传感器实验指导书(1) 2

传感器检测技术实 验 指 导 书适用专业：电子信息工程电子科学与技术电气工程及其自动化撰写人：张春光审核人：赵守忠安徽三联学院信息与通信技术系 目 录实验一 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验3(一) 单臂电桥性能实验(二) 半桥性能实验(三) 全桥性能实验（四）金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验二 直流全桥的应用电子秤实验7实验三 电容式传感器的位移特性实验9实验四 差动变压器的位移特性实验11实验五 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验14实验六 光纤传感器的位移特性实验16实验七 光电式传感器测速电路实验18实验八 磁电式传感器测速电路实验21实验九 温度传感器温度特性实验23（一） PN 结温度传感器温度特性实验（二）负温热敏电阻温度特性实验（三）集成温度传感器 LM35 温度特性实验实验一 金属箔式应变片实验模块实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做一、实验目的：了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作状况。比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。了解全桥测量电路的优点。比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、基本原理： 金属箔式应变片传感器是利用金属丝在外力作用下产生应变效应的原理制成的一种传感器。我们知道电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：DR/R=Ke式中DR/R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，e（Di/i）为电阻丝长度相对变化量，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的变化、电桥的作用是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三、 需用器件与单元：1 号金属箔式应变片传感器实验模块（K1、K2、K3 的状态分别为 OFF、ON、ON）、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码 200g（100g 一只，50g 两只）、12V电源、5V 电源、0-2V 数显表1 号金属箔式应变片传感器实验模块、14 号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码 200g、12V 电源、5V 电源、0-2V 数显表。1 号金属箔式应变片传感器实验模块、14 号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码 200g、12V 电源、5V 电源、0-2V 数显表四、实验步骤： (一)单臂电桥性能实验1、将实验箱上电源供给区+5V、-5V 输出孔接至 1 号应变片模块的+4V、-4V 孔。2、将 14 号模块接入15V 电源（从实验箱电源供给区+12V、-12V 接入），检查无误后，打开实验箱电源开关，实验模块15V 指示灯应亮，断开电源3、1 号模块的+VIN、-VIN 分别和 14 模块的 VIN+、VIN-相连，14 号模块的 VO2、GND 分别与实验箱电压数显表的 IN、GND 相连。W3 和 W4 为增益调节旋钮，W5 和 W6 为调零旋钮，调节电位器 W5 和 W6，使数显表显示为零（若调不到零，请微量调节 W3、W4）W3、W4、W5、W6 的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验为止。具体连线见图4、在秤盘上放一只 50g 砝码，读取数显表数值，按表依次增加砝码，读取相应的值，直到 200g 砝码加完。记下实验结果填入表，关闭电源重量（g）50100150200电压(mv)5、根据表 1-1 计算系统灵敏度 SDU/DW(DU 输出电压变化量，DW 重量变化量)。（二）半桥性能实验不同受力方向的两只应变片如图 1 -1 中 R1 和 R2 或 R3 和 R4 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 U 02EKe/2。实验步骤同单臂电桥实验（应变片为受力状态不同的两只，内部已连好），K1、K2、K3、的状态分别为 ON、ON、OFF。将实验数据记入表，计算灵敏度 S 2DU/DW。重量（g）50100150200电压(mv)（三）全桥性能实验实验步骤同单臂电桥实验，K1、K2、K3 的状态分别为 ON、OFF、OFF。将实验数据填入表 1-3，最后进行灵敏度计算重量（g）50100150200电压(mv)（四）金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较根据实验一、二、三中所得的单臂、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：实验一、二、三中的放大增益必须相同）。五、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：（1）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。3、全桥测量中，当两组对边（R 1、R 3为对边）电阻值 R 相同时，即 R 1R 3，R 2R 4，而 R 1R 2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （ 2）不可以。4、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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。六、实验报告1写出实验原理2总结实验步骤和实验结果； 3心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。4完成以上三个实验的思考题。实验二 直流全桥的应用电子秤实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三（全桥性能实验原理），通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。三、需用器件与单元：1 号金属箔式应变片传感器实验模板、14 号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码 200g。四、实验步骤：1、按实验三全桥性能实验的步骤， 14 号模块调零（旋 W5、W6，方法同单臂电桥实验）。2、将 200g 砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器 W 3、W 4 使数显表显示为0.200V（2V 档测量）或-0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 W 5、W6（零位调节）使数显表显示为 0.000V。4、重复 2、3 步骤的标定过程，一直到精确为止，这样就把电压量纲 V 改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表重量（g）50100150200电压(mv)6、根据上表，计算误差与非线性误差。7、实验精度可做到 0.5%，如做到 1%实验也算成功。五、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。实验三 电容式传感器的位移特性实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做外形见图一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点二、基本原理：利用平板电容 CeA/d 和其它结构的关系式，通过相应的结构和测量电容可以选择e、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以测谷物干燥度（e变）、测微小位移（变 d）和测量液位（变 A）等多种电容传感器。本实验装置中应用变极距 d 的方法测量位移。这种变极距型电容器传感器为差动式结构。中间为一个动极板，上下极为定极板。如图示三、需用器件与单元：4 号电容式传感器实验模块、变距电容圆片、测微头、0-2V 数显表、直流稳压源。四、实验步骤：1、接入+12V、-12V 电源。2、按图 4-1 安装接线，把测微头安装在 6 号位移测量实验模块支架上，旋转测微头使电容动片基本居中。3、将电容传感器实验模板的输出端 OUT 与实验箱电压数显表的 IN、GND 相连，调节 W1 使数显表显示为零。4、旋动测微头向上或向下改变电容传感器动极板位置，每间隔 0.2mm 记下位移 X与输出电压值，填入表X(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.82V(p-p)五、思考题试设计利用e的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？六、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。3.完成思考题实验四 差动变压器的位移特性实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做外形见图一、实验目的：了解差动变压器位移的工作原理和特性。二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次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小，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三、需用器件与单元：6 号差动变压器实验模板、测微头、磁棒、双踪示波器、差动变压器、低频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表四、实验步骤：1、 差动变压器安装在位移测量实验模块上。2、 根据图接线，低频信号源信号从实验箱 OUT、GND 端子输出，低频信号源的频率和幅度旋纽，使得输出频率为 1KHZ，输出幅度 2Vp-p（可用示波器监测）。线圈端点有点的表示同名端。3、将磁棒固定在测微头上（用磁钢转接），旋动测微头，使示波器 B 通道显示的波形峰一峰值 Vp-p 为最小，这时可以上下位移，假设其中一个方向为正位移，从 Vp-p 最小开始旋动测微头，每隔 0.2mm 从示波器上读出输出电压 Vp-p 值，填入表。再从 Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。X(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.82V(p-p)4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表画出 Vop-pX 曲线，作出量程为1mm、3mm 灵敏度和非线性误差五、思考题1、 用差动变压器测量较高频率的振幅，例如 10KHz 的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？3、 试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？六、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。3.完成思考题实验五 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做外形见图一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势 U H=K HIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，磁场强度的变化引起霍耳电势它就可以进行位移测量。三、需用器件与单元：5 号霍尔式传感器实验模块、直流源5V、测微头、0-2V 数显单元。四、实验步骤：1、将霍尔式传感器安装在 6 号位移测量实验模块上。2、将 5 号霍尔式传感器实验模块接上12V 电源。霍尔元件 1、3 为电源5V，2、4 输出。K1、K2 选择在直流位置。3、开启电源，调节测微头使磁钢在离霍尔元件 10mm 处，再调节 W3、W4 使数显表指示为零。4、测微头向轴向方向推进，每转动 0.2mm 记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表X(mm)V01(mv)作出 V-X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。五、思考题本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？六、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。3完成实验思考题。实验六 光纤传感器的位移特性实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、基本原理：本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成 Y 型光纤，半园分布即双 D型一束光纤端部与光源相连发射光束，另一束端部与光电转换器相连接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距 X，由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电压大小与间距 X 有关，因此可用于测量位移。三、需用器件与单元：8 号转速实验模块、14 号直流放大模块、数显单元、测微头、直流源、反射面。四、实验步骤：1、 根据图安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的光纤位移实验部分的座孔上。2、 将光纤传感器输出端 TP5 与 14 号放大模块的 VIN+相连，GND 与 14 号模块的 VIN-相连，14 号模块的 VO2、GND 分别接至实验台数显电压表的 V+、V-。3、 调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。4、 实验模板接入15V 电源，打开实验箱电源开关。5、 旋转测微头，被测体离开探头，每隔 0.1mm 读出数显表值，将其填入表X(mm)0.10.20.20.30.40.50.60.70.80.9V(mV)6、 根据表数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程 1mm 时灵敏度和非线性误差五、思考题光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？六、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。3完成实验思考题。实验七 光电式传感器测速电路实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做外形见图一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通转盘上开孔透射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘上有相间的 2 个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲用频率计测量出频率利用 N=50f/2（转/分）公式计算出转速。三、需用器件与单元：8 号转速实验模块、直流电源+12V、转动源及 2-15V 直流源、示波器。四、实验步骤：1 电转速传感器已经安装在 8 号实验模块上，把实验箱的+12V、GND 接地端与 8号实验模块板上的+15V、地相连。2 光电传感器转速输出端接示波器（可从示波器上读出频率值）。3、调速电源接在 2V12V 可变电源端。4、电压从 2V 调至 12V 马达转速由低到高。5、同时用示波器观察 TP2 和 TP8 或 TP3 波形。6、记录下马达电压与频率计的读数，填入下表马达电压24681012频率计读数（HZ）7、用 N=50F/2求各档转速。五、思考题1、光纤测速优缺点？六、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2.心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。3完成实验思考题。实验八 磁电式传感器测速电路实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做一、实验目的：了解磁电式传感器测量转速的原理。二、基本原理：基于电磁感应原理，N 匝线圈据磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：e= 发生变化，因此当转盘上嵌入 N 个磁铁时，每转一周线圈感应电势产生 N 次的变化，通过 放大、整形和计数等电路即可以测量转速。三、需用器件与单元：8 号转速实验模块、直流源 2-12V、示波器。四、实验步骤：1 磁电式转速传感器按图 8-3 安装，传感器端面离转动盘面 12mm 左右，并且将磁电传感器中心对准磁钢中心。本模块已安装 2 块磁铁，将磁电式传感器输出端 TP4 经过 整形电路到 TP6 输出。2、TP6 输出端口接到示波器输入端（通过示波器读出频率值）。3、将实验台上 2-12VDC 稳压源用引线接到 8 号转模块上 1.25V15V 插孔，合上实验台电开关。使转速电机旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。4、同时用示波器观察 TP4 和 TP6 波形。5、记录下马达与频率计读数并用 N=50f/2=25f 转/分。马达电压24681012141618频率计读数（HZ）五、思考题为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？六、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2.心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。3完成实验思考题实验九 温度传感器特性实验实验学时数：2学时实验类型：验证性实验要求：必做外形见图一、实验目的：了解 PN 结温度传感器的特性及工作情况。了解 NTC 热敏电阻的测温原理。了解常用集成温度传感器 LM35 的基本工作原理、性能及应用。二、基本原理：晶体二极管或三极管的 PN 结电压是随温度变化的。如硅管的 PN 结的结电压在温度每升高 1时，下降约 2.2mV，利用这种特性可做成各种各样的 PN 结温度传感器。它具有线性好、时间常数小（0.22 秒）。灵敏度高等特点，测温范围为-50+150。随着温度的升高阻值减小的电阻即为负温热敏电阻，简称 NTC。一般 NTC 热敏电阻测量范围为：-50+300。热敏电阻体积小，重量轻，热惯性小，工作寿命长，价格便宜，且本身阻值大，无需考虑引线长度带来的误差，适用于远距离传输。但它非线性大，稳定性差，有老化现象，一致性差。一般仅用于低精度测温。集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55+150之间温度测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极发射极电压与温度成线性关系。三、需用器件与单元：+5V 直流稳压电源、0-2V 数显电压表、9 号温度传感器特性实验模块。9 号温度传感器特性实验模块、数字欧姆表。9 号温度传感器特性实验模块、0-2V 数显单元。四、实验步骤：（一）PN 结温度传感器温度特性实验晶体二极管或三极管的 PN 结电压是随温度变化的。如硅管的 PN 结的结电压在温度每升高 1时，下降约 2.2mV，利用这种特性可做成各种各样的 PN 结温度传感器。它具有线性好、时间常数小（0.22 秒）。灵敏度高等特点，测温范围为-50+150。1 温度部分电源开关打开2、9 号温度传感器特性实验模块接入实验台。3、将直流稳压电源+5V 接在 9 号温度传感器特性实验模块的+6V 端，按图 9-1 接电路。4、PN 结传感器输出端接至电压数显表的输入端。用 0-2V 数字表测量二极管PN 结正向的结电压，得出其结果填入下表。5、恒温箱从室温至+100每 5作一次记录。温度40455055606570758085二极压降（二）负温热敏电阻温度特性实验1、9 号温度模块的接线见图2、打开实验台电源开关和温控电源开关。3、温控箱从室温升至 100，每升 5作一次记录。4、直接用欧姆表测 NTC 阻值。温度40455055606570758085阻值（三）集成温度传感器 LM35 温度特性实验为克服温敏晶体管Ub 电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。集成温度传感器有电压型和电流型二种，电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。因此它具有不易受 接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。具有很好的线性特性。本实验采用 LM35， LM35是电压输出型集成温度传感器，该传感器采用了 TO-46 和 TO-92 封装形式，其等效电路及封装形式见图 9-4，LM35 的最大额定参数：电源电压为+35-0.2V，输出电压为+6V-1.0V，输出电流为 10mA，存放温度为 TO-46 封装是-60+180、TO-92 封装是-60+150，工作温度范围为 LM35 和 LM35A 是-55+150、LM35C 和 LM35CA 是-40+110、LM35D 是 0+100。LM35 特点；可直接校正摄氏温度；线性温度系数为+10.0mV/；温度范围为-55+150；最适宜用于遥控；低成本化；工作电压范围为 430V；非线性小于1/4；输出阻抗在 1mA负载时为 0.1。LM35 构成+2+150温度传感器电路，输出 U 0=+1500mV 相当于+150、U 0=+25、U O=-550mV 相当于-55。特别注意：LM35 接线按以下图接，不能接反、接错，否则 LM35 损坏1、9 号实验模块上的温度控制仪接线见上图2、将 9 号温度传感器实验模板接上+12V 电源（GND 也要与实验台的 GND 相连）。3、温度从 40开始，仪表每隔 5设定一个点（设定方法参见温控仪说明）。记下数显表上相应的读数，上限不超过 125，记入表温度40455055606570758085V(mv)五、实验报告1总结实验步骤和实验结果； 2心得体会本次实验中你的感受；你从实验中获得了哪些收益；本次实验你的成功之处；本次实验中还有待改进的地方；下次实验应该从哪些地方进行改进；怎样提高自的实验效率和实验水平等等。27