中南大学传感与检测技术实验指导书.docx
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中南大学传感与检测技术实验指导书
《传感器与检测技术》
实验指导书
编写彭建辉
中南大学信息科学与工程学院
二O一六年九月
目录
第一章传感器实验仪使用说明1
1.1传感器系统实验箱的组成1
1.2传感器2
1.3数据采集卡及处理软件3
1.4控制器简介5
1.5温度源及温度控制原理简介11
第二章传感器与检测技术实验13
实验一应变片单臂特性实验13
实验二应变片半桥特性实验18
实验三应变片全桥特性实验19
实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较20
实验五电感式传感器的性能实验21
实验六电感式传感器零点残余电压补偿实验24
实验七电涡流传感器位移特性实验25
实验八被测体材质对电涡流传感器特性影响28
实验九被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验29
实验十霍尔式传感器位移特性实验30
实验十一光纤传感器的位移特性实验33
实验十二超声波测距实验36
实验十三压电式传感器测振动实验38
实验十四光敏电阻的光电特性实验42
实验十五光敏二极管的光电特性44
实验十六光敏三极管的光电特性45
实验十七光电池的光电特性47
实验十八气敏传感器实验48
实验十九湿敏传感器实验50
实验二十压阻式压力传感器的压力测量实验52
实验二十一K热电偶测温特性实验54
实验二十二Pt100铂电阻（热电阻）测温特性实验59
实验二十三霍尔开关式传感器测转速实验63
实验二十四磁电式传感器测转速实验64
实验二十五光电传感器测转速实验67
实验二十六智能转速控制系统的设计69
第一章传感器实验仪使用说明
1.1传感器系统实验箱的组成
传感器实验箱平面图如图1.1所示：
主要由机头、主板、信号源、传感器、传感器调理模块、数据采集卡、软件等各部分组成。
图1.1传感器实验箱图
1、机头
由电子称；悬臂梁；振动源（振动盘）；升降调节杆；传感器的安装架（静态位移安装架）；传感器输入插座；光纤座、电涡流孔及超声波显示等组成。
2、主板部分
主板部分有十大单元电路组成：
频率／电压显示单元；液晶显示单元；数据处理单元；控制器单元；直流稳压电源输出单元（提供高稳定的±15V、±5V、＋1.2V～＋12V可调等）；传感器的输出口单元；音频振荡器（0.4KHz～10KHz可调）和低振荡器（1Hz～30Hz可调）；数据采集应用单元；转动源单元。
3、调理电路部分
调理电路有两部分可插拔模块组成，根据实验需要可以自由更换，模块电源通过特制六芯线连接（提供高稳定的±15V、±5V、地）。
4、信号源
1）温度源＜150℃（可调）；2）振动源1Hz～30Hz；3）转动源0～5000r/min
4、传感器：
详见表1.1传感器
5、数据采集卡及处理软件：
数据采集卡及处理软件
6、实验箱：
供电：
AC220V50Hz功率0.2kW
实验箱尺寸为525×475×220（mm）。
1.2传感器
表1.1传感器表
序号
传感器名称
量程
线性
备注
1
电阻应变式传感器
0～200g
±1%
350Ω
2
差动变压器
±6mm
±2%
10Ω左右
3
电涡流位移传感器
2.5mm
±2%
10Ω左右
4
霍尔式位移传感器
±5mm
±3%
输入端800Ω左右
输出端400Ω左右
5
光纤位移传感器
1.5mm
±5%
1-3kΩ
6
超声波移传感器
100cm
7
光敏电阻
暗阻≥5M，亮阻≤1KΩ
光敏电阻
8
光敏二极管
光敏二极管
9
光敏三极管
光敏三极管
10
光电池
峰值波长：
0.8-0.9um开路电压：
≥5mV
光电池
11
气敏传感器
50～2000PPm
12
湿敏传感器
10～95%RH
13
扩散硅压力传感器
0～40kpa
±1%
14
Pt100铂电阻
常温～150℃
±4%
三线制
15
K型热电偶
常温～150℃
±4%
16
磁电式传感器
5000转/分
±0.5%
17
光电转速传感器
5000转／分
±0.5%
18
霍尔式转速传感器
5000转/分
±0.5%
19
压电式传感器
1.3数据采集卡及处理软件
1.3.1数据采集卡及处理软件
具体技术指标如下：
1、接口标准：
USB接口
2、A/D：
2通道，12位
3、D/A:
2通道12位
4、DI：
2通道
5、DO：
2通道，常开
6、采样频率：
100KHz
8、测量量程：
最大可达正负10V
9、支持电压、电流信号直接输入图1.2虚拟示波器界面
10、环境：
xp/win7
1.3.2使用说明
1）双击打开传桌面图标
“传感器USB采集.vi”，进入程序界面如下图1.3：
图1.3软件界面
2）单击箭头所示图标运行程序如图1.4：
图1.4运行软件
3）运行程序后，进入程序界面，单击“新建“如图1.5：
图1.5新建实验
4）单击“新建”后进入实验设置界面如下图1.6根据需要设置后单击确定。
图1.6实验设置
在设置界面中，“学院名称、专业名称、班级、实验名称”根据实际需要填写即可，“通信选择”选择USB,“实验模式”选择低频扫描，“通道选择”根据实际连线选择即可，设置完成后单击“确定”即可。
5）单击“开始”即可进行数据采集，采集过程中可根据实际情况选择“量程”和“采样率”。
1.3.3系统需求
1.操作系统：
XP/win7简体中文版
2.IntelPentiumⅢ500MHz或AMDAthlon700MHz以上
3.128Mb或以上内存
4.400MB以上硬盘空间供软件安装和备份
5.有USB接口
1.4控制器简介
主板中所装的控制器为人工智能调节仪，它具有测量显示和模糊逻辑数字PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。
可以万能输入（通过设置输入规格可变为热电阻、热电偶、线性电压、线性电流等），输出为线性电压输出（可设置为0～5V线性电压）。
其实它是一只万能通用调节仪。
1.4.1控制器面板说明
（一）、调节仪面板介绍
控制器调节仪的面板上有PV测量显示窗、SV给定显示窗、4个指示灯窗和4个按键组成。
仪表上电后，上显示窗口显示测量值（PV），下显示窗口显示给定值（SV）。
仪表面板上的4个LED指示灯，其含义分别如下：
ALM1指示灯：
当ALM1亮时，仪表对应ALM1继电器有输出。
ALM2指示灯：
当ALM2亮时，仪表对应ALM2继电器有输出。
AT指示灯：
当仪表自整定时此指示灯亮。
OUT指示灯：
当此指示灯亮时，仪表OUT控制端有输出。
图1.3调节仪面板图
面板中：
1、PV——测量值显示窗2、SV——给定值显示窗3、A-M——自整定灯（兼手动指示灯）
4、ALM——ALM1动作时点亮对应的灯（上限动作、冷却风扇）5、OUT——调节控制输出指示灯
6、SET——功能键7、
——数据移位键（不禁止手动操作时兼手动／自动切换）
8、▼——数据减少键9、▲——数据增加键
（二）控制器端子面板介绍
1、传感器输入端：
连接Pt100或者连接光电转速传感器。
2、标准输出：
仪表将传感器输入的测量信号变送为0-5V输出，供计算机控制时采集反馈信号（如：
温度、电机转速等信号）。
3、控制输入：
接数据采集卡DA输出端，接DA0或DA1（输出信号0-5V对应加热功率0-100%）。
4、冷却开关：
内控--冷却风扇由仪表控制，外控--冷却风扇由计算机控制。
5、模式开关：
内控--仪表控制，外控--计算机控制。
6、控制开关：
温度--温度控制，转速--转速控制。
图1.4控制器端子面板图
1.4.2功能及设置
（一）内部菜单
内部菜单如图1.5所示。
（二）基本使用操作
1、显示切换：
按SET键可以切换不同的显示状态。
修改数据：
如果参数锁没有锁上，
仪表下显示窗显示的数值数据均可通过按◄、▼或▲键来修改。
例如：
需要设置给定值时，可将仪表切换到正常显示状态，即可通过按◄、▼或▲键来修改给定值。
仪表同时具备数据快速增减法和小数点移位法。
按▼键减小数据，按▲键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。
按住按键并保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速度会随小数点会右移自动加快（3级速度）。
而按◄键则可直接移动修改数据的位置（光标）,操作快捷。
2、手动/自动切换：
在不禁止手动操作时按◄键，可以使仪表在自动及手动两种状态下进行无扰动切换。
手动时下排显示器第一字显示“H”，仪表处于手动状态下，直接按▲键或▼键可增加及减少手动输出值。
3、设置参数：
按SET键并保持约3秒钟，即进入参数设置状态。
在参数设置状态下按SET键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值ALM1、参数锁LocK等等。
用▼、▲、◄等键可修改参数值。
先按◄键不放接着再按SET键可退出设置参数状态。
如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
4、设置给定值：
按▲键并保持约3秒钟，即进入给定值设置状态，PV窗显示SP,用▼、▲、◄等键可修改给定值。
如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
图1.5内部菜单
（二）基本使用操作
1、手动/自动切换：
在不禁止手动操作时按◄（A/M）键，可以使仪表在自动及手动两种状态下进行无扰动切换。
手动时下排显示器第一字显示“H”，仪表处于手动状态下，直接按▲键或▼键可增加及减少手动输出值。
2、设置参数：
按SET键并保持约3秒钟，即进入参数设置状态。
在参数设置状态下按SET键，仪表将依次显示各参数名称（在PV窗口）及对应的参数值（在SV窗口）。
例如上限报警值ALM1、参数锁LocK等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。
用▼、▲、◄（A/M）等键可修改参数值。
先按◄（A/M）键不放接着再按SET键可退出设置参数状态。
如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
（三）自整定（AT）操作
仪表初次使用时，可启动自整定功能来协助确定I、P、d等控制参数。
初次启动自整定时，可将仪表切换到正常显示状态下，将参数At设置为1即可启动自整定。
系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上，如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。
4、设置给定值：
按▲键并保持约3秒钟，即进入给定值设置状态，PV窗显示SP,用▼、▲、◄等键可修改给定值。
如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
（四）参数功能说明
仪表通过参数来定义仪表的输入、输出、报警及控制方式，仪表功能参数表如表1.2所示。
表1.2仪表功能参数表
参数代号
参数含义
说明
设置范围
AL_1
上限报警
测量值大于ALM1产生上限报警。
测量值小于ALM1-Hy（固定0.5）值时，仪表将解除上限报警。
由P-SL、P-SH决定
Pb
主输入平移修正
Pb参数用于对输入进行平移修正.以补偿传感器信号本身的误差。
-20～+20
P
速率参数
P值类似PID调节器的比例带,但变化相反,P值越大,比例、微分作用成正比增强，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。
P参数与积分作用无关。
设置P=0相当于P=0.5。
1-9999
I
保持参数
I参数值主要决定调节算法中积分作用,和PID调节的积分时间类同。
I值越小，系统积分作用越强。
I值越大，积分作用越弱（积分时间增加）。
设置I=0时，系统取消积分作用及人工智能调节功能，调节部分成为一个比例微分（PD）调节器，这时仪表可在串级调节中作为副调节器使用。
0-3000
D
滞后时间
d参数对控制的比例、积分、微分均起影响作用，d越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减小，但整体反馈作用增强；反之，d越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强。
此外d还影响超调抑制功能的发挥，其设置对控制效果影响很大。
如果设置d≤t时，系统的微分作用被取消。
0-2000秒
FILT
滤波系数
为仪表一阶滞后滤波系数，其值越大，抗瞬间干扰能力越强，但响应速度越滞后，对压力、流量控制其值应较小。
对温度、液位控制其值应较大。
0-50
dP
小数点位置
dP=0,显示格式为0000，不显示小数点。
dP=1，显示格式为000.0,小数点在十位.
dP=2,显示格式为00.00,小数点在百位.
dP=3,显示格式为0.000,小数点在千位.
0-1
outH
输出上限
限制调节输出最大值。
outL-200
参数代号
参数含义
说明
设置范围
outL
输出下限
通常作为限制调节输出最小值。
0-outH
At
控制方式
At=0，关闭自整定。
At=1，启动自整定。
0-1
LocK
参数修改级别
LocK=0,允许修改现场参数、给定值。
LocK=1，只允许设置给定值。
LocK大于1，禁止修改所有参数。
0-50
Sn
输入方式
Sn
输入规格
PT100/u
Pt100
PT100
u
转速
oP-A
输出方式
”5“0-5V输出
5
oP-B
输出方式
”3“0-5V变送输出
3
AL-P
报警输出定义
“0”无报警；“1”上限报警；“2”下限报警
0-2
CooL
系统功能选择
0：
反向控制；1：
正向控制
0-1
P-SH
输入上限显示
用于定义线性输入信号上限刻度值,与P-SL配合使用.
P-SL～9999
P-SL
输入下限显示值
用于定义线性输入信号下限刻度值,对外给定、变送输出显示。
0
（五）智能调节仪控制温度、电机转速的快速操作指南
1、给定目标值设置：
先按▲键，光标在最末位闪烁，接着按◄、▼、▲键设置给定值。
如设定温度控制目标值20ºC等。
2、进入参数设置：
按住SET键保持约3秒，仪器重新进入参数设置状态，PV窗显示参数代号如：
ALM1（上限报警）等，按◄、▼、▲键为修改参数值键，使SV窗显示要设定的温度上限报警参数值，如35ºC等。
3、退出参数设置：
先按◄（A/M）键不放接着再按SET键可退出参数设置状态。
处于温度或速度显示状态。
温度控制仪表参数设置表转速控制仪表参数设置表
参数代号
参数含义
设定值
参数代号
参数含义
设定值
ALM1
上限报警
等于SV
ALM1
上限报警
4999
Pb
主输入平移修正
0
Pb
主输入平移修正
0
P
速率参数（比例）
500
P
速率参数（比例）
1
I
保持参数（积分）
100
I
保持参数（积分）
950
D
滞后时间（微分）
100
D
滞后时间（微分）
10
FILT
滤波系数
20
FILT
滤波系数
20
dP
小数点位置
0
dP
小数点位置
0
outH
输出上限
200
outH
输出上限
200
outL
输出下限
0
outL
输出下限
0
AT
控制方式PID
0
AT
控制方式PID
0
Lock
参数修改级别
0
Lock
参数修改级别
0
Sn
输入规格/Pt100
Pt100
Sn
输入规格/转速
u
oP-A
输出方式/线性电压连续输出
5
oP-A
输出方式/线性电压连续输出
5
OP-B
变送输出/0-5V
3
OP-B
变送输出/0-5V
3
AL-P
报警定义
1
AL-P
报警定义
1
COOL
系统功能选择
0
COOL
系统功能选择
0
P-SH
输入上限显示值
100
P-SH
输入上限显示值
4999
P-SL
输入下限显示值
0
P-SL
输入下限显示值
0
1.5温度源及温度控制原理简介
1.5.1温度源简介
温度源是由加热器和冷却风扇组成，装在机头顶板二个温度源插孔的下方，温度加热源示意图如图1.5所示。
顶板上的二个温度源插孔与内部加热器的测温孔相对，其中一个是调节仪的工作传感器Pt100的插孔，用来控制温度源的温度；另一个是温度实验传感器的插孔；使用温度源时先将调节仪的工作传感器Pt100接入并且控制选择开关切换到温度功能上，再将调节仪电源开关打开（o为关，-为开）。
从安全性、经济性即具有高的性价比考虑，而且不影响学生掌握原理的前提下温度源设计温度＜120℃。
图1.5温度加热源示意图
1.5.2温度控制原理
温度源的温度控制原理框图如图1.6所示。
当温度源的温度发生变化时温度源中的Pt100热电阻（温度传感器）的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能调节仪，经智能调节仪的电阻--电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出调压模块（或固态继电器）触发信号（加热）或继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。
图1.6、温度控制原理框图
第二章传感器与检测技术实验
实验一应变片单臂特性实验
一、实验目的：
了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。
可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1．箔式应变片的基本结构
应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝
或金属箔制成，如图1—1所示。
（a）丝式应变片 （b）箔式应变片
图1—1应变片结构图
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原理相同。
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR／R＝Kε式中：
ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
2．测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。
因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。
基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1—2应变片测量电路
（a）单臂
Uo＝U①－U③
＝〔（R4＋△R4）／（R4＋△R4＋R3）－R1／（R1＋R2）〕E
＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。
则Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE
（b）双臂（半桥）
同理:
Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE
（C）全桥
同理:
Uo≈（△R／R）E＝KεE
3．箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3应变片单臂电桥实验原理图
图中R1、R2、R3为350Ω固定电阻，R4为应变片；W1和r组成电桥调平衡网络，供桥电源直流±4V。
桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。
三、需用器件与单元
机头中的电子称；电阻应变式模块、电压/频率表、砝码、托盘；3
位数显万用表、实验线若干。
四、需用器件与单元介绍
熟悉需用器件在传感器箱中机头布置位置和电阻应变式模块使用。
1．图1—4为电阻应变式模块中的电桥单元。
图中：
⑴长方形虚框为无实体的电桥模型（为实验者组桥参考而设，无其它实际意义）。
⑵R1=R2=R3=350Ω是固定电阻，为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻。
⑶RW1电位器、r电阻为电桥直流调节平衡网络。
2．
图1—5为电阻应变式模块中的放大器单元。
图1—4电桥单元图1—5差动放大器
五、实验步骤：
1．在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用3
位数显万用表2kΩ电阻档测量所有应变片阻值。
如下图1—6所示。
图1—6观察应变片阻值变化情况示意图
2．电阻应变式模块差动放大部分调零点：
按图1—7示意接线（接4根线）。
将电压/频率表的量程切换开关切换到2V档，合上实验箱主电源开关，将电阻应变式模块的“增益”电位器顺时针方向轻轻转到底，调节“运放调零”电位器，使电电压/频率表显示电压为零。
电阻应变式模块的差动放大部分的零点调节完成，关闭主电源。
拆去短接线。
图1—7差放调零接线图
3．应变片单臂电桥特性实验
⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片（标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片）与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接V+、V-直流电源（V+、V-模块内部已接+-5V电源），另一对角作为电桥的输出接电阻应变式模块的放大器二输入端，将RW1电位器（对应电阻应变式模块面板上的“电桥调零”旋钮）、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中（RW1电位器二固定端接电桥的V+、V-电源端、RW1的活动端r电阻接电桥的输出端），如图1—8示意接线（粗曲线为连接线,接10根线）。
图1—8应变片单臂电桥特性实验接线示意图
⑵检查接线无误后合上主电源开关，在电子称托盘无砝码时调节“电桥调零”旋钮，使电压表显示为0或接近0（有小的起始电压也无所谓，不影响应变片特性与实验）。
⑶在电子称托盘上放置一只砝码（20g／只），读取数显表数值，之后依次增加砝码并读取相应的电压值，记下实验数据填入表1。
实验完毕，关闭电源。
表1应变片单臂、半桥、全桥电桥特性实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
单臂电压（mV）
半桥电压（mV）
全桥电压（mV）
⑷根据表1数据计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化
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