《传感器技术》实验指导书(2015108)

1、 传感器技术实验指导书1传感器技术传感器技术实验指导书实验指导书福建农林大学计算机与信息学院电子信息工程系福建农林大学计算机与信息学院电子信息工程系 传感器技术实验指导书目目 录录引 言.1第一章 传感器实验仪介绍.2第一节 传感器实验仪台体简介.2第二节 传感器参数性能说明.2第三节 变换电路原理简介.3第四节 其它部分简介.4第二章 传感器技术实验仪实验指导.6实验一 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较.6*实验一 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较.8实验二 差动变压器性能.10实验三 差动变面积式电容传感的静态及动态特性.12实验四 霍尔式传感器的直流激励静态位移特性.14 传感器

2、技术实验指导书1引引 言言传感器是机电一体化中各种设备和装置的“感觉器官” ，它将各种各样形态各异的信息量转换成能够被直接检测的信号。在当今信息社会的时代，如果没有传感器，现代科学技术将无法发展。传感器在机电一体化系统乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位。为了适应这一时代发展的需要，全国各大中专院校及各类职业技术学校都相继将传感器教学纳入教学任务，作为电子、电器、测控以及工业自动化类专业的一门必修课。ZY13Sens12BB 型传感器技术实验仪是根据传感器的教学大纲，综合多所院校老师的教学意见开发的传感器系列实验系统。主要用于各大、中专院校及职业院校开设的传感器原理及技术 、 自动化检测

3、技术 、 非电量电测技术 、 工业自动化仪表及控制 、 机械量电测等课程的实验教学。ZY13Sens12BB 型传感器技术实验仪采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学） ，但其结构与线路是工业应用的基础，希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识及实验原理的理解，并在实验进行的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备的基本的操作技能与动手能力。ZY13Sens12BB 型传感器技术实验仪内含 15 种传感器，基本涵盖了高校教学大纲中要求掌握的所有传感器。各单元部件及变换处理电路的多种组合可以进行几十种传感器的实验；在外配双线示波器的情况下可以进行多种动态演示实验

4、。实验编排的层次从易到难、从静态到动态、从验证型到应用型，力求做到通俗易懂，贴近人的认知过程。学生在实验之前应对相应实验内容进行预习，实验完成后根据原始记录进一步加深对实验原理的理解，力求完成实验后对所有的传感器能有全面的认识！ 传感器技术实验指导书2第一章第一章 传感器实验仪介绍传感器实验仪介绍第一节第一节 传感器实验仪台体简介传感器实验仪台体简介实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。一、传感器安装台部分一、传感器安装台部分装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN 结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢） 、激振线圈、双平行梁测微头、

5、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小电机、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线插孔、霍尔传感器的四个方形磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动磁芯、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动磁芯）及扩散硅压阻式压力传感器。湿敏传感器及气敏传感器安装在表头面板上。二、显示及激励源部分二、显示及激励源部分包括电机控制单元、主电源、直流稳压电源（2V10V 档位调节） 、电压数字显示表、频率数字显示表、音频振荡器、低频振荡器、+15V 不可调稳压电源。三、实验主面板上传感器符号单元三、实验主面板上传感器符号单元所有传感器（包括激振线圈）的引

6、线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。四、处理电路单元四、处理电路单元由电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。ZY13Sens12BB 实验仪共有 15 种传感器，配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。第二节第二节 传感器参数性能说明传感器参数性能说明双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器 VO可做静态或动态测量。 （注：激振线圈注：激振线圈控制振动双平衡梁，激振线圈控制振动双平衡梁，激

7、振线圈控制振控制振动盘。做实验时注意正确接线。动盘。做实验时注意正确接线。 ）一、差动变压器一、差动变压器量程:5mm 直流电阻：510 由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。 二、电涡流位移传感器二、电涡流位移传感器量程:1mm直流电阻：12 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。 三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器量程:2mm直流电阻：激励源端口：5001.5K 输出端口：300500 传感器技术实验指导书3日本 JVC 公司生产的线性半导体霍尔片，它置于方形磁钢构成的梯度磁场中。 四、热电偶四、热电偶直流电阻：10 左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为

8、 T，冷端温度为环境温度。五、电容式传感器五、电容式传感器量程：2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。六、热敏电阻六、热敏电阻半导体热敏电阻 NTC：温度系数为负，25时为 10K。七、光纤传感器七、光纤传感器由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围2mm。红外线发射、接收、直流电阻：5001.5k260 股 Y 形、半圆分布。八、压阻式压力传感器八、压阻式压力传感器量程：10Kpa(差压) 供电：6V 直流电阻：Vs+-Vs- ：350450 Vo+-Vo- ：3K3.5K；美国摩托罗拉公司生产的 MPX 型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的 X 型工作片

9、（带温补） 。九、压电加速度计九、压电加速度计PZT-5 双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：10KHz，电荷灵敏度：q20pc/g。十、应变式传感器十、应变式传感器箔式应变片阻值：350、应变系数：2。本实验仪共有六片应变片，做实验时从主面板单元符号引入。十一、十一、PNPN 结温度传感器：结温度传感器：利用半导体 PN 结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：-2.1mV/。十二、磁电式传感器十二、磁电式传感器0.211000直流电阻：3040 由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s十三、气敏传感器十三、气敏传感器MQ3 型对酒精敏感的气敏传感

10、器；测量范围：502000ppm。十四、湿敏电阻十四、湿敏电阻高分子薄膜电阻型：RH：几兆 几千 响应时间：吸湿、脱湿时间小于 10 秒。湿度系数：0.5RH%/ 测量范围：1095 工作温度：050第三节第三节 变换电路原理简介变换电路原理简介 传感器实验仪共有九种变换电路，其实验插孔均从面板上引出，按实验指导搭建电路可完成所有的实验。一、电桥一、电桥用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。 传感器技术实验指导书4二、差动放大器二、差动放大器通频带 010KHz。可接成同相、反相、差动结构，增益为 1-100 倍直流放大器。三、电容变换器三、电容变换器由高频振荡，放大和

11、双 T 电桥组成的处理电路。四、电压放大器四、电压放大器增益约为 5 倍；同相输入；通频带 010KHz。五、移相器五、移相器允许最大输入电压 10Vp-p；移相范围20(5KHz 时)。六、相敏检波器六、相敏检波器可检波电压频率 010KHz；允许最大输入电压 10Vp-p。极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。七、电荷放大器七、电荷放大器电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。八、低通滤波器八、低通滤波器由 50Hz 陷波器和 RC 滤波器组成，转折频率 35Hz 左右。九、涡流变换器九、涡流变换器输出电压|8|V(探头离开被测物)变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电

12、感元件。十、光电变换座十、光电变换座由红外发射、接收组成。第四节第四节 其它部分简介其它部分简介一、二套显示仪表一、二套显示仪表1 1、数字式电压表、数字式电压表三位半数显，电压范围 0200mV、02V、020V。 2 2、数字式频率表、数字式频率表五位数显，频率范围 0.4KHz10KHz、1HZ30HZ。二、二种振荡器二、二种振荡器1 1、音频振荡器、音频振荡器0.4KHz10KHz 输出连续可调，Vp-p 值 20V 输出连续可调，180、0反相输出，Lv 端最大功率输出电流 0.5A。2 2、低频振荡器、低频振荡器130Hz 输出连续可调，Vp-p 值 20V 输出连续可调，最大输出

13、电流 0.5A。三、二套悬臂梁、测微头三、二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连） ，梁端装 传感器技术实验指导书5有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行位移与振动实验。四、电加热器二组四、电加热器二组电热丝组成，加热时可获得高于环境温度 30左右的升温(注意加热时间不要超过注意加热时间不要超过 2 2 分分钟钟)。五、测速电机一组五、测速电机一组由可调的低噪声高速直流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。六、二组稳压电源六、二组稳压电源直流15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励 1.5A。2V10V 分五档输出，最

14、大输出电流 1.5A。提供直流激励源。 传感器技术实验指导书6第二章第二章 传感器技术传感器技术实验仪实验指导实验仪实验指导实验一实验一 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较一、实验目的一、实验目的1、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度并得出相应的结论。二、实验内容二、实验内容金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较。 （用测微头实现）三、实验仪器三、实验仪器 直流稳压电源、差动放大器、电桥、电压表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。四、实验原理四、实验原理已知单臂、半桥和全桥电路的R 分别为、。根据戴维南定理可

15、以得RR2RR4RR出单臂电桥的输出电压近似等于，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为14OEKuU和。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2EKuEKu大小无关。五、实验注意事项五、实验注意事项1、直流稳压电源打到2V 档，电压表打到 2V 档，差动放大器增益打到最大。2、在更换应变片时应将电源关闭。3、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。4、在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。六、实验步骤六、实验步骤1、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（） 、负（） 、地短接。将差

16、动放大器的输出端与电压表的输入插口 Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。 传感器技术实验指导书72、按图 1 接线，图中 R4 为应变片，r 及 W1 为调平衡网络。3、调整测微头使测微头与双平行梁吸合，并使双平行梁处于水平位置（目测） ，然后将直流稳压电源打到4V 档，选择适当的放大增益。调整电桥平衡电位器 W1，使表头显示为零（需预热几分钟表头才能稳定下来） 。图 14、旋转测微头，使梁移动，每隔 0.5mm 读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。位移（mm）电压（mv）5、保持

17、放大器增益不变，将 R3 固定电阻换为与 R4 工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测） ，调节电桥 W1 使电压表显示表显示为零，重复 4 过程同样测得读数，填入下表。位移（mm）电压（mv）6、保持差动放大器增益不变，将 R1，R2 两个固定电阻换成另两片受力应变片（即 R1换成 ，R2 换成 ， ）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥 W1 同样使电压表显示为零。重复 4 过程将读出数据填入下表。位移（mm）电压（mv）7、在同

18、一坐标纸上描出 X-V 曲线，比较三种接法的灵敏度。七、实验报告七、实验报告详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。 传感器技术实验指导书8八、实验思考题八、实验思考题单臂电桥、半桥、全桥的灵敏度有何关系？*实验一实验一 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较一、实验目的一、实验目的1、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度并得出相应的结论。二、实验内容二、实验内容金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较。 （用砝码实现）三、实验仪器三、实验仪器直流稳压电源、差动放大器、电桥、电

19、压表、应变片、砝码、主、副电源。四、实验原理四、实验原理已知单臂、半桥和全桥电路的R 分别为、。根据戴维南定理可以得RR2RR4RR出单臂电桥的输出电压近似等于，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为14OEKuU和。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2EKuEKu大小无关。五、实验注意事项五、实验注意事项1、做此实验之前，应使测微头脱离双平行梁。2、直流稳压电源打到2V 档，电压表打到 2V 档，差动放大器增益打到最大。3、在更换应变片时应将电源关闭。4、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。六、实

20、验步骤六、实验步骤1、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（） 、负（） 、地短接。将差动放大器的输出端与电压表的输入插口 Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。2、根据图接线 R1、R2、R3 为电桥单元的固定电阻。R4 为应变片；将稳压电源的切 传感器技术实验指导书9换开关置4V 档，电压表置 20V 档。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的 W1，使电压表显示为零，等待数分钟后将电压表置 2V 档，再调电桥 W1（慢慢地调） ，使电压表显示为零。3、在传感器双平行梁的磁铁上放上一只砝码，

21、记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度，并作出VSWV-W 关系曲线，为电压变化率，为相应的重量变化率。VW重量（g）电压（mV）4、保持放大器增益不变，将 R3 固定电阻换为与 R4 工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节电桥 W1 使电压表显示表显示为零，重复（3）过程同样测得读数，填入下表：重量（g）电压（mV）5、保持差动放大器增益不变，将 R1，R2 两个固定电阻换成另两片受力应变片组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节电

22、桥 W1 同样使电压表显示零。重复（3）过程将读出数据填入下表：重量（g）电压（mV）6、在同一坐标纸上描出 X-V 曲线，比较三种接法的灵敏度。 传感器技术实验指导书10实验二实验二 差动变压器性能差动变压器性能一、实验目的一、实验目的了解差动变压器原理及工作特性。二、实验内容二、实验内容验证变压器式电感传感器的原理和工作特性。三、实验仪器三、实验仪器音频振荡器、测微头、示波器、主、副电源、差动变压器（两副边 L0 的下端为同名端） 、振动平台。四、实验原理四、实验原理差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随

23、着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接） ，就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。五、实验注意事项五、实验注意事项1、音频振荡器KHz-8KHz 之间，双线示波器第一通道灵敏度 500mv/div ,第二通道灵敏度 10mv/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭。2、差动变压器次级的两个线圈必须接成差动形式（同名端相接） 。3、音频振荡器的信号必须从 LV 输出端输出。六、实验步骤六、实验步骤1、根据图 2 接线，将差动变压器、音频振荡器（必须 LV 输出

24、） 、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器原边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为 2V。 传感器技术实验指导书11图 22、转动测微头使测微头与振动平台吸合。再向上转动测微头 5mm，使振动平台往上位移。3、往下旋动测微头，使振动平台产生位移。每位移 0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度。VSX（式中V为电压变化，X为相应振动平台的位移变化） ，作出关系曲线。X(mm)5mm4.8mm4.6mm0.2mm0mm-0.2mm-4.8mm-5mmVo(p-p)七、实验报告七、实验

25、报告详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。八、实验思考题八、实验思考题用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？由于什么原因造成的？ 传感器技术实验指导书12实验三实验三 差动变面积式电容传感的静态及动态特性差动变面积式电容传感的静态及动态特性一、实验目的一、实验目的了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。二、实验内容二、实验内容利用差动变面积式电容传感器的特性进行静态位移测量及动态测量。三、实验仪器三、实验仪器电容传感器、电压放大器、低通滤波器、电压表、激振器、示波器。四、实验原理四、实验原

26、理电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为 CX1，下层定片与动片形成的电容定为 CX2，当将 CX1 和 CX2 接入双 T 型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。五、实验注意事项五、实验注意事项 1、差动放大器增益旋钮置于中间，电压表置于 2V 档。2、调整电容传感器，使电容传感器的一组动片和两组定片不相碰。3、如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容

27、变换器增益进一步减小。六、实验步骤六、实验步骤1、根据图 3 接线。 传感器技术实验指导书13图 32、电压表打到 2V，调节测微头，使输出为零。3、以此为起点，向上和向下转动测微头,每次 0.5mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上(或下)静片复盖面积最大为止。位移(mm)电压（mV）4、退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下 X(mm)及 V(mv)值。位移(mm)电压（mV）5、计算系统灵敏度。VSX（式中V为电压变化，X为相应的梁端位移变化） ，并作出关系曲线。6、卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。七、实验报告七、实验报告详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。八、实验思考题八、实验思考题如果不着重调整电容片的相对位置，会有什么现象？ 传感器技术实验指导书14