机械工程测试技术实验指导书

实验一：温度传感器动态特性的测试

一、实验目的

1、了解温度传感器时域特性；

2、掌握温度传感器时间常数的测量方法。

三、实验原理、方法和手段

1、热电偶测量温度的基本原理

热电偶测量温度的基本原理是热电效应。将A和B两种不同的导体首尾相

连组成闭合回路，如果两连接点温度（7,To）不同，则在回路中就会产生热电

动势，形成热电流，这就是热电效应。热电偶就是将A和B两种不同的金属材

料一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端

或测量端，也称热端；未焊接的一端（接引线）处在温度7。称为自由端或参考

端，也称冷端。T与To的温差愈大,热电偶的输出电动势愈大；温差为0℃时,

热电偶的输出电动势为0V；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小，国

际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的K（镶铭-

银硅或锲铝）、E（锲铭-康铜）、7（铜-康铜）等等，并且有相应的分度（见附录）

表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量

热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度。

2、温度传感器动态特性参数的测定

阶跃响应法是以阶跃信号作为温度传感器的输入，通过对温度传感器输出响

应的测试，从中计算出其动态特性参数。

对于温度传感器，时间常数「是唯一表征其动态特性的参数。求取「有很多

方法，常用的是对温度传感器施加一阶跃信号，然后求取系统达到最终稳定值的

63.2%所需时间作为系统的时间常数人这一方法的缺点是不精确，因为它受到

起始时间点不能够确定的影响，而且也不能够确切地确定被测系统一定是一个温

度传感器，另外它未涉及响应的全过程。为获得较高精度的测试结果，根据表

1-1中所列的公式，温度传感器的阶跃响应函数为

r

y（t）=1-e(1-1)

I

改写后得6:(1-2)

定义

z=--

T(1-3)

式中

Z=In[1

(1-4)

Z=--

式（1-3）表明Z和时间，成线性关系，并且有汇，如图1-1所示，因

此可以根据测得的Z值，做出Z-t曲线，并根据t值获得时间常数『，这种方法

四、实验器件与设备

温度调节仪、温度源、PtlOO热电阻（温度源温度控制传感器）、K热电偶（温

度特性实验传感潜）、传感器实验平台、计算机、数据采集模块、虚拟仪器软件。

五、实验任务及要求

1.、构建一个温度传感器时间常数「测量系统，测温度传感器响应曲线，根

据响应曲线求出

2、具体要求如下：

1）说明放大倍数K的确定；

2）说明信号处理电路的设计；

3）说明实验数据处理的方法。

六、实验报告要求

1、画出测量系统框图，说明测量原理；

2、说明测试系统的设计；

3、根据温度传感器阶跃响应特性曲线，求出系统的时间常数，

实验二：应变传感器性能实验

实验2.1金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、实验目的

1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；

2、掌握单臂测量电路的工作原理。

二、实验内容

1、记录所加重量与电桥电压输出数据；

2、计算灵敏度、非线性误差6。

三、实验原理、方法和手段

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：A/?//?=^o式中：AA/A为电阻丝电

阻相对变化，K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元件，通过它转换被测部位受

力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相

应的受力状态。对单臂电桥输出电压UO\=EK£/4。

四、实验条件

主机箱（±4V、二15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、祛码、

数显万用表。

五、实验步骤

应变传感器实验模板说明：实验模板中的Ri、R2、R3、R4为应变片，没有

文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电

桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。

电压表显示为零；在应变传感器托盘上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增

加祛码和读取相应的数显表值，直到2（）（）g硅码加完。记下实验结果,填入表2-1,

画出实验曲线。

表2-1应变式传感器单臂电桥性能实验数据

重量（g）

电压（mV）

4、根据表2-1计算系统灵敏度5=4〃/4卬（AU输出电压变化量，AW重

量变化量）和非线性误差打式中Am为输出值（多次测量

时为平均值）与拟合直线的最大偏差；满量程输出平均值，此处为200g（或

500g）。实验完毕，关闭电源。

六、思考题

单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负

（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。

实验2.2金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的

1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；

2、掌握半桥测量电路的工作原理；

3、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、实验内容

1、记录所加重量与电桥电压输出数据；

2、计算灵敏度、非线性误差8。

三、实验原理、方法和手段

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线

性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压"。2=钛£/2。

四、实验条件

主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、祛码、数显万用表。

五、实验步骤

1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，将实验模板差动放大器调零：

用导线将实验模板上的±15V、，插口与主机箱电源±15V、分别相连，再用导线

将实验模板上放大器的两输入端口短接（弘=0）,调节入放大器的增益电位器

&W3大约到中间位置［先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表

的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零

电位器RW4,使电压表显示为零。

+5*

2o□mIp

加热器托叁支

RQlRc2EO4接王机箱土15V

B^S

B--（P/

o^0

接

箱

:V、

Rwl

图2-2应变式传感器半桥接线图

2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2-2接线。注意&应和受力状态

相反，即将传感潜中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电

桥的相邻边。调节实验模板上的桥路平衡电位器RM,使主机箱电压表显示为

零；在应变传感器托盘上放置一只祛码，读取电压表数值，依次增加祛码和读取

相应的电压表数值，直到200g（或500g）祛码加完。记下实验结果，填入表2・2,

画出实验曲线。计算灵敏度S=AU/AW,非线性误差3。实验完毕，关闭电

源。

表2-2应变式传感器半桥实验数据

重量（g）

电压（mV）

六、思考题

1、半桥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：m

对边；（2）邻边。

2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理

上存在非线性；（2）应变片应变效应是非线性的；（3）调零值不是真正为零。

实验2.3金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；

2、了解全桥测量电路的工作原理、测量电路的优点。

二、实验内容

1、记录所加重量与电桥电压输出数据；

2、计算灵敏度、非线性误差5。

三、实验原理、方法和手段

全桥测量电路中，将四片应变片分别接入电桥的四个臂。传感器工作时，电

桥相对的两臂受力性质相同，即两应变片处于受压状态，另两应变片处于拉伸状

态。四片应变片初始限值为：RI=7?2=R3=R4,工作时的变化值AR]=A

R2=AR3=XR4时，其桥路输出电压U03=KE£。由此，全桥输出灵敏度比

半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

四、实验条件

主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、祛码、数显万用表。

五、实验步骤

图2-3全桥性能实验接线图

RIR2

接

主

机

箱

+

4RV

U

S

1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，将实验模板差动放大器调零。

用导线将实验模板上的±15V、，插口与主机箱电源±15V、，分别相连，再用导线

将实验模板上放大器的两输入端口短接（H=0）,调节入放大器的增益电位器

Rw3大约到中间位置1先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表

的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电

位器尺卬4,使电压表显示为零。

2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2-3接线，实验方法与实验2.2

相同，将实验数据填入表2-3,画出实验曲线。计算灵敏度、非线性误差3.实

验完毕，关闭电源。

表2-3应变式传感器全桥实验数据

重量（g）

电压（mV）

六、思考题

1、全桥测量中，当两组对边（4、砧为对边）电阻值R相同时，即Ri=R3,

R2=R4,而舟#R2时，是否可以组成全桥：（1）可以：（2）不可以。

2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片片，如

图2-4,如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

F

Ri

R4RI

R4一

R3R2R2

oo0R3□

图2-4应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验2.4金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的

1、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度;

2、掌握应变式传感器测量电路的输出特性。

二、实验内容

1、记录单臂、半桥、全桥所加重量与电桥电压输出数据;

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度。

三、实验原理、方法和手段

如图2-5(a)、(b)、(c)o

(a)

(7o=U①—U②

—{(/?|+A/?|)/7?j+A7?|+R、)—RA/(.+R&)}E

={(1+A/?,//?!)/(1+ARJR+R/RjTRq/&)/(I+RJR3)E

设R|=R2=R3=R4,且醺|/与<<1。

Uo(1/4)(ARJR|)E

所以电桥的电压灵敏度：S=U°gR、/R"KE=1/4E

(a)(b)(c)

图2-5应变电桥

(a)单臂；(b)半桥；(c)全桥

(b)同理：UO"(1/2)(AR"R1)ES=(\/2)E

(C)同理：U。“(ARJRJES=E

四、实验条件

主机箱、应变传感器实验模板、托盘、跌码。

五、实验步骤

根据实验2.1、2.2、2.3所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性

度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验2.1、2.2、2.3中的放大器

增益必须相同）。实验完毕，关闭电源。

实验2.5直流全桥的应用——电子秤实验

一、实验目的

1、了解应变直流全桥的应用;

2、了解电路的标定。

二、实验内容

记录所加重量与电桥电压输出数据。

三、实验原理、方法和手段

图2-5数字电子称原理框图

数字电子秤实验原理如图2-5,全桥测量原理。本实验只做放大器输出UO

实验，通过对电路调芋使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为

重量纲（g）即成为一台原始电子秤。

四、实验条件

主机箱、应变式传感器实验模板、破码

五、实验步骤

1、实验模板差动放大器调零：将实验模板上的±15V、_L插口与主机箱电源

±15V、分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi=O）,

调节入放大器的增益电位器心”大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋

转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调

节实验模板放大器的调零申.位器Aw-使电压表显示为零。按图4-1直流全桥接

线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位心力，使电压表显示0.000V。

2、将10只祛码全部置于传感器的托盘上，调节电位器R卬3（增益即满量

程调节）使电压表显示为0.200V（2V档测量）或-0.200V。

3、拿去托盘上的所有祛码，调节电位器Rm（零位调节）使电压表显示为

0.0000Vo

4、重复2、3、步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量

纲g,就可以称重。成为一台原始的电子秤。

5、把硅码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入下表2-5。

表2-5电子称实验数据

重量（g）

电压（V）

6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。实验完毕，关闭电源。

六、思考题

说明数字电子称工作原理。

实验三：电涡流传感器位移性能实验

一、实验目的

1、了解电涡流传感器的结构、特性；

2、掌握电涡流传感器的工作原理；

3、了解电涡流传感器测量位移的工作原理。

二、实验内容

1、记录位移与测量电路电压输出数据；

2、作出V-X实验曲线，说明测位移范围。

三、实验原理、方法和手段

电涡流传感潜是一种建立在涡流效应原理上的传感器。当金属板置于变化着

的磁场中时.，或者在固定磁场中运动时，金属板内就要产生感应电流，这种电流

的流线在金属体内是闭合的（自成回路），所以叫做涡流。涡流的大小与金属体

的电阻率、导磁率、厚度以及线圈与金属板间的矩离，线圈的激磁电流角频率等

参数有关。通高频电流的线圈产生磁场，当有金属导电体接近线圈时，导电体内

产生涡流，当除线圈与金属导体表面的距离x以外的所有参数一定时，涡流损耗

只与金属导电体圈线圈的距离x有关，因此可以进行位移测量。

四、实验条件

主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。

五、实验步骤

I、观察传感器结为，这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅实验

图3-1电涡流传感器装、接线示意图

2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到

20V档，检查接线无误后，开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔

0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据列入表3-1。

表3-1电涡流传感器位移实验数据

X(mm)

V(V)

3、根据表3-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负

位移测量时的最佳工作点，（即曲线线性端的中点），试计算测量范围量程为1mm

与3mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。实验完毕，关闭

电源。

六、思考题

1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如

何设计传感器？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

实验四：机械系统振动的测量

一、实验目的

1、了解和掌握机械结构振动系统幅频特性曲线的测量方法；

2、了解机械结构固有频率测量系统的构成；

3、了解激振器、加速度传感器、电荷放大器的工作原理；

4、掌握由幅频特性曲线得到机械结构的固有频率。

二、实验内容

1、记录双简支梁嗝频特性Illi线；

2、计算双简支梁固有频率。

三、实验原理、方法和手段

双简支梁在某一激振频率下产生振动，用加速度传感器测量双简支梁在此频

率下振动的振幅。当激振频率由低频一高频扫频，传感器就能测出对应频率卜.的

振幅。通过幅频特性曲线可以求出双简支梁的固有频率。

四、实验条件

动态参数综合测试系统，低频扫频信号源，压电式加速度传感器，电荷、应

变放大器、计算机（数据采集、信号分析软件）。

五、实验步骤

1、实验安装、接线如图4-1所示。将激振器通过顶杆连接到双简支梁上（注

意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上），激振点位于双简支梁中心处。将加

速度传感器粘在双简支梁上中心处。

图4-1简谐振动振幅与频率测量实验接线图

2、将低频扫频信号源功率输出端与激振器相连；加速度传感器与电荷放大

器输入端相连；计算机USB接口与电荷放大器USB接口相连；

3、TS1218B低频与频信号源的设置：扫频模式为对数；“手动”位置；调幅

度旋钮至2〜3个灯亮；电荷放大器的设置：上限频率设为300Hz；

4、打开计算机电源，打开vib,SYS振动信号采集、处理分析程序，在主

菜单“信号采集”下，点击“信号采集+示波【高速】”，设置“文件保存路径”

文件名***.ad,TS1218B低频扫频信号源置“自动”位置，点击“开始采集（存

盘）”，自动频率结束后，点击“停止采集”，点击“退出（格式转换）”；

5、打开“采集数据文件（读）R”文件***.ad,设置“数据文件（存）S”

文件名***.TIM,点击“开始转换数据文件C”，点击“完成OK”，“退出”;

6、点击“频谱分析（A）”，点击“频谱分析（可视）”，点击“打开文件”,

找到文件名为***.TIM,点击“打开”；

7、选择“开始通道”，“结束通道”数，选择“频谱分析内容”为“自功率

谱”,在“是否计算［自功率］谱”点击“YES”，计算完成（ok）；

8、显示简谐振动振幅与频率的波形，将实验数据填入下表4/。实验完毕，

关闭电源。

表4-1振幅与频率数据

X(mm)

f(Hz)

六、思考题

1、根据加速度幅频特性曲线，找出系统的固有频率。

2、估算阻尼比。

实验五：压阻式压力传感器动态特性的标定

一、实验目的

1、了解二阶传感器对阶跃信号的响应特性。

2、掌握二阶传感错动态参数的测试方法。

3、理解影响二阶，专感器动态特性的因素。

4、了解激波管标定装置的工作原理。

二、实验原理、方法和手段

1、激波管标定装置工作原理

激波管标定装置系统如图5-1所示。它由激波管、入射激波测速系统、标定

测量系统及气源等I四个部分组成。

图5-1激波管标定装置系统原理图

1)激波管是产生激波的核心部分，由高压室1和低压室2组成。1,2之间

由铝或塑料膜片3隔开，激波压力的大小由膜片的厚度来决定。标定时根据要求

对高、低室冲以压力不同的压缩气体(通常采用玉缩空气)，低压室一般为一个

大气压，仅给高压室冲以高压气体。当高、低压室的压力差达到一定程度时，膜

片破裂，高压气体迅速膨胀冲入低压室，从而形成激波，这个激波接近理想的

阶跃波，并冲向被标定的传感器。传感器在激波的激励下，产生一个衰减振荡。

如图5-2所示，其波形由存储示波潜记录下来，以供确定传感滞的动态特性之用。

图5-2被标定传感器的输出波形

2)入射波的测速系统如图5-1所示，Pi由压电式压力传感器6和7,前

置放大器8以及频率计9组成。对测速用的压力传感器6和7的要求是它们的一

致性要好，传感器的受压面应与管的内壁一致，以免受激波管内表面的影响。测

速前置级8通常采用电荷放大器及限幅器以给出嗝值基本恒定的脉冲信号，数字

频率计给出时标信号。由两个脉冲信号去控制频率计9的开、关门时间。入射激

波的速度为：

u=-(m/s)

t(5-1)

式中：1一—两个测速传感器之间的距离；

t一一激波通过两个传感器间距所需的时间（为计数器的时标，n为

频率计显示的脉冲）

激波通常以马赫数表示，其定义为：

=——

aT(5-2)

式中：u——激波速度

四.低压室的音速，可用下式表示：

=J1+©

aT(5-3)

式中：斯一一TC时的音速；

a（）一—。℃时的音速；

T——试验时低压室的温度（室温一般为25℃）。

3）标定测量系统

标定测量系统由被标定传感器4,5,电荷放大器10及存储示波器11等组

成.被标定传感器既可以放在侧面位置卜，也可以放在底端位置匕从被标定的

传感器来的信号通过电荷放大器加到存储示波器上纪录下来，以便分析、计算，

直接求得幅频特性及动态灵敏度等。

4）气源系统

气源系统由气源12,气压表13以及泄气门14等组成。它是高压气体的产

生源，通常采用压缩空气，压力大小由阀控制，气压表13测得。完成测量后开

启泄气门14,以便管内的气体泄掉，然后对管内进行清理。更换膜片，以备下

次再用。

2、误差分析

在前面的分析中做了一定的假设，一旦这些假设不成立时就会产生误差。如

测速系统的误差，破膜及激波在端部的反射引起的振动产生的影响等。这些原因

都会给标定造成误差，下面就这几方面因素做简单的分析讨论。

I）测速系统的误差

根据压力传感器校准的要求，除了要保证系统工作稳定、可靠外，还要保证

测量的准确。影响测速系统的因素很多，由式（5-1）可知，测速误差为

4=/+臼（5-4）

式中G,邑分别为的相对误差。

>12

从，，in7可知，影响测速精度的因素有测速传感器的安装孔距加工误差,

有测速系统各组成部分引起的测时误差，它包括：

（1）各测速传感器的上升时间，灵敏度和触发位置的不一致性；

（2）各电荷放大器输出信号的上升时间、灵敏度的不一致形；

（3）频率计的测量误差（包括时标误差和触发误差）。

2）激波速度在传播过程中的衰减误差；

根据实验测定，激波实际传播速度与理论值有出入，前者小于后者，显然这

是激波的衰减造成的；非理想的阶跃压力引起的误差通常小于±0-5%。这两项

误差只要选取当＜3,可忽略不计。

3)破膜和激波在端部的反射引起振动造成的误差

各种压力传感器本冲击振动都有不同程度的敏感，所以传感器的使用和标定

都要考虑到振动的影响。激波管在标定中主要有两种振动。

(1)膜片在破膜瞬间产生的强烈振动。实验表明这种振动影响不大。因为这

种振动在钢中的传播速度约为5000m/s,比激波运度大的多。所以当激波到达端

部传感器时，这种振动的影响几乎衰减为零，可不予考虑；

(2)激波在端部的反射引起的振动。由于激波压力作用于压力传感器上的同

时必然冲击安装法兰盘使之产生振动，这直接影响在其上安装的传感器。由于它

的振动与传感器感受激波压力几乎是同时产生的。未经很大的衰减，而其振动频

率较高，恰在我们欲标定的频段内。所以影响很大，产生的误差约±°・5%。

三、实验器件与设备

1、标定传感器(ENDEVCO)

1)传感器1：853OB-1OOO,灵敏度：0.3mv/Psi

量程：1OOOPsi(1Psi=6894.8N/m2(Pa)

固有频率：＞1000KHz

非线性度：0.25%

2)传感器2：8510C-100,灵敏度:2.3mv/Psi

量程：lOOPsi

固有频率：500KHZ

非线性度：0.1%

2、激波管标定装置

激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气源、铝或塑料膜片、稳压电

源、计数仪。

四、实验任务及要求

1、构建压力传感器动态特性标定系统，说明标定原理。

2、根据标定传感器的参数指标，设计气压源、确定标定测量系统的频率、

幅度等参数范I韦I。

3、根据压力传感器阶跃响应特性曲线，求出压力传感器的动态特性参数以

和G。

4、根据压力传感器阶跃响应特性曲线，求出压力传感器的上升时间t和超

调量Oc

五、实验注意事项

1、实验中，有压缩气源设备，要注意操作安全，防止人员受伤。

2、压力传感器的谕入电压标定值10V,不能过大，否则会损坏传感器。

3、注意用电安全，接线时，防止接线短路。

附A实验篇

一、温度的感知试验

1、实验目的

i.学会使用万用表和示波器。

2.了解热敏电阻、钳电阻、AD590集成温度传感器工作原理，技术参数以及使用注意

事项。

3.了解几种温度传感器的R-T特性。

2、元器件准备

热敏电阻、伯电阻、AD590、万用表

3、实验原理

(一)热敏电阻

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和

负温度系数热敏电阻器(NTC)。其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电

阻值。本实验中使用的是负温度系数热敏电阻器(NTC),温度越高，电阻值越低。

可以通过计算，将测得的电阻值转化为温度值。

热敏电阻的电阻一温度特性可近似地用卜.式表示：5sss51s

R=Ro*exp{B*(1/T-1/To)}

其中，R-温度T(K)时的电阻值，Ro-温度To(K)时的电阻值，T(K)=t(℃)+273.15o

实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异。因此在较大的

温度范围内应用时，将与实测值之间存在一定误差。为了方便使用，常取环境温度为25℃

作为参考温度(即T0=25C)。则NTC热敏电阻的电阻-温度关系式可以写成：

RT/R25=expBN(1/T-1/298)

(二)钳电阻

钳电阻用于测量时，根据电阻随温度变化的特性，要求其材料电阻温度系数大，稳定性

好电阻率高，电阻于温度之间最好有线性关系。常用的热电阻主要有钳电阻和铜电阻。伯电

阻在0~630.7℃以内时，电阻和温度的关系为：

Rt=Ro*(1+A*T+B*T2)一

式中

R-温度为T时的钳电阻阻值

R。一温度为0c是钳电阻的阻值

A-常数，A=3.9083F0-3℃-I(Ro=1OOQ)

B-常数，B=-5.775*10-7℃-I(Ro=1OOQ)

本实验采用的是Ptl。。伯电阻。电阻值在0℃的时侯，电阻阻值为100。.其测曷范围

通常为-200、650℃。

其应用范围很广，可用于医疗、电机、工业、温度计算、卫星、气象、阻值计算等高精

温度设备上。

(三)AD590

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。其主要特性如下：

(1)流过器件的电流(uA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：

lr/T=1

式中，卜一流过器件(AD590)的电流，单位为HA;

T—热力学温度，单位为K;

(2)AD590的测温范围为-55℃~+150"C；

(3)AD590的电源电压范围为4〜30V,可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而

器件即使反接也不会被损坏；

(4)输出电阻为710m。：

(5)精度高,AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

4、实验内容和步骤

(一)热敏电阻

1.将热敏电阻固定在实验板上。

2.使用万用表来测量电阻的阻值变化。查看室温下的电阻阻值。用手指接触热敏电阻,

查看电阻值变化。

3.记录实验数据。

4.完成实验后，关闭设备电源，将热敏电阻取下。

5.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL,做出统计曲线。也可

以使用义Labview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。

(二)粕电阻

1.将钳电阻固定在实验板上。

2.使用万用表来测量电阻的阻值变化。查看室温下的电阻阻值。用手指接触伯电阻，查

看电阻值变化。

3.记录实验数据。

4.完成实验后，关闭设备电源，将伯电阻取下。

5.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL,做出统计曲线。也可

以使用MILabvisv的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。

（三）AD590

1.依照下图在面包板上连接好电子器件，使用万用表测量T1203和T1202之间的电阻

值，调节RP1201,直到电阻值为10k。

P1201T1201

T1203

图1AD590接线柱及电路原理图

2.P1201连接+15V电源，其他接线不变，即使用万用表测量T1203和T1202间的电压

变化。

3.记录电压数值，除以电阻值10k。得到流过器件的电流（UA）,即是测量的当前温度，

并记录当前的室温。

4.完成实验后，关闭设备电源，将器件全部取下。

5.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL,做出统计曲线。也可

以使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。如下

图所示。

5、思考

1.使用热敏电阻及PtlOO测温，还可以使用1mA恒流源来实现。在没有万用表的情况下，

传统的做法是通过测量电近两端电压的变化，推算出阻值的变化，进而转化为温度值。这种

方式是常见的测温方式。使用这种方式，可以使用测量电阻两端的电压变化。可使用示波器

来观察电压变化，也可使用LabVIEW编程完成实验。

2.比较几种温度传感器的测显方式以及测量精准度.

二、力的感知试验

1、实验目的

1.了解三轴加速度传感器的工作原理。

2.学会使用加速度传感器。

2、元器件准备

三轴加速度传感器、万用表、示波器

3、实验原理

三轴小量程加速度传感器，可以用来检测物件运动的方向以及加速度。其可根据物件运

动的方向和加速度，改变输出信号，信号形式为三轴电压输出。各轴在不运动或不受重力作

用时（0g）,输出电压为1.65V。如果沿某个方向运动或受重力作用，输出电压会根据其运

动方向以及设定的传感器灵敏度改变其输出电压.可使月AI的三个通道来采集三个轴的电

压数值，对所得数据做相应算法，获得当前物件的位置和加速度。（g一般取9.8N/kg）

TopView

N/C

N/C'■r/[■或SeifTest

3N/C

N/c

YOUTYJ[=

457J[gg-Select

0g-Detect

F®N/c

图2三轴小量程加速度传感器图3加速度传感器芯片引脚

物件上有12个引脚，定义如下：

Pint：3.3V电压源

Pin2：5V电压源

Pin3：GND,即地端

Pin4：Xout,X轴方向的电压输出端

Pin5：YouI,Y轴方向的电压输出端

Pin6：Zout,Z轴方向的电压输出端

Pin7：Sleep,芯片休眠控制（0-休眠，1-工作）

Pin8、10、12：NC悬空管脚

Pin9：0g_detect,用来选择传感器灵敏度

Pinll：Self_test,芯片自我测试与初始化

其中，3.3V和5V电压源只需要用其一即可。提供5V的选项是为了方便不提供3.3V的

使用场合。物件上使用的传感器是Freescale公司的MMA7361L型号芯片。其灵敏度的选择

是通过0g_detect端口做选择，实验中可以将该引脚悬空，那么使用的就是在1.5g的

g-Range状态卜的灵敏度：800mV/go

根据下面两幅图示，当物件正面朝上平放时，三个地的输出电压为:

XOUT©Og=1.65V,YOUT@Og=1.65V,ZOUT@Eg=2.45V

当物件正面朝下平放，三个轴的输出电压为：

XOUT©0g=1.65V,YOUT@Og=1.65V,ZOUT@-lg=0.85V

可根据图示一一对应各个位置静放时，所对应的三轴电压数值。

STATICACCELERATION

DirectionofEarth'sgravityfield.,

TopView

SideView

Top

Bottom

@og=165v

@Og-165V

@<1ga245V

Bottom

XOUT©Mg-2.45V

@0g=1.KV

Y=166V

OUT®09YOUT@09=1-65V

@0Q=1.65V

ZOUT@(^»1.35V

0­10-085V

XajT@8=1.6SV

YOUT@-1a=0-85V

Z8T1第V

Whenpositionedasshown.theEarth'sgravity*411resjltInapositive1goutput.

图4静态加速度

DYNAMICACCELERATION

TopView

0SideView

-X♦x以〈:□肯普匚”

|:Arrowindicatesdirectionofpackagemovement

图5动态加速度

4、实验内容和步骤

1.按照加速度传感器的引脚定义连线。物件的pin2连接+5V,pin3连接地GND,pin4

连接通道1,pin5连接通道2,pin6连接通道3,原型板的GND连接GND。物件上的其他

管脚都悬空。

2.在示波器测试面板中，设置物理通道1、2、3,采样率、最大值、最小值可使用默

认值。

3.点击运行按钮，选择波形数据，观察三轴加速度传感器三个方向的数据。

4.转换物件的上下左右前后的位置.，观察三轴加速度传感器三个方向的数据.

5.实验结束后，关闭电源。

6.对采集到的加速度传感器的三组电压数值做后期的分析，分析各个轴的加速度值。

7.描绘当前物件所摆放的方向示意，思考如何来实现这些功能。是否可以使用该传感

器编写一些软硬结合的小游戏？

三、磁场感知试验

1、实验目的

1.了解直流电机的工作原理。

2.了解霍尔IC传感器的工作原理。

2、元器件准备

直流小电机(2-4.5V)、霍尔1C

3、实验原理

直流电机。

输出或输入为直流电能的旋转电机，我们称之为直流电机。它能实现直流电能和机械能

互相转换。当电机作电动机运行时是直流电动机，其将电能转换为机械能：当电机作发电机

运行时是直流发电机，其将机械能转换为电能。本次实验中使用的直流电机，功率在1环以

内，在4.5V电压对应的转速为6500转/分钟，2V电压对应转速为2000转/分钟左右。

在电机的转轴上，需要添加一个带有六个缺口的圆片，将圆片放置在槽型光耦中间。当

电机转动的时候，每转过一圈，槽型光耦就可以接收到六个脉冲信号，AI通道就可以采集

到脉冲。

霍尔ICo

E.H.霍尔于1879年发现：一块矩形导体或半导体材料在磁感应强度为Bz的磁场中，在

垂直.于磁场的方向有电流lx通过试件，在既垂直于磁场Bz、又垂直于电流lx的方向将产

生电场Ey,这就是霍尔效应。用霍尔器件测量磁场强度时，是用恒定电流法还是用恒定电压

法，要考虑多方面的因素：如磁场强度和霍尔电压间的线性误差、灵敏度的温度系数、同

样工艺条件制造的器件的性能分散程度等。用霍尔器件测量磁场强度的特点是：器件很小很

扁(可以放在窄缝中)，有很高的准确度、灵敏度和稳定性，还有很宽的工作温度范圉。制

造霍尔器件的半导体材料主要是锌、硅、硅化钱、础化钿、睇化钏等.一般用N型材料，因

为电子迁移率比空穴的大得多，器件可以有较高的灵敏度。在轿车电路上经常可以看到“霍

尔”（Hall）这个名称，例如桑塔纳2000点火系统就有一只霍尔传感器，专门给发动机电

控单元（ECU）提供电压信号。轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。

而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关

时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔

开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视

和测量汽车各部件运行参数的变化，例如位置、位移、角度、角速度、转速等等：并可将这

些变量进行二次变换，可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电

控单元接口，可实现自动检测。

4、实验内容和步骤

1.连接霍尔IC,给霍尔IC供电，左正右负，连接+5V电源和GND。

2.霍尔IC的输出端，左正右负，将其连接至示波器通道。

3.在电机的转轴上添加一个带有磁铁块的圆片，使用直流可调电源给直流电机供电。

4.在测试面板中设置采集通道，点击开始按钮。调节直流可调电源的电压输出，观察

不同的电机转速对应的波形。该电路的输出波形为标准的TTL信号。

5.使用Counter计数，统计霍尔输出端口的标准的TTL信号脉冲数目，即是电机所转

圈数，经过换算可测量电机转速。也可调用事先编写的LabVIEW例程MeasDig

Frequency-LowFreq1Ctr.vi来测量电机频率。

6.实验结束后，保存记录数据。

四、声的感知试验

1、实验目的

1.了解驻极体麦克风的工作原理。

2.使用动态信号分析仪采集麦克风信号，实时分析麦克风所得信号的幅频和相频响应。

2、元器件准备

驻极体麦克风、动态信号分析仪

3、实验原理

驻极体麦克风。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。

驻极体话筒的内部结构如图所示。

图6驻极体麦克风结构

由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路接法有两种：源极输出和漏极输出。

源极输出有三根引出线:漏极D接电源正极，源极S经电阻接地,再经一个电容作信号输出。

漏极输出有两根引出线：漏极D经一个电阻接至电源正极，再经一个电容作信号输出，源极

S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。在场效应管的栅极

与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极

D和源极将万用表拨至欧姆档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极•再对调两表笔，比

较两次测量结果。阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。

漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一

漏极电阻RD,信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线•起接地。漏极输出有电压增

益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。

图7驻极体麦克风实验原理图

4、实验内容和步骤

1.依照电路图所示在面包板上搭建电路，连接好麦克风。

2.给放大器供电，依次连接+15V,GND,-15VO

3.将麦克风输出信号连接至动态信号分析仪，选择对应的通道，观察波形，随时保存

数据。

4.观察完原始信号后，可使用动态信号分析仪分析信号。暂停波形采集，打开动态信

号分析仪，观察实时数据分析。使动态信号分析仪时，注意通道设置。

通过实验测最得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL,做出统计曲线。也可以

使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。同时设

置选择窗口，针对不同的传感器做出数据来源的选择，使实验操作更加方便。如图：

隹号器控件

温度传感器湿度传感器红外渐近传

00息器。

Q

周目环境光烟雾传感器红外传感器

传感器0□00

加嚼手感缝电器传感压力传感器

1T:o

图8设置选择窗口

五、RFID试验

1、实验目的

通过实验，体验RFID技术的基本特性，掌握RFID天线的基础知识，在安装部署RFID

天线时能使RFID标签读取率最高。

能够正确操作示波器，能够正确连接示波器和RFID读写器

2、元器件准备

RF1D读写器1套、有源和无源RFID标签各1张，抗金属标签1张、供电电源、示波器

3、实验原理

RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应

电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主

动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息

系统进行有关数据处理，完成标签与标识物的信息感知。

一套完整的RFID系统，是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三

个部份所组成，其工作原理是阅读器发射-特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应

答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

RFID通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间

建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调制成无线电频率的电磁场，把数据从附着在

物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电

磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波

（调制成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。射频

标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。射频识别系统最重要的优点

是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，

并且阅读速度极快，大多数情况下不到100考秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要

的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。

4、实验内容和步骤

连接示波器：使用CE1、CH2探头分别连接到示波器设备的PIN1和PIN2上;

设置示波器：触发源选择CH2,其余设置可以按照默认值。

观测信号：在RFID读写器和RFID标签之间放置金属板，通过示波器观测从电子标签返

回的信号，了解并评估金属环境对天线工作的影响。如果条件允许，可以加入铁氧体，再通

过示波器观测从电子标签返回的信号，了解并并评估铁铜体在这种环境下对天线工作的影响.

六、