传感器与自动检测技术实验指导书.docx
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传感器与自动检测技术实验指导书
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传感器与自动检测技术实验指导书
红河学院工学院自动化系
[实验四]电容式传感器的位移特性实验
[实验五]直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
[实验六]电涡流传感器的位移特性实验
[实验七]被测体材质对电涡流式传感器的特性影响实验
[实验八]光纤传感器的位移特性实验
[实验九]集成温度传感AD590温度特性实验
[实验十]铂电阻温度特性实验
[实验十一]铜电阻温度特性实验
[实验十二]K型热电偶测温实验
[实验十三]E型热电偶测温实验
[实验一]单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作状况。
二、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20克砝码10只、±15V电源、±2V电源、万用表（自备）。
三、实验步骤
1、根据图（1-1）应变传感器已装于1号金属箔式应变片传感器模块上。
传感器中各应变片R1、R2、R3、R4已接入模块的下方，K1开关应置于OFF状态。
加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=1K，加热丝阻值为25Ω。
2、接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块±15V电源（从实验台可用快捷插座一次接入），检查无误后，合上实验台电源开关，实验模块±15V指示灯应亮，将14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块增益电位器调节大致在W335左右、W4100（这时增益在100左右）位置，再进行差动放大器调零，将仪器放大器的正（Vin+）、负（Vin-）输入端与地短接，可用屏蔽线直接把输入端和调“O”端连接，V02输出端与实验台面板上数显表外接输入端量程为0-2V，调节实验模板上调零电位器W5和W6，使数显表显示为零,关闭实验台电源。
3、将1号金属箔式应变片传感器实验模块的其中一个应变片R1、R2、R3、R4（即1号实验模块下方的R1）接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块直流电桥作为一个桥臂与R14、R15、R16接成直流电桥（R14、R15、R16、在14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块内已连接好），接上桥路A、B两端电源电压±2V（从实验台±2V引入或14号模块板上引入）。
检查接线无误后，合上实验台电源开关。
重新微量调节14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块W5、W6，使数显表显示为零，（注意：
当W3、W4、W5、W6的位置一旦确定，就不能改变。
一直到做完实验为止）具体见图1-1。
4、在秤盘上放一只20g砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。
记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
表1-1
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
5、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
6、根据表1-1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差：
δ＝Δm/yF·S×100%式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：
yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
四、思考题
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：
（1）正（受拉）应变片
（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
[实验二]半桥性能实验
一、实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、实验原理
不同受力方向的两只应变片如图1-1中R1和R2或老R3和R4接入电桥作为邻边。
电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02＝EKε/2。
三、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20g砝码10只、±15V电源、±2V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤
1、传感器安装、调试同实验1.3.1.3，14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块差动放大器调零。
具体线路见图1-2。
2、R1、R2为1号金属箔式应变片传感器实验模块上方的应变片为半桥，注意R2应和R1受力状态相反。
R3和R4为另一组组成的另外半桥。
即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。
1号金属箔式应变片传感器实验模块R1、R2作电桥的一半与14号实验模块R14、
R15组成完整的直流电桥，然后在直流电桥A、B端接±2V直流电源C、D端，接入1号仪器放大器Vin+、Vin-输入端再重新调为“0”，调W5、W6使数显表为“0”。
将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S2＝ΔU/ΔW,非线性误差δf2。
3、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
五、思考题
1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：
（1）对边
（2）邻边。
2、 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：
（1）电桥测量原理上存在非线性？
（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。
[实验三]全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点。
二、实验原理
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边当应变片初始阻值：
R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
三、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20g砝码20只、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤
1、将1号金属箔式应变片传感器实验模块的K1置于ON开的位置，R1、R2、R3、R4各作电桥的邻边，组成一个完整直流电桥。
R1头和R3头连接并接电源+2V，R2尾与R4尾已相连接电源-2V。
JK1用φ3.5插头屏蔽线与14号模块输入端连接。
（见图1-3）
2、将14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块接上电源±15V，其差动放大输出端V02接数显表0-2V输入端，调节W5、W6使数显表为0.000V，W3、W4为增益调节电位器，保持和实验一、二相同增益，故不能调节。
3、放一个20g砝码记录实验结果填入表1-3中，直至10枚砝码放完。
然后进行灵敏度和非线性误差计算。
4、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
表1-3
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
五、思考题
1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：
（1）可以
（2）不可以。
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
应变片传感器受接时传感器圆周面展开图
[实验四]电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二、所需器件及模块
4号电容式传感器实验模块、测微头、0-20V数显表、直流稳压源。
三、实验步骤
1、接入+15V、-15V电源或用快捷插座一次接入。
2、按图4-1安装接好线，把测微头安装在测微头支架上，旋钮测微头使电容动片基本居中。
3、将电容传感器实验模板的输出端OUT与数显表单元V+相接，W1调节数显表为零。
4、旋动测微头推进向上或向下电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表4-1。
表4-1电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
V（mv）
5、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
电容式传感器的位移特性实验图4-1
6、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
四、思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
[实验五]直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用
二、所需器件及模块
5号霍尔式传感器实验模块、直流源±2V或±4V、测微头、0-2V数显单元。
三、实验步骤
1、将5号霍尔式传感器实验模块接上±15V电源或快捷插座与实验台连接。
霍尔元件1、3为电源±4V，2、4为输出。
（见图5-1）K1、K2选择在直流位置。
2、开启电源，调节测微头使霍尔片在离霍尔元件10mm处，再调节W3、W4使数显表指示为零。
3、测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5-1。
表5-1
X（mm）
V01（mv）
作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
4、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
四、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
[实验六]电涡流传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、所需器件及模块
2
7号电涡流传感器实验模板、直流电源、30-2V数显单元、测微头、铁圆片。
三、实验步骤
1、根据图7-1安装电涡流传感器。
2、观察传感器结构，这是一个平绕的线圈。
3、将电涡流传感器输出线已接入实验模板上标有TP1字的一端，另一端接地，作为振荡器的一个元件。
2
4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端V02与3数显表输入红端V+相接，V-端接地，数显表量程切换开关选择电压20V档。
6、7号模块的±15V接入实验台±15V。
7、 测微头与传感器线圈端接触，开启实验台电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
将结果列入表7-1。
表7-1电涡流传感器位移X与输出电压数据
X（mm）
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V02（mV）
8、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
9、根据表7-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
四、思考题
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
[实验七]被测体材质对电涡流式传感器的特性影响实验
一、实验目的
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、实验原理
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
三、所需器件及模块
7号电涡流传感器实验模块、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、铜和铝的被测体圆盘。
四、实验步骤
1、安装与实验7.3.1.3相同。
2、将原铁圆片换成铝或铜圆片。
3、重复实验7.3.1.3步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表7-2和表7-3。
表7-2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据
X（mm）
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
V（mV）
表7-3被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
X（mm）
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
V02（mV）
4、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
5、根据表7-2和表7-3分别计算量程为1mm和3mm时灵敏度和非线性误差（线性度）。
6、分别比较实验7.3.1.3和本实验所得结果进行小结。
五、思考题
当被测体为非金属材料时，如何利用电涡流传感器进行测试？
[实验八]光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、实验原理
本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相连发射光束，另一束端部与光电转换器相连接收光束。
两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与此同时被测体相距X，由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电压大小与间距X有关，因此可用于测量位移。
三、所需器件及模块
8号转速实验模块、数显单元、测微头、直流源、反射面。
四、实验步骤
1、根据图8-6安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上，其内部已和发光管D及光电转换管T相接。
2、将光纤传感器输出端TP5与数显0-20V单元相连，见图8-6。
3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触，在光纤位移实验部分。
4、实验模板接入±15V电源，合上实验台电源开关。
5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表8-6。
表8-6光纤位移传感器输出电压与位移数据
X（mm）
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
V（mV）
6、根据表8-6数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
五、思考题
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
[实验九]集成温度传感AD590温度特性实验
一、实验目的
了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。
二、实验原理
集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于—50℃±15℃之间温度测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极发射极电压与温度成线性关系。
为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。
集成温度传感器有电压型和电流型二种，电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。
因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。
具有很好的线性特性。
本实验采用的是国产的AD590。
它只需要一种电源（+4V—30V）。
即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为R2，见图9-4）即可实现电流到电压的转换。
它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、0-2V数显单元、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块。
四、实验步骤
1、接9号实验模块上的温度控制仪，与14号模块连接具体见图9-4。
2、将9号温度传感器实验模板2-10V端接上+2V。
3、温度从40℃开始，仪表每隔5℃设定一个点（设定方法参见温控仪说明）。
记下数显表上相应的读数，上限不超过125℃，记入表9-1。
4、由表9-1数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。
T（℃）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V（mV）
五、思考题
大家知道一定的电流模式下PN结的正向电压与温度之间具有较好的线性关系，因此就有温敏二极管，你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极管在50℃—100℃之间，作温度特性，然后与集成温度传感器相同区间的温度特性进行比较，从线性看温度传感器线性优于温敏二极管，请阐明理由。
集成温度传感AD590温度特性实验图9-4
[实验十]铂电阻温度特性实验
一、实验目的
了解铂电阻的特性与应用。
二、实验原理
利用导体电阻随随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。
常用铂电阻和铜电阻、铂电阻在0—630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：
Rt=R0（1+At+Bt2）
R0系温度为0℃时的电阻。
要实验R0＝100℃，At＝3.9684×10-2/℃，Bt＝—5.847×10-7/℃，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、0-2V数显单元、万用表。
四、实验步骤
K型热电偶作为标准源接法不变。
1、温度实验模块的Pt100铂电阻，已组成直流电桥，开关拨向铂电阻见图9-5
14号交直流、全桥测量差动放大实验模块接±15V电源。
在端点2V-10V与地之间加直流源2V，合上实验台电源开关，调Rp1使电桥平衡，桥路输出端JK和中心活动点之间在室温下输出为零，将CK端插入14号交直流、全桥测量差动放大实验模块输入端。
2、调14号模块W5、W6使V02输出为零。
3、在常温基础上，将设定温度值可按Δt=5℃读取数显表值。
将结果填入下表9-2。
关闭实验台电源开关。
表9-2铂电阻热电势与温度值
t（℃）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V02（mv）
4、根据表9-2值计算其非线性误差。
5、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
铂电阻温度特性实验图9-5
[实验十一]铜电阻温度特性实验
一、实验目的
了解铜电阻测温原理及应用。
二、实验原理
铜电阻的电阻值与温度的关系一般为：
R＝R0[1+a（t-t0）]
式中R为温度是t℃时的电阻值。
R0为温度是t0℃时的电阻值，a是电阻温度系数。
铜电阻是用直径为0.1mm的绝缘铜丝绕在绝缘骨架上，线外加保护树脂。
铜电阻的优点是线性好、价格低、a值大，但易氧化，氧化后线性度会变差。
所以一般用检测较低的温度。
铜电阻值在0℃时为50Ω。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块、K型热电偶、温度控制单元、0-2V数显单元、万用表。
四、实验步骤
K型热电偶作标准源接法不变。
1、9号温度传感器特性实验模块已接CU50接单臂电桥K拨向铜电阻见图9-6
2、2V～10V端与地之间加直流源2V，合上实验台电源开关，调RP1使电桥平衡，桥路输出端CK和中心活动点之间在室温下输出为零，并插入14号交直流、全桥测量差动放大实验模块输入端。
3、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块加±15V运放电源，调W5使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。
4、在常温基础上，将设定温度值可按Δt=5℃读取数显表值。
将结果填入下表9-3。
关闭电源实验台电源开关。
表9-3铜电阻热电势与温度值、
t（℃）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V02（mv）
5、根据表9—3值计算其非线性误差。
6、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。
计算机RS232口接实验台面板RS232输出口，再参照本说明书软件说明部分操作。
铜电阻温度特性实验图9-6
[实验十二]K型热电偶测温实验
一、实验目的
了解K型热电偶测量温度的性能与应用范围。
二、实验原理
当镍铬—镍硅（镍铝）两种不同的金属组成回路，产生的二个接点有温度差、会产生热电势，这就是热电效应。
温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。
三、所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、14号交直流、全桥测量差动放大实验模块、实验台、0-2V数显单元、±15V、+2V～+10V。
四、实验步骤
作为温度标定的K型热电偶接法不变。
1、9号温度传感器特性实验模块接上20V5A连线插入K型热电偶见图9-7。
2、将被测K型热电偶CK端插入14号交直流、全桥测量差动放大实验模块。
3、将JK1和JK2用φ3.5屏蔽线短路接地，接入±15V电源，打开实验台电源开关、正负已接准（见图9-7），将V02与数显表单元上的V+相接。
调W5、W6使数显表显示零们位。
4、去掉φ3.5屏蔽线短路接地，将K型热电偶插口直接与仪器放大器JK1相接，调W3、W4。
将信号放大到比分度值大10倍的毫伏值。
5、在40℃到100℃之间设定Δt=5℃。
读出数显表头输出电势与温度值，并记入表9—4。
表9-4K型热电偶热势与温度数据
t（℃）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
V02（mv）
6、根据表9—4计算非线性误差。
7、如果采用计算机采集数据，需把数显表0-2V换成0-20
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