长春理工大学电信学院传感器实验指导书.docx
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长春理工大学电信学院传感器实验指导书
传感器实验指导书
长春理工大学电信学院
2012.3.25
一、概述部分
二、实验部分
实验一金属箔式、半导体应变片性能—单臂电桥、半桥、全桥
交直流实验
实验二差动变压器的性能实验
实验三热电偶原理及分度表的应用
实验四气敏传感器实验
一、概述
传感器实验是针对《传感器原理与设计》课程开设的一门实践性环节，诣在检验学生对传感器理论知识的掌握程度，引导学生将理论知识应用到实践中，并将计算机技术、数据采集处理技术与传感器技术融合在一起，拓宽传感技术的应用领域，逐步建立工程应用的概念。
通过实验，帮助广大学生加强对书本知识的理解，培养学生实际动手能力,增强学生对各种不同的传感器及测量原理如何组成测量系统有直观而具体的感性认识；培养学生对材料力学、电工学、物理学、控制技术、计算技术等知识的综合运用能力；同时在实验的进行过程中通过信号的拾取、转换、分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。
传感器实验全部在《CSY-910型传感器系统综合实验台》上进行，该实验台为完全模块式结构，分主机、实验模块和实验桌三部分。
主机由实验工作平台、传感器综合系统、高稳定交、直流信号源，温控电加热源，旋转源、位移机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统（RS232接口）、实验软件等组成；全套12个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构，实验时模块可按实验要求灵活组合。
一、传感器
1.金属箔式应变传感器（箔式应变片工作片4片；温度补偿片2片,应变系数：
2.06，精度2%）
2.称重传感器（标准商用双孔悬臂梁结构，量程0～500g，精度2%）
3.MPX扩散硅压阻式压力传感器（差压式，量程0～50KP，精度3%）
4.半导体应变传感器（BY350，工作片2片，应变系数120）
5.标准K分度热电偶，（量程0～800℃，精度3%）
6.标准E分度热电偶，（量程0～800℃，精度3%）
7.Pt100铂热电阻（量程0～800℃，精度5%）
8.半导体温敏二极管（精度5%）
9.集成温度传感器（电流型，精度2%）
10.半导体霍尔传感器（由线性霍尔元件与梯度磁场组成。
工作范围：
位移±2mm，精度5%）
11.磁电式传感器（动铁与线圈）
12.湿敏电容传感器（高分子材料，工作范围5～95%RH）
13.MQ3气敏传感器（酒精气敏感，实验演示用）
14.电感式传感器（差动变压器，量程±5mm,精度5%）
15.电涡流传感器（线性工作范围1mm,精度3%）
16.力平衡传感器（综合传感器系统）
二、主机配置
（一）电源、信号源部分
1.直流稳压电源：
（传感器工作直流激励源与实验模块工作电源）
+2V～+10V分五档输出，最大输出电流1.5A；
+15V（±12V）、最大输出电流1.5A；激光器电源。
2.音频信号源：
（传感器工作交流激励源）
0.4KHz～10KHz输出连续可调，最大Vp-p值20V；
00、1800端口反相输出；
00、LV端口功率输出，最大输出电流1.5A；
1800端口电压输出，最大输出功率300mw。
3.低频信号源：
（供主机位移平台与双平行悬臂梁振动激励，实现传感器动态测试）
1Hz～30Hz输出，连续可调，最大输出电流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（双平行悬臂梁）、激振II（圆形位移平台）的振动源。
转换纽子开关的作用：
（请特别注意）当倒向V0侧时，低频信号源正常使用，V0
端输出低频信号，倒向Vi侧时，断开低频信号电路，V0端无低频信号输出，停止激振Ⅰ、Ⅱ的激励。
Vi作为电流放大器的信号输入端，输出端仍为V0端。
激振不工作时激振选择开关应位于置中位置。
4.温控电加热源：
（温度传感器加热源）
由E分度热电偶控温的300W电加热炉，最高控制炉温400℃，实验控温≤200℃。
交流220V插口提供电炉加热电源，作为温度传感器热源、及热电偶测温、标定和传感器温度效应的温度源等。
5.旋转源：
（光电、电涡流传感器测转速之用）
低噪声旋转电机，转速0～2400转/分，连续可调。
6.气压源：
（提供压力传感器气压源）
电动气泵：
气压输出≤20KP，连续可调；
手动加压气囊：
可加压至满量程40KP，通过减压阀调节气压值。
（二）仪表显示部分
1电压/频率表：
31/2位数字表、电压显示分0～2V、0～20V两档；
频率显示分0～2KHz、0～20KHz两档，灵敏度≤50mv。
2数字式温度表：
（E分度）
温度显示：
0-800℃（用其他热电偶测温时应查对相应的热电偶分度表）。
3气压表：
0-40KP（0-300mmHg）显示。
（三）计算机通信与数据采集
1通信接口：
标准RS232口，提供实验台与计算机通信接口。
2数据采集卡：
12位A/D转换，采集卡信号输入端为电压/频率表的“IN”端，采集卡频率输入端为“转速信号入”口。
三、实验模块包含
1.实验公共电路模块：
提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。
2.应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：
金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿）、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。
3.电感式传感器实验模块：
差动变压器、螺管式传感器、放大电路。
4.电容式传感器实验模块：
同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路，精密位移导轨。
5.霍尔传感器实验模块：
霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及日本进口高精度位移导轨。
6.温度传感器实验模块：
提供7种温度传感器及变换电路，可控电加热炉。
7.电涡流传感器实验模块：
电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。
8.气敏传感器实验模块：
MQ3气敏传感器及变换电路。
四、主机工作台上装置的传感器
磁电式、压电加速度、半导体应变（2片）、金属箔式应变（工作片4片，温度补偿片2片）。
双平行悬臂梁旁的支柱安装有螺旋测微仪，可带动悬臂梁上下位移。
圆形位移（振动）平台旁的支架可安装电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器探头，在平台振动时进行动态实验。
Csy-910型主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。
五、实验操作须知：
1、在实验前务必详细阅读《CSY-910型传感器系统综合实验台》实验指导与使用说明、本实验指导书。
2、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。
主机面板上的纽子开关都应选择好正确的倒向。
3、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（数据采集或图象显示）
4、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。
5、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，主机与实验模块的直流电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。
6、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，使用时应避免摇晃。
为延长使用寿命，操作时请捏住插头连接叠插。
7、实验指导书中的“注意事项”不可忽略。
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。
实验一金属箔式电阻应变片式性能实验
一、实验目的：
1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；
2、熟悉箔式应变片和半导体应变片的性能，充分了解两种应变电路的特性；
3、掌握应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况；
4、验证应变片单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、实验类型：
验证型
三、实验原理：
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，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，桥路的输出与
成正比。
当使用一个应变片时，
；当使用二个应变片时，
；若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，
。
根据戴维南定理可以得出电桥的输出电压近似等于
，电桥的电压灵敏度Ku=V/△R/R，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为
、
、和E。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
四、实验所需部件：
直流稳压电源+4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、半导体应变计、螺旋测微仪、数字电压表、应变加热器。
五、实验步骤
1、差动放大器调零。
连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器
“+”“-”输入端对地用实验线短路。
输出端接电压表2V档。
开启主机电源，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，调零后模块上的“增益、调零”电位器旋钮均不应再变动。
图1-1单臂电桥实验电路
2、观察贴于悬臂梁根部的箔式应变计的位置与方向，按图1-1将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），注意连接方式，勿使直流激励电源短路。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
3、确认接线无误后开启主机，使电路工作趋于稳定。
调节模块上的W1电位器，使桥路输出为零。
4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入表一
表一
位移mm
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
电压V
表二
位移mm
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
电压V
图1-2半桥实验电路
图1-3全桥实验电路
表三
位移mm
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
电压V
0
5、依次将图1-1中的固定电阻R1、R2、R3，分别换接电阻应变片组成双桥和全桥。
实验电路见图1-2及图1-33所示
6、重复单臂电桥实验步骤，完成双桥和全桥实验
7、将测试数据填入表2及表3。
8、根据表中所测数据在同一坐标上描出V-X曲线，计算灵敏度S：
S=
，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
六、注意事项：
1、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。
2、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。
3、应变片接入桥路时，要注意应变片的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。
4、更换应变片时应将电源关闭。
七、思考题
1、本实验对直流稳压电源和差动放大器有何要求？
2、应变片桥路（差动电桥）连接应注意哪些问题？
3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差的主要原因是什么？
4、箔式应变片和半导体应变片在工作原理和性能上有什么区别？
5、用交流和直流作为激励电源时，传感器的性能有何变化？
实验二差动变压器的性能实验
一、实验目的：
1、了解差动变压器的基本结构及原理，验证差动变压器的基本特性；
2、了解差动变压器零点残余电压产生的原因及补偿方法；
3、了解差动变压器的实际应用。
二、实验类型：
验证型
三、实验原理：
电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器，差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架组成，初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器原边。
次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图图2-1。
差动变压器结构原理图差动变压器位移—输出特性
图2-1
由于零点残余电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，此电压经过放大器还会使放大器未级趋向饱和，影响电路正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿使之减小。
零点残余电压中主要包含两种波形成份：
a、基波分量：
这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。
b、高次谐波：
主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
减少零点残余电压的办法是：
（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。
（2）采用相敏检波电路。
（3）选用补偿电路。
四、实验所需部件：
差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器、公共电路实验模块、电压/频率表。
五、实验步骤：
1、按图2-2接线，差动变压器初级线圈必须从音频信号源LV功率输出端接入，二个次级线圈串接。
用双线示波器测量初级、次级线圈波形，并记录绘制。
图2-2
2、打开主机电源，调整音频输出信号频率，输出Vp-p值2V，以示波器第二通道观察到的波形不失真为好。
3、前后移动改变变压器磁芯在线圈中位置，观察示波器第二通道所示波形能否过零翻转（即波形相位变化），否则改变接次级二个线圈的串接端序。
4、用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压Vp-p值，同时注意初次级线圈波形相位。
位移mm
电压Vp-p
根据表格所列结果，作出V-X曲线，指出线性工作范围。
5、然后按图2-3接线，用示波器观察波形（根据波形大小适当调整示波器）。
差动放大器增益置最大。
图2-3
6、打开主机电源，调节音频输出频率，以第二通道波形不失真为好，调节音频信号频率，音频幅值必须为峰-峰值Vp-p=2V。
调节铁芯在线圈中的位置，使差动放大器输出的电压波形最小，再调节电桥中W1、W2电位器，使输出更趋减小。
图2-4
7、再按图2-4接线并调节移相璇钮输出电压为零。
8、维持低频信号源输出信号幅值不变，调节侧微头（先上移后下移）记录位移和输出电压值将数据记录值记入下表：
X（mm）
5
4
2
2
1
0
1
2
3
4
5
V（mm）
作出X-V曲线，指出工作范围。
六、注意事项：
1、示波器第二通道为悬浮工作状态（即示波器探头二根线都不接地）。
2、音频信号频率一定要调整到次级线圈输出波形基本无失真，否则由于失真波形中有谐波成分，补偿效果将不明显。
3、此电路中差动放大器的作用是将次级线圈的二端输出改为单端输出。
4、电感线圈的位置可根据实验需要调节螺杆稍上下位置，以静止时铁心置于线圈中间位置为好。
七、思考题
1、简述差动变压器的工作原理，并说明差动变压器与一般普通变压器有什么区别？
2、差动变压器零点残余电压产生是如何产生的？
如何消除零点残余电压？
实验三热电偶原理及分度表的应用
一.实验目的
1.了解热电偶的工作原理及热电偶回路热电势组成；
2.学会利用分度表纠正温度的方法
二.实验原理
1.了解热电偶的工作原理及热电偶回路热电势组成；
2.学会利用分度表纠正温度的方法
二.实验原理
热电偶是根据热电效应原理作成的。
利用两种不同的导体连接在一起，组成一闭合回路，如图3-1所示。
当工作端温度T大于冷端温度T0时，回路产生电动势，从而形成热电流。
这种现象称为热电效应。
产生热电流的电动势称
为热电势。
热电势由两部分组成，一部分
为温差电势，另一部分为结点电势，即回路中引入第三种导体。
总的热电势
当T≠T0且T>T0时，根据热电偶工作定律，在冷端接入测量仪表，如果使T0端工作温度为室温或者为零摄氏度，而工作端的温度通过测量回路，热电势即可得知。
图3-1
三.所需单元及附件
差动放大器，F/V表，-10V直流电压源，加热器，热电偶，温度计，电源
四.实验步骤
1.将F/V表切换开关置在2V档，差动放大器增益调至最大。
2.了解热电偶在实验台上的位置和结构及所用导体材料。
本实验使用由铜—康铜组成的非标准热电偶，分度号为T。
分别放在悬梁臂的上下两侧，两个热电偶是串联连接的，其热
电势为两个热电偶的总和。
3.按图3-2接线，打开主副电源，调节差动放大器调零旋扭，使输出为零（电压表显示为零），用温度计记下此时的室温。
图3-2接线电路
4.将-15V直流电源接入加热器，目的是为热电偶工作端提供温度，同时，观察F/V表显示
值的变化；F/V表输出电压是随着温度的增加而增加的。
等待片刻后，F/V表显示电压值基本稳定后，记下此时F/V表上的热电势值。
5.再利用温度计，测量热电偶工作端的温度T，并且记录下来。
6.根据热电偶的基本定律的中间温度定律以及热电势和温度的关系式：
（3-1）
进行温度纠正。
式中，T—热电偶工作端温度；Tn—热电偶冷端的温度（即室温）；
T0—参考温度，即
。
求得参考温度不等于零时的热电势—温度关系。
利用公式（3-1）可以求得
（3-2）
具体做法如下：
首先求得热端温度为T，而冷端为室温时的热电势。
1）本实验为两个铜—康铜热电偶串联，热电偶工作端温度为T，冷端温度为室温时热电势为
等于F/V表的指示值除以差动放大器放大倍数K乘以热电偶的个数2，即
2）然后通过查分度表得到热端温度为室温，冷端温度为
的热电势
，通过查表得知室温时热电偶的输出热电势为一个值，然后再查参考温度为
所对应的电势值。
两者差值就是我们要求的热电势。
3）根据式（3-1）求得，参考温度为
的热电势，再根据所计算的热电势值，查分度表，查到所对应的温度T
7.关掉主副电源，将加热器从-10V电源拆下来，其它旋扭恢复到原位置。
8.将热电偶所测得的温度值和自备温度计测得温度值进行比较，分析产生误差的原因。
五.实验报告
1.计算热电偶所测温度，分析误差产生的原因。
2.当热电偶接入差动放大器后还需要再调零吗？
3.如果在实验时，我们采用标准热电偶，按着本实验的方法进行测温，是否同样产生很大的误差，为什么？
热电偶分度表
实验四气敏传感器实验实验
一、实验目的：
掌握气敏传感器的工作原理及应用。
二、实验类型：
验证型
三、实验原理：
图5—2气敏传感器的输出特性曲线
图5—3气敏传感器实验原理图
气敏传感器的核心器件是半导体气敏元件，不同的气敏元件对不同的气体敏感度不同，当传感器暴露于便其敏感的气体之中时，电导率会发生变化，当加上激励电压且负载条件确定时，负载电压就会发生相应变化，由此可测得被测气体浓度的变化。
四、实验所需部件：
气敏传感器（MQ3）、湿敏气敏传感器实验模块、公共电路实验模块、酒精、电压表、示波器。
五、实验步骤：
1、连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，观察气敏传感器探头，探头6个管脚中2个是加热电极，另四个接敏感元件，探头的红线接加热电源，黄线为信号输出端，工作时加热电极应通电二～三分钟温度稳定后传感器才能进入正常工作。
模块的输出V0端接电压表或示波器，并用电桥调节到一设定值。
（必要时电桥WD电位器的另一端可接稳压电源的﹢2V档或﹣2V档。
）
2、开启主机电源，待稳定数分钟后记录初始输出电压值。
打开酒精瓶盖，瓶口慢慢地接近传感器，用电压表或示波器观察输出电压上升情况，当将气敏传感器最靠近瓶口时电压上升至最高点，超过告警设定电压，电路告警红灯亮。
3、移开酒精瓶，传感器输出特性曲线立刻下降，这说明传感器的灵敏度是非常高的。
六、注意事项：
1、实验时气敏探头勿浸入酒精中，酒精气就足够了。
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