

实验五直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：

根据霍尔效应、霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器按图5-1安装。

霍尔传感器与实验模块的连接按图5-2进行。

1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，Rw3旋到满度的中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。

3、旋转测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm（参考测量间隔）记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5-1。

表5-1

X（mm）

V（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？

实验六霍尔传感器应用——电子秤实验

一、实验目的：

了解霍尔传感器用于称重实验的方法。

二、基本原理：

利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移，通过测位移来称重。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模块、振动台、直流电源、砝码、数显单元。

四、实验步骤：

1、传感器安装、线路接法与实验五相同。

2、在霍尔元件上加直流电压±4V，数显表为2V档。

3、调节传感器连接支架高度，使传感器在磁钢中点位置（要求当振动台无重物时，调节传感器高度使它在线性段起点），调节Rw2使数显表输出为零。

4、在振动台面上中间部分分别加砝码：

20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表上的相应值，依次填入表5-2。

表5-2

W（g）

V（mv）

5、根据表5-2计算该称重系统的灵敏度。

6、放上未知重物，读出数显表电压值。

7、计算出未知重物为g。

五、思考题：

1、该电子秤系统所加重量受到什么限制？

2、试分析本称重系统的误差。

实验七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、基本原理：

通以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、需用器件与单元：

电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：

1、根据图8-1安装电涡流传感器。

2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有Ti的插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。

4、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。

5、将实验模块输出端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。

6、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+15V的插孔中。

7、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0.2mm（参考测量间隔）读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表8-1。

表8-1电涡流传感器位移X与输出电压数据

X（mm）

V（v）

8、根据表8-1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、5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

五、思考题：

1、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？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据使用量程选用传感器？

实验八被测体材质对电涡流传感器的

特性影响实验

一、实验目的：

了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、基本原理：

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

三、需用器件与单元：

除与实验七相同外，另加铜和铝的被测体小圆片。

四、实验步骤：

1、传感器安装与实验七相同。

2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。

3、重复实验七步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表8-2和表8-3。

表8-2被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据

X（mm）

V（v）

表8-3被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据

X（mm）

V（v）

4、根据表8-2和表8-3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

5、比较实验七和本实验所得的结果，并进行小结。

五、思考题：

当被测体为非金属材料时，如何利用电涡流传感器进行测试？

实验九光纤传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、基本原理：

本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤混合组成Y型光纤，探头为半圆分布，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，即探头，它与被测体相距X，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量，而光电转换器转换的电压量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

三、需用器件与单元：

光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元、测微头、±15V直流源、反射面。

四、实验步骤：

1、根据图9-1安装光纤位移传感器，两束光纤插入实验板上的光电变换座孔上。

其内部已和发光管D及光电转换管T相接。

2、将光纤实验模块输出端Vo1与数显单元相连，见图9-2。

3、调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。

4、实验模块接入±15V电源，合上主控箱电源开关，将Rw1旋转到中间位置，调节Rw2使数显表显示为零。

5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm（参考测量间隔）读出数显表值，将其填入表9-1。

表9-1光纤位移传感器输出电压与位移数据

X（mm）

V（v）

6、根据表9-1的数据，分析光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时的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？

实验十Cu50温度传感器的温度特性实验

一、实验目的：

了解Cu50温度传感器的特性与应用。

二、基本原理：

在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，一般采用铜电阻，可用来测量-50ºC~+150ºC的温度。

铜电阻有下列优点：

1）在上述温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系

Rt=R0（1+at）

2）电阻温度系数高，a=4.25~4.28×10-3/ºC

3）容易提纯，价格便宜

三、需用器件与单元：

加热源、K型热电偶、Cu50热电阻、温度源、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。

四、实验步骤：

1、将温度源模块上的220V电源插头插入主控箱面板温度控制系统中的加热输出插座上。

2、同时温度源中“冷却输入”与主控箱中“冷却开关”连接，同时“风机电源”和主控箱中“+2-+24V”电源输出连接（此时电源旋钮打到最大值位置），同时打开温度源开关。

3、注意：

首先根据温控仪表型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，（见附录一）学会基本参数设定（出厂时已设定完毕）。

4、选择控制方式为内控方式，将热电偶插入温度加热源的一个传感器安置孔中。

再将K型（对应温度控制仪表中参数Sn为0，或E型Sn为4）热电偶自由端引线插入主控箱上的传感器插孔中，红线为正极。

它们的热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别K性和E型（E型热电势大）热电偶。

5、从主控箱上将±15V电压，地接到温度模块上，并将R5,R6两端短接接地，打开主控箱电源开关，将模块上的Vo2与主控箱数显表单元上的Vi相接，调节Rw3使数显表显示为零。

6、Cu50热电阻加热端插入加热源的另一个插孔中，尾部红色线为正端，插入实验模块的a端，见图11-1，蓝黑两端短接插入b孔上，a端接电源+2V，b端与差动运算放大器的一端相接，桥路的另一端和差动运算放大器的另一端相接。

此时，打开主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。

7、合上主控箱上温度仪表电源开关，设定温度控制值为40ºC，当温度控制在40ºC时开始记录电压表读数，重新设定温度值为40ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值。

记下数显表上的读数，填入表11-1。

表11-1：

T（ºC）

V（mv）

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40ºC~100ºC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，请阐述理由。

实验十一热电阻Pt100测温特性实验

一、实验目的：

了解热电阻的特性与应用。

二、基本原理：

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0-630.74ºC以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=R0（1+At+Bt2）

R0系温度为0ºC时的铂热电阻的电阻值。

本实验R0=100ºC，A=3.90802×10-3ºC-1

B=-5.080195×10-7ºC-2,铂电阻现是三线连接，其中一端接两根引线主要是为了消除引线电阻对测量的影响。

三、需用器件与单元：

温度源、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。

四、实验步骤：

1、同实验十

、

、

、

、⑤步操作。

2、将Pt100铂电阻三根引线引入“Rt”输入的a、b上：

用万用表欧姆档测出Pt100三根

引线中短接的两根线接b端（即蓝黑两端）。

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R6相接，见图11-2。

3、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，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。

4、合上主控箱上温度仪表电源开关。

设定温度值40ºC，将Pt100探头插入温控模块的一个插孔中，待温度控制在40ºC时记录下电压表读数值，重新设定温度值为40ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值。

将结果填入表11-2。

表11-2

t（ºC）

V（mv）

5、根据表11-2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？

实验十二热电偶测温性能实验

一、实验目的：

了解热电偶测量温度的性能与应用范围。

二、基本原理：

当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。

温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0ºC、25ºC。

三、需用器件与单元：

热电偶K型、E型、温度源、数显单元。

四、实验步骤：

1、重复实验十的

、

、

、

步操作。

2、将E型热电偶加热端插到温度源的另一个插孔中，另一端的红端接到温度模块的R6端，黑端接到温度模块的R5端并与地相连。

3、合上温度仪表电源开关。

设定温控模块仪表控制温度值T=40ºC。

观察温控仪表的温度值，当温度控制在40℃时，调节Rw2，对照分度表将Vo1输出调至和分度表10倍数值相当，并记录下读数

4、重新设定温度值为40ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值，并记入表11-3。

表11-3E型热电偶电势（经放大）与温度数据

T+n·Δt

V（mv）

6、根据表11-3计算非线性误差。

五、思考题：

1、同样实验方法，完成K型热电偶电势（经放大）与温度数据

1、通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？

2、能否用Pt100设计一个直接显示摄氏温度-50ºC-50ºC的数字式温度计，并利用本实验台进行实验。

附：

分度表

E型热电偶分度表

         E                           参考端温度：

0℃                        整10度μν值

℃

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

0

591

1192

1801

2419

3047

3683

4329

4983

5646

100

6317

6996

7683

8377

9078

9787

10501

11222

11949

12681

200

13419

14161

14909

15661

16417

17178

17942

18710

19481

20256

300

21033

21814

22597

23383

24171

24961

25754

26549

27345

28143

400

28943

29744

30546

31350

32155

32960

33767

34574

35382

36190

500

36999

37808

39426

40236

41045

41853

42662

43470

44278

45085

600

45085

45891

46697

47502

48306

49109

49911

50713

51513

52312

700

53110

53907

54703

55498

56291

57083

57873

58663

59451

60237

800

61022

61806

62588

63368

64147

64924

65700

66473

67245

68015

900

68783

69549

70313

71075

71835

72593

73350

74104

74857

75608

1000

76358

红河学院工学院实验报告单

课程名称

成绩

实验名称

日期

所在系

班级

所学专业

学号

姓名

同组人

一、实验目的：

二、实验原理：

三、实验仪器和设备：

四、实验内容和步骤：

五、实验数据记录、分析、处理及讨论