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1、控制基础实验传感器与自动检测方向实验指导书 张毅 李学勤 编著 王恒 修订重庆邮电学院自动化学院2010年9月目 录CSY-2000型传感器系统实验仪介绍.1实验一 电阻式传感器测量方法及测控电路.5实验二 电容式传感器及热敏电阻测控电路9CSY-2000型传感器系统实验仪介绍本仪器是专为传感器与自动检测技术课程的实验而设计的，系统包括差动变压器、电涡流位移传感器、霍尔式传感器、热电偶、电容式传感器、热敏电阻、光纤传感器、压阻式压力传感器、压电加速度计、压变式传感器、PN结温度传感器、磁电式传感器等传感器件，以及低频振荡器、音频震荡器、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、涡流变换器等信
2、号和变换器件，可根据需要自行组织大量的相关实验。为了更好地使用本仪器，必须对实验中使用涉及到的传感器、处理电路、激励源有一定了解，并对仪器本身结构、功能有明确认识，做到心中有数。在仪器使用过程中有以下注意事项：1、 必须在确保接线正确无误后才能开启电源。2、 迭插式插头使用中应注意避免拉扯，防止插头折断。3、 对从各电源、振荡器引出的线应特别注意，防止它们通过机壳造成短路，并禁止将这些引出线到处乱插，否则很可能引起一起损坏。4、 使用激振器时注意低频振荡器的激励信号不要开得太大，尤其是在梁的自振频率附近，以免梁振幅过大或发生共振，引起损坏。5、 尽管各电路单元都有保护措施，但也应避免长时间的短
3、路。6、 仪器使用完毕后，应将双平行梁用附件支撑好，并将实验台上不用的附件撤去。7、 本仪器如作为稳压电源使用时，15V和010V两组电源的输出电流之和不能超过1.5A，否则内部保护电路将起作用，电源将不再稳定。8、 音频振荡器接小于100的低阻负载时，应从LV插口输出，不能从另外两个电压输出插口输出。9、 本仪器应与电网地线可靠连接，不能只用两根线供电，否则将会有严重的干扰，对人身也不安全。实验台简介：双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器可做静态或动态测量。变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。一、传感器1、金属应变式传感器
4、铂式应变电阻值：3504，温度补偿片2。2、热电偶(热电式)传感器直流电阻：10左右，由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T，冷端温度为环境温度。3、差动变压器量程:5mm 直流电阻：510由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体，暗电阻 0.1m。4、电涡流位移传感器：量程：3mm，直流电阻:12,多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。5、霍尔式传感器日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中,量程: 3mm 。6、磁电式传感器直流电阻：3040，由线圈和铁芯组成，灵敏度：0.5v/m/s。7、压电加速度传感器PZT-5双压电晶片和铜质
5、量块构成。谐 振频率：-35KHz。8、电容式传感器 量程：5mm， 由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容传感器。9、压阻式压力传感器量程：15Kpa，供电：4V，MPS压阻式压力传感器。10、光纤传感器光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围：1mm，红外线发射、接收，260股丫形、半圆分布。11、PN结温度传感器利用半导体PN结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，灵敏度：-2mV/。12、热敏电阻半导体热敏电阻 NTC：温度系统为负，25时为10K 。13、气敏传感器TP-3：酒精 测量范围：502000ppm 。14、湿敏电阻 高分子薄膜电阻型：RH:几M几K，响应时间
6、：吸湿、脱湿小于10秒。湿度系数：0.5 RH%/，测量范围：10%R11-95%RH，工作温度：0-50。15、光电传感器由光耦、达林顿输出及整形电路组成，n2400r/min。二、信号及变换： 电桥：用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交，直流调平衡网络。差动放大器：通频带0-10kHz，可接成同相，反相，差动输入结构，增益为1-100倍的直流放大器。电容变换器：由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。电压放大器：增益约为5 倍，同相输入，通频带0-10KHz移相器：允许最大输入电压10Vp-p，移相范围20（50kHz时）相敏检波器：可检波电压频率0-10kHz，允许最大输入电压
7、10Vp-p，极性翻转整形电路与电子开关构成的检波电路。电荷放大器：电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz。涡流变换器： 输出电压8V（探头离开被测物）。变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件。光电变换座：由红外发射、接收管组成。 三、二套显示仪表数字式电压/频率表：3位半显示，电压范围0200V、020V，频率范围3Hz2KHz、10Hz20KHz。指针式毫伏表：分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。四、二种振荡器音频振荡器： 0.4KHz10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，0、180反
8、相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。低频振荡器：130Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。五、二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。六、电加热器二组由电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30左右的升温。七、测速电机一组 由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。八、二组稳压电稳直流15V，主要提供高性能低文波小数温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。2v10v五档输出，最大输出电流1A
9、。提供直流激励源。实验一 电阻式传感器测量方法及测控电路一、实验目的1、 从理论上了解金属箔式应变片的平衡电桥直流单桥、半桥和全桥的工作原理和工作情况。2、 了解金属箔式应变片的实际应用测力。二、实验器材CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：直流稳压电源、电桥、差动放大器、称重传感器、电压表、砝码三、实验原理1、 金属箔式应变片可以把应变的变化转化为电阻的变化，如果应变是由外力引起的，则电阻变化反映了外力的变化。2、 为了显示和记录应变的大小，就必须将电阻的变化通过测量电桥电路转化为电压或电流的变化。3、 测量电桥主要有平衡电桥和不平衡电桥两种，前者常用直流供电，并且在测试
10、前和测试时需要两次平衡，一般用于静态应变测量；后者是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，可满足动态应变的测量需要。四、实验步骤1、 观察整个传感实验仪的结构。2、 在确保线路正确接好之后才能开启电源。3、 旋钮初始位置为直流稳压电源2V档，电压表2V档。4、 将差动放大器调零。差动放大器调零方法：用实验线将差动放大器的正负输入端和地端连接起来，将增益顺时针调到最大位置，然后将差动放大器输出端接到电压表的输入插口，打开电源，调整差动放大器的调零旋钮使电压表的示数为零。5、 差动放大器调零后，关闭电源，拆除接线，差动放大器增益置中。6、 根据图1所示的电路结构，利用电桥单元上的接
11、线插孔和调零网络连接好测量线路（差动放大器接成同相或反相均可）。图1 单桥接线图7、 装上传感器称重托盘。8、 将直流稳压电源转换到4V档，预热数分钟，调整电桥平衡电位器使电压表示数为零。9、 为保证实验中输出指示不溢出，可先将10只20克的砝码全部放到托盘上，如果指示溢出，适当减小差动放大器增益直至不溢出。在传感器托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一个砝码记下一个数值。10、 按同样的步骤搭建如下的半桥电路和全桥电路并进行测量。为了方便对比数据，注意保持差动放大器的增益旋钮位置不变。图2 半桥接线图图3 全桥接线图五、实验数据及处理W（g）单桥V（v）半桥V（v）全桥V（v）
12、根据所得数据计算系统灵敏度S，并作出V-W关系曲线。 ，V为电压变化率，W为相应的重量变化率。六、注意事项1、 电桥上端虚线表示的四个电阻实际并不存在，仅作为一个标记供参考。2、 当某个应变片电阻变化不明显时，可尝试接其余的应变片来改善效果。3、 为确保实验中输出指示不溢出，可先将砝码加到最大重量，如果溢出则适当减小差动放大器的增益。4、 在做此实验时，低频振荡器的幅度关到最小，以减小它对直流电桥的影响。七、问题与思考1、 比较三种电桥的灵敏度，并说明系统灵敏度与哪些因素有关。2、 单臂单桥改为差动全桥，不仅可以提高系统的灵敏度，还可以改善电桥的非线性。试用公式推导并加以说明。实验二 电容式传
13、感器及热敏电阻测控电路一、实验目的1、了解差动式电容传感器的原理2、了解差动式电容传感器的特性3、通过实验计算出系统的灵敏度4、了解NTC热敏电阻的热敏现象，即观察其电阻值随温度的变化情况。二、实验器材CSY2000型传感器系统实验仪，本实验使用部件及单元有：电容传感器、差动放大器、低通滤波器、V/F表、激振器、热敏电阻三、实验原理1、电容式位移传感器图1：直线位移电容传感器原理电容传感器是以电容为传感元件，将被测物理量变化转变为电容量变化进行测量的，平板电容器的电容为：式中，为极板面积，为极板间介电系数，为相对介电系数，为真空介电系数（常数），为极板间距离，由上式可知，、发生变化就会引起电容
14、变化。变面积式电容传感器就是利用极板面积的变化进行位移变化测量的。图1为直线位移电容传感器原理。当动极板移动后，面积就改变，电容也发生改变，值为：从而电容的变化值为：灵敏度为：由此可见，变面积电容式传感器的输出特性是线性的，其灵敏度为常数，增大极板边长，减小极板间隙可以提高灵敏度，为了避免边沿电场影响其线性特性，极板另一边长度不宜过小。2、热敏电阻1）热敏电阻分类及主要用途热敏电阻的温度系数有正有负，因此分为PTC热敏电阻（正温度系数）和NTC热敏电阻（负温度系数）。PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，常用于恒温加热控制或温度开关，也可用于彩电中自动消磁元件，功率型PTC也可作为发热元件使用，缓变型PTC则用于温度补偿或温度测量。NTC热敏电阻的测量范围通常较宽，在-50-+300，主要用于温度测量，在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛用于自动控制和电子线路的热补偿线路中，具有体积小，重量轻，热惯性小，工作寿命长，价格便宜等优点，并且本身电阻值大，可忽略引线长度带来的误差，适用于远距离传输。其缺点主要是非线性大，稳定性差，有老化现象，误差较大，一致性差等，一般只用于低精度的温度测量。2）热敏电阻的特性和参数热
