傳感器與自動檢測技術實驗指導書

1、傳感器與自動檢測技術驗指導書張毅 李學勤 編著重慶郵電學院自動化學院2004年9月目 錄CSY-2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀介紹.1實驗一 金屬箔式應變片測力實驗（單臂單橋）.3實驗二 金屬箔式應變片測力實驗（交流全橋）6實驗三 差動式電容傳感器實驗.9實驗四 熱敏電阻測溫實驗.12實驗五 差動變壓器性能測試.14實驗六 霍爾傳感器的特性研究.17實驗七 光纖位移傳感器實驗.21CSY-2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀介紹本儀器是專為傳感器與自動檢測技術課程的實驗而設計的，系統(tǒng)包括差動變壓器、電渦流位移傳感器、霍爾式傳感器、熱電偶、電容式傳感器、熱敏電阻、光纖傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電加速度計、壓

2、變式傳感器、PN結溫度傳感器、磁電式傳感器等傳感器件，以及低頻振蕩器、音頻震蕩器、差動放大器、相敏檢波器、移相器、低通濾波器、渦流變換器等信號和變換器件，可根據需要自行組織大量的相關實驗。為了更好地使用本儀器，必須對實驗中使用涉及到的傳感器、處理電路、激勵源有一定了解，并對儀器本身結構、功能有明確認識，做到心中有數。在儀器使用過程中有以下注意事項：1、 必須在確保接線正確無誤后才能開啟電源。2、 迭插式插頭使用中應注意避免拉扯，防止插頭折斷。3、 對從各電源、振蕩器引出的線應特別注意，防止它們通過機殼造成短路，并禁止將這些引出線到處亂插，否則很可能引起一起損壞。4、 使用激振器時注意低頻振蕩器

3、的激勵信號不要開得太大，尤其是在梁的自振頻率附近，以免梁振幅過大或發(fā)生共振，引起損壞。5、 盡管各電路單元都有保護措施，但也應避免長時間的短路。6、 儀器使用完畢后，應將雙平行梁用附件支撐好，并將實驗臺上不用的附件撤去。7、 本儀器如作為穩(wěn)壓電源使用時，±15V和0±10V兩組電源的輸出電流之和不能超過1.5A，否則內部保護電路將起作用，電源將不再穩(wěn)定。8、 音頻振蕩器接小于100的低阻負載時，應從LV插口輸出，不能從另外兩個電壓輸出插口輸出。9、 本儀器應與電網地線可靠連接，不能只用兩根線供電，否則將會有嚴重的干擾，對人身也不安全。實驗臺簡介：雙平行振動梁的自由端及振動圓

4、盤下面各裝有磁鋼，通過各自測微頭或激振線圈接入低頻激振器可做靜態(tài)或動態(tài)測量。變梁：應變梁采用不銹鋼片，雙梁結構端部有較好的線性位移。一、傳感器1、金屬應變式傳感器 鉑式應變電阻值：350×4，溫度補償片×2。2、熱電偶(熱電式)傳感器直流電阻：10左右，由兩個銅一康銅熱電偶串接而成，分度號為T，冷端溫度為環(huán)境溫度。3、差動變壓器量程:5mm 直流電阻：510由一個初級、二個次級線圈繞制而成的透明空心線圈，鐵芯為軟磁鐵氧體，暗電阻 0.1m。4、電渦流位移傳感器：量程：3mm，直流電阻:12,多股漆包線繞制的扁平線圈與金屬渦流片組成。5、霍爾式傳感器日本JVC公司生產的線性半

5、導體霍爾片，它置于環(huán)形磁鋼構成的梯度磁場中,量程: ±3mm 。6、磁電式傳感器直流電阻：3040，由線圈和鐵芯組成，靈敏度：0.5v/m/s。7、壓電加速度傳感器PZT-5雙壓電晶片和銅質量塊構成。諧 振頻率：>-35KHz。8、電容式傳感器 量程：±5mm， 由兩組定片和一組動片組成的差動變面積式電容傳感器。9、壓阻式壓力傳感器量程：15Kpa，供電：4V，MPS壓阻式壓力傳感器。10、光纖傳感器光纖、發(fā)射、接收電路組成的導光型傳感器，線性范圍：±1mm，紅外線發(fā)射、接收，2×60股丫形、半圓分布。11、PN結溫度傳感器利用半導體PN結良好的線

6、性溫度電壓特性制成的測溫傳感器，靈敏度：-2mV/。12、熱敏電阻半導體熱敏電阻 NTC：溫度系統(tǒng)為負，25時為10K 。13、氣敏傳感器TP-3：酒精 測量范圍：502000ppm 。14、濕敏電阻 高分子薄膜電阻型：RH:幾M幾K，響應時間：吸濕、脫濕小于10秒。濕度系數：0.5 RH%/，測量范圍：10%R11-95%RH，工作溫度：0-50。15、光電傳感器由光耦、達林頓輸出及整形電路組成，n2400r/min。二、信號及變換： 電橋：用于組成應變電橋，提供組橋插座，標準電阻和交，直流調平衡網絡。差動放大器：通頻帶0-10kHz，可接成同相，反相，差動輸入結構，增益為1-100倍的直流

7、放大器。電容變換器：由高頻振蕩，放大和雙T電橋組成的處理電路。電壓放大器：增益約為5 倍，同相輸入，通頻帶0-10KHz移相器：允許最大輸入電壓10Vp-p，移相范圍±20°（50kHz時）相敏檢波器：可檢波電壓頻率0-10kHz，允許最大輸入電壓10Vp-p，極性翻轉整形電路與電子開關構成的檢波電路。電荷放大器：電容反饋型放大器，用于放大壓電傳感器的輸出信號。低通濾波器：由50Hz陷波器和RC濾波器組成，轉折頻率35Hz。渦流變換器： 輸出電壓8V（探頭離開被測物）。變頻式調幅變換電路，傳感器線圈是振蕩電路中的電感元件。光電變換座：由紅外發(fā)射、接收管組成。 三、二套顯示儀

8、表數字式電壓/頻率表：3位半顯示，電壓范圍0200V、020V，頻率范圍3Hz2KHz、10Hz20KHz。指針式毫伏表：分500mV、50mV、5mV三檔，精度2.5%。四、二種振蕩器音頻振蕩器： 0.4KHz10KHz輸出連續(xù)可調，V-p-p值20V，0°、180°反相輸出，Lv端最大功率輸出電流0.5A。低頻振蕩器：130Hz輸出連續(xù)可調，Vp-p值20V，最大輸出電流0.5A，Vi端可提供用做電流放大器。五、二套懸臂梁、測微頭雙平行式懸臂梁二副（其中一副為應變梁，另一副裝在內部與振動圓盤相連），梁端裝有永久磁鋼、激振線圈和可拆卸式螺旋測微頭，可進行壓力位移與振動實驗

9、。六、電加熱器二組由電熱絲組成，加熱時可獲得高于環(huán)境溫度30左右的升溫。七、測速電機一組 由可調的低噪聲高速軸流風扇組成，與光電、光纖、渦流傳感器配合進行測速實驗。八、二組穩(wěn)壓電穩(wěn)直流±15V，主要提供高性能低文波小數溫度實驗時的加熱電源，最大激勵1.5A。±2v±10v五檔輸出，最大輸出電流1A。提供直流激勵源。實驗一 金屬箔式應變片測力實驗（單臂單橋）一、實驗目的1、 從理論上了解金屬箔式應變片的平衡電橋直流單臂橋的工作原理和工作情況。2、 了解金屬箔式應變片的實際應用測力。二、實驗器材CSY2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀，本實驗使用部件及單元有：直流穩(wěn)壓電源、電

10、橋、差動放大器、稱重傳感器、電壓表、砝碼三、實驗原理1、 金屬箔式應變片可以把應變的變化轉化為電阻的變化，如果應變是由外力引起的，則電阻變化反映了外力的變化。2、 為了顯示和記錄應變的大小，就必須將電阻的變化通過測量電橋電路轉化為電壓或電流的變化。3、 測量電橋主要有平衡電橋和不平衡電橋兩種，前者常用直流供電，并且在測試前和測試時需要兩次平衡，一般用于靜態(tài)應變測量；后者是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數間的關系進行工作的，可滿足動態(tài)應變的測量需要。四、實驗步驟1、 觀察整個傳感實驗儀的結構。2、 在確保線路正確接好之后才能開啟電源。3、 旋鈕初始位置為直流穩(wěn)壓電源±2V檔，電壓表2

11、V檔。4、 將差動放大器調零。差動放大器調零方法：用實驗線將差動放大器的正負輸入端和地端連接起來，將增益順時針調到最大位置，然后將差動放大器輸出端接到電壓表的輸入插口，打開電源，調整差動放大器的調零旋鈕使電壓表的示數為零。5、 差動放大器調零后，關閉電源，拆除接線，差動放大器增益置中。6、 根據圖1所示的電路結構，利用電橋單元上的接線插孔和調零網絡連接好測量線路（差動放大器接成同相或反相均可）。圖1 系統(tǒng)接線圖7、 裝上傳感器稱重托盤。8、 將直流穩(wěn)壓電源轉換到±4V檔，預熱數分鐘，調整電橋平衡電位器使電壓表示數為零。9、 為保證實驗中輸出指示不溢出，可先將10只20克的砝碼全部放到

12、托盤上，如果指示溢出，適當減小差動放大器增益直至不溢出。10、 在傳感器托盤上放上一只砝碼，記下此時的電壓數值，然后每增加一個砝碼記下一個數值，根據所得數據計算系統(tǒng)靈敏度S，并作出V-W關系曲線。 ，V為電壓變化率，W為相應的重量變化率。五、實驗數據及處理W（g）V（v）六、注意事項1、 電橋上端虛線表示的四個電阻實際并不存在，僅作為一個標記供學生參考。2、 為確保實驗中輸出指示不溢出，可先將砝碼加到最大重量，如果溢出則適當減小差動放大器的增益。3、 在做此實驗時，低頻振蕩器的幅度關到最小，以減小它對直流電橋的影響。七、問題與思考1、 本實驗電路對直流穩(wěn)壓電源有什么要求？對差動放大器有什么要求

13、？2、 根據圖2的差動放大原理圖，分析其工作原理，說明它既能做差動放大，又能做同相或反相放大器的原理。實驗二 金屬箔式應變片測力實驗（交流全橋）一、實驗目的1、 交流供電的不平衡電橋的工作原理和工作情況。2、 了解交流供電的四臂電橋的原理和工作情況。3、 了解交流供電的金屬箔式應變片的實際應用測力。二、實驗器材CSY2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀，本實驗使用部件及單元有：音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、低通濾波器、電壓表、砝碼三、實驗原理4、 金屬箔式應變片可以把應變的變化轉化為電阻的變化，如果應變是由外力引起的，則電阻變化反映了外力的變化。5、 為了顯示和記錄應變的大小，就必須將電阻的變化

14、通過測量電橋電路轉化為電壓或電流的變化。6、 測量電橋主要有平衡電橋和不平衡電橋兩種，前者常用直流供電，并且在測試前和測試時需要兩次平衡，一般用于靜態(tài)應變測量；后者是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數間的關系進行工作的，可滿足動態(tài)應變的測量需要。7、 為了補償電橋電路的非線性誤差，可以采用差動電橋的方法，差動電橋分為半橋差動和全橋差動，在全橋差動的情況下，電橋的電壓靈敏度比單臂電橋的靈敏度提高了四倍，并且還能起到溫度補償的作用，因此全橋差動電路得到了廣泛的應用。8、 本實驗中就是采用交流差動全橋，其原理圖如圖1所示。9、 全橋差動電路的輸出電壓為：圖1 交流差動全橋四、實驗步驟1、 將差動放大

15、器調零，方法見實驗一。2、 按照圖2接線。圖2 系統(tǒng)接線圖圖中，R1R4為應變片，W1、W2、C、r為調平衡網絡，電橋激勵必須從LV插口輸出。3、 調好移相器。方法是將音頻振蕩器的信號引入移相器的輸入端（音頻信號從0°或180°輸出均可），然后將示波器的兩根輸入線分別接到移相器的輸入端和輸出端，調整示波器，觀察示波器的波形。旋轉移相器上的旋鈕，觀察兩個波形間的相位的變化，使信號與輸入相同。4、 在傳感器上加上砝碼進行標定，并記錄標定數據。5、 在傳感器上加上一個重量未知的重物，記下電壓表的讀數。6、 根據記錄的數據，得出重物的重量。五、實驗數據及處理1、 梁標定數據W（g）

16、V（v）2、 傳感器標定數據W（g）V（v）3、重物在梁端時的電壓表讀數為（ ），重物在傳感器上的電壓表讀數為（ ）。4、根據數據，得出重物的重量為（ ）六、注意事項4、 砝碼應該放在梁端的磁鐵上。5、 在懸臂梁系統(tǒng)的自由端部不能與外界碰擦。七、問題與思考如果將該交流全橋作為電子秤的方案投入實際的應用，你認為還有哪些部分需要改進。實驗三 差動式電容傳感器實驗一、實驗目的4、 了解差動式電容傳感器的原理5、 了解差動式電容傳感器的特性6、 通過實驗計算出系統(tǒng)的靈敏度二、實驗器材1、CSY2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀，本實驗使用部件及單元有：電容傳感器、差動放大器、低通濾波器、V/F表、激振器2、示

17、波器三、實驗原理圖1：直線位移電容傳感器原理電容傳感器是以電容為傳感元件，將被測物理量變化轉變?yōu)殡娙萘孔兓M行測量的，平板電容器的電容為：式中，為極板面積，為極板間介電系數，為相對介電系數，為真空介電系數（常數），為極板間距離，由上式可知，、發(fā)生變化就會引起電容變化。變面積式電容傳感器就是利用極板面積的變化進行位移變化測量的。圖1為直線位移電容傳感器原理。當動極板移動后，面積就改變，電容也發(fā)生改變，值為：從而電容的變化值為：靈敏度為：由此可見，變面積電容式傳感器的輸出特性是線性的，其靈敏度為常數，增大極板邊長，減小極板間隙可以提高靈敏度，為了避免邊沿電場影響其線性特性，極板另一邊長度不宜過小。

18、四、實驗步驟1、 差動放大器調零。2、 實驗接線圖如圖2所示。圖2 實驗接線圖3、 差動放大器增益旋鈕置于中間，V/F表打到2V，調節(jié)測微頭，使輸出為零。4、 旋動測微頭，每次0.5mm，記下此時測微頭的讀數以及電壓表的讀數，直到電容動片與上（或下）靜片覆蓋面積最大為止。5、 退回測微頭至初始位置，并開始以反方向旋動，重復上述步驟4，并記下測微頭的讀數以及電壓表的讀數X（mm）和V（mV）。6、 根據實驗數據計算系統(tǒng)的靈敏度，并作出V-X曲線。7、 卸下測微頭，斷開電壓表，接通激振器，用示波器觀察輸出波形。五、數據記錄和處理1、 第一組V-X數據X（mm）V（mV）2、 第二組V-X數據X（m

19、m）V（mV）3、 作出V-X曲線4、 計算靈敏度（自行設計表格并計算）實驗四 熱敏電阻測溫實驗一、 實驗目的1、 了解NTC熱敏電阻的熱敏現象，即觀察其電阻值隨溫度的變化情況。2、 了解熱敏電阻的類別、特性和主要參數。二、實驗器材CSY2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀，本實驗使用部件及單元有：加熱器、熱敏電阻、直流穩(wěn)壓電源、電壓表三、實驗原理1、 熱敏電阻分類及主要用途熱敏電阻的溫度系數有正有負，因此分為PTC熱敏電阻（正溫度系數）和NTC熱敏電阻（負溫度系數）。PTC突變型熱敏電阻的溫度范圍較窄，常用于恒溫加熱控制或溫度開關，也可用于彩電中自動消磁元件，功率型PTC也可作為發(fā)熱元件使用，緩變型P

20、TC則用于溫度補償或溫度測量。NTC熱敏電阻的測量范圍通常較寬，在-50-+300，主要用于溫度測量，在點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量中得到日益廣泛的應用，同時也廣泛用于自動控制和電子線路的熱補償線路中，具有體積小，重量輕，熱慣性小，工作壽命長，價格便宜等優(yōu)點，并且本身電阻值大，可忽略引線長度帶來的誤差，適用于遠距離傳輸。其缺點主要是非線性大，穩(wěn)定性差，有老化現象，誤差較大，一致性差等，一般只用于低精度的溫度測量。2、熱敏電阻的特性和參數熱敏電阻的主要特性包括：電阻-溫度特性、伏-安特性和安-時特性，主要參數包括標稱電阻值、電阻溫度系數（熱敏電阻的溫度變化1時電阻值的變化率）、耗散系數、熱容

21、量、能量靈敏度和時間常數。四、實驗步驟1、 實驗接線圖如圖1所示。2、 將電壓表置于2V檔。3、 按照圖1接線，調整W1，使電壓表指示為100mV左右。4、 將-15V電源接入加熱器，觀察電壓表的讀數變化，電壓表的輸入電壓為：圖1 實驗接線圖五、實驗數據記錄及處理根據實驗情況，當溫度（ ）時，RT阻值（ ），Vi則（ ）。實驗五 差動變壓器性能測試一、實驗目的1、 了解差動變壓器的原理。2、 了解差動變壓器的工作情況。3、 了解差動變壓器的零點殘余電壓的現象。4、 作出V-X曲線，了解輸出電壓的相位變化，求出差動變壓器的靈敏度。二、實驗器材1、CSY2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀，本實驗使用部件及

22、單元有：音頻振蕩器、測微頭2、示波器3、有關旋鈕的初始位置：音頻振蕩器：4KHz雙蹤示波器：第一通道靈敏度為500mV/cm；第二通道靈敏度為10mV/cm，第一通道觸發(fā)。三、實驗原理圖1 差動變壓器電器連接圖差動變壓器是一種電感傳感器，把被測位移量轉換為互感變化，使次級線圈感應電壓發(fā)生相應變化從而進行測量。差動變壓器的電氣連接圖如圖1所示，次級線圈S1和S2反極性串聯，當初級線圈P加上一定交流電壓Ep時，次級線圈產生感應電壓，當鐵芯處在中心位置時，輸出電壓Es理論上為0，實際上則存在零點殘余電壓E0，隨著鐵芯位置偏離中心，Es逐漸增大，且在鐵芯向上或向下運動時，Es的相位變化180°

23、;。四、實驗步驟1、按照圖2接線，注意，音頻震蕩器必須從LV接出。圖2 實驗接線圖2、調整音頻振蕩器幅度旋鈕，使音頻LV信號輸入到初級線圈的電壓為2Vp-p（2V峰-峰值）。3、旋動測微頭，從示波器上讀出次級輸出電壓的峰峰電壓值，記錄數據，并注意初級和次級波形的相位關系。4、測試零點殘余電壓，首先仔細調節(jié)測微頭，使次級的差動輸出電壓為最小，必要時將通道二的靈敏度打到較高檔，如2mV/cm，測出的這個最小電壓即為零點殘余電壓，并記錄其大小和相位。五、實驗數據記錄及處理1、 位移與輸出電壓關系實驗數據位移（mm）電壓（mV）2、當鐵芯從上至下時，相位由（ ）相變?yōu)椋?）相。3、零點殘余電壓大小為（

24、 ），它與輸入電壓的相位差約為（ ），因此是（ ）正交分量。4、根據所測試的結果，作出電壓-位移曲線，并指出線性工作的范圍。5、差動變壓器的靈敏度為： ，進一步說，由于靈敏度還與激勵電壓有關，因此：根據公式，計算靈敏度。六、注意事項1、 差動變壓器的激勵源必須從音頻振蕩器的電流輸出口（LV插口）輸出。2、 差動變壓器的兩個次級線圈必須接成差動形式，即同名端相連（可通過信號相位有否變化判別）3、 差動變壓器與示波器的連線應盡量短，以使干擾盡量小。實驗六 霍爾傳感器的特性研究一、實驗目的1、 了解霍爾傳感器的原理2、 了解霍爾傳感器的特性3、 根據實驗數據求出霍爾傳感器的靈敏度。二、實驗器材CSY

25、2000型傳感器系統(tǒng)實驗儀。本實驗使用部件及單元有：霍爾片、磁路系統(tǒng)、電橋、差動放大器、電壓表、直流穩(wěn)壓電源、測微頭有關旋鈕位置：1、 差動放大器增益旋鈕打到最??；2、 電壓表置于2V檔；3、 直流穩(wěn)壓電源置于2V檔。三、實驗原理霍爾效應是磁電效應的基礎，其工作原理如圖1所示。圖1 工作原理圖圖中為一塊長為L，寬為b，厚度為h的N型半導體薄片，置于磁感應強度為B的外磁場中，當沿長方向通以電流I時，半導體中的電子受到洛侖茲力FL的作用， （1）其中e為電子電量，v為電子運動速度，B為磁感應強度，為電子運動方向與磁場方向之間的夾角。在力FL的作用下，電子被推向半導體的一側，并在該側面積累負電荷，而

26、在另一面積累正電荷，這樣在基片的兩側面就建立起靜電場EH，電子又受到靜電力FH的作用： （2）當達到動態(tài)平衡時，有： （3）當電子運動方向與磁場方向相互垂直時，有，因此：因為霍爾電勢為EH，則EH/b=VH，VH為霍爾電壓，因此： （4）通過薄片的電流I與片中載流子的濃度n、運動速度v和薄片的橫切面積bd的關系為： （5）霍爾電壓VH為： （6）上式中：，為霍爾常數，為霍爾靈敏度。霍爾常數是由材料的性質決定的常數，任何載流子遷移率不等于零的材料，在一定條件下都能產生霍爾電勢。通過測量霍爾電勢的輸出即可得到測量結果。四、實驗步驟1、 首先必須特別注意，激勵電壓必須±2V，否則霍爾片容易

27、損壞。2、 差動放大器調零，方法見實驗一。3、 實驗接線圖如圖2所示，W1，r1為電橋單元中的直流平衡網絡。圖2 實驗接線圖4、 裝好測微頭。5、 調整W1使電壓表指示為0。6、 上下旋動測微頭，記下電壓表的讀數，建議每0.2mm讀一個數，從15.00mm到5.00mm左右為止，記錄數據。五、實驗數據記錄及處理1、X-V數據記錄X（mm）V（v）X（mm）V（v）2、作出V-X曲線，指出傳感器的線性范圍。3、根據數據求出靈敏度。4、 本實驗實際上測出的是磁場的分布情況，它的線性越好，位移量的線性度越高，它的變化越陡，則位移測量的靈敏度也越大。六、注意事項1、 由于磁路系統(tǒng)的氣隙較大，應使霍爾片盡量靠近極靴，以提高靈敏度。2、 一旦調整好后，測量過程中不能移動磁路系統(tǒng)。3、 激勵電壓不能增大，以免損壞霍爾片。實驗七 光纖位移傳感器實驗一、實驗目的1、 了解光纖位移傳感器的原理、結構和性能。2、 了解光纖位移傳感器的靜態(tài)應用。3、 了解光纖位移傳感器的動態(tài)應用二、實驗器材CSY2