傳感器實驗指導書

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應用課程實驗指導書機械與汽車工程學院 機械電子工程系二零一六 年 五 月實驗的基本要求和安全操作規(guī)程一、實驗臺簡介：CSY2001/2001B型實驗臺分主機與實驗模塊二部分。1) 2001型主機傳感器實驗平臺：裝有氣敏、電容、PSD光電位置、熱釋電紅外、光電（光斷續(xù)器）、光電阻、集成溫度、半導體熱敏、鉑熱電阻、PN結(jié)溫敏、熱電偶、電渦流、磁電、壓電加速度、霍爾、濕敏（RH、CH）、電感、雙孔懸臂梁稱重、半導體應變、金屬箔式應變、MPX擴散硅壓阻、光纖位移、光柵等二十余種經(jīng)典和新型的傳感器（傳感器的種類可根據(jù)用戶的需要增減）

2、。以及進行實驗所需的兩副雙平行懸臂梁和螺旋測微儀、位移平臺、溫控電加熱爐、支架、平臺、旋轉(zhuǎn)測速電機等，傳感器接口位于儀器面板下側(cè)排列。主機內(nèi)裝有：n 直流穩(wěn)壓電源：l +2V+10V分五檔輸出，最大輸出電流1.5Al +15V 、+ 9V（12V）、激光電源，最大輸出電流1.5An 音頻信號源：l 0.4KHz-10KHz輸出連續(xù)可調(diào)，最大Vp-p值20Vl 00、1800端口反相輸出l 00、LV端口功率輸出，最大輸出電流1.5Al 1800端口電壓輸出，最大輸出功率300mwn 低頻信號源：1Hz30Hz輸出，連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I、II的信號頻率源。

3、n 轉(zhuǎn)換開關：當?shù)瓜騐0側(cè)時，低頻信號源正常使用，V0端輸出低頻信號，倒向Vi側(cè)時，斷開低頻信號電路，Vi作為電流放大器輸入端，輸出端仍為V0端。n 電壓/頻率表：3 1/2位數(shù)字表、電壓顯示02V、020V兩檔，頻率顯示02KHz、020KHz兩檔，靈敏度50mv。n 溫控電加熱器：由熱電偶控溫的300W電加熱爐，最高爐溫400，實驗控溫200。提供溫度傳感器熱源及熱電偶測溫、標定及應變傳感器加熱等功能。n 通信接口：標準RS232口，提供實驗儀與計算機通信接口。n 數(shù)據(jù)采集卡：12位A/D轉(zhuǎn)換，信號輸入端為電壓/頻率表的“IN”端。n 氣壓源：電動氣泵，氣壓輸出20KP； 氣壓表：滿量程4

4、0KP。n 整套儀器共有實驗模塊14個，實驗模塊電源統(tǒng)一為四芯標準接口。 2) 2001B型主機n 裝有磁電、壓電加速度、半導體應變、金屬箔式應變、衍射光柵等傳感器,信號源、溫控電加熱器、顯示儀表、電動氣壓源、數(shù)據(jù)采集及通信接口。n 分別安裝在十余個實驗模塊面板上二十種傳感器與2001型主機工作臺上安裝的傳感器性能相同，其中電感、電容、霍爾、光纖、電渦流等傳感器可在模塊上做靜態(tài)位移實驗，也可安裝在主機的振動臺上做動態(tài)性能測試。n 主機與實驗模塊的連接線采用高可靠性的防脫落插座及插頭。連接線均用燈籠狀的插頭及配套的插座，接觸可靠，防旋防松脫，并可在使用日久斷線后重新修復。二、CSY2001/20

5、01B型傳感器實驗臺傳感器性能、參數(shù)指標：氣敏傳感器（MO3），對酒精敏感，測量范圍10-2000ppm 靈敏度RO/R>5電容式傳感器：2001型:平行變面積差動式電容，線性范圍3mm。2001B型:圓筒變面積差動式電容, 線性范圍3mm。熱釋電紅外傳感器：光譜范圍715m,光頻響應0.510HZ。光電傳感器：紅外發(fā)光管、光敏三極管及施密特整形電路組成的光斷續(xù)器。光電阻：半導體材料制成的光敏傳感器，阻值范圍10MnK。集成溫度傳感器：電流型集成溫度傳感器，測量范圍-55-200。熱電偶：標準熱電偶鎳鉻鎳硅（K分度），溫控熱電偶鎳鉻銅鎳（E分度）。半導體熱敏電阻：MF51，負溫度系數(shù)，測

6、溫范圍-50-300。鉑熱電阻：Pt100 測溫范圍650。PN結(jié)溫敏二極管：測溫范圍-40-150，精度1%。光纖位移傳感器：雙支Y型導光型光纖傳感器，線性范圍1.5mm。電渦流傳感器：量程0-3mm,由扁平線圈和多種金屬渦流片組成。磁電傳感器：靈敏度0.4V/m/S，動鐵與線圈組成?；魻杺鞲衅鳎禾荻却艌雠c銻化銦線性霍爾元件組成，測量范圍+2.5mm。壓電加速度傳感器：PZT雙壓電晶片、質(zhì)量塊及壓簧組成，頻響>5Hz 。濕敏電容：測量范圍：0-99%RH，線性度+2%。濕敏電阻：測量范圍：0-99%RH，阻值范圍10M-nk。差動變動器：一組初級線圈、兩組次級線圈及軟磁鐵心組成，測量范

7、圍+5mm。稱重傳感器：商用雙孔懸臂梁結(jié)構，稱重范圍500克，精度1%。半導體應變計：BY型，靈敏系數(shù)120。金屬箔式應變計（貼于雙平行懸臂梁上）：BHF環(huán)氧基底防蠕變，工作片×4，溫度補償片×2，靈敏度系數(shù)2.06。壓阻式傳感器：MPX壓阻式差壓傳感器,量程0-50KP，精度1%。光柵莫爾條紋位移傳感器:測試精度1%mm。（僅2001B型有）CCD圖象傳感器：光敏面尺寸：1/3英寸。工作電壓12V。三、實驗操作須知：1、 使用本儀器前，請先熟悉儀器的基本狀況，對各傳感器激勵信號的大小、信號源、顯示儀表、位移及振動機構的工作范圍做到心中有數(shù)。2、 了解測試系統(tǒng)的基本組成：合

8、適的信號激勵源傳感器處理電路（傳感器狀態(tài)調(diào)節(jié)機構）儀表顯示（數(shù)據(jù)采集或圖象顯示）3、 實驗操作時，在用實驗連接線接好各系統(tǒng)并確認無誤后方可打開電源，各信號源之間嚴禁用連接線短路，2001型主機與模塊的電源連接線插頭與插座連接時尤要注意標志端對準后插入，如開機后發(fā)現(xiàn)信號燈、數(shù)字表有異常狀況，應立即關機，查清原因后再進行實驗。4、 實驗連接線插頭為燈籠狀簧片結(jié)構，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉(zhuǎn)鎖緊，為延長使用壽命，請捏住插頭連接。5、 實驗指導中的“注意事項”不可忽略。傳感器的激勵信號不準隨意加大，否則會造成傳感器永久性的損壞。6、 本實驗儀為教學實驗用儀器，而非測量用儀器，各傳感器在其工作范

9、圍內(nèi)有一定的線性和精度，但不能保證在整個信號變化范圍都是呈線性變化。限于實驗條件，有些實驗只能做為定性演示（如濕敏、氣敏傳感器），能完成實驗指導書中的實驗內(nèi)容，則整臺儀器正常。7、 本儀器的工作環(huán)境溫度40，需防塵。實驗一 金屬箔式應變計性能應變電橋?qū)嶒災康模?、觀察了解箔式應變片的結(jié)構及粘貼方式。 2、測試應變梁變形的應變輸出。3、比較各橋路間的輸出關系。實驗原理： 本實驗說明箔式應變片及直流電橋的原理和工作情況。應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸

10、出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，當使用一個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R4=R，。實驗所需部件： 直流穩(wěn)壓電源+4V、公共電路模塊、貼于主機工作臺懸臂梁上的箔式應變計、螺旋測微儀、數(shù)字電壓表實驗步驟：1、連接主機與模塊電路電源連接線，差動放大器增益置于最大位置（順時針方向旋到底），差動放大器“+”“”輸入端對地用實驗線短路。輸出端接

11、電壓表2V檔，注意主機和模塊之間必須共地。開啟主機電源，用調(diào)零電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零。然后關閉主機電源，拔掉實驗線，調(diào)零后模塊上的“增益、調(diào)零”電位器均不應再變動。2、觀察貼于懸臂梁根部的應變計的位置與方向，按圖（1）將所需實驗部件連接成測試橋路，圖中R1、R2、R3分別為固定標準電阻，R為應變計（可任選上梁或下梁中的一個工作片），圖中每兩個節(jié)之間可理解為一根實驗連接線，注意連接方式，勿使直流激勵電源短路。將螺旋測微儀裝于應變懸臂梁前端永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)測微儀使懸臂梁基本處于水平位置。（圖1）3、確認接線無誤后開啟主機，并預熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。調(diào)節(jié)模塊上的WD電位器，使橋路

12、輸出為零。4、用螺旋測微儀帶動懸臂梁分別向上和向下位移各5mm ,每位移1mm記錄一個輸出電壓值，并記入下表：位移mm 電壓V根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)在坐標圖上做出VX曲線，計算靈敏度S：S=。注意事項：1、實驗前應檢查實驗連接線是否完好，學會正確插拔連接線，這是順利完成實驗的基本保證。2、由于懸臂梁彈性恢復的滯后及應變片本身的機械滯后，所以當螺旋測微儀回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零，此時可一次或幾次將螺旋測微儀反方向旋動一個較大位移，使電壓值回到零后再進行反向采集實驗。3、實驗中實驗者用螺旋測微儀進行位移后應將手離開儀器后方能讀取測試系統(tǒng)輸出電壓數(shù)，否則雖然沒有改變刻度值也會造成微小位

13、移或人體感應使電壓信號出現(xiàn)偏差。4、因為是小信號測試，所以調(diào)零后電壓表應置2V檔，用計算機數(shù)據(jù)采集時應選用200mv量程。實驗二 金屬箔式應變計三種橋路性能比較實驗原理：已知單臂、半橋和全橋電路的R分別為R/ R、2R/ R、4R/ R。根據(jù)戴維南定理可以得出測試電橋近似等于·E··R，電橋靈敏度Ku=V/R/R，于是對于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度分別為1/4E、1/2E和E。由此可知，當E和電阻相對變化一定時，電橋的靈敏度與各橋臂阻值的大小無關。實驗所需部件：直流穩(wěn)壓電源（+4V）、應變式傳感器實驗模塊、箔式應變計、螺旋測微儀、數(shù)字電壓表。實驗步驟：1、在完成

14、實驗一的基礎上，依次將圖（1）中的固定電阻R1，換接應變計組成半橋、將固定電阻R2 、R3，換接應變計組成全橋。2、重復實驗一中實驗3-4步驟，完成半橋與全橋測試實驗。3、在同一坐標上描出V-X曲線，比較三種橋路的靈敏度，并做出定性的結(jié)論。注意事項：應變計接入橋路時，要注意應變計的受力方向，一定要接成差動形式，即鄰臂受力方向相反，對臂受力方向相同，如接反則電路無輸出或輸出很小。實驗三 雙孔應變傳感器稱重實驗實驗原理：本實驗選用的是標準商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，四個特性相同的應變片貼在如圖所示位置，彈性體的結(jié)構決定了R1和R3、R2 和R4的受力方向分別相同，因此將它們串接就形成差動電橋。當彈

15、性體受力時，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：實驗所需部件：直流穩(wěn)壓電源、雙孔懸臂梁稱重傳感器、公共電路模塊（一）公共電路模塊，稱重砝碼（20克/個）、數(shù)字電壓表。（圖2）雙孔懸臂梁稱重傳感器實驗步驟：1、觀察稱重傳感器彈性體結(jié)構及貼片位置，連接主機與實驗模塊的電源連接線，開啟主機電源，調(diào)節(jié)放大器調(diào)零電位器使無負載時的稱重傳感器輸出為零。2、接好傳感器測試系統(tǒng)線路，稱重傳感器工作電壓選用+4V，差動放大器增益為最大（100倍），輸出端接電壓表。調(diào)節(jié)電橋WD調(diào)零電位器使無負載時稱重傳感器輸出為零。3、逐步將砝碼放上稱重平臺，調(diào)節(jié)增益電位器，使V0端輸出電壓與所稱重量成一比例關系，記錄W（克）與V（

16、mv）的對應值，并填入下表：W(克)V（mv）4、記錄W與V值，并做出W-V曲線，進行靈敏度、線性度與重復性的比較。5、與雙平行懸臂梁組成的全橋進行性能比較。注意事項：稱重傳感器的激勵電壓請勿隨意提高。注意保護傳感器的引線及應變片使之不受損傷。實驗四 光柵傳感器衍射演示實驗實驗原理：激光照射光柵時光柵的衍射特性可用公式：表示，根據(jù)這一公式可進行光柵距的測定，光柵至投射屏距離的測試，圖（3）為光柵衍射示意圖。實驗所需部件：固體激光器、光柵、投射屏（自備）、直尺（自備） （圖3）實驗步驟：1、觀察光柵，衍射光柵上每片有兩組柵線相差90°的光柵，調(diào)整激光器位置，與其中的一組光柵中心對準。2

17、、打開主機電源，接通激光器，經(jīng)一束激光照射后的光柵在前方投射屏上出現(xiàn)一行衍射光斑，正中為中央光斑，從中央光斑兩側(cè)向外依次為一級、二級、三級衍射光斑，觀察與分析光斑的大小及光強變化規(guī)律。3、根據(jù)光柵衍射公式，用直尺量得一級光斑與中央光斑的距離S，光柵至投射屏的距離L，就可得得光柵距d。反之如果已知實驗所用的光柵的光柵距，則量得S后就可求得距離L。注意事項：激光照射光柵時注意光路勿受阻擋，實驗儀上所配的衍射光柵為50線/mm。實驗五 微機檢測與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集處理實驗目的：傳感器實驗課程中，數(shù)據(jù)采集和分析處理是最為主要的部分，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，微機檢測與轉(zhuǎn)換也成為必然的趨勢，通過使用實驗儀內(nèi)置的數(shù)據(jù)

18、采集卡和配套的實驗軟件對傳感器測試系統(tǒng)采集到的電信號進行分析處理，可以為以后測試系統(tǒng)的設計與應用建立基礎。使用說明：數(shù)據(jù)采集卡采用內(nèi)置形式，與計算機通信采用串行工作方式，實驗時用通信線與計算機串口RS232口相連。通訊約定：波特率2400，1位停止位，無奇偶校驗。數(shù)據(jù)采集卡采用十二位A/D轉(zhuǎn)換，容錯率為1/2048，量程分200mv、1V、10V三檔，因為實驗儀的輸出信號電壓范圍較寬，為滿足精度要求，所以應根據(jù)具體情況選擇量程，采集模式分為單次采集與連續(xù)采集，對靜態(tài)信號采用單次采集方式，動態(tài)信號則用連續(xù)采集方式，速度選擇為17檔（20000次/秒100次/秒）。通信口選擇：從COM1COM4，

19、如不選擇，默認為COM1口。配套數(shù)據(jù)采集實驗軟件：實驗軟件為一份光盤，為安裝盤形式，點擊安裝圖標，即進入自動安裝程序，待安裝完成后，執(zhí)行程序EXP已以快捷方式置于桌面。CCD圖象傳感器測徑及莫爾條紋記數(shù)軟件安裝辦法與數(shù)據(jù)采集軟件安裝方法相同。實驗軟件使用說明：點擊EXP圖標，進入實驗軟件。首先進行系統(tǒng)設置，要根據(jù)實驗內(nèi)容設置的項目：姓名、班級、實驗名稱、采集方式，采集速度，X軸坐標單位選擇，（坐標間隔和坐標單位），串口選擇，采集曲線色彩選擇等等，選定項目后按“確認”鍵。進入主界面：每幀坐標均能容納四條曲線，每條曲線最高容納100點數(shù)據(jù)，可選擇是否要小圓點作為標記。采集時請按曲線順序從上至下的圖標進行操作，單次采集須先進行正向采集，然后進行反向采集，反向采集后則不能再進行正向