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1、传感器实验指导书长春理工大学电信学院长春理工大学电信学院2012.3.251 目目 录录一、概述部分一、概述部分二、实验部分二、实验部分实验一实验一 金属箔式、半导体应变片性能金属箔式、半导体应变片性能单臂电桥、半桥、全桥单臂电桥、半桥、全桥交直流实验交直流实验实验二实验二 差动变压器的性能实验差动变压器的性能实验实验三实验三 热电偶原理及分度表的应用热电偶原理及分度表的应用实验四实验四 气敏传感器实验气敏传感器实验 2 一、 概 述传感器实验是针对传感器原理与设计课程开设的一门实践性环节，诣在检验学生对传感器理论知识的掌握程度，引导学生将理论知识应用到实践中，并将计算机技术、数据采集处理技术
2、与传感器技术融合在一起，拓宽传感技术的应用领域，逐步建立工程应用的概念。通过实验，帮助广大学生加强对书本知识的理解，培养学生实际动手能力,增强学生对各种不同的传感器及测量原理如何组成测量系统有直观而具体的感性认识；培养学生对材料力学、电工学、物理学、控制技术、计算技术等知识的综合运用能力；同时在实验的进行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有的基本的操作技能与动手能力。传感器实验全部在CSY-910 型传感器系统综合实验台上进行，该实验台为完全模块式结构，分主机、实验模块和实验桌三部分。主机由实验工作平台、传感器综合系统、高稳定交、直流信号源，温控电加热源，旋转源、位移
3、机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统（RS232 接口）、实验软件等组成；全套12 个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构，实验时模块可按实验要求灵活组合。3 一、传感器1. 金属箔式应变传感器（箔式应变片 工作片 4 片；温度补偿片 2 片,应变系数：2.06，精度 2%）2. 称重传感器（标准商用双孔悬臂梁结构，量程 0500g，精度 2%）3. MPX 扩散硅压阻式压力传感器（差压式，量程 050KP，精度 3%）4. 半导体应变传感器（BY350，工作片 2 片，应变系数 120）5. 标准 K 分度热电偶，（量程 0800，精度 3%）6
4、. 标准 E 分度热电偶，（量程 0800，精度 3%）7. Pt100 铂热电阻（量程 0800，精度 5%）8. 半导体温敏二极管（精度 5%）9. 集成温度传感器（电流型，精度 2%）10. 半导体霍尔传感器(由线性霍尔元件与梯度磁场组成。工作范围：位移2mm，精度 5%)11. 磁电式传感器（动铁与线圈）12. 湿敏电容传感器（高分子材料，工作范围 595%RH）13. MQ3 气敏传感器（酒精气敏感，实验演示用）14. 电感式传感器（差动变压器，量程5mm,精度 5%）15. 电涡流传感器（线性工作范围 1mm,精度 3%）16. 力平衡传感器（综合传感器系统）二、主机配置（一）电源
5、、信号源部分1. 直流稳压电源：（传感器工作直流激励源与实验模块工作电源）+2V +10V 分五档输出，最大输出电流 1.5A；+15V（12V） 、最大输出电流 1.5A；激光器电源。2. 音频信号源：（传感器工作交流激励源）0.4KHz 10KHz 输出连续可调，最大 Vp-p 值 20V；00、1800端口反相输出；00、LV 端口功率输出，最大输出电流 1.5A；1800端口电压输出，最大输出功率 300mw。3. 低频信号源：（供主机位移平台与双平行悬臂梁振动激励，实现传感器动态测试）1Hz 30Hz 输出，连续可调，最大输出电流 1.5A，最大 Vp-p 值 20V，激振I（双平行
6、悬臂梁） 、激振 II（圆形位移平台）的振动源。转换纽子开关的作用：（请特别注意）当倒向 V0侧时，低频信号源正常使用，V04 端输出低频信号，倒向 Vi侧时，断开低频信号电路，V0 端无低频信号输出，停止激振、的激励。Vi作为电流放大器的信号输入端，输出端仍为 V0端。激振不工作时激振选择开关应位于置中位置。4. 温控电加热源：（温度传感器加热源）由 E 分度热电偶控温的 300W 电加热炉，最高控制炉温 400，实验控温200。交流 220V 插口提供电炉加热电源，作为温度传感器热源、及热电偶测温、标定和传感器温度效应的温度源等。5. 旋转源：（光电、电涡流传感器测转速之用）低噪声旋转电机
7、，转速 02400 转/分，连续可调。6. 气压源：（提供压力传感器气压源）电动气泵：气压输出20KP，连续可调；手动加压气囊：可加压至满量程 40KP，通过减压阀调节气压值。（二）仪表显示部分1 电压/频率表：3 1/2 位数字表、电压显示分 02V、020V 两档；频率显示分 02KHz、020KHz 两档，灵敏度50mv。2 数字式温度表：（E 分度）温度显示：0-800（用其他热电偶测温时应查对相应的热电偶分度表） 。3 气压表：0-40KP（0-300mmHg）显示。（三）计算机通信与数据采集1 通信接口：标准 RS232 口，提供实验台与计算机通信接口。2 数据采集卡：12 位 A
8、/D 转换，采集卡信号输入端为电压/频率表的“IN”端，采集卡频率输入端为“转速信号入”口。三、实验模块包含1. 实验公共电路模块：提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。2. 应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿） 、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX 扩散硅压阻式传感器、放大电路。3. 电感式传感器实验模块：差动变压器、螺管式传感器、放大电路。4. 电容式传感器实验模块：同轴式差动电容组成的双 T 电桥检测电路，精密位移导轨。5. 霍尔传感器实验模块：霍尔传感器、梯度磁场、变换
9、电路及日本进口高精度位5 移导轨。6. 温度传感器实验模块：提供 7 种温度传感器及变换电路，可控电加热炉。7. 电涡流传感器实验模块：电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。8.气敏传感器实验模块：MQ3 气敏传感器及变换电路。四、主机工作台上装置的传感器磁电式、压电加速度、半导体应变（2 片） 、金属箔式应变（工作片 4 片，温度补偿片 2 片） 。双平行悬臂梁旁的支柱安装有螺旋测微仪，可带动悬臂梁上下位移。圆形位移（振动）平台旁的支架可安装电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器探头，在平台振动时进行动态实验。Csy-910 型主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。五
10、、实验操作须知：1、 在实验前务必详细阅读CSY-910 型传感器系统综合实验台实验指导与使用说明、本实验指导书。2、 使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。主机面板上的纽子开关都应选择好正确的倒向。3、 了解测试系统的基本组成：合适的信号激励源传感器处理电路（传感器状态调节机构）仪表显示（数据采集或图象显示）4、 在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。5、 实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，主机与实验模块的直流电源连接线插头与插座连
11、接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。6、 实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，使用时应避免摇晃。为延长使用寿命，操作时请捏住插头连接叠插。7、 实验指导书中的“注意事项”不可忽略。传感器的激励信号不准随意加大，否则会造成传感器永久性的损坏。6 实验一 金属箔式电阻应变片式性能实验一、实验目的：1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；2、熟悉箔式应变片和半导体应变片的性能，充分了解两种应变电路的特性；3、掌握应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况；4、验证应变片单臂、半桥、全桥的性能及相互之
12、间的关系。二、实验类型：验证型三、实验原理：应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积 相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻 R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，桥路的输出与成正比。当使用一个应变片时，；当使用二个应12341234RRRRR RRRRRR R变片时，；若二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个1
13、212RRR RR2RR R应变片组成二个差动对工作，且 R1= R2= R3= R4=R，。4RR R根据戴维南定理可以得出电桥的输出电压近似等于，电桥的电压灵敏度1 4REKu=V/R/R，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为、和 E。由1 4E1 2E此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当 E 和电阻相对变化一定时，电 桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。四、实验所需部件：直流稳压电源+4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、半导体应变计、螺旋测微仪、数字电压表、应变加热器。五、实验步骤1、差动放大器调零。连接主机与模块电路电源连接线
14、，差动放大器增益置于最大7 位置（顺时针方向旋到底） ，差动放大器“+” “-”输入端对地用实验线短路。输出端接电压表 2V 档。开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器旋钮均不应再变动。图图 1-1 单臂电桥实验电路2、观察贴于悬臂梁根部的箔式应变计的位置与方向，按图 1-1 将所需实验部件连接成测试桥路，图中 R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R 为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片） ，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。3、确认接
15、线无误后开启主机，使电路工作趋于稳定。调节模块上的 W1电位器，使桥路输出为零。4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各 5mm ,每位移 1mm 记录一个输出电压值，并记入表一表一位移 mm54321012345电压 V表二位移 mm54321012345电压 V8 图 1-2 半桥实验电路图 1-3 全桥实验电路表三位移 mm54321012345电压 V05、依次将图 1-1 中的固定电阻 R1、 R2 、R3，分别换接电阻应变片组成双桥和全桥。实验电路见图 1-2 及图 1-33 所示6、重复单臂电桥实验步骤，完成双桥和全桥实验7、将测试数据填入表 2 及表 3。8、根据表中所测
16、数据在同一坐标上描出 V-X 曲线，计算灵敏度 S：S=，X/V 比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。9 六、注意事项：1、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。2、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。3、应变片接入桥路时，要注意应变片的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。4、更换应变片时应将电源关闭。七、思考题1、本实验对直流稳压电源和差动放大器有何要求？2、应变片桥路（差动电桥）连接应注意哪些问题？3、桥路（差动电桥）测
