传感器与检测技术实验指导书0418.docx
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传感器与检测技术实验指导书0418
传感器与检测技术
实验指导书
张星霞祝诗平编
西南大学工程技术学院
实验管理条例…2
实验一金属箔式应片性能-----单臂电桥……………3
实验二金属箔式应变片:
单臂、半桥、全桥比较………………………………..5
实验三热电偶的原理及现象……………..7
实验四霍尔式传感器的静态位移特性---直流激励9
实验五霍尔式传感器的应用---电子称之四10
实验六光纤位移传感器静态实验10
实验七、差动变面积式电容传感器的静态及动态特性12
实验八、气敏传感器（MQ3）实验13
实验九、湿敏电阻（RH）实验15
附录实验报告要求19
实验管理条例
一、实验准备人员应在实验开始前10分钟打开稳压电源，调整好各实验设备，做好上课准备。
二、实验主讲教师应及时解答学生问题，且态度要和蔼，不得随意离开岗位。
三、实验结束后，实验准备人员必须检查各实验设备室，关闭稳压电源和照明用电，并锁好大门。
四、要求学生不迟到，不早退，爱护实验设备，保持室内整洁。
五、实验前要预习实验指导书，做出必要的预习报告。
六、实验中要认真听教师讲解，接好线后请老师查看，方可通电，出现事故要迅速关闭电源并报告教师。
七、实验时要认真记录测量数据，原始数据经老师查看签字后方可拆除线路，整理好桌椅，离开实验室之前应在登记本上签到，必须亲自签名，严禁代签。
八、实验中未经许可不得善自挪用其它实验台的仪器设备。
九、实验后要认真按要求完成实验报告。
一十、不小心损坏仪器者，要填写损坏单，对于不按规定操作损坏仪器者要写检查，提出批评并按价赔偿。
西南大学工程技术学院
2013年8月
实验一金属箔式应片性能-----单臂电桥
一、实验目的：
了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。
二、所需单元及部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平衡梁、微测头、一片应变片、Ｖ／Ｆ表。
旋钮初始位置：
直流稳压电源打到±２Ｖ档，Ｖ／Ｆ表打到２Ｖ档，差动放大增益调到最大。
三、实验步骤：
1、观察所需单元、部件在实验仪上的所在位置。
观察梁上的应变片，上下两片梁的外表面各贴两片受力应变片和一片补偿应变片；测微头在双平行梁右端的支座上，可以上、下、左、右、前、后调节。
2、将差动放大器调零：
用10cm长的连将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与V/F表的输入端Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使V/F表显示为零（或接近零），关闭主、副电源。
3、实验仪内配备的锁紧式插头线的使用方法：
连线时，将连线的插头插入仪器上的插座后顺时针方向旋转30度左右接触就很可靠。
并可在此插头的上方可继续插入很多插头，可任意扩展，立体步线。
将插头逆时针方向旋转30左右即可拔出。
注意拔出连线时千万不能直接拉导线，要拿住连线头部拔起，以免拉断实验连线。
4、根据图1接线，R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻，Rx=R4，为应变片，将稳压电源的切换开关置±4V档，V/F表置20V档，调节测微头脱离双平衡梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的RD（W1），使V/F显示为零，然后将V/F表置2V档，再慢慢调电桥RD（W1），使V/F表显示为零。
5、将测微头转动到10㎜刻度附近，安装到双平行梁的右端即自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使V/F显示值最小（接近0），再旋动测微头，使V/F表显示为零（细条零），记录下这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
6往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下V/F表显示的值，每旋动测微头一周即ΔX=0.5㎜，记一个数值填入下表：
位移（㎜）
电压（mv）
7、根据所得结果计算灵敏度ΔS=ΔV/ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为V/F表显示的电压值的相应变化。
8、实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
四、注意事项：
1、电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一个标记，让学生连线时组成电桥容易。
2、做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
五、问题：
1、本实验电路对直流稳压电源和放大器有何要求？
实验二金属箔式应变片:
单臂、半桥、全桥比较
一、实验目的:
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、所需单元和部件:
直流稳压电源，差动放大器，电桥，V/F，测微头，双平行梁，应变片
有关旋钮的初始位置：
直流稳压电源打到±2V档，V/F表打到2V档，差动放大器增益打到最大。
三、实验步骤:
1、按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主副电源。
2、按图1接线，图中R4=Rx为工作片，r及W1为电桥平衡网络。
3、调节测微头使双平行梁处于水平位置，（目测），将直流稳压电源打倒±2V档，放大器增益置中偏大处，然后调整电桥平衡电位器W1，使表头显示零，（需预热几分钟表头才能稳定下来）
4、转测微头，使梁移动，每隔0.5㎜（旋转一圈）读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主副电源。
位移（㎜）
电压（mv）
5、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一个应变片，即取二片受力方向不同的应变片，形成半桥（图3），调节测微头使梁回到水平位置（目测），调节电桥W1使V/F表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：
位移（㎜）
电压（mv）
6、保持差动放大器增益不变，将R1,R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成，R2换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出，接成一个直流全桥，调节测微头，使梁到水平位置。
调节电桥W1同样使V/F表显示为零。
重复（4）过程将读出的数据记入下表:
位移（㎜）
电压（mv）
7、在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。
四、注意事项:
1、在更换应变片时应将电源关闭
2、在实验过程中如有发现电压表发生过载,应将电压量程扩大
3、在本实验中只能将放大器接成差动形式,否则系统不能正常工作
4、直流稳压电源打在±2V,不能打的过大,以免损坏应变片或造成严重自热效应
5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向
实验三热电偶的原理及现象
一、实验目的:
了解热电偶的原理及现象
二、所需单元及部件:
正负8伏（-15V）不可调直流稳压电源,差动放大器,V/F表,加热器,热电偶,水银温度计（自备）,主副电源
三、实验步骤:
1、了解热电偶原理,二种不同的导体互相焊接成闭合回路时,当两个接点温度不同时回路中就会产生电流,这有现象称为热电效应。
e产生电流的电动势叫做热电势,通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶,具体热电偶原理参考教科书。
2、了解热电偶在实验仪上的位置和符号,实验仪所配的热电偶是由铜—康铜组成的简易热电偶,分度号为T,实验仪有两个热电偶,它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁的表面中间二根细金属丝焊成的一点,就是热电偶）和下片梁的下表面,两个热电偶串联在一起，产生热电势为两者的总和。
3、按图七接线,开启主副电源,调节差动放大器调零旋钮,使V/F表显示为零,记录下自备温度计的室温.
图7
4、将+8V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接-8V。
（或将-15V直流电源接入加热器的一端,加热器的另一端接地）观察V/F表显示值的变化,加热5分钟左右记录下V/F表显示的读数E。
5、用自备的温度计测出上两表面热电偶处的温度t并记录下来,（注意:
温度计的测温探头不要触到应变片,只要触及热电偶处附近的梁体即可）
6根据热电偶的热电势与温度之间的关系式:
Eab（t,to）=Eab（t,tn）+Eab（tn,to）
其中:
t------------------热电偶的热端（工作端或称测温端）温度
tn-----------------热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温
to----------------0℃
（1）热端温度为t,冷端温度为室温时热电势为Eab（t,tn）=（f/v显示表读数E）/（100×2）（100为差动放大器的放大倍数,2为二个热电偶串联）.
（2）热端温度为室温,冷端温度为0℃,铜—康铜的热电势:
Eab（tn,to）:
查以下所附的热电偶自由端为0℃时的热电势和温度的关系,即铜—康铜的热电偶分度表,得到室温（温度计测得）时热电势.
（3）计算:
热端温度t,冷端温度为0℃时的热电势,Eab（t,to）,根据计算结果,查分度表得到温度t.
（4）
铜—康铜的热电偶分度（自由端温度0℃）
分度号:
T
工作端温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.383
-0.421
-0.459
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.721
0
-0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.147
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.822
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.146
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.483
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
7.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
7、热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较.（注意:
本实验仪所配的热电偶为简易热电偶,并非标准热电偶,只要了解热电势现象）
8、实验完毕,关闭主副电源,尤其是加热器-15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去-15V电源连接线）其他旋钮置原始位置
四、思考:
（1）为什么差动放大器接入热电偶后需再调差放零点?
（2）即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有很大误差,为什么?
实验四霍尔式传感器的静态位移特性---直流激励
一、实验目的:
了解霍尔式传感器的原理与特性
二、所需单元及部件:
霍尔片,磁路系统,电桥,差动放大器,V/F表,直流稳压电源,测微头振动平台
有关旋钮的初始位置:
差动放大器增益旋钮打到最小,电压表置20V档,直流稳压电源置2V档,主副电源关闭
三、实验步骤:
1、了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置,熟悉实验面板上霍尔片的符号,霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上,两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上,二者组合成霍尔式传感器
2、开启主副电源将差动放大器调零后,增益置最小,关闭主电源,根据图22接线,W1,r为电桥单元的直流电桥平衡网络
图22
3、装好测微头,调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置
4、开启主副电源,调整W1使电压表指示为零
5、上下旋动测微头,记下电压表读数,建议煤隔0.2mm读一个数,将读数填入下表:
X（mm）
V（v）
X（mm）
V（v）
作出V-X曲线,指出线性范围,求出灵敏度,关闭主副电源
可见,本实验测出的实际上是磁场情况,它的线性越好,位移测量的线性度也越好,它的变化越陡,位移测量的灵敏度也越大
6、实验完毕,关闭主副电源,各旋钮置初始位置
四、注意事项:
1、由于磁路系统的气隙较大,应使霍尔片尽量靠近极靴,以提高灵敏度
2、一旦调整好后,测量过程中不能移动磁路系统
3、激励电压不能过大,以免损坏霍尔片
实验五霍尔式传感器的应用---电子称之四
一、实验目的:
了解霍尔式传感器在静态测量中的应用
二、所需单元及部件:
霍尔片,磁路系统,差动放大器,直流稳压电源,电桥,砝码,V/F表,振动平台
有关旋钮的初始位置:
直流稳压电源置±2V档,V/F表置2V档,主副电源关闭
三、实验步骤:
1、开启主副电源,将差动放大器调零,关闭主副电源
2、调节测微头脱离平台并远离振动台
3、按图22接线,开启主副电源,将系统调零
4、差动放大器增益旋钮调到最小位置,然后不在改变
5、在称重平台上放上砝码,填入下表:
W（g）
V（v）
6、在平台上放一个未知重量重物,记下表头读数,根据实验结果作出V-W曲线,求得未知重量
四、注意事项:
（1）此霍尔传感器的线性范围较小,所以砝码和重物不应太重
（2）砝码应置于平台的中间部位
实验六光纤位移传感器静态实验
一、实验目的:
了解光纤位移传感器的原理结构、性能
二、所需单元及部件:
主副电源,差动放大器,V/F表，光纤传感器,振动台
三、实验步骤:
1、观察光纤位移传感器的结构，它由两束光纤组成，探头固定在Z型安装架上，外表的端面为两圆形分布；
2、了解振动台在试验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘，即振动台上贴有反射纸作为光的反射面）
3、按图接线：
因为光/电转换器内部已经安装好，所以可以将电信号直接经差动放大器放大。
4、旋转测微头，使光纤探头与振动台面接触，调节差动放大器的增益最大，调节差动放大器调零旋钮使电压表的读数尽量为0，旋转测微头使贴有反射纸的被测体慢慢离开探头，观察电压读数由小——大——小的变化。
5、旋转测微头使V/F电压表指示重新回到零；旋转测微头，每隔0.05mm读出电压表的读数，并将其填入下表：
Δx（mm）
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
1.0
指示（V）
6、关闭主副电源,把所有旋钮复原到原始最小位置
7、做出V-Δx曲线，S=ΔV/Δx计算灵敏度和线性范围
实验七、差动变面积式电容传感器的静态及动态特性
一、实验目的:
了解差动变面积电容传感器的原理及特性
二、所需单元:
电容传感器、差动放大器、低通滤波器、V/F表、激振器、示波器、电容变换器。
旋钮初始位置：
差动放大增益旋钮置中间位置，V/F表打到2V档，电容变换器增益置中间位置
三、实验步骤:
（1）按图接线
（2）V/F表打到2V，开启主、副电源，调节测微头，使电压表输出为最小。
（3）转动测微头，每次0.2mm，记录下测微头的读数和电压表的读数，直到电容的动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。
X（mm）
V（mv）
退回测微头到初始位置，并开始以反方向旋转，同上法，记下X（mm）和V（mv）的值。
X（mm）
V（mv）
（4）计算灵敏度S。
S=ΔV/ΔX（式中ΔV为电压变化。
ΔX为相应的位移变化），并做出V-X的关系曲线。
（5）旋动测微头，使移动杆上移到最上端，断开电压表，接通激振器，并用示波器观察输出波形。
实验八、气敏传感器（MQ3）实验
一、实验目的:
了解气敏传感器的原理和应用
二、所需单元:
直流稳压电源、差动放大器、电桥、V/F表、气敏传感器（MQ3）、主副电源
旋钮初始位置：
直流稳压电源4V档，V/F表打到2V档，差动放大增益旋钮置最小，电桥单元中的W1逆时针到低，主副电源关闭。
三、实验步骤:
（1）仔细阅读下面的气敏元件使用说明，差动放大器的输出端（+）、（-）与地端接，开启主、副电源，将差动放大器输出调零。
（调零时，增益放到最大位置）
（2）关闭主、副电源，按图接线
（3）开启主、副电源，预热约5分钟，用侵有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥发进入传感器的金属网内，同时观察读数的变化，此时电压读数。
它反映了传感器AB两端的电阻值随着发生了变化。
说明MQ3检测到了酒精气体存在与否。
若电压读数不明显，可适当调节“差动放大器”增益。
四、思考题
制作一个简易的酒精气体报警器。
MQ气敏元件使用说明
一、特点
1、具有很高的灵敏度和良好的选择性
2、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
二、结构、外形、元件符号
1、MQ系列气敏元件的结构和外形如下图，由AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢网的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
2、好的气敏元件有6个针状管脚，其中4个用于输出信号，2个用于提供加热电流。
三、性能
1、标准回路，如图37所示，MQ气敏元件的标准测试回路由两部分组成。
其一为加热回路，其二为信号回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。
2、传感器表面电阻值Rs的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效信号电压VRL输出而获得的，二者之间的关系为：
Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL
实验九、湿敏电阻（RH）实验
一、实验目的:
了解湿敏电阻传感器的原理和应用
二、所需单元:
直流稳压电源、差动放大器、电桥、V/F表、湿敏电阻（RH）、主副电源
旋钮初始位置：
直流稳压电源2V档，V/F表打到2V档，差动放大增益旋钮置最小
三、实验步骤:
（1）观察湿敏电阻，它是在一块特殊的绝缘基底上溅射了一层高分子薄膜而形成的。
（2）按图接线
（3）取两种不同湿度的海面或其他吸湿材料。
分别与传感器接触，观察电压表的数字变化，此时电压表的指示。
也就是RH的阻值变，说明RH检测到了湿度的变化，而随着湿度的不同阻值变化也不一样，注意材料不要太湿，以免产生湿度饱和，延长脱湿时间
（4）RH的通电稳定时间，脱湿时间与环境温度、湿度有关。
实验时应注意。
四、思考题
制作一个湿度测量仪，画出电路并说明。
高分子薄膜电阻型湿度传感器
传感机理：
湿敏膜为高分子电解质，阻值的对数与相对湿度近似线性关系
测量范围：
10%-95%
阻值：
几兆欧到几千欧
响应时间：
吸湿、脱湿小于10秒
工作温度：
0-50度
精度：
3%
寿命：
一年以上
尺寸：
4-6-0.5mm
电源：
AC：
1KHZ，2-3V或DC2V
附录一SY-2型传感器系统实验仪产品说明书
一、SY-2传感器系统实验仪简介
实验仪只要由四部分组成:
传感器安装台、显示表与激励源面板、传感器信号输出单元、处理电路单元。
传感器安装台部分：
装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光线传感器的光电变压座、光线及探头、小电机、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线用的Φ3.5的插孔、霍尔传感器的二个半圆形磁钢、振动平台（圆盘）上的测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）压阻式差压传感器、气敏传感器、湿敏传感器、具体安装部位参见附录。
显示及激励源部分：
+电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V-±10V分五档调节）、F/V数字表（通过开关转换可作为电压表和频率表）、指针式毫伏表（5mV-500mV）、音频振荡器、低频振荡器、±15V稳压电源。
实验主面板上的传感器信号输出单元：
所有传感器（包括Ⅰ、Ⅱ两组激荡线圈）的引线都从内部引但这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元的对应插座上引线。
处理器电路单元：
电桥单元、差动放大器、电容变换放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
SY-2传感器系统实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。
教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。
二、主要技术参数、性能及说明
（一）、传感器安装台部分：
双平行振动梁的自由端及振动圆盘的下面各装有磁钢，通过各自的激振线圈接入低频激振器时可做动态测量，通过各自的微测头调节平行振动梁的自由端的振动圆盘的位移量可做静态测量。
应变量：
（贴上应变片的双平行梁）应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。
传感器：
1、应变式传感器箔式应变片阻值：
350Ω、应变系数：
2
2、PN结温度传感器利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。
灵敏度：
-2.1mV/℃。
3、热电偶直流电阻：
10Ω左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T，冷端温度为环境温度。
4、热敏电阻半导体热敏电阻NTC：
温度系数为负，25℃时为10KΩ。
5、压电加速度计由压电晶片和铜质量块构成。
谐振频率：
≥10KHZ，电荷灵敏度q≥20pc/g。
6、电涡流位移传感器量程：
≥1mm支流电阻：
1Ω-2
升级会员 