传感器技术软件实验指导书.docx

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传感器技术软件实验指导书

传感器技术实验指导书

软件学院

专业名称

班级

学生姓名

学号

实验成绩

辽宁工业大学

2012年7月

实验一电阻应变式传感器特性实验

一、实验目的

1．熟悉电阻应变式传感器的结构。

2．了解单臂、半桥和全桥测量电路工作原理和性能。

3．比较单臂与半桥、全桥的不同性能，了解各自特点及全桥测量电路的优点。

二、基本原理

1、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。

2、对半桥测量电路而言，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。

3、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。

三、实验仪器及材料

1、应变式传感器实验模板（应变式传感器－电子秤）、砝码盘、砝码。

2、主控箱（数显表、±15V电源、±4V电源、电源地）。

四、实验步骤

1、打开实验台左下面的柜门，取出装有如图应变式传感器（电子秤）模板。

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，应变式传感器安装示意图。

2、打开实验台右下面的抽屉，取出托盘和短圆柱形砝码

图1—1应变传感器安装图

3、关闭主控箱电源，按下面提示为实验模板连线（图1-2中电桥4臂电阻还没就位）。

1）入模板电源±15V（从主控台引入），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（数显表的切换开关打到2V档）。

关闭主控箱电源（注意：

当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变）。

2）将应变式传感器的4个电阻应变片（即模板左上方的R1R2R3R4）接入电桥，接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如实验模版图所示。

检查接线无误后，打开主控台电源。

调节RW1，使数显表显示为零。

图1—2应变传感器接线图

4、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（或500g）砝码加完。

记下实验结果填入表1－1中（全桥）。

5、

（1）将应变式传感器的其中2个电阻应变片R1R2（即模板左上方的R1R2）接入电桥作为2个桥臂与R6、R7接成直流电桥（R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）参照实验模版图。

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。

（2）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（或500g）砝码加完。

记下实验结果填入表1－1中（半桥）。

6、

（1）将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）参照实验模版图。

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。

（2）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（或500g）砝码加完。

记下实验结果填入表1－1（单臂电桥）。

五、实验数据处理与分析

1、按表1－1所记录的实验数据，在同一坐标系下绘制三种电路下的输入输出曲线。

表1－1全桥、半桥、单臂电桥输出电压与加负载重量值

重量

（g）

全桥电压

（mV）

半桥电压

（mV）

单臂全桥电压（mV）

2、按表1-1数据，分别计算全桥、半桥、单臂三种电路下的系统灵敏度S、非线性误差δf1。

系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

六、思考题

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

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，如何利用这两片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻？

3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为什么？

4、单臂电桥时，桥臂电阻应变片应选用：

（正）受拉应变片；（负）受压应变片；正、负应变片均可以吗？

成绩给定：

实验预习

操作过程

数据分析

思考题

综合成绩

教师签字：

实验二电容传感器特性实验

一、实验目的

1.了解电容式传感器结构及其特点；

2.掌握差动电容传感器的工作原理。

二、实验内容及原理

利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。

三、实验仪器及材料

1.电容传感器、测微头；

2.电容传感器实验模板、相敏检波、滤波模板；

3.数显单元、直流稳压源；

4.铜导线若干。

四、实验步骤

1．关闭主控箱电源，准备接线；

2．按安装示意图2-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上，将电容传感器通过专用连接电缆与电容传感器实验模板插孔相连，利用普通导线连接数显单元和±15V直流稳压源；

3．接通主控箱电源；

图2—1安装示意图

4．接法正确则测微头左右移动时，数显表有正、负输出。

不然得调换接头；

5．电位器RW调到最大；

6．调整测微头，使刻度指示在4mm左右；

7．调整测微头整体位置，使数显表在2V量程上接近0mV，（在±200mV之间，）实现粗调，用定位螺丝轻轻固定住测微头，防止整体转动；

8．旋动测微头，使数显表在2V量程上接近0mV，（在±5mV之间，）实现细调；

9．旋动测微头，使刻度指示减少1mm，确定当前位置-1mm，记录输出电压值；

10．旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表2－1。

五、实验数据处理与分析

1.分析、总结实验过程，利用实验数据绘制输出电压与位移的关系曲线。

表2－1电容传感器位移与输出电压值

位移（mm）

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

电压（mV）

2.根据表2－1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

六、思考题

1．电容传感器实验模板上的L1、L2的作用是什么？

2．是否可以选用其它测量电路？

成绩给定：

实验预习

操作过程

数据分析

思考题

综合成绩

教师签字：

实验三电涡流传感器特性实验

一、实验目的

1.了解电涡流传感器的工作原理和特性。

2.熟悉电涡流传感器的结构及在位移测量中的应用。

二、实验内容及原理

高频反射式电涡流传感器和金属测片（三种—铁片、铝片和铜片）安装于振动台上，如图3-1所式，将电涡流传感器的线圈通以高频电流，则激励线圈产生磁场，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。

图3—1电涡流传感器安装示意图

三、实验仪器

⒈实验平台、直流电源、数显单元、计算机及CSY-V8.0软件；

⒉电涡流传感器、振动台、测微头、铁圆片；

⒊电涡流传感器实验模板；

4．铜导线若干；

四、实验步骤

图3—2电涡流传感器位移实验接线图

1、关闭主控箱电源，观察传感器结构；

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，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；

3、将实验模板输出端Vo与与通信接口（A）相连（或将V0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）；

4、开启主控箱电源开关；

5、使测微头与传感器线圈端部接触，点击开始按扭，出现静态测量值，改变测微头位置，每0.2mm点击下一步，测量8mm的数据；

6、由数显单元读取电压值，在中记录数据。

五、实验数据处理与分析

1、分析、总结实验过程，利用表3-1中实验数据，绘制输入输出曲线。

表3—1

位移（mm）

V（mV）

位移（mm）

V（mV）

2.采用端基法或最小二乘法，分析3mm线性区域的灵敏度和线性度。

六、思考题

1、请举电涡流传感器应用的例子；

2、总结电涡流传感器的特点；改变被测金属片对测量结果的影响。

3、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？

成绩给定：

实验预习

操作过程

数据分析

思考题

综合成绩

教师签字：

实验四压电式传感器特性实验

一、实验目的

1.了解压电式传感器的原理、压电加速度传感器的构成及应用。

2.熟悉和掌握压电传感器的测量振动的原理和方法。

二、实验原理

压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。

（观察实验用压电加速度计结构）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交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。

压电式传感器测量振动系统由低频振荡源、压电传感器、电荷放大器、同相放大器和低通滤波器组成。

三、实验仪器

⒈实验平台；

⒉压电传感器，振动台；

⒊压电式传感器实验模板；

⒋检波、移相、低通滤波器模板；

⒌铜导线若干；

四、实验步骤

1．关闭主控箱电源，准备接线；

2．压电传感器已装在振动台面上；

3．将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔；

4．将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图4－1，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。

将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。

将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与通信接口（A）相连，同时将低通滤波器输入与通信接口（B）相连；

5．合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，计算机中示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形变化；

6．在低频振荡器某一频率和某一幅值下进行数据分析，并记录实验结果。

图4-1压电式传感器性能实验接线图

五、实验处理与分析

1.记录压电加速度传感器测量振动的波形，并说明低通滤波器在测量线路中的作用。

2.绘制压电加速度测量系统的结构图。

六、思考题

1、哪些因素影响测量精度？

2、如何提高压电加速度测量系统的灵敏度？

成绩给定：

实验预习

操作过程

数据分析

思考题

综合成绩

教师签字：

实验五热电式传感器特性实验

一、实验目的

1.熟悉几种常用的热电偶、热电阻和集成温度传感器的基本原理。

2.掌握上述常用传感器的适用场合、性能与应用。

3.了解测温系统构成，学会温度传感器测量电路设计方法。

二、实验原理

集成温度传器测温原理：

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（＋4V－＋30V）。

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（本实验中为R2见图6－1）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。

热电阻测温原理：

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0－630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=Ro（1+At+Bt2）

Ro系温度为0℃时的电阻。

本实验Ro＝100℃。

A＝3.9684×10－2／℃，B＝－5.847×10－7／℃2，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

热电偶测温原理：

当两种不同的金属组成回路，产生的二个接点有温度差，会产生热电势，这就是热电效应。

温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。

三、实验仪器

⒈实验平台；

⒉温度控制单元、加热源、铂热电阻；

⒊集成温度传感器、温度传感器实验模板、两端有插头的100Ω电阻一个、数显单元；

⒋铜导线若干；

5.计算机及CSY-V8.0软件。

四、实验步骤

仪表操作：

将Pt100传感器按入主控箱调节仪单元中的“Pt100输入”端口（传感器引线标记相同的两根接入“Pt100输入”上方二端口，传感器另外一根引线接入“Pt100输入”下方一端口）；合上主控箱的漏电保护开关为ON，再合上调节仪单元中的“温度开关”为开，合上“控制方式”开关为内。

仪表参数设置：

按住SET键并保持2秒钟，进入参数设置状态，PV显示菜单，SV显示相应PV菜单的参数值。

再按一下SET键┅┅仪表依次显示菜单及各参数值。

此时，分别按▲、▼、

键可进行参数值数据修改。

按住▲键不放，接着按▼键，可返回显示上一参数。

先按住

键不放接着按SET键可退出参数设置状态。

如果没有按键操作，约30秒后仪表会自动退出参数设置状态。

参数设定表：

参数（菜单）代号

参数含义

说明

设置值

HIAL

上限报警

必须设置

在实验温度值

LOAL

下限报警

必须设置（随HIAL改动）

在实验温度值

参数（菜单）代号

参数含义

说明

设置值

dHAL

正偏差报警

取消报警

9999

dLAL

负偏差报警

取消报警

9999

dF

回差

可设0～0.3

0

ctrl

控制方式

允许从面板启动（AT）自整定功能

1

M50

保持参数

可不人为设置，由AT自动设置

107

P

速率参数

可不人为设置，由AT自动设置

364

t

滞后时间

可不人为设置，由AT自动设置

113

ctl

输出周期

0．5～2秒

10

Sn

输入规格

K设1E设50～5V设34Pt100设21

21

dIP

小数点位置

小数点位数（分辨率）

设1（分辨率0.1℃）

dIL

输入下限显示值

无效

不设（默认值）

dI

输入上限显示值

无效

不设（默认值）

CJC

热电偶冷端补偿温度

Pt100铂电阻无效

不设（默认值）

SC

主输入平移修正

可修正仪表的显示误差

0

OP1

输出方式

时间比例输出方式必须设2

2

OPL

输出下限

无效

0

OPH

输出上限

无效

100

CF

系统功能选择

调节输出正、反作用（1正、0反）

2

bAud

兼报警定义

上限报警继电器输出

17

Addr

地址

无效

0

dL

输入源波

0～20

1

run

运作状态

1自动；0手动

2

LOC

参数修改级别

不准改动808

不设（默认值808）

EPI—EP8

现场参数定义

不改动

不设（默认值）

1．将Pt100传感器插入三源板温度源的测试孔中，作为调节仪的标准输入传感器，另一测试孔插入AD590集成温度传感器。

将主控箱面板上“显示选择”切换开关打到20V挡，实验模板的输出Vo2端、⊥端分别与主控箱电压表输入Vi端、⊥端相连，再将实验模板-15V、⊥、+15V端分别与主控箱稳压电源V0中的-15V、⊥、+15V端相连。

将温度传感器实验模板中放大器的输入端R5、R6短接后逆时针轻轻地调节RW2到底，调节RW3使电压表数显为0。

2．将主控箱中的“电压选择”切换开关打到±4V档，拆去模板中的短接线，按图1-1接线。

把集成温度传感器AD590的引线接入模板a、b端，再将a端、⊥端分别连接到主控箱中±2V～±10V稳压电源输出Vout端和⊥端。

此时电压表的显示值为AD590在室温时的输出值。

图5－1集成温度传感器实验原理图

3.将三源板温度单元中的电源引线接入主控箱调节仪的加热插座中。

4．根据以上参数设定表设定经常改动的参数。

如假设仪表已根据参数设定表设定好。

现在要做温度实验温度值为40℃时，只要进行以下参数修改：

①按住SET键约2秒，进入参数设置状态。

PV显示HIAL，按▲或▼键使SV显示40.0。

②按一下SET键，PV显示LOAL，按▲或▼键使SV显示40.0。

③按一下SET键……重复按SET到PV显示ctrl时，按▲或▼键使SV显示1。

④先按住

键不放接着按SET键可退出参数设置状态，或不按任何键等待30秒后自动退出参数设置状态，返回仪表正常显示状态。

此时，按▲或▼键使SV显示需要作实验的温度值。

⑤按住

键并保持约2秒，此时仪表AT指示灯亮，启动自整定工作状态，自动设置M50、P、t参数进行自动调节温度。

⑥等待仪表PV显示恒定时，记录主控箱电压表的显示值。

5．初始实验温度值设定为40℃，每隔5℃读取数显表值，将结果添入下表5－1。

五、实验数据处理与分析

1、由实验记录的表5－1数据，画出输出电压与温度的非线性曲线。

表5－1

T（℃）

V（mV）

2、利用表5－1数据，计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。

六、思考题

1．如何根据测温范围和精度要求选用温度传感器？

2．通过温度传感器的实验，对各类温度传感器的使用范围有何认识？

3．对温度标定有何认识？

成绩给定：

实验预习

操作过程

数据分析

思考题

综合成绩

教师签字：

实验六光电式传感器特性实验（综合性）

一、实验目的

1.了解光电式传感器的原理以及光电传感器类型、特性。

2.熟悉和掌握光电传感器的测量转速的原理、方法及应用。

3.本实验为光电传感器特性测量和光电传感器的应用两部分内容的综合。

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管，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘上有6个孔，形成相间的6个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉冲进行计数处理即可得到转速值。

三、实验仪器

⒈实验平台；

⒉调节仪单元、频率转速表；

⒊转动源（含光电传感器）、+5V直流稳压电源及2－24V转速调节电源；

⒋铜导线若干；

5.计算机及CSY-V8.0软件。

四、实验步骤

（一）要求：

利用所列实验单元，实现测量光电传感器的特性。

参考步骤如下：

1．光电转速传感器已安装在转动电源板上，把三源板上的＋5V、地、光电输出端分别与主控箱上的＋5V、地、频率/转速表的Fin相连。

频率/转速表转换开关打到转速档。

将转动源2－24V输出旋到最小。

2．电源板上2－12V输入端与主控箱上的转速调节源相连。

3．转动电源板上2－12V输入端与主控箱上的数显表Vin、地相连。

4．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。

5．从2V开始调解转速源，每增加0.5V记录电机转速和电压值。

（10组数据记录在表6－1）

6．调解转速调节源为5V，关闭电源。

7．转动电源板上＋5V、地、光电输出端分别与主控箱上转速调节电源、地、频率/转速表的Fin相连。

连接转动电源板上2-12V与主控箱上＋5V、地。

8．主控箱上转速调节电源与主控箱上的数显表Vin、地相连。

9．减小主控箱上转速调节电源，直到频率/转速表不计数，记录电压值在表6－2中。

图6-1光电传感器实现的转速控制接线图

图6-2光电传感器实现的转速控制接线图

（二）、要求：

利用调节仪单元、频率转速表、转动源（含光电传感器）、+5V直流稳压电源及2－24V转速调节电源实现如图5-3所示的转速控制系统。

参考步骤如下：

1．合上电源开关为ON，合上调节仪单元中的“温度源开关”或“调节仪电源”为开；控制方式开关为外。

2．调节仪设置：

①PV——测量值显示窗；②SV——给定值显示窗；

③SET键——功能键；④▲——数据增加键；⑤▼——数据减少键；

⑥

——数据移位键；⑦ALM1——报警指示灯；

⑧ALM2——手动指示灯（兼报警）；⑨AT——自整定工作指示灯

⑩OUT——调节输出指示灯

仪表参数设置：

按住SET键并保持2秒钟，进入参数设置状态，PV显示菜单，SV显示相应PV菜单的参数值。

再按一下SET键┅┅仪表依次显示菜单及各参数值。

此时，分别按▲、▼、

键可进行参数值数据修改。

按住▲键不放，接着按▼键，可返回显示上一参数。

先按住

键不放接着按SET键可退出参数设置状态。

如果没有按键操作，约30秒后仪表会自动退出参数设置状态。

参数设定表：

参数（菜单）代号

参数含义

说明

设置值

HIAL

上限报警

必须设置

9999

LOAL

下限报警

必须设置（随HIAL改动）

-1999

dHAL

正偏差报警

取消报警

9999

dLAL

负偏差报警

取消报警

9999

dF

回差

可设0～0.3

0

ctr