传感器原理及应用实验指导书精简版.docx
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传感器原理及应用实验指导书精简版
使用说明
CSY系列（本实验室是CSY10B）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、信号激励源、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。
通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、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。
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。
实验仪的传感器配置及布局是：
一、位于仪器顶部的实验工作台部分
实验工作台左边有一平行式悬臂梁，梁上装有半导体应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。
半导体应变片：
平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有二片半导体应变片，受力工作片分别用符号和表示。
灵敏系数为130。
热电式（热电偶）：
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。
分度表见实验指导书。
热敏式：
上梁表面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。
P-N结温度式：
根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的集成温度传感器。
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。
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、压阻式等传感器。
电感式（差动变压器）：
由一个初级线圈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：
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。
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。
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%。
工作台上的其他传感器。
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。
光敏传感器：
半导体光导管，光电阻与暗电阻从nMΩ至nKΩ
双孔悬臂梁称重传感器：
称重范围0~500g，精度1%。
光电式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，打开加热开关即能加热,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最内侧。
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。
右边的支架上装有测微头。
二、信号及仪表显示部分：
位于仪器斜面面板上。
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，180°、0°为反相输出，Lv端最大功率输出1.5A。
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。
1
2
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℃。
三、处理电路：
位于仪器下部平面面板。
电桥：
用于组成测量电桥，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。
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。
如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及处理说明。
数据采集卡已装入仪器中，其中A/D转换是12位转换器，无漏码最大分辨率1/2048（即0.05%），在此范围内的电压值可视为容许误差。
所以建议在做小信号实验（如应变电桥单臂实验）时选用合适的量程（如200mv），以正确选取信号,减小误差。
仪器后部的RS232接口请接计算机串行口工作。
所接串口须与实验软件设置一致，否则计算机将收不到信号。
仪器工作时需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。
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，加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。
实验工作台上各传感器部分如相对位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，原则上以按下振动梁松手，周边各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。
附件中的称重平台是用于装在实验工作台左边的悬臂梁顶端的永久磁钢上方，配合铜质砝码做称重实验之用。
实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。
本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度-10℃~40℃。
使用说明
实验内容（各型传感器实验仪按需选用）
实验一箔式应变片性能――单臂电桥
实验二箔式应变片三种桥路性能比较
实验八移相器实验
实验九相敏检波器实验
实验十四差动变压器性能
实验十六差动变压器的标定
实验二十一热电式传感器――热电偶
实验二十二热敏式温度传感器测温实验
实验二十三P－N结集成温度传感器
实验二十六光电传感器的应用――光电转速测试
实验三十一电涡流式传感器的静态标定
实验三十三电涡流式传感器的振幅测量
实验三十五电涡流传感器电机测速实验
实验三十七压电加速度传感器
实验三十八电容式传感器特性
实验四十五光敏电阻实验
实验一箔式应变片性能――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．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（±2V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁、称重砝码（20克/个）、数字电压表。
其中四个电阻为金属箔式片（BHF-350）。
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。
如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。
拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
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（可任选梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±2V。
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，使测试系统在无负载时输出为零。
4．在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，记录W（克）与V（mv）的对应值，并填入下表：
重量g
0
20
40
60
80
100
120
140
160
电压mV
根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝△X／△V，并在坐标图上做出V－W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（±2V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁、称重砝码（20克/个）、数字电压表。
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－W曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
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。
重量g
0
20
40
60
80
100
120
140
160
半桥mV
全桥mV
实验八移相器实验
一、实验目的：
说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。
移相器电路
图（6）
二、实验原理：
图（6）为移相电路示意图。
该电路的团环增益
把拉普拉氏算符换成频率域的参数，则得到：
又改写为
在实验电路中，常设定幅频特性︱G（jω）︱＝1,为此选择参数R1=RF=10KΩ由上,R=20KΩ,则输出幅度与频率无关，闭路增益可简化为：
当R=2R1=2RRF时，︱G（jω）︱＝1。
由上式可以得到相频特性表达式：
由tgΨ表达式和正切三角函数半角公式可以得到：
因此可以得到相移ψ为：
电阻R可以在很宽的范围内变化，当WRC很大时，相移ψ－→O，式中负号表示相位超前，如将电路中R和C互换位置，则可得到相位滞后的情况。
如果阻容网络Rc不变，则相移将随输入信号的频率而改变。
三、实验所需部件：
移相器、音频振荡器、双线示波器。
四、实验步骤：
1．音频振荡器频率、幅值旋钮居中，将信号（0°或180°均可）送入移相器输入端。
2．将双线示波器两测试线分别接移相器输入输出端，调整示波器，观察波形。
3．调节移相器“移相”旋钮，观察两路波形的相位变化。
4．改变音频振荡器频率，观察不同频率时移相器的移相范围。
5．根据移相器实际电路图分析其工作原理。
五、注意事项：
因为本实验仪中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障。
实验九相敏检波器实验
一、实验目的：
说明由施密特开关电路及运放组成的相敏检波电路的原理。
二、实验原理：
相敏检波电路如图（7）所示：
图中①为输入信号端，③为输出端，②为交流参考电压电输入端，④为直流参考电压输入。
当②、④端输入控制电压信号时，通过差动放大器的作用使D和J处于开关状态，从而把①端输入的正弦信号转换成半波整流信号。
图（7）
三、实验所需部件：
相敏检波器、移相器、音频振荡器、直流稳压电源、低通滤波器、电压表、示波器。
四、实验步骤：
1．将音频振荡器频率、幅度旋钮居中，输出信号（0°或180°均可）。
接相敏检波器输入端。
2．将直流稳压电源2V档输出电压（正或负均可）接相敏检波器④端。
3．示波器两通道分别接相敏输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。
4．改变④端参考电压的极性，观察输入、输出波形的相位和幅值关系。
由此可以得出结论：
当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。
5．将音频振荡器0°端输出信号送入移相器输入端，移相器的输出端与检敏检波器的参考输入端②连接，相敏检波器的信号输入端接音频0°输出。
6．用示波器两通道观察附加观察插口⑤、⑥的波形。
可以看出，相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
7．将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通输出端接数字电压表20V档。
8．示波器两通道分别接相敏检波器输入、输出端。
9．适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表电压值变化，然后将相敏检波器的输入端改接至音频振荡器180°输出端口，观察示波器和电压表的变化。
由上可以看出，当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。
10．调节移相器“移相”旋钮，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入VP－P值与输出直流电压的关系。
11．使输入信号与参考信号的相位改变180°，测出上述关系。
输入VP－P（V）
0.5
1
2
4
8
16
20
同相Vo（V）
反相Vo（V）
五、注意事项：
检敏检波器最大输入电压VP－P值为20V。
实验十四差动变压器性能
一、实验目的：
了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。
二、实验原理：
差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，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，相当于变压器的副边。
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（9）
图（9）图（10）
三、实验所需部件：
差动变压器、音频振荡器、测微头、示波器。
四、实验步骤：
1．按图（10）接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出，双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv／格。
2．音频振荡器输出频率5KHZ，输出值VP－P2V。
3．用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。
4．旋动测微头，带动差动变压器衔铁在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压VP－P值，读数过程中应注意初、次级波形的相位关系。
位移mm
0
电压V
5．仔细调节测微头使次级线圈的输出波形至不能再小，这就是零点残余电压。
可以看出它与输入电压的相位差约为π／2，是基频分量。
6．根据表格所列结果，画出Vop-p－X曲线，指出线性工作范围。
五、注意事项：
示波器第二通道为悬浮工作状态。
实验十六差动变压器的标定
一、实验目的：
说明差动变器测试系统的组成和标定方法。
二、实验所需部件：
差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波表、测微头。
移相器
相敏低通电压表
图（12）
三、实验步骤：
1．按图（12）接线，差动放大器增益适度，音频振荡器LV端输出5KHZ，VP-P值2V。
2．调节电桥WD、WA电位器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。
3．旋动测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称（如有削波现象则应减小差动放大器增益）。
如不对称则需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。
4．旋动测微头，带动衔铁向上5mm，向下5mm位移，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并填入表格。
四、注意事项：
系统标定需调节电桥、移相器、衔铁三者位置，正确的调节方法是：
在步骤1、2之后用手将衔铁压至线圈最底部，调节移相器，用示波器两个通道观察相敏检波器①、②端口，当两端口波形正好为同相或反相时恢复衔铁位置，这样才能做到系统输出灵敏度最高并正负对称。
位移mm
0
电压V
实验二十一热电式传感器――热电偶
一、实验目的：
观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。
二、实验原理：
热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。
通过测量此电动势即可知道两端温差。
如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或0℃），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。
CSY型.CSY10.CSY10A型实验仪中热电偶为铜一康铜（T分度）,CSY10B型为镍铬-镍硅（K分度）。
三、实验所需部件：
热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）
四、实验步骤：
1．打开电源，差动放大器增益放100倍，调节调零电位器，使差放输出为零。
2．差动放大器双端输入接入热电偶，打开加热开关，迅速将差动放大器输出调零。
3．随加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数。
4．本仪器上热电偶是由两支铜－康铜热电偶串接而成，（CSY10B型实验仪为一支K分度热电偶），热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。
用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1。
E（t,to）=E（t,t1）+E（t1,to）
实际电动势测量所得电势温度修止电动势
式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，to为热电偶参考端温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度。
查阅铜－康铜热电偶分度表，求出加热端温度t。
5.CSY10B型实验仪的K分度热电偶如插入数字式温度表端口，则直接显示℃温度值。
五、注意事项：
因为仪器中差动放大器放大倍数≈100倍，所以用差动放大器放大后的热电势并非十分精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。
K分度热电偶分度表:
实验二十二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、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考）。
三、实验步骤：
1．观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入温度变换器Rt端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出Vo端电压值尽可能大但不饱和。
用温度计测出环境温度To并记录。
2.打开加热器，观察温度的温升和温度变换器Vo端的输出电压的变化情况，每升温1℃记录一个电压值，待电压稳定后记下最终温度T。
To（℃）
Vo（V）
根据表中数据作出V－T曲线，求出灵敏度S。
S＝△V／△T
3．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。
实验二十三P－N结温度传感器
一、实验原理：
半导体P-N结具有非常良好的温度线性。
根据P－N结特性表达公式
可知，当一个P－N结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，根据这一原理制成的P－N结集成温度传感器，可以直接显示绝对温度K，并且具有良好的线性与精度。
二、实验所需部件：
P－N结集成温度传感器、温度变换器、加热器、电压表、温度计（自备）
三、实验步骤：
1．将P－N结温度传感器接入温度传感器端，VT端接电压表，开启电源，电压表2V档显示室温的绝对温度T，室温℃＝T－273。
与温度计显示温度进行比较。
如有差异可调节电位器加以修正。
2．打开加热器，观察随温度上升电压表所示的绝对温度值的变化，与旁边的热电偶所测得的温度进行比较。
（如用温度计，则因其在塑套外与传感器感受到的温度是有差别的，实验时请注意这一点）。
四、注意事项：
位数字电压表必须2V档，VT端输出的小数点后三位数字即为绝对温度值。
实验二十六光电传感器的应用―光电转速测试
一、实验目的：
了解光电开关的原理和应用。
二、实验原理：
光电开关由红外发射、接收及整形电路组成，为遮断式工作方式。
三、实验所需部件：
光电传感器、光电变换器、测速电机及转盘、电压／频率表2KHZ档、示波器。
四、实验步骤：
1．光电传感器“光电”端接光电变换器端，VF端接示波器和电压／频率表2KHZ。
（CSY10型、CSY10A、CSY
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