传感器实验指导书1.docx
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传感器实验指导书1
传感器实验指导书
（第二版）
编著王宾
安徽电子信息职业技术学院
2007.7.13
目录
实验一仪器使用……………………………………………………………………3
实验二箔式应变片的性能测试——单臂电桥……………………………………7
实验三箔式应变片的三种电桥比较………………………………………………9
实验四箔式应变片温度效应和温度补偿…………………………………………11
实验五半导体应变片性能测试……………………………………………………13
实验六电容式传感器的特性………………………………………………………14
实验七相敏检波器实验……………………………………………………………16
实验八差动螺线管式电感传感器的位移测量……………………………………18
实验九激励频率对电感传感器的影响……………………………………………19
实验十差动变压器的性能…………………………………………………………21
实验十一差动变压器的标定…………………………………………………………22
实验十二差动变压器的振动测量……………………………………………………24
实验十三电涡流传感器的静态标定…………………………………………………25
实验十四电涡流传感器的振幅测量及其电机转速测试……………………………26
实验十五压电加速度式传感器………………………………………………………28
实验十六热电式传感器——热电偶…………………………………………………29
实验十七热敏式温度传感器的测温实验……………………………………………30
实验十八光纤位移传感器——位移测量……………………………………………31
实验十九光电传感器的应用——光电转速测试……………………………………33
实验二十霍尔式传感器的直流激励特性……………………………………………33
实验二十一霍尔传感器的应用——振幅测量和电子称………………………………34
实验一仪器的使用
一、实验目的
1.了解实验仪上各部分的作用。
2.掌握示波器的使用方法。
二、实验仪器设备
1.示波器
2.音频振荡器
三、传感器实验仪介绍
CSY系列传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。
其特点是集被测体、各种传感器、信号激励、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。
通过实验指导书提供的实验举例，可以完成包括光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验，通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有明显的直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。
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）位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁；梁上装有应变式、热敏、热电式和压电加速度四种传感器。
平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。
其中六片为金属箔式片（BHF-350）。
横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。
片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。
热电式（热电偶）：
串接工作的两个铜-康铜热电偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。
分度表见指导书。
热敏式：
上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻，负温度系数，25℃时阻值为8～10kΩ。
压电加速度式：
位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片、铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。
（二）实验工作台右边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。
圆盘周围一圈所安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。
电感式（差动变压器）：
由初级线圈Li和两个次级线圈Lo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。
磁电式：
由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4v/m/s.
霍尔式：
HZ-1半导体霍尔片置于两个环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。
电涡流式：
多股漆包线绕制的扁平线圈与框架组成，它和被测体两部分组成测量系统。
被测体在本实验中为金属片。
线性范围＞1mm。
光电传感器装于电机侧旁。
两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。
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，工作时能获得高于温度30℃左右的升温。
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。
两只测微头分别装在左、右两边的支架上。
（三）信号及显示部分
信号与显示部分位于仪器上部面板，它包括下面几个部分。
低频振荡器：
1～30Hz输出连续可调，VP-P值20V，最大输出电流0.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。
音频振荡器：
0.4～10kHz输出连续可调，VP-P值20V，180°、0°为反相输出，Lv端最大电流输出0.5A。
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，最大输出电流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：
位显示，分2V、20V、2kHz、20kHz四档，灵敏度≥50mm，频率显示5Hz～20kHz。
指针式直流毫伏表：
测量范围500mv、50mv、5mv三档，精度2.5%。
（四）处理电路
处理电路位于仪器下部的面板上，它包括下面几个部分。
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:
增益可调比例直流放大器,可接成同相、反相、差动结构，增益1～100倍可调。
光电变换器：
提供红外发射、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°（随频率有所变化）。
相敏检波器：
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：
电容反馈电路构成，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：
根据输入端热敏电阻值及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。
使用本仪器时打开电源开关，检查交、直流信号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±15V工作电源，进行实验时请勿关掉。
指针式毫伏表工作前对地短路调零，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种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、示波器介绍
（一）MD252是通用示波器的特点
1．高带宽：
DC~20MHz；
2．高灵敏度：
最高达1mv/div；
3．6″大矩形示波管，观察波形方便；
4．内刻度：
消除了观察时的平行误差；
5．交替触发：
观察两个频率不同的波形时，两个通道都能稳定触发；
6．电视同步：
采用新颖的电视同步分离电路，能稳定地观察电视信号；
7．自动聚焦：
聚调电平可自动校正。
（二）示波器面板介绍
电源和示波管以及校准信号
1．电源开关（POWER）：
电源开关按进去为电源开，恢复是电源断。
2．聚焦控制（FOCUS）：
当辉度调到适当的亮度后，调节聚焦控制直至扫描线最佳。
虽然聚焦在调节亮度时能自动调整，聚焦有时稍微漂移，应用手调节以便获得最佳聚焦状态。
3．基线旋转控制（TRACEROTATION）：
用于调节扫描线和水平刻度线水平。
4．辉度控制（INTENSITY）：
这个旋钮用来调节辉度电位器，改变辉度。
顺时针旋转，辉度增加。
5．校正0.5V端子（CAL.5V）：
输出1kHz和0.5V的校正方波。
用于校正探头补偿。
垂直偏转系统的控制件
1．CH1输入：
此端子用于垂直轴信号输入。
当示波器工作于X-Y方式时，输入到此端子的信号变成X轴信号。
2．CH2输入：
同CH1，但当示波器工作在X-Y方式时，输入到此端的信号作为Y轴信号。
3．输入耦合开关（AC-GND-DC）：
该开关用于选择输入信号馈至垂直轴放大器的耦合方式。
AC：
在此耦合方式时，信号经过一个电容器输入。
输入信号的直流成份被隔离，只有交流成份被显示。
GND：
在此方式垂直放大器输入端接地。
DC：
在此耦合方式，输入信号直接馈至垂直放大器输入端而显示，包含直流成份。
4．伏/度选择开关：
该开关用于选择垂直偏转因数。
置于一个易于观察输入信号幅度的范围。
当10：
1探头连接于示波器时，荧光屏上的读数要乘以10。
5．微调控制：
当旋转此旋钮时，可小范围地连续改变垂直偏转灵敏度，当此旋钮以反时针旋转到底时，其变化范围应大于2.5倍。
此旋钮用于比较波形、同时观察两个通道方波上升时间或者要定量测量波形的大小时。
通常将这个旋钮顺时针旋到底校准位置。
当旋钮被拉出时，垂直系统的增益扩展5倍。
最高灵敏度变成1mV/DIV。
6．位移旋钮：
此旋钮用于调节垂直方向的位移。
顺时针旋转波形上移，逆时针旋转波开下移。
7．工作方式选择开关：
这个开关用于选择垂直偏转系统的工作方式。
CH1：
只有加到CH1通道的信号才能被显示。
CH2：
只有加到CH2通道的信号才能被显示。
ALT：
加到CH1、CH2通道的信号能交替显示在荧光屏上，这个工作方式用于扫描时间短的两通道观察。
CHOP：
在这个工作方式时，加到CH1、CH2的信号被250KHz自激振荡电子开关的控制，同时显示在荧光屏上，这个工作方式用于扫描时间长的两通道观察。
ADD：
加到CH1、CH2上信号的代数和在荧光屏上显示。
水平控制偏转系统
1．TIME/DIV选择开关：
扫描时间范围从0.2μs/DIV到0.2s/DIV分19个档。
2．扫描微调控制：
此旋钮在校准位置时，扫描因数按TIME/DIV读出，当旋钮不在校准位置时，扫描因数能连续变化。
当开关顺时针旋到校准位置时，此进扫描时间由TIME/DIV开关准确读出，反时针旋转到底扫描因数扩大2.5倍多。
3．位移控制旋钮：
本旋钮用于水平移动扫描线，在测量波形的时间参数时适用。
该旋钮顺时针旋转，扫描线向右移，反时针旋转，扫描线向左移。
当旋钮被拉出时，扫描扩展10倍。
同步系统
1．触发源选择开关（SOURCE）：
该开关是用于选择扫描触发信号源。
内触发（INT）：
加到CH1或CH2的信号作为触发源；
电源触发（LINE）：
取电源频率作为触发源；
外触发（EXT）：
外触发信号加到外触发输入作为触发源。
外触发用于垂直方向上特殊信号的触发。
2．内触发选择开关（INTTRIG）：
该开关是用于选择扫描的内触发源。
CH1：
加到CH1的信号作为触发信号；
CH2：
加到CH2的信号作为触发信号；
组合方式（VERTMODE）：
用于同时观察两个波形，同步触发信号交替取自CH1和CH2。
3．触发电平控制旋钮（LEVEL）：
该旋钮通过调节触发电平来确定波形扫描的起始点，亦能控制触发开关的极性。
按进是正极性，拉出来是负极性。
4．触发方式选择开关（MODE）
自动（AUTO）：
本状态仪器始终显示扫描线。
有触发信号，获得正常触发扫描，波形稳定显示。
没有触发信号，扫线将自动出现。
通常情况下，这种状态是方便的。
常态（NORM）：
当触发信号产生，获得触发扫描信号，实现扫描。
若没有触发信号或不同步，应当不出现扫描线。
一个非常低的频率信号（25Hz或更低）用这个方式时，将影响同步。
TV-V：
这种状态用于观察电视信号的全场波形。
TV-H：
这种状态用于观察电视信号的全行波形。
（三）示波器的基本使用方法
1．打开电源开关，在没有信号的情况下调出一条水平亮线。
2．校准示波器：
将示波器探头接到校准信号源上（1KHz，0.5V的方波信号）,调出方波信号,观察其波形的幅度和周期（从而可以计算出频率）的大小。
3．测信号，将示波器探头接至被测信号端，注意地线（即黑夹子是地线）要与被测信号共地，信号线（探头或红夹子）接被测信号。
通过调垂直和水平扫描旋钮使波形清晰地显示在示波器的屏幕上。
从上面可以读出波形的峰峰值和周期的大小（注意：
在定量测量时，垂直和水平扫描的微调开关要打至校准位置）。
4．峰峰值的大小=波形垂直所占的格数乘以垂直扫描的灵敏度。
周期的大小=波形一个周期水平所占的格数乘以时间扫描灵敏度。
频率=周期的倒数。
5．要同时观察两个波形的情况时，必须把工作方式选择开关打至ALT或CHOP位置。
从上面不仅能测出两个波形的峰峰值和周期的大小，而且也能测两个波形之间的相位差等。
五、实验内容
1．校准示波器，即用示波器测其上面的一个标准信号源的峰峰值和频率的大小。
2．用示波器和频率表调出下表中所要求的音频振荡器输出幅值和频率的大小。
音频振荡器输出
示波器各旋钮的位置情况以及计算结果
电压/频率表所测结果
f（KHz）
Vop-p（V）
V/DIV位置
垂直格数
峰峰值
T/DIV位置
水平格数
周期
计算的频率
2
2
5
4
10
8
3．利用两个通道同时观察音频振荡器0°和180°输出的的波形情况，要求会调出波形，能从中读出幅值、频率和相位关系。
实验二箔式应变片性能测试——单臂电桥
一、实验目的
1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；
2熟悉电路的工作原理；
3测试应变梁变形的应变输出。
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（本实验中的悬臂梁）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ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时，其电阻变化率为ΔR/R；当二个应变片组成差动状态工作时，则电阻变化率为2ΔR/R；用四个应变片组成二个差动对工作，且有R1=R2=R3=R4=R，其电阻变化率为4ΔR/R。
由此可见，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验所需部件
1直流稳压电源（±4V档）
2电桥
3差动放大器
4箔式应变片
5测微头
6电压表
7导线若干
四、实验电路
五、验步骤及内容
1差动放大器调零
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋差动放大器的增益调节电位器到底），“+、-”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（可先把电压/频率表的档位开关置于20V档，调到零后再调到2V档，再调零，这样灵敏度比较高些），然后拔掉实验线。
调零后“调零”电位器位置不要变化。
2按实验电路图将实验各部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电路R和直流调平衡电位器，R1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片，但注意的是：
应选箔式应变片）。
直流激励电源为±4V。
3将测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
4确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥的直流调节电位器WD，使测试系统输出为零。
（使电桥平衡）
5旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下方向的运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下各移动7.5mm，测微头每移动1.5mm记录一个输出电压值，并填在下表中。
（注：
测微头每旋一圈是0.5mm。
逆时针向上运动，顺时针向下运动。
）
6根据表中所测数据计算单臂电桥的灵敏度SV，SV=ΔV/ΔX，并在坐标图上做出V-X关系曲线。
位移X（mm）
0
1.5
3.0
4.5
6.0
7.5
向上位移时输出V（V）
0
向下位移时输出V（V）
0
六、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接插线插入插孔时轻轻地做一个小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也要轻轻地转动一下拔出，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，也不能加大电源。
4向上移动测微头7.5mm后再回到原点时，若系统输出不为零，需重新调零后再向下移动。
实验三箔式应变片三种桥路性能比较
一、实验目的
1熟练连接电路；
2掌握三种电路的工作原理及输入与输出之间的关系；
3比较三种电桥的输出。
二、实验原理
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
其工作原理与单臂电桥的基本原理是一样的。
应变片是最常用的测力元件。
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（本实验中的悬臂梁）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（电桥），转换成电信号输出显示。
已知单臂、半桥和全桥电路的电阻相对变化率εr分别为ΔR/R、2ΔR/R、4ΔR/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是1/4·U·εr，电压灵敏度Kv=V/εr，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为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阻的大小无关。
三、实验所需部件
1直流稳压电源（±4V）
2电桥
3差动放大器
4箔式应变片
5测微头
6电压表
四、实验电路
五、实验步骤及内容
（一）双臂半桥的性能测试
1差放“调零”
开启仪器电源，差放增益调至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再变化。
2根据图
（1）连接电路，接成双臂半桥的测试系统。
其中，半桥中的R1、R2为应变片，且受力方向不一样。
3装上测微头，调应变梁处于基本平衡状态。
4加上电源，调WD使系统输出为零。
5旋动测微头带动悬臂梁分别向上和向下运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各7.5mm，测微头每移动1.5mm（即旋动两圈）记录一下差动放大器输出电压值，记在表中。
（二）全桥的性能测试
1差放调零
方法同
（一）中的1，不再赘述。
2根据图
（2）连接电路，注意R1、R2、R3、R4的受力方向。
3系统调零（即电桥调零）
方法同
（一）中的4。
4旋动测微头使悬臂梁向上和向下运动各7.5mm，并记录差动放大器的输出结果，填入表中。
位移X（mm）
0
1.5
3.0
4.5
6.0
7.5
半桥
向上位移的输出V（V）
0
向下位移的输出V（V）
0
全桥
向上位移的输出V（V）
0
向下位移的输出V（V）
0
根据表中测试的结果，求出双臂半桥和全桥的灵敏度，并与单臂电桥的灵敏度进行比较。
并在同一坐标中画出三种电桥的V-X的曲线图。
六、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而损坏。
3由于进行位移测量时测微头要从零旋到正的最大值，又回复到零，再旋到负的最大值，因此容易造成零点偏移，必须进行系统调零，在计算灵敏度时可将正ΔX的灵敏度与负的ΔX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。
实验四箔式应变片温度效应和温度补偿
一、实验目的
1说明温度变化对测试系统的影响。
2由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿,所以掌握实际电路中温度补偿的方法。
二、实验原理
温度变化引起应变片阻值发生变化的原因有二：
其一，由于电阻丝温度系数的存在，当温度变化是时，应变片自身的标称阻值发生变化。
其二，当试件与电阻的材料的线膨胀系数不同时，温度改变将引起附加变形，使其产生附加电阻。
由此引起测试系统输出电压发生变化。
用补偿片法是应变片电桥温度补偿方法中的一种，如图
（2）所示，在电桥中，R1为工作片，R2是补偿片，R1=R2，当温度变化时两应变片的电阻变化ΔR1与ΔR2符号相同，数量相等，桥梁如果原来是平衡的，则温度变化后R1·R4=R2·R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。
三、实验所需部件
1直流稳压电源（±4V）
2电桥
3差动放大器
4电压表
5测微头
6加热器
7半导体点温计
四、实验电路
五、实验步骤及内容
（一）箔式应变片温度效应的测试
1与前面实验一样，首先进行差放调零，然后按图
（1）连接电路，正确无误后方可开启电源，调整系统输出为零。
2记录加热前测试系统感受的温度，可用半导体点温计可插入二片应变梁之间的加热器当中来测量。
3开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度计升高而发生的变化。
待电压读数基本稳定后记下电压值。
4求出温度漂移值ΔV/ΔT。
（二）应变电路的温度补偿
1按图
（2）接好线路，图中R1和R2分别是箔式应变片的工作片和补偿片。
（注意这两个的受力方向要一致）
2重复上面
（一）中的1～4步，求出接入补偿片后系统的温度漂移，并与
（一）的结果进行比较。
六、注意事项
应正确选择补偿片。
在面板的应变片接线端中，从左至右1～8接线端分别是：
1——上梁半导体应变片；2——下梁半导体应变片；3——上梁箔式应变工作片；4——下梁箔式应变工作片；5——上梁箔式应变工作片；6——下梁箔式应变工作片；7——上梁温度补偿片；8——下梁温度补偿片。
电路中工作片与补偿片应在同一应变梁上。
连线时要注意。
实验五半导体应变片性能的测试
一、实验目的
1说明半导体应变片的灵敏度和温度效应。
2通过实际运用的半导体半桥电路，与半导体单臂电桥进行性能比较。
二、实验原理
由于材料的阻值
，则
或
当应变
，灵敏度
；对于箔式应变片，K箔≈1+2μ主要是由形变引起的。
对于半导体应变片，
，主要由电阻率变化引起。
由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K半要大于K箔，但受温度影响大。
三、实验所
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