傳感器技術(shù)-實驗指導(dǎo)書

《傳感器技術(shù)實驗》實驗 指導(dǎo) 書適用專業(yè)：電氣自動化湖南交通工程學(xué)院PAGEPAGE3前 言《傳感器技術(shù)》課程，在高等理工科院校測控技術(shù)與儀器類各專業(yè)的教學(xué)計劃中，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而《傳感器技術(shù)實驗》課程是完成本課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。其主要任務(wù)是通過實驗鞏固和消化提高學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)興趣。其目的是使學(xué)生掌握非電量檢測的基本方法和選用傳感器的原則，熟悉各種傳感器與檢測技術(shù)的關(guān)系，以及各類在工程中的實際應(yīng)用，拓寬學(xué)生的知識領(lǐng)域，鍛煉學(xué)生的實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生獨立處理問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的8個，2電容式傳感器性能等。其中雙孔應(yīng)變傳感器——稱重實驗、電感傳感器——差動螺管式傳感器位移測量為綜合性實驗。課內(nèi)選做實驗有：差動變壓器的應(yīng)用——電子秤、電渦流傳感器——靜態(tài)標定。其他儀23目 錄實驗一金屬箔式應(yīng)變計性能——應(yīng)變電橋 3實驗二雙孔應(yīng)變傳感器——稱重實驗 6實驗三溫度傳感器——熱電偶測溫實驗 8實驗四溫度傳感器——鉑熱電阻 11實驗五電感式傳感器——差動變壓器性能 13實驗六實驗七實驗八實驗九實驗十附錄A附錄B

電感傳感器——差動螺管式傳感器位移測量 15霍爾式傳感器——直流激勵特性 17電容式傳感器性能 19差動變壓器的應(yīng)用——電子秤 21電渦流傳感器——靜態(tài)標定 23實驗儀器簡介 25實驗操作須知 27實驗一：金屬箔式應(yīng)變計性能——應(yīng)變電橋?qū)嶒瀸W(xué)時：2（驗證（必修一、實驗?zāi)康?、觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。2、測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。3、比較各橋路間的輸出關(guān)系。二、實驗內(nèi)容本實驗主要了解和掌握箔式應(yīng)變片及直流電橋的原理和工作情況。三、實驗原理、方法和手段應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。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R1R2R3R4R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4RR

R

2RR ；當二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，則有 R ；用四個應(yīng)變片組R4R成二個差動對工作，且R1=R2=R3=R4=R， R 。四、實驗組織運行要求本實驗采用以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)。五、實驗條件直流穩(wěn)壓電源+4V、公共電路模塊（一）{公共電路模塊}、貼于主機工作臺懸臂梁上的箔式應(yīng)變計、螺旋測微儀、數(shù)字電壓表。六、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2V（圖1）2、觀察貼于懸臂梁根部的應(yīng)變計的位置與方向，按圖（1）將所需實驗部件R1、R2、R3，R（可任選上梁或下梁中的一個工作片接方式，勿使直流激勵電源短路。將螺旋測微儀裝于應(yīng)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。3、確認接線無誤后開啟主機，并預(yù)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，使橋路輸出為零。45mm1mm個輸出電壓值，并記入下表：位移mm電壓VV—XS：S=/七、思考題比較各橋路間的輸出關(guān)系。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。4九、其它說明1、實驗前應(yīng)檢查實驗連接線是否完好，學(xué)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(fù)的滯后及應(yīng)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(yīng)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移或人體感應(yīng)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(yīng)置2V檔，用計算機數(shù)據(jù)采集時應(yīng)選用200mv量程。5實驗二：雙孔應(yīng)變傳感器——稱重實驗實驗學(xué)時：2（綜合（必修一、實驗?zāi)康?、比較各橋路間的輸出關(guān)系2、幾種橋路的性能比較3、橋路電路的實際應(yīng)用二、實驗內(nèi)容1應(yīng)用三、實驗原理、方法和手段R1R3R2R4當彈性體受力時，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：ER

R R E RU4R1R2R3R444R1 2 3 4 。四、實驗組織運行要求本實驗采用以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)。五、實驗條件（一稱重砝碼（20/個、數(shù)字電壓表。6（圖2）六、實驗步驟1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+4V，差動放大器增益為最大100，輸出端接電壓表。調(diào)節(jié)電橋稱重傳感器輸出為零。

WD調(diào)零電位器使無負載時的W(克)V（mv）W(克)V（mv）量成一比例關(guān)系，記錄W（克）與V（mv）的對應(yīng)值，并填入下表：4WVW-V5、與雙平行懸臂梁組成的全橋進行性能比較。七、思考題比較三種橋路的靈敏度。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明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(yīng)變片使之不受損傷。7實驗三：溫度傳感器——熱電偶測溫實驗實驗學(xué)時：2（驗證（必修一、實驗?zāi)康亩嶒瀮?nèi)容1、觀察熱電偶的結(jié)構(gòu)2、熱電偶測溫回路的連接。3、熱電偶的測量溫度和輸出電壓的關(guān)系三、實驗原理、方法和手段由兩根不同質(zhì)的導(dǎo)體熔接而成的閉合回路叫做熱電回路，當其兩端處于不同溫度時則回路中產(chǎn)生一定的電流，這表明電路中有電勢產(chǎn)生，此電勢即為熱電勢。（圖3）圖（3）TToEt=

(T) AB

(T)AB o本實驗中選用兩種熱電偶鎳鉻—鎳硅（K）和鎳鉻—銅鎳E。四、實驗組織運行要求本實驗采用以采用集中授課形式模式組織教學(xué)。8PAGEPAGE12五、實驗條件12K、E分度熱電偶、溫控電加熱爐、{溫度傳感器實驗?zāi)K}、12

位數(shù)字電壓表。六、實驗步驟1、觀察熱電偶結(jié)構(gòu)（可旋開熱電偶保護外套溫控器：作為熱源的溫度指示、控制、定溫之用。溫度調(diào)節(jié)方式為時間比例式，綠燈亮?xí)r表示繼電器吸合電爐加熱，紅燈亮?xí)r加熱爐斷電。。12250℃左右，打開加熱開關(guān)，{加熱電爐電源插頭插入主機加熱電源出插座}，熱電偶插入電加熱爐內(nèi)，K124

位萬用表置200mv檔，當鈕子開關(guān)倒向“溫控”時測E分度熱電偶的熱電勢，并記錄電爐溫度與熱電勢E的關(guān)系。30℃，E（T，To）=E(T,t)+E(T,T1 1 0實際電動勢＝測量所得電勢＋溫度修正電勢查閱熱電偶分度表，上述測量與計算結(jié)果對照。4、繼續(xù)將爐溫提高到70℃、90℃、110℃和130℃，重復(fù)上述實驗，觀察熱電偶的測溫性能。七、思考題熱電偶溫度的大小與實際電動勢與分度表值誤差的關(guān)系？八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明150℃，會失控，同樣做其它溫度實驗時也需用熱電偶來控制加熱爐溫度。EK時，數(shù)字溫度表顯示的溫度并非為加熱爐內(nèi)的溫度。實驗四：溫度傳感器——鉑熱電阻實驗學(xué)時：2（驗證（必修一、實驗?zāi)康亩?、實驗?nèi)容1、觀察鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)2、鉑熱電阻測溫回路的連接。3、鉑熱電阻的測量溫度和輸出電壓的關(guān)系三、實驗原理、方法和手段鉑熱電阻測溫范圍一般為-200~6500℃≤T≤650℃時，R=R（1+A+BT2）T 0 T式中R——鉑熱電阻T℃時的電阻值TR——鉑熱電阻在0℃時的電阻值OA——系數(shù)（=3.96847×10-31/℃）B——系數(shù)（＝-5.847×10-71/℃2）將鉑熱電阻作為橋路中的一部分在溫度變化時電橋失衡便可測得相應(yīng)電路的輸出電壓變化值。四、實驗組織運行要求本實驗采用以采用集中授課形式模式組織教學(xué)。五、實驗條件鉑熱電阻（Pt100

、加熱爐、溫控器、溫度傳感器實驗?zāi)K（一、{溫度傳感器實驗?zāi)K}、數(shù)字電壓表、水銀溫度計或半導(dǎo)體點溫計。六、實驗步驟1、觀察已置于加熱爐頂部的鉑熱電阻，連接主機與實驗?zāi)K的電源線及傳感器與模塊處理電路接口，鉑熱電阻電路輸出端VO

接電壓表，溫度計置于熱電阻旁感受相同的溫度。2、開啟主機電源，調(diào)節(jié)熱電阻電路調(diào)零旋鈕，使輸出電壓為零，電路增益適中，由于鉑電阻通過電流時其電阻值要發(fā)生變化，因此電路有一個穩(wěn)定過程?！鎂O（mv）3100℃，觀察隨爐溫上升鉑電阻的阻（傳感器感受到的溫度℃VO（mv）V-T七、思考題熱電偶和鉑熱電阻的測溫方法比較。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明加熱器溫度一定不能過高，以免損壞傳感器的包裝。實驗五：電感式傳感器——差動變壓器性能實驗學(xué)時：2（驗證（必修一、實驗?zāi)康亩?、實驗?nèi)容1、觀察差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)2、驗證差動變壓器的基本特性三、實驗原理、方法和手段由銜鐵、初級線圈和次級線圈組成，初級線圈做為差動變壓器激勵用，相當于變壓器原邊。次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，相當于變壓器副邊。差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎(chǔ)上的，其原理及輸出特性見圖4。（圖4）（圖5）13四、實驗組織運行要求五、實驗條件六、實驗步驟1、按圖（13）接線，差動變壓器初級線圈必須從音頻信號源LV功率輸出端接入，雙線示波器第一通道靈敏度500mv/格，第二通道10mv/格。2、打開主機電源，調(diào)整音頻輸出信號頻率，輸出Vp-p

值2V，以示波器第二通道觀察到波形不失真為好。3、用手上下提壓{左右移動}改變變壓器磁芯在線圈中位置，觀察示波器第二通道所示波形能否過零翻轉(zhuǎn)，否則改接次級二個線圈的串接端。4、用螺旋測微儀帶動鐵芯在線圈中移動，從示波器中讀出次級輸出電壓Vp-pVp-p根據(jù)表格所列結(jié)果，作出V-X曲線，指出線性工作范圍。5、仔細調(diào)節(jié)測微儀使次級輸出波形無法再小時，即為差動變壓器零點殘余電壓，提高示波器第二通道靈敏度，觀察殘余電壓波形，分析其頻率成分。七、思考題為什么差動變壓器性能試驗中有些測量的數(shù)據(jù)點不符合線形的規(guī)律？八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明示波器第二通道為懸浮工作狀態(tài)（即示波器探頭二根線都不接地。實驗六：電感傳感器——差動螺管式傳感器位移測量實驗學(xué)時：214（綜合（必修一、實驗?zāi)康牧私獠顒硬顒勇莨苁絺鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)及原理，通過實驗掌握差動螺管式傳感器位移測量的方法。二、實驗內(nèi)容1、觀察差動螺管式傳感器的基本結(jié)構(gòu)2、差動螺管式傳感器位移測量知識點：電感傳感器的性能差動螺管式傳感器的原理差動螺管式傳感器的實際應(yīng)用三、實驗原理、方法和手段差動螺管式電感傳感器由電感線圈的二個次級線圈反相串接而成，工作在自感基礎(chǔ)上，由于銜鐵在線圈中位置的變化使二個線圈的電感量發(fā)生變化，包括兩個線圈在內(nèi)組成的電橋電路的輸出電壓信號因而發(fā)生相應(yīng)變化四、實驗組織運行要求本實驗采用以以采用集中授課形式組織教學(xué)。五、實驗條件差動變壓器二組次級線圈、音頻信號源、公共電路模塊（一（二路實驗?zāi)K}、電感傳感器實驗?zāi)K、電壓表、示波器、測微儀（圖6）。六、實驗步驟1、連接主機與實驗?zāi)K電源線，按圖（16）組成測試系統(tǒng)，兩個次級線圈必須接成差動狀態(tài)，差動放大器增益不要太大，具體調(diào)節(jié)注意點可參照實驗二十三。2L′=LO O3、當銜鐵在線圈中上{左}、下{右}位移時，L′≠L″，電橋失衡，輸出電O O15PAGEPAGE191800（可用示波器觀察相敏檢波器①、②端因此必須經(jīng)過相敏檢波器才能判斷電壓極性。Xmm0V005mm，V、X并填入下表（Xmm0V00V-XS，七、思考題差動螺管式傳感器位移測量的特點，以及和差動變壓器電感傳感器的比較？八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明實驗七：霍爾式傳感器——直流激勵特性實驗學(xué)時：2（驗證（必修一、實驗?zāi)康亩?、實驗?nèi)容1、觀察霍爾傳感器的基本結(jié)構(gòu)2、掌握霍爾傳感器直流激勵特性三、實驗原理、方法和手段霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，當霍爾元件位于由兩個環(huán)形磁鋼組成的梯度磁場中時就成了霍爾位移傳感器。+2V差放電壓表－＋+2V差放電壓表－＋RWD（圖7）四、實驗組織運行要求本實驗采用以以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)。五、實驗條件霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓電源2V、公共電路模塊（一電壓表、測微儀。六、實驗步驟1、{安裝好梯度磁場及霍爾傳感器}連接主機與實驗?zāi)K電源及傳感器接口，確認霍爾元件直流激勵電壓為2V，另一激勵端接地，實驗接線按圖（23）所示，差動放大器增益10倍左右。2、用螺旋測微儀調(diào)節(jié)振動平臺{精密位移裝置}使霍爾元件置于梯度磁場中間，并調(diào)節(jié)電橋直流電位器W，使輸出為零。DXmm0Xmm0Vmv00作出V-X曲線，求得靈敏度和線性工作范圍。如出現(xiàn)非線性情況，請查找原因。七、思考題霍爾傳感器測位移的特點以及同其他位移傳感器的比較。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明直流激勵電壓只能是2V，不能接+2V(4V)否則銻化銦霍爾元件會燒壞。實驗八：電容式傳感器性能實驗學(xué)時：2（驗證（必修一、實驗?zāi)康亩?、實驗?nèi)容1、觀察電容式傳感器的基本結(jié)構(gòu)2、掌握電容式傳感器性能三、實驗原理、方法和手段差動式平行{同軸}變面積電容的兩組電容片C與Cx1 x2

作為雙T電橋的兩臂，當電容量發(fā)生變化時，橋路輸出電壓發(fā)生變化。（圖8）四、實驗組織運行要求五、實驗條件I六、實驗步驟1驗線路，增益不宜太大。2、打開主機電源，用測微儀帶動傳感器動片{極}位移至兩組定片{極}中間，{調(diào)整調(diào)零電位器}，此時模塊電路輸出為零。19XmmV（v）XmmV（v）0七、思考題電容傳感器測位移的特點以及同其他位移傳感器的比較。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明1、電容動片與定片之間距離須相等{動極須位于環(huán)型定極中間}，必要時可作調(diào)整，實驗時電容不能發(fā)生擦片，否則信號會發(fā)生突變。2、電容動片是由懸臂梁帶動的，由于鋼梁彈性恢復(fù)的滯后，實驗時雖然測微儀刻度回到初始位置，但實驗?zāi)K輸出電壓并不一定回到零位，此時可反復(fù)幾次反方向旋動測微儀，使輸出電壓過零后再回到初始位置，開始反方向的實驗。實驗九：差動變壓器的應(yīng)用——電子秤實驗學(xué)時：220（驗證（選修一、實驗?zāi)康牧私獠顒幼儔浩鱾鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)及原理，通過實驗掌握差動變壓器傳感器的性能及電子秤的使用方法。二、實驗內(nèi)容1、觀察差動變壓器傳感器的基本結(jié)構(gòu)2、掌握差動變壓器傳感器性能和電子秤的應(yīng)用三、實驗原理、方法和手段差動式平行{同軸}變面積電容的兩組電容片C與Cx1 x2

作為雙T電橋的兩臂，當電容量發(fā)生變化時，橋路輸出電壓發(fā)生變化。（圖8）四、實驗組織運行要求本實驗采用以以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)。五、實驗條件差動變壓器、電感傳感器實驗?zāi)K、公共電路模塊（一二驗?zāi)K}、電壓表、振動平臺、砝碼、示波器。六、實驗步驟1、參照實驗五接線，將系統(tǒng)輸出電壓調(diào)節(jié)為零，低通濾波器輸出接電壓表2V擋。2、將所有砝碼放上振動平臺，調(diào)節(jié)差動放大器增益，使輸出電壓與所稱重量成一比例關(guān)系。3、分別依次取走砝碼和重新堆上砝碼，將所稱重量與輸出電壓值記入下表：21PAGEPAGE27WWV04V-W值大致求出此物重量。七、思考題差動變壓器壓力的測量同其他位壓力傳感器的比較。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明由于懸臂梁的機械彈性滯后，此電子秤的重復(fù)性不一定太好實驗十：電渦流傳感器——靜態(tài)標定實驗學(xué)時：2（驗證）（選修）一、實驗?zāi)康亩?、實驗?nèi)容1、觀察電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu)2、掌握電渦流傳感器性能三、實驗原理、方法和手段XZXVX四、實驗組織運行要求五、實驗條件六、實驗步驟120VXmm000001111Xmm000001111122222333334. . . .. . . .. . . .. . . .2468246824682468Vv05、3、示波器接電渦流線圈與實驗?zāi)K輸入端口{波形觀察口}，觀察電渦流傳感器的激勵信號頻率，隨著線圈與電渦流片距離的變化，信號幅度也發(fā)生變化，當渦流片緊貼線圈時電路停振，輸出為零。七、思考題電渦流傳感器位移測量的特點以及其他位位移傳感器的比較。八、實驗報告實驗報告簿應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告，要求這三個過程在一個實驗報告中完成。九、其它說明模塊輸入端接入示波器時由于一些示波器的輸入阻抗不高（包括探頭阻抗）以至影響線圈的阻抗，使輸出V變小，并造成初始位置附近的一段死區(qū)，示波器0探頭不接輸入端即可解決這個問題。附錄A實驗儀器簡介本實驗采用浙江大學(xué)儀器系生產(chǎn)的CSY2001B型傳感器系統(tǒng)綜合,2001B電動氣壓源、數(shù)據(jù)采集及通信接口等。分別安裝在十余個實驗?zāi)K面板上二十種傳感器，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2001B旋防松脫，并可在使用日久斷線后重新修復(fù)。2001B型傳感器實驗臺傳感器性能、參數(shù)指標：氣敏傳感器MO，對酒精敏感，測量范圍10-2000ppm靈敏度RO/R>53mm2001B。熱釋電紅外傳感器：光譜范圍7~15μm,光頻響應(yīng)0.5~10HZ。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。10MΩ~nKΩ。-55-200熱電偶：標準熱電偶鎳鉻—鎳硅K分度，溫控?zé)犭娕兼囥t—銅鎳（E。半導(dǎo)體熱敏電阻：M