传感器原理及检测技术实验指导书

1、传感器原理及检测技术实验指导书李 锶 张敏 谭竹梅编著机械设计制造及控制中心教材前 言传感器原理及检测技术课程是和实际应用结合非常紧密的课程，因此实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神的实践能力具有特殊作用。综合实验环节是课堂理论教学的重要补充，目的是使学生加深对课堂讲述理论内容的理解和掌握，更重要的是对学生进行实验技能的基本训练，提高学生分析问题和解决问题的能力，树立工程实际观点和严谨的科学作风，得到科学研究的初步训练。本实验课的目的在于培养学生掌握传感器应用及检测技术的基本实验方法与操作技能，通过实验教学，使学生对常用测量传感器的工作原理、物理结构、测量电路和实际应用等形成感性

2、认识，加深学生对传感器的选型、调理电路设计方法的理解，培养学生的动手能力，并能根据实验目的、实验内容及实验设备进行传感器应用的自行设计，确定实验步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告，达到培养学生在传感器应用及检测技术中具备分析问题和解决问题的初步能力，为今后在工程实际中设计性能优良的传感器应用系统打下基础。实验教学与理论教学紧密配合，理论上难于理解的内容通过实验进行分析和验证；将课程分解出若干个知识点，从知识应用的角度议定实验项目，从工程应用的角度议定实验项目，培养学生工程应用能力。本课程开设2个必修实验（4课时），其他为18课时的选修实验，在任选实验时，根据学生掌

3、握知识的程度选做4课时实验。 实验一：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：（必修）一、实验目的 1、熟悉CSY-998型传感器系统实验仪的结构及使用方法 2、了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理，放大器性能。3、通过实验增加学生对传感器的感性认识。4、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 二、实验内容1、单臂电桥实验2、半桥电路性能实验，比较金属应变片半桥和单臂桥的性能。3、全桥电路性能实验，了解全桥测量电路的优点。三、实验原理、方法和手段电阻应变式传感器简称电阻应变计 , 结构如图所示。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感

4、元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等机械参数 金属箔式电阻应变片典型结构敏感栅是用栅状金属箔片代替金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能 好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片。 应变式传感器的工作原理：应变电阻在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，叫做电阻应变效应。实验时，将金属箔式应变片贴在一个悬臂梁上，改变测微头，使应变电

5、阻发生机械变形，通过放大器输出电量的变化，1、 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。 2、单臂、半桥、全桥电路的工作原理单臂、半桥、全桥是指在电桥组成工作时，有一个桥臂、二个桥臂、四个桥臂（用应变片）阻值都随被测物理量而变化。相邻边两桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相减，相对边二桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相加。选用正确的应变片，可以提高电桥的灵敏度。四、实验仪器设备1、CSY-998型传感器系统实验仪2、所需单元和部件：直流稳压电源、差动放大器、电桥、FV表、双孔悬臂梁称重传感器、应变

6、片、砝码、主、副电源。五、实验步骤直流稳压电源打到2V档，FV表打到2V档，差动放大器增益打到最大。(1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。（2）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FV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FV表显示为零，关闭主、副电源。图1-1 实验电路接线图（3）根据图1-1接线R1、R2、

7、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置4V档，FV表置20V档。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使FV表显示为零，等待数分钟后将FV表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使FV表显示为零。（4）在传感器托盘上放上一只砝码，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S=VW，并作出V-W关系曲线，V为电压变化率，W为相应的重量变化率。重量（g）电压（mV） (5)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FV表显示表显示为零，重复

8、（3）过程同样测得读数，填入下表：重量（g）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，调节电桥W1同样使FV表显示零。重复（3）过程将读出数据填入下表：重量（g）电压（mV）(7) 在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。注意事项：(1) 在更换应变片时应将电源关闭。(2) 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。(3) 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。(4) 直流稳压电源4V不能打的过大，

9、以免损坏应变片或造成严重自热效应。(5) 接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。六、实验报告要求实验报告应包含下列几项内容：1、预习报告：在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料、实验原理图、主要操作方法以及简要的实验步骤。2、实验数据、及处理方法：将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。实验记录中应有指导教师的签名。3、实验结果及分析：对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。七、思考题1、单臂桥测量时，作为桥臂电阻应变片应选用： 正（受力

10、）应变片 负（受力）应变片 正、负应变片均可以。2、测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在： 对边 邻边3、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，R1=R3， R2=R4而R1 R2时，是否可以组成全桥？ 可以 不可以实验二：霍尔式传感器的特性及应用实验实验学时：2实验类型：综合实验要求：（必修）一、实验目的 1、了解霍尔式传感器的结构； 2、了解霍尔式传感器的原理与特性； 3、了解霍尔式传感器在静态测量中的应用 。二、相关知识点1、 霍尔式传感器的特性的研究；2、霍尔式传感器在静态测量中的应用电子秤。三、实验原理、方法和手段若在如图所示的金属或半导体薄片两端

11、通以控制电流 ，在与薄片方向上施加磁感应强度为 的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势 ， 的大小正比于控制电流 和磁感应强度 ，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。 霍尔电势 霍尔系数 ，其中 为载流体的电阻率， 为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是 N 型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。 若磁场方向与元件平面成一角度 时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即 ，则有 当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出电势的方向也将改变，若电流和磁场同时改变方向时，霍尔电势方向不变。 霍尔电势

12、的大小正比于控制电流 和磁感应强度 ，灵敏度 表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度 越薄， 越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和控制电流 和磁感应强度 有关，因此霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。四、实验仪器设备 1、CSY-998型传感器系统实验仪 2、所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、FV表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。五、实验步骤及结果测试1、 霍尔式传感器的特性的研究差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置档，直流稳压电源置档，主、副电源关闭。（

13、） 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。（） 开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图接线，、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。图（） 装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。（） 开启主、副电源调整使电压表指示为零。（） 上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.1mm读一个数，将读数填入表1：作出曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大

14、差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。（6）实验完毕关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。注意事项：（） 由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。（） 一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。（） 激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。数据：表1X(mm)V(V)X(mm)V(v)2、霍尔式传感器在静态测量中的应用电子秤所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、差动放大器、直流稳压电源、电桥、砝码、FV表（电压表）、主、副电源、振动平台。直流稳压电源，电压表档，主、副电源关闭。（） 开启主、副电源将差动放大器调零，关闭主、副电源。（） 调节测微头脱离平台并远离振动台。（）

15、 按图接线，开启主、副电源，将系统调零。（） 差动放大器增益调至最小位置，然后不再改变。（） 在称重平台上放上砝码，填入下表： ()在平面上放一个未知重量之物，记下表头读数。根据实验结果作出曲线，求得未知重量。注意事项：（） 此霍尔传感器的线性范围较小，所以砝码和重物不应太重。（） 砝码应置于平台的中间部分。数据W(g)V(v)六、实验报告要求实验报告应包含下列几项内容：1、预习报告：在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料、实验原理图、主要操作方法以及简要的实验步骤。2、实验数据及处理方法：将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。实

16、验记录中应有指导教师的签名。3、实验结果及分析：对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。七、思考题（1）霍尔式传感器实验中差动放大器的作用是什么？（2）比较霍尔式传感器与应变式、差动变压器式、电容式传感器的应用情况。（3）利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？实验三：压电传感器的动态响应实验实验学时：2实验类型：综合实验要求：（选修）一、实验目的1、了解压电式传感器的原理、结构及应用；2、了解低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器的作用。二、相关知识点1、压电传感器的动态响应测试；2、低频振荡器、

17、电荷放大器、低通滤波器的工作原理。三、实验原理、方法和手段压电效应是在1880年Jacques和Pierre Curie发现的，是应用于传感和控制学科的最重要的物理效应之一。在外加应力时，一些特殊结构的晶体可以产生电压差，反过来，在外电场的作用下，该晶体可以产生弹性形变。压电效应是把应力互换为电信号的重要物理过程，如图1所示。 图4-1 压电效应原理振动的变化率就是我们关心的频率，它决定于振源晶体切割的方位，大小和形状以及磨光程度，最终中心频率的调整和确定是通过在晶体表面镀一层原子级厚度的金来实现振动稳定。四、实验仪器设备1、CSY-998型传感器系统实验仪2、所需单元及设备：低频振荡器、电荷

18、放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、表、主、副电源、振动平台。五、实验步骤及结果测试低频振荡器的幅度旋钮置于最小，FV表置表档。（） 观察压电式传感器的结构，根据图1的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。图1（） 将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。（） 调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表： （4）示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较观察其波形相位差。 数据F(

19、HZ)571215172025V(p-p)六、实验报告要求实验报告应包含下列几项内容：1、预习报告：在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料、实验原理图、主要操作方法以及简要的实验步骤。2、实验数据及处理方法：将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。实验记录中应有指导教师的签名。3、实验结果及分析：对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。七、思考题（1）根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？（2）试回答压电式传感器的特点。比较磁电式

20、传感器输出波形的相位差大致为多少？为什么？实验四：光纤位移传感器静态、动态实验实验学时：2实验类型：综合实验要求：（选修）一、实验目的1、了解光纤位移传感器的原理结构、性能；2、了解光纤位移传感器的动态应用。 二、相关知识点1、 光纤传感器的原理结构、静态特性分析； 2、光纤传感器的位移动态测量。三、实验原理、方法和手段反射式光纤传感器工作原理如下图所示: 光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，红外二级管发出的红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱表示了反射物与光纤探头的距离，通过

21、对光强的检测就可得知位置量的变化。四、实验仪器设备 1、CSY-998型传感器系统实验仪2、所需单元及部件：主副电源、差动放大器、F/V表、光纤传感器、振动台。五、实验步骤及结果测试1、 光纤位移传感器静态特性(1)观察光纤位移传感器结构，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，探头固定在Z型安装架上，外表为螺丝的端面为半圆分布；(2) 了解振动台在实验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘，在振动台上贴有反射纸作为光的反射面。）(3) 如图7-1接线：因光/电转换器内部已按装好，所以可将电信号直接经差动放大器放大。F/V显示表的切换开关置2V档，开启主、副电源。 图7-1(4) 旋转测微头，使光纤探头与振动台面接触，调节差动放大器增益最大，调节差动放大器零位旋钮使电压表读数尽量为零，旋转测微头使贴有反射纸的被测体慢慢离开探头，观察电压读数由小大小的变化。（5）旋转测微头使F/V电压表指示重新回零；旋转测微头，每隔0.05mm读出电压表的读数，并将其填入后表：(6)关闭主、副电源，把所有旋钮复原到初始位置。(7) 作出V-X曲线，计算灵敏度S=VX及线性范围。2、光纤位移传感器的动态测量所需单元及部件：主、副电源、差动放大器、光纤位移传感器、低通滤波器、振动台、低频振荡器、激振线圈、示波器。(1) 了解激振线圈在实验仪