传感器实验指导书.docx
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传感器实验指导书
使用说明
实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。
一、实验仪的传感器配置及布局是：
四片金属箔式应变计：
位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副双孔称重传感器，四片金属箔式应变计贴在双孔称重传感器的上下两面，受力工作片分别用符号和表示。
可以分别进行单臂、半桥和全桥的交、直流信号激励实验。
请注意保护双孔悬臂梁上的金属箔式应变计引出线不受损伤。
电容式：
由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。
电感式（差动变压器）：
由初级线圈Li和两个次级线圈L。
绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>10mm。
电涡流式：
多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>1mm。
压电加速度式：
位于悬臂梁自由端部，由PZT-5双压电晶片、铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。
磁电式：
由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。
热电式（热电偶）：
位于仪器顶部的实验工作台部分，左边还有一副平行悬臂梁，上梁表面安装一支K分度标准热电偶，冷端温度为环境温度。
热敏式：
平行悬臂梁的上梁表面还装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25℃时阻值为8~10K。
光电式传感器装于电机侧旁。
为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，打开加热开关即能加热，加热温度通常高于环境温度30℃左右，达到热平衡的时间随环境温度高低而不同。
需说明的是置于上梁上表面的温度传感器所感受到的温度与在两片悬臂梁之间电加热器处所测得的温度是不同的。
霍尔式：
半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。
MPX压阻式：
摩托罗拉扩散硅压力传感器，差压工作，测压范围0~50KP。
精度1%。
（CSY10B）
湿敏传感器：
高分子湿敏电阻，测量范围：
0~99%RH。
气敏传感器：
MQ3型，对酒精气敏感，测量范围10-2000PPm，灵敏度RO/R＞5。
以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。
实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关、激振转换开关。
二、信号及仪表显示部分（位于仪器上部面板）：
低频振荡器：
1~30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流1.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。
音频振荡器：
0.4KHz~10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，1800、00为反相输出，Lv端最大功率输出1.5A。
1
2
直流稳压电源：
±15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A。
±2V~±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。
数字式电压/频率表：
3位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度≥50mV，频率显示5Hz~20KHz。
数字式温度计：
K分度热电偶测温，精度±1℃。
（CSY10B型）
三、处理电路：
位于仪器下部面板
电桥：
用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。
R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。
差动放大器：
增益可调直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。
光电变换器：
提供光纤传感器红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。
四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。
电容变换器：
由高频振荡、放大和双T电桥组成。
移相器：
允许输入电压20Vp-p，移相范围±40°（随频率不同有所变化）。
相敏检波器：
集成运放极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压≦20Vp-p。
电荷放大器：
电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。
电压放大器：
增益5倍的高阻放大器。
涡流变换器：
变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。
温度变换器（信号变换器）：
根据输入端热敏电阻值、光敏电阻及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。
低通滤波器：
由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。
使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。
仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的工作电源，进行实验时请勿关掉。
指针式毫伏表工作前需输入端对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。
请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。
四、各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：
1．应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验时，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量其阻值。
各接线图两个节点间即为一实验接插线，接插线可多根迭插，并保证接触良好。
2．进行“电容式传感器特性”实验，当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器V0端电压应正负过零变化。
3.进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。
4.进行“电涡流传感器的静态标定”实验，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为振荡信号经整流后的直流电压。
5.进行“压电加速度传感器”实验，传感器引线屏蔽层必须接地。
6.热电偶，接入差动放大器，加热器打开，观察随温度升高热电势的变化。
7.热敏式，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温度升高“V0”端输出电压变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。
8.P-N结温度式，进行P-N结集成温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T（K氏温度）。
9.进行光敏电阻测光实验，信号变换器输出电压变化范围＞1V。
10.进行光电式传感器测速实验，VF端输出的是频率信号。
11.进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，直流激励信号绝对不能大于2V!
否则一定会造成霍尔元件烧坏。
12.进行“光纤传感器——位移测量”，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微头带动反射片位置变化，从“V0”端读出电压变化值。
光电变换器“F0”端输出频率变化方波信号。
测频率变化时可参照“光纤传感器——转速测试”步骤进行。
13.进行扩散硅压力传感器实验，试验传感器差压信号输出情况。
14.进行气敏传感器特性实验，特别注意加热电压一定不能＞±2V。
15.进行湿敏传感器特性演示实验，注意控制激励信号的频率及幅值。
上述检查及实验能够完成则整台仪器各部分均为正常。
五、实验操作须知：
1.使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。
2.了解测试系统的基本组成：
合适的信号激励源→传感器→处理电路（传感器状态调节机构）→仪表显示
3.实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，如开机后发现有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。
4.实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，为延长使用寿命，请捏住插头连接。
5.实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，尽量避免电源短路情况的发生。
6.传感器的激励信号不准随意加大，否则会造成传感器永久性的损坏。
7.加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。
8.本仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。
实验一箔式应变片性能—单臂电桥
一、实验目地：
1．观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2．测试应变梁变形的应变输出。
3．比较各桥路间的输出关系。
二、实验原理：
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时，
；当二个应变片组成差动状态工作，则有
；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，
。
由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验所需部件：
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁与称重砝码、电压表。
四、实验步骤：
1．调零：
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
调零后关闭仪器电源。
2．按图
（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R1、R2、
R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V。
图
（1）
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
4．在双孔悬臂梁称重平台上依次放上、然后再拿下砝码，进行上述实验。
砝码
（个）
电压（V）
正向
电压
（V）
负向
根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝△V／△X，并在坐标图上做出V－X关系曲线。
五、注意事项：
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。
2．接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
3.稳压电源不要对地短路。
实验二箔式应变片三种桥路性能比较
一、实验原理：
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/R、2△R／R、4△R／R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·∑R，电桥灵敏度Ku＝V／△R／R，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E、1/2E和E.。
由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
二、实验所需部件
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁与称重砝码、电压表。
三、实验步骤：
1．在完成实验一的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图
（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。
2．重复实验一中3－4步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。
3．在同一坐标上描出V－X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
砝码
（个）
电压（V）
正向
电压
（V）
负向
四、注意事项：
1．应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。
2．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。
3．计算灵敏度时可将正△X的灵敏度与负的△X的灵敏度分开计算。
再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。
实验三电容式传感器特性
一、实验目的
掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
二、实验原理
电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
三、实验所需部件
电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头。
图（5）
四、实验步骤
1．按图（5）接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。
2．装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。
3．以此为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。
记录数据，并作出V—X曲线，求得灵敏度。
X（mm）
0
V（v）
4．低频振荡器输出接“激振I”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。
五、注意事项
1．电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。
位移和振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变。
2．如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
3.由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并不回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向的采集。
实验四热敏式温度传感器测温实验
一、实验原理：
用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高，可以应用于各领域的优点，热电偶一般测高温时线性较好，热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便，本实验中所用热敏电阻为负温度系数。
温度变化时热敏电阻阻值的变化导致运放组成的压/阻变换电路的输出电压发生相应变化。
二、实验所需部件：
热敏电阻、温度变换器、电压表、热电偶（将热电偶的两极插入数字温度计，以数字温度计的显示值作为实际加热温度）
三、实验步骤：
1．调零：
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。
2．拔掉实验线，将增益置最小（逆时针方向旋到底），信号变换器置最大（顺时针方向旋到底）。
调零电位器位置不要变化。
3.观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入信号变换器R端口。
用热电偶测出环境温度To并记录。
4.打开加热器，观察温度的温升和温度变换器Vo端的输出电压（尽量用2V档）的变化情况，每升温1℃记录一个电压值（记录20℃的温度范围），记下温度T。
T（℃）
电压（V）
正向
电压（V）
负向
T（℃）
电压（V）
正向
电压（V）
负向
根据表中数据作出V－T曲线，求出灵敏度S。
S＝△V／△T
4．负温度系数热敏电阻的电阻温度特性可表示为：
Rt＝RtoexpBn（1/T–1/To）
式中Rt、Rto分别为温度T、To时的阻值，Bn为电阻常数，它与材料激活能有关，一般情况下，Bn=2000~6000K，在高温时使用，Bn值将增大。
实验五光纤位移传感器―位移测量
一、实验原理：
反射式光纤位移传感器的工作原理如图（16）所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起传输信号的作用。
当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电元件将接收到的光信号转换为电信号。
其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位置量。
图（16）反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线
二、实验所需部件：
光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、示波器、电压表、支架、反射片、测微头
三、实验步骤：
1．观察光纤结构：
本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2．将原装在电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片（即电涡流片），光纤探头的上平面与横梁上平面齐。
3．“光纤输出”接入电压频率表（20V挡位）的“IN”。
4．振动台上装上测微头（磁铁吸合），并定位在10mm处，使光纤探头端面紧贴反射镜面（必要时可稍许调整探头角度）。
5．开启电源，在0mm与10mm之间，寻找最大电压输出位置，并调整光电转换增益，使输出为2V。
旋动测微头，带动振动平台，此时回到10mm处，Vo输出为最小。
然后旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表，在将旋动测微头从0mm处调回10mm处，同样取数据，作出V－X曲线。
X
mm
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5
电压（V）
正向
电压（V）
负向
X
mm
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
电压（V）
正向
电压（V）
负向
得出输出电压特性曲线分前坡和后坡，通常测量是采用线性较好的前坡。
6．振动实验：
将光纤探头移离振动台；测微头移开（旋至20mm处），使振动台与测微头分离，振动台处于自由状态；将低频振荡器输出的“激振”接“I”、“转换”拨向左侧，调节激振频率（最佳）和幅度（最大）；将光纤探头轻轻移至振动台的上方（注意：
不要碰到光纤探头为宜），用示波器（示波器探头接“光纤输出”）观察Vo端电压波形，调整光纤探头与振动台的距离，使示波器波形周期性变化，且峰—峰值尽量最大，并用电压／频率表2K档读出振动频率。
四、注意事项：
1．光纤探头在支架上固定时应保持与转盘面平行，切不可相擦，以免使光纤端面受损。
2．“转换”平时拨向右侧，置关闭状态。
3．实验时应避免强光直接照射转盘盘面，以免造成测试误差。
实验六光纤传感器―转速测量
一、实验原理：
当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化；光电变换器输出电量也发生相应的变化，经V／F电路变换，成方波频率信号输出。
二、实验所需部件：
光纤、光电变换器、测速电机及转盘、电压／频率表、示波器。
三、实验步骤：
1.继实验二十七，将光纤探头转一角度置于测速电机上方，并调整探头高度使其距转盘面1mm左右，光纤探头以对准转盘边缘内3mm处为宜。
2.“光纤输出”端分别接电压／频率表2KHZ档和示波器DC档。
开启电机开关，调节转盘转速，用示波器观察输出波形并读出频率。
3.测转速时“光纤输出”“光电输出”须先接入“转速信号入”端，经整形电路输出，在“转速信号出”端口读取频率信号。
电机转速＝“光纤输出”端方波频率除以2（每周两个方波信号）
四、注意事项：
1.光纤探头在支架上固定时应保持与转盘面平行，切不可相擦，以免使光纤端面受损。
2.电机开关平时应置关闭状态，以保证稳压电源正常工作。
3.实验时应避免强光直接照射转盘盘面，以免造成测试误差。
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