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1、- 1 -传传感感器器实实训训指指导导- 4 -目目录录第一部分第一部分传感器与检测技术的理论基础传感器与检测技术的理论基础.7 7第一章电阻式传感器.7第一节电阻应变式传感器. 7第二节湿敏电阻传感器.15第三节气敏电阻传感器.16第二章电感式传感器.17第一节差动变压器.17第二节自感传感器.19第三节电涡流传感器.21第三章电容传感器.24第四章压电传感器.28第五章霍尔传感器.32第二部分第二部分传感器实验指导传感器实验指导.3333第一章CSY998 型传感器实验仪简介.33一、CSY998 型传感器实验仪简介.33二、主要技术参数、性能及说明.33第二章CSY998 型传感器实验.
2、36实验一（A）金属箔式应变片性能单臂电桥. 36实验一（B）金属箔式应变片性能单臂电桥.37实验二（A）金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较.38实验二（B）金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较. 39实验三（A）应变片的温度效应及补偿 .40实验三（B）应变片的温度影响 .41实验四（A） 热电偶原理及现象.41实验四（B） 热电偶原理及现象.42实验五移相器实验.44实验六相敏检波器实验.45实验七（A）金属箔式应变片交流全桥.47实验七金属箔式应变片交流全桥 .48实验八交流全桥的应用振幅测量.49实验九（A）交流全桥的应用电子秤之一.49实验九（B）交流全桥的应用电子秤之一.50实验
3、十差动变压器性能.51实验十一差动变压器零点残余电压的补偿.52实验十二差动变压器的标定（静态位移性能）. 53实验十三差动变压器的应用振动测量.54- 5 -实验十四差动变压器的作用电子秤之二.55实验十五差动螺管式电感传感器的静态位移性能.56实验十六差动螺管式电感传感器振动时的动态性能.57实验十七电涡流式传感器的静态标定.58实验十八被测体材料对电涡流传感器特性的影响.59实验十九电涡流式传感器的应用振幅测量.59实验二十电涡传感器应用电子秤之三.60实验二十一霍尔式传感器的特性直流激励.61实验二十二霍尔式传感器的应用电子秤之四.62实验二十三霍尔式传感的特性交流激励.62实验二十四
4、霍尔式传感器的应用振幅测量.63实验二十五磁电式传感器的性能.64实验二十六压电传感器的动态响应实验.65实验二十七压电传感器的引线电容对电压放大器的影响、电荷放大器. 66实验二十八差动变面积式电容传感器的静态及动态特性.67实验二十九扩散硅压阻式压力传感器实验.67实验三十光纤位移传感器静态实验. 69实验三十一光纤位移传感器的动态测量一. 70实验三十二 光纤位移传感器的动态测量二.71实验三十三PN 结温度传感器测温实验. 72实验三十四 热敏电阻演示实验.73实验三十五气敏传感器（MQ3）实验. 74实验三十六湿敏电阻（RH）实验.76实验三十七光电传感器（反射型）测转速实验（选配）
5、.77第三章CSY2000 型传感器与检测技术实验台简介.78一、CSY2000 型传感器实验仪简介.78二、电路原理.78三、使用方法.78四、仪器维护及故障排除.79五、注意事项.79第四章CSY2000 型传感器实验.80实验一金属箔式应变片高精度单臂电桥性能实验.80实验二金属箔式应变片半桥性能实验.82实验三金属箔式应变片高精度、高灵敏度全桥性能实验.84实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较.85实验五直流全桥的应用电子秤实验.86实验六金属箔式应变片的温度影响实验.88实验七交流全桥的应用振动测量实验.88实验八压阻式压力传感器的压力测量实验. 90- 6 -实验九差动变压
6、器的性能实验.92实验十激励频率对差动变压器特性的影响. 94实验十一差动变压器的应用振动测量实验.94实验十二电容式传感器的位移实验.96实验十三直流激励时霍尔式传感器位移特性实验.97实验十四交流激励时霍尔式传感器的位移实验.98实验十五霍尔测速实验.100实验十六磁电式转速传感器测速实验. 101实验十七压电式传感器测振动实验.101实验十八电涡流传感器位移实验.102实验十九被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验.104实验二十光纤传感器的位移特性实验. 104实验二十一光电转速传感器测速实验. 105实验二十二利用光电传感器控制电机转速.106实验二十三温度源的温度控制调节实验.
7、119实验二十四 APT100 铂电阻测温特性实验.122实验二十四 BPT100 铂电阻测温特性实验.124实验二十五 A铜热电阻测温特性实验.126实验二十五 B铜热电阻测温特性实验.127实验二十六 AK 型热电偶测温性能实验. 128实验二十六 BK 型热电偶测温性能实验. 130实验二十七 AK 型热电偶冷端温度补偿实验. 132实验二十七 BK 型热电偶冷端温度补偿实验.134实验二十八 AE 型热电偶测温性能实验.137实验二十八 BE 型热电偶测温性能实验. 138实验二十九 A集成温度传感器(AD590)温度特性实验.139实验二十九 B集成温度传感器(AD590)温度特性实
8、验.140实验三十气敏传感器实验. 142实验三十一湿敏传感器实验. 143实验三十二数据采集系统实验静态采集举例.144实验三十三数据采集系统实验动态采集举例.144实验三十四发光二极管（光源）的照度标定实验. 145实验三十五光敏电阻特性实验.146实验三十六光敏二极管的特性实验.149实验三十七光敏三极管特性实验.151实验三十八硅光电池特性实验.153实验三十九光电开关实验. 154附表：常用热电阻、热电偶分度表.156参考文献.161- 7 -第一部分第一部分传感器与检测技术的理论基础传感器与检测技术的理论基础第一章电阻式传感器第一节电阻应变式传感器一、应变片的类型和材料应变片可分为
9、金属电阻应变片及半导体应变片两大类。这里以金属电阻应变片为例。金属电阻应变片分金属丝式、金属箔式和金属薄膜式三种。1. 金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。图 1-1 所示为回线式应变片，它的敏感栅丝的直径在图 1-1丝式应变片0.012mm0.05mm， 以 0.025mm 左右为最常用， 丝线的曲率半径 r为 0.1mm0.3mm， 基片用厚度为 0.03mm左右的薄纸（称纸基），用黏结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。引线多用 0.15mm0.30mm 直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部
10、的变形使其横向效应较大。为了克服横向效应，有短接式应变片。两端用直径比栅丝直径粗 510 倍的镀银丝短接而成。由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用较少。丝式应变片敏感栅的材料要求是：灵敏系数高，电阻率高,稳定性好，温度系数小，机械强度高，抗氧化，耐腐蚀。常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。2金属箔式应变片- 8 -图 1-2 为金属箔式应变片。金属箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为 0.003mm0.01mm 的电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状，图 1-2金属箔式应变片它的优点是：（1）可制成多种复
11、杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长最小可做到 0.2mm，以适应不同的测量要求。（2）与被测试件接触面积大，黏结性能好。散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度。（3）横向效应可以忽略。（4）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。它的主要缺点是电阻值的分散性大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值调整。3. 金属薄膜应变片金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在 0.1m 以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在-197317温度下工作。主要问题是，尚难控制其电阻与温度和时间的变化关
12、系。二、应变片的工作原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为 L、截面积为S、电阻率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为（1-1）当金属电阻丝受到轴向拉力F F作用时，将伸长L，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（11）全微分，并用相对变化量来表示，则有:SSLLRR(1-2)- 9 -图 1-3电阻丝拉伸应变示意图式中的LL为电阻丝的轴向应变，用表示。若径向应变为r/r，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为：LLrr，因为S/S2(r/r)，则（12）式可以写成LLKLLL
13、LLLRR0)/21 ()21 (（13）公式（13）为“应变效应”的表达式。k0称为金属电阻的灵敏度系数，由式（13）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是/（），是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则k01+2，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常金属丝的灵敏度系数k0=27 左右。三、应变片的常用材料及粘贴技术1常用材料（1） 4YC3：4YC3 是 Fe-Cr-Al 系 550高应变电阻合金，其电阻率高，电阻温度系数低，
14、热稳定性好，主要用于工作温度550的电阻应变计。（2） 4YC4：4YC4 是 Fe-Cr-Al 系 750高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数低，尤其是在 600以上有较好的热输入和重现性低的零飘。合金主要用作工作温度750的电阻应变计，用于大型汽轮机、航空、原子反应堆等领域中静态和准静态测量。（3） 4YC8：4YC8 铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电阻应变计，其温度自补偿性能及其它技术指标符合电阻应变计 标准规定的 A 级产品质量要求。 箔材平均热输出系数 ct1，而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示为（4-9）由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电
15、压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为(4-10)放大器的输出灵敏度取决于 Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容 Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容 Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。FCCCduaciiQCaCcCiRaRiCfRfNfffifCAUACUAUCUUQ0000)1 ()()(ffaciCAUAQCAUAQCCCAU000)1 ()1 ()(faciCACCCAQU)1 (0fCQU0fCQ
16、UK10- 32 -第五章霍尔传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前，霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。一、霍尔效应在置于磁场的导体或半导体中通入电流，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横向电位差， 这种现象称为霍尔效应。 利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。 见图 5-1，半导体材料的长、宽、厚分别为 l、和。在与轴相垂直的两个端面和上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压，材料中便形成一个沿方向流动的电流，称为控制电流。图 5-1霍尔效应设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用1F表示，大小为：FL=qvB(6-2-1)式中，q 为载流子电荷；为载流子的运动速度；为磁感应强度。在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B 两端面因电荷积累而建立了一个
