自动检测技术第15章-传感器实验课件

1、 第一节 概述 第十五章 传感器实验第二节电阻式传感器应变测量实验 第三节电容式传感器位移测量实验 第四节差动变压器位移测量实验 第五节电涡流传感器位移测量实验 第六节压电式传感器加速度测量实验 第七节磁电式传感器转速测量实验 第八节热电偶传感器温度测量实验 第九节热电偶冷端温度补偿实验 第十节光电传感器实验 第十一节光纤位移传感器特性实验 第十二节霍尔传感器实验 第十三节光栅传感器原理实验 本章根据自动检测技术课程的主要教学内容，并参考了SET-2000型传感器实验装置提供的技术资料，共设计编写了12个实验项目。本章内容也可以作为该课程的实验指导书。 第一节概述 目前国内用于传感器实验的仪器

2、设备按结构功能区分主要有两大类。一类是综合型的，另一类是单元模块类型。 综合型传感器实验装置主要由试验台、显示及激励源、传感器实验接线面板、测量及处理电路四部分组成。这类实验装置的特点体现在它的综合性上。它将各类传感器及常用测量电路集成在一台仪器上，提供了多种常规实验。 单元模块型传感器实验装置由主控台、测控对象、传感器/实验模块、数据采集卡及处理软件、实验桌六部分组成。它将传感器实验分解成若干个相互独立的实验单元。针对不同类型的实验，使用不同的实验模块。一、 传感器实验装置简介二、 SET-2000型传感器实验装置的特点 可根据实验项目选择具体的实验传感器和相应的模块，并留有充分的扩展余地。

3、 设备主控台设计具有较强的兼容性。三、性能和技术参数 主要性能参数如下：（1）主控台 提供高稳定四种直流稳压电源；0.4KHz10KHz可调音频信号源；1Hz30Hz可调低频信号源。面板上装有数显电压表、频率、转速、压力表以及高精度温度控制仪表。（2）测控对象：振动源1Hz30Hz(可调)；转动源02400转/分(可调)；温度源200(可调)。（3）传感器/实验模块 除了电阻应变式、电容式、差动变压器、电涡流、压电式、磁电式、热电偶、光电式和霍尔式等17种基础型传感器及相应的实验模块外，还可以根据需要配置热释电远红外、光栅位移、CCD图像等27种增强型传感器及实验模块。（4）数据采集卡及处理软

4、件 传感器实验专用数据采集卡采用12位A/D转换芯片，采样速度为100000点/秒。根据不同类型的实验可选择单步、连续、定时等不同的采样方式。数据采集卡还具有输出控制端口，为其它类型的实验拓展预留了硬件的空间。数据采集卡与微机有两种连接方式，一种是RS-232串行方式，另一种是USB总线方式。 一、实验目的 1、了解电阻应变式传感器的基本原理、结构和用法。2、掌握电阻应变式传感器的全桥测量电路。 二、实验原理 1、电阻应变片工作原理 导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化的物理现象称为电阻应变效应。 2、测量电路 电阻应变片将机械应变转化为电阻变化后，通常使用电桥电

5、路，将应变片电阻变化转换为电压或电流的变化。如果电桥一臂接入应变片，则称为单臂工作电桥。如果两个臂接入应变片,则称为双臂工作电桥。如果电桥四个桥臂都接应变片则称为全桥形式。 第二节电阻式传感器应变测量实验 三、实验仪器应变传感器实验模块（含应变式传感器）、砝码（每只约20g）共10只、数显表、15V电源、4V电源、4位半数字万用表。 四、实验步骤1、应变式传感器如图15-1所示。2、根据图15-2接线。3、从主控箱引入模块电源及桥路电源4V；数字电压表置20V档。4、满量程调整，使数显表读数显示为0.200V。5、调整Rw1或RW4使数显表读数显示为零。6、重复4、5步骤，一直到满量程显示0.

6、200V，空载时显示0.000V为止。7、把砝码依次放在托盘上，将电压表相应的读数填入表15-1。 图15-1 应变式传感器 图15-2应变传感器实验模块 一、实验目的 了解差动电容式位移传感器结构及信号处理电路原理。 二、实验原理 电容式传感器以静电场的有关定律作为其理论基础。对于平板电容器，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积以及两极板间的距离有关。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容就将产生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容的变化反映出来。 第三节电容式传感器位移测量实验 三、实验仪器电容传感器、

7、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压电源。 四、实验步骤1、按图15-3将电容传感器装于实验模板上 。2、根据图15-4接线。3、调整测微头的左右位置，使电压表指示最小。旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每间隔0.2mm或0.5mm记下输出电压值，填入表15-2。 4、将测微头旋回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程填入同一表内。图15-3 电容式传感器/差动变压器安装示意图 图15-4 电容传感器实验模块 一、实验目的 了解差动变压器的工作原理和特性。 二、实验原理 差动变压器由一个初级线圈、二个次级线圈以及一个铁芯组成。在传感器的初级线圈上接入高频交流信号。当初、次级线

8、圈中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化，使得两个次级线圈感应电势产生变化。一个次级线圈感应电势增加，另一只则减少。将两个次级线圈反向串接(同名端连接)，在另两端就能输出差动电势。差动电势的大小能反映出被测体的移动量。 第四节差动变压器位移测量实验 三、实验仪器差动变压器、差动变压器实验模块、测微头、双踪示波器、音频振荡器、直流稳压电源、数字电压表。 四、实验步骤1、参照图15-3，将差动变压器装在差动变压器实验模块上，并安装好测微头。 2、根据图15-6接线。3、调整测微头的左右位置，从Vp-p最小处开始旋动测微头，每隔0.2或0.5mm从示波器上读出输出

9、电压Vp-p值并填入表15-3，直到测微头旋至20mm处。 4、测微头旋回到Vp-p最小处并反向旋转测微头，每隔0.2或0.5mm从示波器上读出电压Vp-p值并填入表15-3。5、观察差动变压器的零点残余电压。 图15-5 差动变压器 图15-6 差动变压器实验模块 一、实验目的 了解电涡流传感器的特性以及测量位移的工作原理。 二、实验原理 电涡流传感器是一种建立在涡流效应基础上的传感器。一般由传感器线圈和被测物体组成。线圈通过高频电流时会产生高频磁场。当有导体接近该磁场时，会在导体表面产生涡流效应。由于涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关，因此可以通过检测涡流效应的强弱进行位移测量。 第五

10、节电涡流传感器位移测量实验 三、实验仪器电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、实验步骤1、安装电涡流传感器，并安装好测微头。 2、根据图15-7接线。3、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 4、旋转测微头，每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止，将结果填入表15-4。 5、根据表15-4数据，画出V-X曲线。根据曲线找出线性区域及选择位移测量时的最佳工作点。 图15-7 电涡流传感器实验模块 一、实验目的 了解压电传感器测量振动的原理和方法。 二、实验原理 压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片组成。工作时传感器感受与试件相同频

11、率的振动。质量块振动时，将正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上。根据压电效应，压电陶瓷片上会产生正比于运动加速度的表面电荷。然后通过电荷放大器，将电荷转换成电压，从而测量出物体的运动加速度。 第六节压电式传感器加速度测量实验 三、实验仪器振动台（2000型）、压电传感器、低通滤波器模块、电荷放大器模块、双踪示波器。 四、实验步骤1、将压电传感器安装在振动台面上。根据图15-8连接实验电路。 2、将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入插孔。3、将压电传感器的两个输出端连接到压电传感器实验模块的两个输入端，屏蔽层接地。4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器频率及幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波

12、形。5、改变低频振荡器频率，观察输出波形变化，比较不同频率时的输出变化。6、同时使用示波器的两个通道，观察低通滤波器输入端和输出端，分析两者波形上的差别。 图15-8 压电加速度传感器实验模块 一、实验目的 了解磁电式传感器测量转速的原理。 二、实验原理 磁电式传感器的基本工作原理是电磁感应原理。 本实验中，在电机转盘上嵌入N个磁钢，并在磁钢上方放置一个磁电式转速传感器（线圈），电机转盘每转一周，线圈中的磁通量就发生了N次变化，从而产生N次感应电势e 。该电势通过放大、整形和计数等电路后即可测量转速。 第七节磁电式传感器转速测量实验 三、实验仪器磁电传感器、转速电机（2000型）。 四、实验步

13、骤1、参照实图15-9安装磁电式转速传感器，传感器端面离转动盘面约2mm左右，并且对准转盘内的磁钢。将磁电式传感器输出线插入主控台fi输入端，并将转速/频率表置转速档。 2、将主控台上的+2V+24V可调直流电源接入转动电机的+2V+24V插口。调节电机转速电位器改变转速，观察数显表指示的变化。 图15-9 磁电式转速传感器 一、实验目的 了解热电偶测量温度的原理及应用。 二、实验原理 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路。当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电动势。该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“

14、热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。热电偶的两个接点，置于被测温度场的接点称为工作端或热端，另一个称为自由端或冷端。冷端可以是室温值，也可以是经过补偿后的0、25的模拟温度场。 第八节热电偶传感器温度测量实验 三、实验仪器K/E型复合热电偶、温度源、温度控制仪表、数显单元（2000型）或温度控制测量仪（9000型）。 四、实验步骤1、按图15-10连接传感器和实验电路。 2、K型热电偶用作为温控仪表的测量传感器，用于对加热器进行恒温控制。 3、E型热电偶用作为实验传感器。将它的自由端接入温度传感器实验模块。 4、调节实验模块放大器增益。打开主控箱温度开关，设定温

15、控仪控制温度值T=50。 5、重新设定温度值为50+nt，n=110，分别读出数显电压表指示值与温控仪指示的温度值，并将结果填入表15-5。 图15-10 热电偶传感器温度测量 一、实验目的 掌握热电偶冷端温度补偿的原理与方法。 二、实验原理 热电偶是一种温差测量传感器，为直接反映温度场的摄氏温度值，需对其自由端进行温度补偿。常用的是电桥法，如图15-11所示。它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称为冷端温度补偿器。补偿器电桥在0时达到平衡。当热电偶自由端温度升高时，热电偶回路的电势Uab下降。由于补偿器中的PN结呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，使得Uab上升，其值正好补偿热

16、电偶因自由端温度升高而降低的电势，从而达到补偿目的。第九节热电偶冷端温度补偿实验 三、实验仪器温度传感器实验模块、K热电偶、E型热电偶冷端温度补偿器、直流15V、外接+5V电源适配器。 四、实验步骤1、按图15-12连接传感器和实验电路，将K/E复合热电偶插到温度源加热器两个传感器插孔中 。2、K型热电偶用作为温控仪表的测量传感器，将它的自由端接入主控箱温控部分“EK”端。 3、将冷端温度补偿器上的E型热电偶插入温度源另一插孔中，然后在补偿器加上+5V补偿器电源。4、重复50+nt的加温过程，记录下数字电压表上的数据。并将结果填入表15-6。 5、将上述数据与不用冷端补偿器的结果进行比较分析。

17、 图15-11 E型热电偶冷端温度补偿器原理图 图15-12 热电偶冷端温度补偿实验 一、实验目的 了解光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管的光电特性。 二、实验原理 光敏电阻的电阻值能随光照强弱而变化。无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流很小。受到光照时，它的电阻值急剧减小，电路中电流迅速增大。 光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应。光敏晶体管与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体结上，即结参与了光电转换过程。 光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势 第十节光电传感器实验 三、实验仪器光电传感器特性/应用模块、数显电压表

18、、+15V电压。 四、实验步骤1、将+15V电源接入到实验模块上。将光源插头插入到实验模块的光源输出孔。将跟随器输出接数显表，并将光源调节旋至最小。 2、参考图15-14，根据实验内容将光敏电阻（光敏二极管、光敏三极管）分别接入“传感器接入”处。3、将光源探头对准当前实验所使用的传感器 。4、打开主控台电源，记录数显表读数，每转光源调节电位器一圈记录数显表电压值。 图15-13 光敏电阻 图15-14 光电传感器特性/应用模块 一、实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、实验原理 本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成半圆分布的Y型传感探头。一束光纤端部与光源相接用来传递发射

19、光，另一束端部与光电转换器相接用来传递接收光。两光纤束混合后的端部是工作端亦即探头。当它与被测体相距时，由光源发出的光通过一束光纤射出后，经被测体反射由另一束光纤接收，并通过光电转换器转换成电压。该电压的大小与间距有关，因此光纤传感器可用于测量位移。 第十一节光纤位移传感器特性实验 三、实验仪器光纤传感器及实验模板、数显单元、测微头、直流电源15V、铁测片。 四、实验步骤1、根据图15-15安装光纤位移传感器。将二束光纤分别插入实验板上光电变换座内，其内部装有发光管及光电转换管。 2、安装好测微头。在测微头顶端装上铁质圆片作为反射面，调节测微头使探头与反射面轻微接触。 3、将光纤实验模块输出端

20、V0与数显单元相连，数字电压表置20V档。 4、实验模块接入15V电源。合上主控箱电源开关，调节RW2使数字电压表显示为零。 5、旋转测微头,使被测体离开探头。每隔0.1mm读出数显表显示值,将其填入表15-7。 图15-15 光纤传感器实验模块 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的原理及应用。 二、实验原理 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。利用霍耳效应制成的元件称为霍耳传感器。 霍尔转速传感器在转速圆盘上装上块磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。圆盘每转一周，经过霍尔元件表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次。霍尔电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。 第十二节霍尔传感器实验 三、实验仪器霍尔转速传感器、转动源（2000型）。 四、实验步骤1、根据图15-16,将霍尔转速传感器安装于转动源的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。 2