现代传感器检测技术实验实验指导书.docx
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现代传感器检测技术实验实验指导书
现代（传感器）检测技术实验
实验指导书
1、THSRZ-2型传感器系统综合实验装置简介
2、实验一金属箔式应变片——电子秤实验
3、实验二交流全桥振幅测量实验
4、实验三霍尔传感器转速测量实验
5、实验四光电传感器转速测量实验
6、实验五E型热电偶测温实验
7、实验六E型热电偶冷端温度补偿实验
西安交通大学自动化系
2008.11
THSRZ-2型传感器系统综合实验装置简介
一、概述
“THSRZ-2型传感器系统综合实验装置”是将传感器、检测技术及计算机控制技术有机的结合，开发成功的新一代传感器系统实验设备。
实验装置由主控台、检测源模块、传感器及调理（模块）、数据采集卡组成。
1.主控台
（1）信号发生器：
1k～10kHz 音频信号，Vp-p=0～17V连续可调；
（2）1～30Hz低频信号，Vp-p=0～17V连续可调，有短路保护功能；
（3）四组直流稳压电源：
+24V,±15V、+5V、±2～±10V分五档输出、0～5V可调，有短路保护功能 ；
（4）恒流源：
0～20mA连续可调，最大输出电压12V；
（5）数字式电压表：
量程0～20V，分为200mV、2V、20V三档、精度0.5级；
（6）数字式毫安表：
量程0～20mA，三位半数字显示、精度0.5级，有内侧外测功能；
（7）频率/转速表：
频率测量范围1～9999Hz，转速测量范围1～9999rpm；
（8）计时器：
0～9999s，精确到0.1s；
（9）高精度温度调节仪：
多种输入输出规格，人工智能调节以及参数自整定功能，先进控制算法，温度控制精度±0.50C。
2.检测源
加热源：
0～220V交流电源加热，温度可控制在室温～1200C；
转动源：
0～24V直流电源驱动，转速可调在0～3000rpm；
振动源：
振动频率1Hz～30Hz（可调），共振频率12Hz左右。
3.各种传感器
包括应变传感器：
金属应变传感器、差动变压器、差动电容传感器、霍尔位移传感器、扩散硅压力传感器、光纤位移传感器、电涡流传感器、压电加速度传感器、磁电传感器、PT100、AD590、K型热电偶、E型热电偶、Cu50、PN结温度传感器、NTC、PTC、气敏传感器（酒精敏感，可燃气体敏感）、湿敏传感器、光敏电阻、光敏二极管、红外传感器、磁阻传感器、光电开关传感器、霍尔开关传感器。
包括扭矩传感器、光纤压力传感器、超声位移传感器、PSD位移传感器、CCD电荷耦合传感器：
、圆光栅传感器、长光栅传感器、液位传感器、涡轮式流量传感器。
4.处理电路
包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、V/I、F/V转换电路、直流电机驱动等
5.数据采集
高速USB数据采集卡：
含4路模拟量输入，2路模拟量输出，8路开关量输入输出，14位A/D转换，A/D采样速率最大400kHz。
上位机软件：
本软件配合USB数据采集卡使用，实时采集实验数据，对数据进行动态或静态处理和分析，双通道虚拟示波器、虚拟函数信号发生器、脚本编辑器功能。
实验一金属箔式应变片——电子秤实验
一、实验目的：
了解金属箔式应变片的应变效应，直流全桥工作原理和性能，了解电路的定标。
二、实验仪器：
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验原理：
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
（1-1）
式中
为电阻丝电阻相对变化；
为应变灵敏系数；
为电阻丝长度相对变化。
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组件。
如图1-1所示，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
图1-1双孔悬臂梁式称重传感器结构图
图1-2全桥面板接线图
全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出
Uo=
（3-1）
式中
为电桥电源电压。
为电阻丝电阻相对变化；
式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
电子称实验原理同全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。
四、实验内容与步骤
1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．差动放大器调零。
从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。
将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。
关闭主控台电源。
（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）
3．按图1-2接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。
4．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。
5．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零（调节电位器Rw4使电压表显示为0V）。
6．重复4、5步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。
5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表。
6．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。
根据实验数据，求出重物的重量。
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
电压（V）
0.019
0.039
0.058
0.077
0.096
0.115
0.134
0.153
0.172
7．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；2．计算电桥的非线性误差δf1=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为满量程（200g）输出平均值。
3．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？
六、注意事项
实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg，最大超程量为120％。
因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验二交流全桥振幅测量实验
一、实验目的：
了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、实验仪器：
应变传感器模块、振动源、信号源、示波器（虚拟）。
三、实验原理：
将应变传感器模块电桥的直流电源E换成交流电源
，则构成一个交流全桥，其输出
u=，用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。
当双平行振动梁被不同频率的信号激励时，起振幅度不同，贴于应变梁表面的应变片所受应力不同，电桥输出信号大小也不同，若激励频率与梁的固有频率相同时则产生谐振，此时电桥输出信号最大，根据这一原理可以找出梁的固有频率。
四、实验内容与步骤：
1．不用模块上的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到三源板的“应变输出”。
2．将台面三源板上的应变输出用连接线接到应变传感器实验模块的黑色插座上，振动梁上的四个应变电阻通过导线接到应变传感器模块的虚线全桥上。
3．按实验指导书图5-1连接电路，并根据实验指导书上实验五第3、4步调整系统，使系统输出为零。
4．将信号源Us2低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显有振动。
5．低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率（用频率/转速表监测），用上位机检测频率改变时低通滤波器输出波形的电压峰－峰值，填入下表。
f（Hz）
Vo（mV）
5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
从实验数据得出振动梁的共振频率。
六、注意事项
进行此实验时低频信号源幅值旋钮约放在3/4位置为宜。
实验三霍尔传感器转速测量实验
一、实验目的：
了解霍尔组件的应用——测量转速。
二、实验仪器：
霍尔传感器、可调直流电源、转动源、频率/转速表。
三、实验原理；
利用霍尔效应表达式：
UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。
四、实验内容与步骤
1．安装根据图3-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。
图3-1
2．将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。
3．打开实验台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±6）、16V（±8）、20V（±10）、24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。
也可用示波器观测霍尔元件输出的脉冲波形。
电压（V）
+4V
+6V
+8V
+10V
12V
16V
20V
24V
转速（rpm）
365
728
1121
1507
1776
2495
3225
3828
249
591
946
1383
1730
2552
3333
4030
五、实验报告
1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。
2．根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。
实验四光电传感器转速测量实验
一、实验目的：
了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、实验仪器：
转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、示波器
三、实验原理：
光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。
四、实验内容与步骤
1．光电传感器已安装在转动源上，如图4-1所示。
+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“f/n”。
2．打开实验台电源开关，用不同的电源驱动转动源转动，记录不同驱动电压对应的转速，填入下表，同时可通过示波器观察光电传感器的输出波形。
图4-1
驱动电压V（V）
4v
6v
8v
10v
12v
16v
20v
24v
转速n（rpm）
338
694
1041
1406
1660
2490
3004
3536
五、实验报告
根据测的驱动电压和转速，作V-n曲线。
并与霍尔传感器测得的曲线比较。
实验五E型热电偶测温实验
一、实验目的：
了解E型热电偶的特性与应用
二、实验仪器：
智能调节仪、PT100、E型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。
三、实验原理：
热电偶传感器的工作原理
热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图50-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。
图5-1（a）图5-1（b）
两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。
当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图50-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。
实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即
ET=SAB（T-T0）
（1）
SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。
热电偶的基本定律：
（1）均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。
（2）中间导体定律
用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。
在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？
热电偶中间导体定律指出：
在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。
（3）中间温度定律
如图49-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为
EAB（T1，T2）+EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3）
（2）
式
（2）就是中间温度定律的表达式。
譬如：
T1=100℃，T2=40℃，T3=0℃，则
EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0）（3）
图5-2
热电偶的分度号
热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。
它是在热电偶的参考端为0℃的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。
四、实验内容与步骤
1．利用Pt100温度控制调节仪将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入E型热电偶温度传感器。
2．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。
温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。
3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。
图5-3
4．拿掉短路线，按图5-3接线，并将E型热电偶的两根引线，热端（红色）接a，冷端（绿色）接b；记下模块输出Uo2的电压值。
20度
5．改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。
直到温度升至1200C。
并将实验结果填入下表
T（℃）
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
Uo2（V）
0.084
0.1
0.116
0.132
0.148
0.164
0.180
0.196
0.213
0.230
0.247
0.264
0.280
0.297
120
0.313
五、实验报告
1．根据实验数据，作出UO2-T曲线，分析E型热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差。
2．根据中间温度定律和E型热电偶分度表，用平均值计算出差动放大器的放大倍数A。
因T=50℃Eab（T,0）=3.047mv实验结果输出Uo2=0.091=91mv
而Tn=19℃（室温）Eab（Tn,0）=1.131mv
又Eab（T,0）=Eab（T,Tn）+Eab（Tn,0）
Eab（T,Tn）=Eab（T,0）-Eab（Tn,0）
所以A=Uo2/Eab（T,Tn）=Uo2/（Eab（T,0）-Eab（Tn,0））
=84/（3.047-1.131）=84/1.916=43.84
附1：
温度调节仪
附2：
E型热电偶分度表（分度号：
K，单位：
mV）
温度（℃）
热电动势（mV）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0.000
0.059
0.118
0.176
0.235
0.295
0.354
0.413
0.472
0.532
10
0.591
0.651
0.711
0.770
0.830
0.890
0.950
1.011
1.071
1.131
20
1.192
1.252
1.313
1.373
1.434
1.495
1.556
1.617
1.678
1.739
30
1.801
1.862
1.924
1.985
2.047
2.109
2.171
2.233
2.295
2.357
40
2.419
2.482
2.544
2.057
2.669
2.732
2.795
2.858
2.921
2.984
50
3.047
3.110
3.173
3.237
3.300
3.364
3.428
3.491
3.555
3.619
60
3.683
3.748
3.812
3.876
3.941
4.005
4.070
4.134
4.199
4.264
70
4.329
4.394
4.459
4.524
4.590
4.655
4.720
4.786
4.852
4.917
80
4.983
5.047
5.115
5.181
5.247
5.314
5.380
5.446
5.513
5.579
90
5.646
5.713
5.780
5.846
5.913
5.981
6.048
6.115
6.182
6.250
100
6.317
6.385
6.452
6.520
6.588
6.656
6.724
6.792
6.860
6.928
110
6.996
7.064
7.133
7.201
7.270
7.339
7.407
7.476
7.545
7.614
120
7.683
7.752
7.821
7.890
7.960
8.029
8.099
8.168
8.238
8.307
130
8.377
8.447
8.517
8.587
8.657
8.827
8.842
8.867
8.938
9.008
140
9.078
9.149
9.220
9.290
9.361
9.432
9.503
9.573
9.614
9.715
150
9.787
9.858
9.929
10.000
10.072
10.143
10.215
10.286
10.358
4.429
实验六热电偶冷端温度补偿实验
一、实验目的：
了解热电偶冷端温度补偿的原理和方法
二、实验仪器：
智能调节仪、PT100、E型热电偶、温度源、温度传感器实验模块
三、实验原理：
热电偶冷端温度补偿的方法有：
冰水法、恒温槽法和电桥自动补偿法（图6-1），电桥自动补偿法常用，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端温度补偿器，补偿器电桥在0℃时达到平衡（亦有20℃平衡）。
当热电偶自由端温度升高时（＞0℃）热电偶回路电势Uab下降，由于补偿器中，PN呈负温度系数，其正图6-1
向压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。
四、实验内容与步骤
图6-2
1．选择智能调节仪的“输入选择”为“Pt100”，将温度传感器PT100接入“PT100输入”（同色的两根接线端接兰色，另一根接黑色插座），打开实验台总电源。
并记下此时的实验室温度T2。
2．将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入E型热电偶温度传感器。
3．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。
温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。
4．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。
5．拿掉短路导线，按图6-2接线，并将E型热电偶的两个引线分别接入模块
两端（红接a，蓝接b）；调节Rw1使温度传感器输出UO2电压值为AE2。
（A为差动放大器的放大倍数、E2为E型热电偶500C时对应输出电势）（0.133V）
6．变温度源的温度，每隔50C记下Uo2的输出值。
直到温度升至1200C。
并将实验结果填入下表
T（℃）
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
Uo2（V）
0.083
0.098
0.114
0.130
0.145
0.162
0.178
0.194
0.210
0.226
0.243
0.258
0.274
0.291
0.343.3
120
0.308
五、实验报告
1．根据实验数据，作出（UO2/A）-T曲线。
并与分度表进行比较，分析电桥自动补偿法的补偿效果。
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