傳感器儀器講解

1、傳感器與自動檢測技術實驗指導書胡向東編重慶郵電學院自動化學院測控技術與儀器教案部2005年8月CSY- 998型傳感器系統(tǒng)實驗儀使用說明一、實驗儀簡介CSX 998型傳感器系統(tǒng)實驗儀是由浙江大學杭州高聯傳感技術有限公 司研制生產的一種專門用于傳感器與自動檢測技術課程實驗教案的儀器， 該實驗儀如圖一所示。它主要由各類傳感器<包括應變式、壓電式、磁電式、電容式、霍爾式、熱電偶、熱敏電阻、差動變壓器、渦流式、氣敏、 濕敏、光纖傳感器等）、測量電路 < 包括電橋、差動放大器、電容放大器、 電壓放大器、電荷放大器、渦流變換器、移相器、相敏檢波器、低通濾波 器等）及其接口插孔組成。該系統(tǒng)還提供

2、了直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、 低頻振蕩器、F/V表、電機控制等。圖一 CSY 998型傳感器系統(tǒng)實驗儀二、可開設的實驗目前，根據教案工作的需要和實驗大綱要求，基于該實驗平臺，可以 向學生開設9個操作實驗，即：實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、全橋功能比較< 驗證）實驗二差動變壓器特性及應用 < 綜合）實驗三差動螺線管電感式傳感器特性 < 設計）實驗四差動變面積式電容傳感器特性 < 驗證）實驗五壓電加速度傳感器特性及應用 < 驗證）實驗六磁電式傳感器特性 < 驗證）實驗七霍爾式傳感器特性 < 驗證）實驗八 熱敏電阻測溫特性 < 設計）實驗九光纖位移傳

3、感器特性及應用 <驗證）三、主要技術指標1、差動變壓器量程：5mm2、電渦流位移傳感器量程： 1mm3、霍爾式傳感器量程：1mm4、電容式傳感器量程：2mm5、 熱電偶：銅康銅6、 熱敏電阻 溫度系數：負25C阻值：10K7、 光纖傳感器：半圓分布、LED發(fā)光管8、 壓阻式壓力傳感器量程：10Kpa差壓）供電：w 6V9、壓電加速度計：安裝共振頻率：10KHZ10、應變式傳感器：箔式應變片阻值：350 歐11、 PN結溫度傳感器：靈敏度約2.1mV/C12、 差動放大器：放大倍數1100倍可調四、使用注意1 、 應在確保接線無誤后才能開啟電源。2、迭插式插頭應避免拉扯，以防插頭折斷。3、

4、對從電源、振蕩器引出的線要特別注意，不要接觸機殼造成斷路，也 不能將這些引線到處亂插，否則，很可能引起儀器損壞。4、用激振器時不要將低頻振蕩器的激勵信號開得太大，以免梁的振幅過 大而損壞。5、音頻振蕩器接低阻負載 小于 100 歐）時，應從 LV 口輸出，不能從另兩個電壓輸出插口輸出。目錄傳感器與自動檢測技術課程實驗大綱 6實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、全橋功能比較驗證）8實驗二差動變壓器特性及應用綜合） ddII實驗三差動螺線管電感式傳感器特性設計） 16實驗四 差動變面積式電容傳感器特性 驗證）17實驗五 壓電加速度傳感器特性及應用 驗證） 19實驗六磁電式傳感器性能 驗證） 21實驗七

5、霍爾式傳感器特性 驗證） 22實驗八 熱敏電阻測溫特性 設計） 24實驗九光纖位移傳感器特性及應用驗證）25傳感器與自動檢測技術課程 本科） 實驗教案大綱 一、課程編號： 080303 二、課程類型： 必修課 / 限選課適用專業(yè)：自動化、測控技術與儀器、電氣項目與自動化課程學時： 48學時講課 40學時，實驗 8學時） 先修課程：高等數學、概率論與數理統(tǒng)計、電路分析基礎、電子電 路、數字電路與邏輯設計等。三、課程的地位、作用和任務傳感器與自動檢測技術課程屬于測控與儀器專業(yè)的必修專業(yè)課程, 自動化、電氣項目與自動化等專業(yè)的限定選修課程。傳感器與變送器都具有檢 測某種變量并把檢測結果傳送出去的功能

6、 , 它們廣泛應用于生產和科學 研 究中,是獲取 ,處理,傳送各種信息的 硬件。特別是現代大規(guī)模工業(yè)生產 ,幾 乎全都依靠各種控制儀表或計算機實現自動控制 , 為保證自動控制系統(tǒng)正常 運行 , 必須隨時隨地把生產過程的各種變量提供給控制儀表或計算機。要想 正確及時地掌握生產過程或科研對象的各種信息 , 就必須具備傳感器和變送 器方面的知識。本課程要求對各類傳感器的原理及結構有著較為清楚的介 紹，同時課程還介紹大量的實例 , 以及有關傳感器設備在自動檢測技術方面 的應用。本課程的主要任務是：1 通過理論和實驗，掌握各類傳感器的基本工作原理；2 了解各類傳感器的應用方法。3掌握基本的誤差處理方法。

7、四、教案基本要求 通過傳感器與自動檢測技術實驗的基本訓練，使學生在有關傳感器與檢 測技術的實驗方法和實驗技能方面達到下列要求： 1）能夠自行完成預習教材，進行實驗和寫實驗報告等主要實驗程序。 2）能夠掌握常用傳感器的性能、調試和使用方法。3）能夠通過實驗完整掌握各類傳感器的基本工作原理。 4）能夠在接受傳感器與檢測技術基本實驗技能的訓練后，進行開放性實 驗，進行自學實驗設計，以提高綜合實驗能力。五、實驗內容和學時安排1 實驗內容在下列 9 個實驗中 選做至少 4 個實驗 其中 前三個實驗為必做 ）實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、全橋功能比較驗證）實驗二 差動變壓器特性及應用 綜合） 實驗三 差

8、動螺線管電感式傳感器特性 設計） 實驗四 差動變面積式電容傳感器特性 驗證） 實驗五 壓電加速度傳感器特性及應用 驗證） 實驗六 磁電式傳感器特性 驗證） 實驗七 霍爾式傳感器特性 驗證） 實驗八 熱敏電阻測溫特性 設計） 實驗九 光纖位移傳感器特性及應用 驗證）2 學時安排總學時： 48 學時 其中：實驗 8 學時六、實驗教材主要教材：傳感器與自動檢測技術實驗指導書胡向東編七、考核方法根據實驗操作、實驗態(tài)度等進行綜合評定。八、說明 傳感器與自動檢測技術是一門實踐性較強的專業(yè)基礎課，學生只 有通過實驗的實際動手操作，才能對本門課程的理論內容有更深入的 理解和掌握，因此，實驗環(huán)節(jié)是本門課程必不可

9、少的一個重要環(huán)節(jié)。實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、全橋功能比較實驗性質 ：驗證性實驗實驗目的 ：1、觀察了解金屬應用片的結構和粘貼方式；2、測試懸臂梁變形的應變輸出；3、驗證單臂、半橋、全橋測量電橋的輸出關系，比較不同橋路的功能。實驗設備 ：直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、應變式傳感器電阻應變片）、電壓表。實驗原理： 應變片是一種能將試件上的應變變化轉換成電阻變化的傳感元件。 使用應變片時，將其貼于測試件表面上。當測試件受力變形時，應變 片也隨之產生形變，相應的電阻值將發(fā)生變化，通過測量電路最終將其轉 換為電壓或電流的變化，測出應變片的靈敏度。測量電橋是將被測非電量轉換成電壓或電流的一種常用的

10、方法。 實驗步驟 ：1、設定旋鈕的初始位置：直流穩(wěn)壓電源打到±2V 檔，電壓表打到 2V 檔，差動放大器增益打到最大。2、將差動放大器調零。方法：用實驗線將差放的正負輸入端與地端連接在 一起，增益設置在最大位置，然后將輸出端接到電壓表的輸入插口，打開 主、副電源，調整差放的調零旋鈕使表頭指示為0。3、根據圖 1 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）。圖中R4為工作應變片， W1為可調電位器，r為調平衡電阻。電源由直流穩(wěn)壓電源提供。圖1電壓表4、將直流穩(wěn)壓電源打到土 4V檔。選擇適當的放大增益，然后調整電橋平衡電位器，使表頭指零（

11、需預熱幾分鐘表頭才能穩(wěn)定下來 。5、加上砝碼，每加一個讀數，將測得數值填入下表：重量W(g>電壓V(mV>6、保持放大器增益不變，將R3換為與R4工作狀態(tài)相反的另一應變片，形成半橋，調整電橋平衡電位器，使表頭指零。然后依次加上砝碼，同樣測 出讀數，填入下表：重量W(g>電壓V(mV>7、保持差動放大器增益不變，將R1，R2兩個電阻換成另兩片工作片，接成一個直流全橋，通過電橋平衡電位器調好零點。依次加上砝碼，將讀出 數據填入下表：&在同一坐標紙上描出 W-V曲線，比較三種接法的靈敏度S=?。重量W(g>電壓V(mV>問題：1、根據實際測試的數據與理論上

12、推導的公式相比較，結論如何？2、對橋路測量線路有何特別的要求？為什么？注意事項：(1在更換應變片時應將電源關閉，以免損壞應變片。(2在實驗過程中如果發(fā)現電壓表發(fā)生過載，應將量程擴大或將差放增益減小。(3直流穩(wěn)壓電源不能打的過大，以免損壞應變片或造成嚴重自熱效應。(4接全橋時請注意區(qū)別各應變片的工作狀態(tài)方向，保證R1與R3工作狀態(tài)相同，R2與R4工作狀態(tài)相同。(5在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。實驗二 差動變壓器特性及應用實驗性質：綜合性實驗實驗目的：1、了解差動變壓器的原理及工作情況。2、了解如何用適當的網絡線路對殘余電壓進行補償。3、了解差動變壓器的實際應用。實驗儀

13、器：音頻振蕩器、測微頭、雙線示波器、電橋、差動變壓器、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、低頻振蕩器、激振器。實驗步驟：一、差動變壓器性能檢測1、設定有關旋鈕初始位置：音頻振蕩器4KHz，雙線示波器第一通道靈敏度500mV/cm，第二通道靈敏度 20mV/cm，觸發(fā)選擇打到第一通道。2、按圖1接線，音頻振蕩器必須從 LV接出。3、調整音頻振蕩器幅度旋鈕，使音頻2Vp-p。LV信號輸入到初級線圈的電壓為<接第音頻振-一一蕩器通4KHz道V圖1.接第通道4、旋動測微頭，從示波器上讀出次級輸出電壓Vp-p值填入下表:位移mm電壓mV讀出過程中應注意初、次級波形的相位關系：當鐵芯

14、從上至下時，相位由相變?yōu)橄唷?、仔細調節(jié)測微頭使次級的差動輸出電壓為最小，必要時應將通道二的靈敏度打到較高檔，如0.2V/cm,這個最小電壓叫做，可以看出它與輸入電壓的相位差約為 ，因此是正交分量。6、 根據所得結果，畫出（Vop-p X>曲線，指出線線工作范圍，求出靈敏度：a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。這可通 過信號相位有否變化判別之 >。<3）差動變壓器與示波器的連線應盡量短一些，以免引入干擾。二、差動變壓器零點殘余電壓的補償1、 設定有關

15、旋鈕的初始位置：音頻振蕩器4KHz，雙線示波器第一通道靈 敏度500mV/cm，第二通道靈敏度 1V/cm，觸發(fā)選擇打到第一通道，差動 放大器的增益旋到最大。2、 觀察差動變壓器的結構。按圖2接線，音頻振蕩必須從 LV插口輸出, w1、w2、r、c為電橋單元中調平衡網絡。接 第通道接 第通道圖23、利用示波器，觀察示波器第一通道的讀數，調整音頻振蕩器的輻度旋 鈕，使其輸出為2伏峰-峰值。4、調整測微頭，觀察示波器第二通道的讀數，使差動放大器輸出電壓最 小。5、依次調整 w1和w2，使輸出電壓進一步減小，必要時重新調節(jié)測微 頭。6、將二通道的靈敏度提高，觀察零點殘余電壓的波形，注意與激勵電壓波

16、形相比較。經過補償后的殘余電壓波形為一 波形，這說明波形中有分量。注意事項：<1）因為該補償線路要求差動變壓器的輸出必須懸浮。因此次級輸出波形難以用一般示波器來看，要用差動放大器使雙端轉換為單端輸出。<2 ）音頻信號必須從 LV插口引出。<3）本實驗也可用圖 3所示線路，試解釋原因。cLVr圖3三、差動變壓器在振動測量中的應用1、設定有關旋鈕的初始位置：音頻振蕩器2、按圖4接線，并調整好有關部分。4KHz，差動放大器增益適中。Lv差動變壓器r移相器甲r差動放大器相敏檢波器相敏檢 波器差動放 大器音頻振蕩器*nW1W2 i4KHz低通濾 波器3、 利用示波器，使音頻振蕩器的輸出

17、為峰-峰值1.5V。4、將激振器接通，適當旋動幅度旋鈕。5、保持低頻振蕩器的幅度不變，改變低頻振蕩器的頻率，用示波器觀察低通濾波器的輸出，讀出峰-峰電壓值，記下實驗數據，填入下表：f (Hz>34567810122030Vp-p(V>根據實驗結果作出梁的振幅 -頻率特征曲線，指出自振頻率的大致值, 并與用應變片測出的結果相比較。注意事項：適當選擇低頻激振電壓，以免梁在自振頻率附近振幅過大。 問題：如果用直流電壓表來讀數，需增加哪些測量單元，測量線路該如 何？實驗三差動螺線管電感式傳感器特性實驗性質：設計性實驗實驗目的：通過該實驗進一步掌握差動式測量電路的使用方法和螺線管電感式傳感器

18、的特性。實驗要求：1、參考差動變壓器的實驗原理，設計一個差動螺線管電感式傳感器的測 量線路，并進行位移測量。2、寫出實驗原理、實驗步驟，對實驗結果進行列表、分析、計算，畫出其X V曲線。3、從理論和實際測試系統(tǒng)兩個方面找出產生誤差的原因。4、在進行具體實驗操作前先擬定實驗方案，經實驗指導教師審核通過后方能進入實驗室操作?？晒嶒炘O備：音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低頻濾波器、電壓表、測微頭、示波器實驗四差動變面積式電容傳感器特性實驗性質：驗證性實驗V/F表、激振器、示實驗目的：了解差動變面積式電容傳感器的原理及特性。 實驗設備：電容傳感器、差動放大器、低通濾波器、 波器。實

19、驗步驟：1、差動放大器調零，按圖 1接線。圖12、差動放大器增益旋鈕置中間,V/F表打到2V,調節(jié)測微頭，使輸出為零。3、旋動測微頭，每次 0.5mm,記下此時測微頭的讀數及電壓表的讀數，直 至電容動片與上(或下 靜片覆蓋面積最大為止。X(mm>V(mV>退回測微頭至初始位置，并開始以相反方向旋動。同上法，記下X(mm及V(mV值。X(mm>V(mV>4、計算系統(tǒng)靈敏度并作出V-X曲線。5、斷開測微頭，斷開電壓表，接通激振器，用示波器觀察輸出波形。實驗五壓電加速度傳感器特性及應用實驗性質：驗證性實驗實驗目的：了解壓電加速度傳感器的原理、結構及應用。實驗設備：低頻振蕩器、

20、電壓放大器、低通濾波器、渦流傳感器、渦流變換器、單芯屏蔽線、加速度計、雙線示波器。實驗步驟：1、觀察裝于雙平行梁上的壓電加速度計的結構，它主要由壓電陶瓷片及慣性質量塊組成。2、將壓電加速度計的輸出屏蔽線引到電壓放大器的輸入端，然后將電壓放大器輸出接到低通濾波器的輸入端。3、接通激振器。4、開啟電源，適當調節(jié)低頻振蕩器的幅度，不宜過大。5、用示波器的兩個通道同時觀察電壓放大器與低通濾波器的輸出波形。6、改變頻率，觀察輸出波形的變化。7、用手輕擊實驗臺，觀察輸出波形的變化?？梢娗脫魰r輸出波形會產生“毛刺”，試解釋原因。8、關閉電源，按圖 1安裝好電渦流傳感器，將原接于電壓放大器輸出端的示波器通道接

21、到渦流變換器的輸出端。將低頻振蕩器的頻率打到520Hz范圍內。9、開啟電源，同時觀察壓電加速度計的輸出和渦流傳感器的輸出，注意它 們的相位關系?？梢妰烧呦辔徊罴s為，為什么？問題：為什么電壓放大器與壓電加速度計的接線必須用屏蔽線，否則會產生什么問題？<1）雙平行梁振動時應無碰撞現象，否則將嚴重影響輸出波形。必要時可 松開梁的固定端，小心調整一個位置。<2）低頻振蕩器的幅度應適當，避免失真。<3）屏蔽線的屏蔽層應接地。<4 ）因為壓電式傳感器制作困難，動態(tài)范圍可能與電渦流式傳感器不統(tǒng) 一，可由其它傳感器如電容式傳感器來觀察相位差。電容式傳感器的輸出 波形不經過低通雖然不太光

22、滑，但不影響觀察效果。實驗六磁電式傳感器特性實驗性質 ：驗證性實驗實驗目的 ：了解磁電式傳感器的原理及性能。實驗設備： 差動放大器、渦流變換器、激振器、示波器。實驗步驟 ：1、觀察磁電式傳感器的結構。2、將磁電式傳感器接到差動放大器的兩輸入端，適當旋轉增益旋鈕。接 通激振器，觀察差動放大器的輸出波形。3、安裝調整好電渦流傳感器，接好變換電路，用示波器同時觀察磁電式 和電渦流傳感器的輸出波形，注意其相位差。4、拆除所有接線，將 3 30Hz 的低頻信號引入磁電式傳感器，觀察梁的 變化。注意 ：差動放大器增益不要打得太大，以免超出其放大線性范圍。實驗七 霍爾式傳感器特性實驗性質 ：驗證性實驗實驗目

23、的 ：了解霍爾式傳感器的原理及特性。實驗設備 ：霍爾片、磁路系統(tǒng)、電橋、差動放大器、電壓表、直流穩(wěn)壓 表、測微頭。實驗步驟：1、 設定旋鈕初始位置：差動放大器增益旋鈕打到最小，電壓表置2V檔,直流穩(wěn)壓電源置2V檔 <注意：激勵電壓必須w±2V,否則霍爾片易損壞?。?。2、開啟電源，按實驗一的方法對差動放大器調零。3、 W1 r為直流平衡網絡中的電橋單元，如圖1所示。接好線路，差動增 益適中。4、裝好測微頭。即將測微頭與振動臺面連在一起。5、調整 W1使電壓表指示為零。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。將讀數填

24、入下表：X(mm>V(v>X(mm>V(v>作出V X曲線指出線性范圍，求出靈敏度?？梢?，本實驗測出的實際上是磁場的分布情況，它的線性越好，位移測量的線性度也越好，它們的變化越陡，位移測量的靈敏度也就越大。注意事項：<1 ）因為磁路系統(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（土 4V就有可能損壞霍爾片>。實驗八 熱敏電阻測溫特性實驗性質 ：設計性實驗實驗目的：了解NTC熱敏電阻的溫度效應。實驗要求 ：5、根據理論課學習的內容，了解 NTC熱敏電阻的測溫原理，設計一個測量NTC型熱敏電阻溫度特性的實驗方案。6、寫出實驗原理、實驗步驟，畫出實驗電路圖。7、對實驗結果進行列表統(tǒng)計、分析、計算，畫出其溫度電壓曲線。& 根據實驗結果推出 NTC型熱敏電阻的溫度特性結論。9、 在進行具體實驗操作前先擬定實驗方案，經實驗指導教師審核通過后 方能進入實驗室操作?？晒嶒炘O備： 加熱器、熱敏電阻、直流穩(wěn)壓電源、電壓表等。實驗九 光纖位移傳感器特性及應用實驗性質 ：驗證性實驗