10级传感技术综合实验指导书(12年).doc

传感技术综合实验指导书自动化学院测控技术与仪器教研室2012年9月目 录实验一 传感器测量特性实验1实验1 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验1实验2 磁电式转速传感器测速实验4实验3 压阻式传感器测压力实验5实验4热电阻测温特性实验6实验5 热电偶测温实验8实验二 传感器测位移实验10实验1 差动变压器测位移实验10实验2 霍尔传感器测位移实验12实验3 电涡流传感器测位移实验14实验三 传感器测量振动实验15实验1 压电式传感器测振动实验15实验2 电涡流传感器测振动实验17实验3 电容式传感器测振动实验19实验四 光纤传感器测量振动实验21实验五 led光电转换特性实验24实验六 光电探测器相对光谱响应度测试实验26实验一 传感器测量特性实验实验1 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验1. 实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，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。2. 实验原理：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：r / r=k式中r / r为电阻丝电阻相对变化，k为应变灵敏系数，=l / l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uo1=ek/4、半桥输出电压uo2=ek/2、全桥输出电压uo3=ek。3. 需用器件与单元：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、金属应变片、f/v表、主、副电源。4. 实验步骤：1. 了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。2. 将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（）、负（）、地短接。将差动放大器的输出端与fv表的输入插口vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使fv表显示为零，关闭主、副电源。3. 根据图1-1接线，r1、r2、r3为电桥单元的固定电阻。rx为应变片；将稳压电源的切换开关置4v档，fv表置20v档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的w1，使fv表显示为零，然后将fv表置2v档，再调电桥w1（慢慢地调），使fv表显示为零。图1-1 电桥实验面板4. 将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使fv表显示最小，再旋动测微头，使fv表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。5. 分别向上、向下旋动测微头，使悬臂梁的自由端产生正、负位移，记下fv表显示的值。建议每旋动测微头一周，即x0.5mm记一个数值填入下表：表1-1 单臂电桥实验数据位移（mm）0电压（mv）06. 将图1-1中的rx、r1、r2、r3其中两个换成金属应变片（注意应变极性！），构成双臂半桥，重复上述步骤（4）、（5）。记录数据，填入下表：表1-2 双臂半桥实验数据位移（mm）0电压（mv）07. 将图1-1中的rx、r1、r2、r3全部换成金属应变片（注意应变极性！），构成全桥，重复上述步骤（4）、（5）。记录数据，填入下表：表1-3 全桥实验数据位移（mm）0电压（mv）08. 实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。五. 注意事项：1. 电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。2. 三个实验中的放大器增益必须相同。3. 做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。六. 作业与思考题：1 根据表1-1至1-3计算三种情况下系统的灵敏度s，得出三种情况的灵敏度大小关系。s=u/w（u为输出电压变化量；w为重量变化量）。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如图1-2，画图说明如何利用这四片电阻应变片组成电桥？是否需要外加电阻？图1-2 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验2 磁电式转速传感器测速实验一实验目的：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匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势发生变化，因此当转盘上嵌入n个磁棒时，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：磁电传感器、数显单元测转速档、转动调节224v转动源单元。四实验步骤：1 磁电式转速传器按图1-3安装。传感器端面离转动盘面2mm左右，并且对准反射面内的磁钢。将磁电式转速传器输出端插入数显单元fin孔。（磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）磁电式传感器图1-3 磁电式传感器测转速安装示意图2 将波段开关选择转速测量档。3 将转速调节电源224v用引线引入到台面板上转动单元中转动电源224v插孔，合上主控箱开关，使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况，并记录驱动电源电压值及相应的转速值。表1-4 电源电压v与转速值rv(v)r(r/s)五作业与思考题：为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动？实验3 压阻式传感器测压力实验一实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。二基本原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出p型或n型电阻条接成电桥。在压力作用下，根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。三需用器件与单元：主、副电源、直流稳压电源、差动放大器、f/v显示表、压阻式传感器、“u”形管 及其加压配件或压力计。四实验步骤：1 了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。2 如图1-4将传感器及电路连好，注意接线正确，否则易损坏元器件，差放接成同相反相均可；图1-4 压阻式传感器连线图3 接好传感器供压回路，开启主、副电源-，调整差放零位旋钮，使电压表指示尽可能为零，记下此时电压表读数。拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使在414kp之间每上升1kp分别读取压力表读数，记下相应的数显表值于表1-5。表1-5 压力传感器输出电压与输入压力值压力（kpa）电压（mv）实验4热电阻测温特性实验一实验目的：了解热电阻的特性与应用。二基本原理：利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0630.74oc以内，电阻rt与温度t的关系为： r0系温度为00c时的电阻。本实验r0=100，at=3.968410-2/oc，bt=5.84710-7/oc，铂电阻是三线连接，其中一端接两根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。三需用器件与单元：加热源、k型热电偶、pt100热电阻、温度控制电源、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。四实验步骤：图1-5 热电阻测温特性实验1 将pt100铂电阻三根线引入rt的a、b上：用万用表欧姆档测出pt100三根引线中其中短接的两根线接b端和r0端。这样rt与r3、r1、rw1、r4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。rw1中心活动点与r5相接，见图1-5。2 在端点a与地之间加直流源4v，合上主控箱电源开关，调rw1使电桥平衡，桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。注意此时不能应用实验台上的数显表，应使用独立的万用表测量输出电压。3 加15v运放电源，调rw3使uo2=0，接上数显单元，拨到2v电压显示档，使数显为零。4 在常温基础上，将设定温度值按t=5oc读取数显表值。将结果填入表1-6。表1-6 铂电阻热电势与温度值t()v(mv)五作业与思考题：如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？实验5 热电偶测温实验一实验目的：了解热电偶测量温度的特性与应用范围。二基本原理：当两种不同的金属组成回路，产生的两个接点有温度差，会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。三需用器件与单元：热电偶k型、e型、加热源、温度测控仪、数显单元。四实验步骤：1 将k型热电偶插入到主控板上用于温度设定。（注意：黑色k型，红色e型）2 将e型热电偶插入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上。热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端。将a、b端与r5、r6相接。3 设定温度值t=40oc。将r5、r6短路接地，接入15v电源，打开主控箱电源开关调节rw3使uo2=0（见图1-6），将uo2与数显表单元上的ui相接。调节rw3使数显表显示零位。（主控箱电压选2v档）图1-6 热电偶传感器测温实验接线图4 去掉r5、r6短路接线，将a、b端与放大器r5、r6相接，调rw2使信号放大到比分度值大10倍的毫伏值（因放大器性能限制，此步骤可略）。5 在40与150之间设定t=5oc。读出数显表头输出电势与温度值，并记入表1-7。表1-7 e型热电偶热电势与温度数据t()v(mv)五作业与思考题：简述热电偶测温的基本原理。附：分度表温度测量元件-50050100150200300400热电偶e03.0476.3179.78713.14921.03328.943k02.0224.0956.1378.13712.0273.261热电阻cu5039.245060.771.482.13pt10080.3100119.4138.5157.31175.84212.02247.04温度测量元件5006008001200140016001800热电偶e36.99945.08561.066k3.2615.2377.34511.94714.36816.771热电阻cu50pt100280.90313.59375.57实验二 传感器测位移实验实验1 差动变压器测位移实验一实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。二基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，由二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测物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少。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：差动变压器、测微头、双线示波器、音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。四实验步骤：1 根据图1接线，将差动变压器、音频振荡器（必须lv输出）、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2v。图2-1 差动变压器传感器连线图2 转动测微头使测微头与振动平台吸合。旋动测微头，使传感器输出通道显示的波形峰-峰值为最小。这时可以上下位移，假设其中一个方向为正位移，则另一个方向为负位移。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2-1。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表2-1 差动变压器位移与输出电压数据表x(mm)0v(mv)vp-pmin3 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。五作业与思考题：1 根据表2-1画出vop-px曲线，计算灵敏度。（式中为电压变化，为相应振动平台的位移变化），作出关系曲线。2 画出由差动变压器传感器终到指示单元的信号调理电路功能框图。实验2 霍尔传感器测位移实验一实验目的：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uh=khib，当霍尔元件在磁场空间中所处的位置不同，其磁场强度b的大小和方向就不同。因此，通过测量霍尔电压的大小和极性就可测出霍尔元件的位移。三需用器件与单元：霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、fv表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。四实验步骤：1 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。2 开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图2-2接线，、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。图2-2 霍尔传感器连线图3 装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。4 开启主、副电源调整使电压表指示为零。5 旋转测微头正向轴向方向推进，每转动0.5mm记下一个读数，直到读数近似不变。再反向旋转测微头，使数显表显示为零，找到位移零点。继续旋转测微头反向轴向方向推进，每转动0.5mm记下一个读数，直到读数近似不变。将读数填入表2-2（可添加表格）。表2-2霍尔传感器位移与输出电压值x(mm)0v(mv)0五作业与思考题：1根据表2-2作出v-x曲线，分析其非线性产生的原因。2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？实验3 电涡流传感器测位移实验一实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。三需用器件与单元：涡流变换器、fv表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。四实验步骤：1 装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。2 观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。3 用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至fv表，电压表置于20档，开启主、副电源。图2-3 电涡流传感器安装示意图4 适当调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示波器及电压表的数值，填入下表：建议每隔0.10mm读数，到线性严重变坏为止。将结果填入表2-3。表2-3 电涡流传感器位移与输出电压数据x(mm)0v(v)0五作业与思考题：根据表2-3中的数据，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区域。实验三 传感器测量振动实验实验1 压电式传感器测振动实验一实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比与加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比与运动加速度的表面电荷。三需用器件与单元：低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、表、主、副电源、振动平台。四实验步骤：1 压电传感器已装在振动台面上。2 观察压电式传感器的结构，根据图3-1的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。图3-1 压电传感器实验连线图3 将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。将激振信号接入示波器的一个通道，示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形。 4 合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动，观察并记录示波器波形的幅值与频率。令vi为低频振荡器激振电压峰-峰值，vo为传感器输出电压峰-峰值；令fi为低频振荡器激振电压频率，fo为传感器输出电压频率。将测量数据记录在下表中。a) 振动频率固定，改变振幅测幅特性。固定fi=（）。vivob) 振动幅度固定，改变振频测频特性。固定vi=（）。fifo5 用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形的相位关系。五作业与思考题：压电式传感器是否适宜测量低频振动？如何降低其振动测量的低频限？实验2 电涡流传感器测振动实验一实验目的：了解电涡流传感器测量振动的工作原理与方法。二基本原理：根据电涡流传感器动态特性和位移特性，选择合适的工作点即可测量振幅。三需用器件与单元：电涡流传感器、涡流变换器、差动放大器、电桥、铁测片、直流稳压电源、低频振荡器、激振线圈、fv表、示波器、主、副电源。四实验步骤：1 转动测微器，将振动平台中间的磁铁与测微头分离，使梁振动时不至于再被吸住（这时振动台处于自由静止状态），适当调节涡流传感器头的高低位置（目测）。2 根据图3-2的电路结构接线，将涡流传感器探头、涡流变换器、电桥平衡网络、差动放大器、 fv表、直流稳压电源连接起来，组成一个测量线路（这时直流稳压电源应置于4档），fv表置20v档，开启主、副电源。图3-2 电涡流传感器实验连线图3 调节电桥网络，使电压表读数为零。4 卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。将差动放大器的输出与示波器连起来，将fv表置khz档，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。5 分别保持振动台的振动频率、振动幅度不变，改变振动幅度、振动频率，可测出相应的传感器输出电压峰-峰值。记录实验数据。令vi为低频振荡器激振电压峰-峰值，vo为传感器输出电压峰-峰值；令fi为低频振荡器激振电压频率，fo为传感器输出电压频率。将测量数据记录在下表中。a) 振动频率固定，改变振幅测幅特性。固定fi=（）。vivob) 振动幅度固定，改变振频测频特性。固定vi=（）。fifo五作业与思考题：1 简述电涡流传感器测位移原理。2 设计测量金属板材厚度的电涡流传感器测量系统，简述其测量原理。实验3 电容式传感器测振动实验一实验目的：了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。二基本原理：利用电容传感器动态响应良好，可以非接触测量等特点进行动态位移测量。三需用器件与单元：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、v表、激振器、示波器。四实验步骤：1 按图3-3接线。图3-3 电容传感器实验连线图2 卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。3 主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相连，振动频率选612hz之间，幅度旋钮初始置零。4 保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。从示波器测出传感器输出的vo峰-峰值。保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的vo峰-峰值。自制表格记录两种情况下输入与输出的量值。选择画出一幅图形，标明低频振荡器的频率或幅度。令vi为低频振荡器激振电压峰-峰值，vo为传感器输出电压峰-峰值；令fi为低频振荡器激振电压频率，fo为传感器输出电压频率。将测量数据记录在下表中。a) 振动频率固定，改变振幅测幅特性。固定fi=（）。vivob) 振动幅度固定，改变振频测频特性。固定vi=（）。fifo五作业与思考题：根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量c0和移动0.5mm时的变化量。（本实验外圆半径r=8mm，内圆柱外半径r=7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l=16mm）实验四 光纤传感器测量振动实验一实验目的：了解光纤位移传感器的静态特性和动态特性。二基本原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应特性，配以合适的测量电路即可测量振动。三需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模板、振动源单元、低频振荡器、动态测量支架、检波、滤波实验模板、数显表、示波器、反射面、相关元器件。四实验内容及要求：1 合理设计光纤传感器振动测量系统，包括传感器的安装，信号调理电路的设计。提示步骤：a) 按图4-1所示连接电路图。通过静态特性实验，得出光纤传感器测位移的输入输出特性。确定传感器安装高度及所设计的测振系统的振幅峰-峰值测量范围。图4-1 光纤传感器实验连线图b) 光纤传感器安装图参见图4-2。调整光纤传感器与被测振动体平衡位置间的距离，光纤探头对准被测振动体上的反射面。光纤传感器连桥板工作平台被测振动体图4-2 光纤传感器振动测量安装图2 通过实验，客观评价所设计的光纤测振系统的静态特性（测量范围、灵敏度、线性度、测量精度）、动态特性（测频范围、响应速度）。提示步骤：a) 利用所设计的测振系统对实验台上的振动源进行测量。将频率档选择在615hz左右，调整振动激励源电压的幅度和频率，注意不能使振动台面碰到传感器。b) 保持振动频率不变，改变振动幅度（但不能碰撞光纤探头），观察并记录示波器波形及峰-峰值；n 振动频率固定，改变振幅测幅特性。固定fi=（）。vivoc) 保持振动幅度不变，改变振动频率，观察并记录示波器波形及频率。n 振动幅度固定，改变振频测频特性。固定vi=（）。fifo3 画出基于单片机的光纤传感器测振系统（包括测幅和测频）的硬件结构框图，写出各部分硬件的作用及其输入、输出信号的形式。五作业与思考题：题图（a）是光纤传感器测振系统安装图，题图（c）是光纤传感器测振系统输出电压失真波形。(1) 分析出现如图（c）输出电压波形的原因，及系统调整方法。(2) 确定题图（c）电压输出曲线上各点对应题图（b）中振动的位置。当振动平衡位置x0（即工作点）位于光纤传感器测位移输出特性的正、负线性区（即灵敏度s大于或小于零）两种情况时：n 正线性区（即灵敏度s大于零）：1对应（）；2对应（）；3对应（）；4对应（）；n 负线性区（即灵敏度s小于零）：1对应（）；2对应（）；3对应（）；4对应（）；光纤传感器振动台x题图（a） 测振系统振动位移xt向上向下f题图（b） 振动台的位移x0cedbaght01234传感器输出电压v波形题图（c） 传感器输出电压实验五 led光电转换特性实验一实验目的了解光敏二极管的特性，当光电管的工作偏压一定时，光电管输出光电流与入射光的照度（或通量）的关系，了解光敏二极管在控制电路中的具体应用。二实验仪器和设备光敏二极管、直流稳压电源、照度测量器件、采样电阻、照度表、光源、微安表、跟随器，比较器i，比较器ii、f/v表。三实验原理光敏二极管是一种光生伏特器件，用高阻p型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成pn结。n区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射子入射到耗层内。光被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压vbb的作用下，空穴流向正极，形成了二极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻rl后产生电压信号输出。图5-1所示为光敏灯控实验单元的实际电路，当光照度下降时采样电阻中vo电压下降，当电压小于比较器+输入端电压时，比较器输出高电平，晶体管t导通，集电极负载led电流增大使led发光，这是一个暗通电路。四实验步骤1 了解所需单元、部件在实验仪上的位置、观察光敏二极管的结构。2 测量光敏二极管的光电特性：光敏二极管的光电特性是指当工作偏压一定时，光电管输出光电流与入射光照度（或通量）的关系。按图1接线，+vcc选择在+4v，负载电阻调制最大（最大为12k，事先也可用万用表测得），打开光源改变照度（方法如下），并记录微安表的读数填入下表： 光强（lx）02004008001000电流（ua）注：光强调节方法：将光源探头移到照度测量处，调节前后位置使照度表显示最大，然后调节亮度调节旋钮，观察照度表调至所需要的照度值。然后移回到光敏电阻处使微安表显示最大处，调节时可移出遮光罩防止外界光干扰。测试光电流时要注意不能使电路中的微安表指针打表。 3 光敏二极管在控制电路中的应用：a) 副电源打开，如图5-2接线，采样电阻旋至最大，光敏电阻在环境光照下，调节比较器i，使发光管刚好熄灭。b) 改