检测技术基本实验指导书09年4月.doc

华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书信号与控制综合实验实验指导书第三分册 检测技术基本实验华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心2009年4月目 录实验实验十九 霍尔式传感器的直流激励特性3实验二十应变式传感器的研究5实验二十一 温度传感器测温实验10热电偶测温实验热敏电阻测温实验PN结测温实验实验二十二 差动变压器的标定14 相敏检波器的工作原理差动变压器的性能检测差动变压器零残电压的补偿差动变压器的标定实验二十三 超声波传感器距离测量18实验二十四PT100铂热电阻测温实验21附录传感器系统实验仪使用说明23实验指南28第三章 检测技术基本实验实验十九 霍尔式传感器的直流激励特性一、 实验目的了解霍尔式传感器的结构、工作原理，霍尔元件控制电路和信号调理电路的特点，学会用霍尔传感器做静态位移测试。二、 实验原理霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。三、 实验所需部件直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头四、 实验步骤 实验操作台 实验接线图图2-1 霍尔式传感器实验电路图1 差动放大器调零。差动放大器增益置合适位置（增益电位器顺时针方向旋到底为100倍，逆时间旋到底为1倍），“+、-”输入端用实验线对地短接，输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。调零后 “调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。2 按图2-1接线，调节实验台顶端右侧的振动圆盘上、下位置，目测霍尔元件位于梯度磁场中间位置。开启电源(注意:直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件)。调节测微头和电桥WP，使差放输出为零。3 旋动测微头使霍尔元件在梯度磁场中上、下有一个较大的位移，用电压表观察系统输出是否正负对称。如不对称则需重新调节霍尔元件在梯度磁场中间位置，直到正负输出对称为止。4 上、下移动测微头各3.5，每变化0.5读取相应的电压值并记录下来。做出V-X曲线，求出灵敏度及线性。五、 思考题1、电压控制型和电流控制型的霍尔元件有何不同？并各给出一种具体的型号加以说明。为什么本次试验中的霍尔元件直流激励电压不能超过规定的大小？2、为什么传感器的信号调理电路一般采用差动放大电路？3、如何利用霍尔传感器作一电子秤来称重？试说明基本思路和做法。4、当霍尔元件进入均匀磁场时，霍尔电压是否仍随位移量的增加而线性增加？六、 实验预习和实验报告要求1、明确本次实验的目的和任务，预习有关霍尔元件的特性、霍尔传感器的结构及工作原理；对霍尔元件控制电路和信号调理电路的要求。2、实验报告要求：（1）画出实验原理框图；（2）记录、整理实验数据、表格，画出有关曲线并计算灵敏度、非线性度。（3）回答思考题。实验二十应变式传感器的研究一、 实验目的：1、 了解金属薄式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式；2、 测试应变梁形变的应变输出；3、 比较金属薄式应变片单臂、半桥及全桥的性能。二、 实验原理：应变片是一种将机械构件的应变转换为电阻值变化的变换元件，一般做成片状，简称为应变片。应变片按材料的不同有金属应变片和半导体应变片。应变片是最常用的测力的传感元件。当用应变片测试时，应变片应牢固的粘贴在测试体表面，当测试件受力发生形变，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，通过电桥电路，将电阻值的变化转换成电信号输出。图1-1常用电桥测量电路金属薄式应变片最常用的电桥测量电路如图1-1所示，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零。图中桥臂四个电阻为R1、R2、R3和R4，电阻的相对变化率分别为、和，当使用一个应变片时，若设图中R2为应变片，其他三臂为固定电阻，则构成单臂电桥电路。这时输出电压V的表达式为：公式中：为电阻R2所对应的应变值；K为应变片灵敏度系数。 当用两个应变片（如图1-1R2、R3为应变片时）组成半桥差动工作状态时，对应的电桥输出电压为：当桥路中四个桥臂均为应变片，并且构成全桥差动电路时，电桥的输出电压：电桥的电压灵敏度（）对于单臂、半桥及全桥分别为、和US。由此可知，当US和电阻相对变化一定时，电桥的电压灵敏度KU与各桥臂阻值无关。电桥输出电压UO经差动放大器后，由位数字直流电压表显示悬臂梁的应变。本实验采用的一付平行悬臂梁在CSY系列传感器系统实验仪的左侧，如图1-2所示，梁的上表面和下表面对应地贴有八片应变片，其中六片为金属薄式应变片（BHF-350），在六片中有四片为梁上表面和下表面的工作应变化，分别用符号和表示，另外两片为横向粘贴的温度补偿片，用符号和表示。还有两片为半导体应变片。图1-2应变片分布位置三、 实验任务：1、 观察应变片的结构及粘贴方式；2、 差动放大器的调零：差动放大器增益置100倍（增益电位器顺时针方向旋到底）“+、-”输入端用实验线对地短接。输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。调零后 “调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。3、 单臂工作情况测试：（1） 按图1-3所示电路连接实验线路，电路中R1、R2、R3和WD为电桥中的固定电阻和直流平衡电位器，R1=R2=R3=350,电桥电压为4V，R为应变片（可选上、下梁中的一片工作片）； 实验操作台 图1-3单臂工作测试实验线路（2） 测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢，用以调节使应变梁处于基本水平状态。（3） 确认接线无误后，开启总电源，调节电桥直流平衡电位器WD，使测试系统输出为零（用数字电压表监视）；（4） 转动测微头，记录应变梁向上位移及数字电压显示的电压值。每移位0.5记录一对应电压值，共上移5。并记录数据列表如下：位移量（）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压值（V）根据表中所测数据计算系统灵敏度S，（）和电桥电压灵敏度并做出V-X关系曲线。4、 半桥和全桥工作性能测试。（1） 在完成实验任务3的基础上，不改变差动放大器的增益和调零电位器，依次将图1-3中的R1、R2、R3换成金属薄式应变片，分别接成半桥（图1-4）和全桥（图1-5）测试系统；（2） 重复实验任务3中（2）-（4）步骤，测出半桥和全桥输出电压数据并记录列表，计算灵敏度。图1-4半桥测试实验线路图1-5全桥测试实验线路四、 实验注意事项：1、 实验前应检查实验接线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线；2、 接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时应轻轻把反方向转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂；3、 认真检查实验接线，确认接线无误并经指导教师检查后才能启动仪器电源，仪器内部稳压电源（2V、4V、6V、8V、10V、15V）不能对地短路。4、 接入半桥和全桥的应变片须注意其受力方向，使其接成差动式。五、 思考题：1、 金属电阻应变片和半导体应变片工作原理上有哪些不同？2、 什么是传感器差动结构？传感器采用差动结构有什么优点？六、 实验预习和实验报告要求：1、 认真复习电阻应变式传感器的工作原理及测量电路有关章节。2、 认真阅读本实验的指导书。实验内容、步骤以及概念不清楚，不得进行实验。3、 熟悉CSY10A系列传感器系统实验仪的结构布置、使用办法及注意事项。4、 实验报告内容：（1） 用坐标纸绘制单臂、半桥、全桥情况下，悬臂梁向上位移时，输出电压V0与位移量X的关系曲线，并按端基法计算非线性误差；（2） 分别计算单臂、半桥、全桥时的电桥电压灵敏度KU和系统灵敏度S。（3） 对实验结构讨论；（4） 完成思考题。七、 实验仪器设备：CSY10A型传感器系统实验仪一台数字万用表一个 实验二十一 温度传感器测温实验一、 实验目的1、 了解热电偶、金属热电阻、热敏电阻及PN结温度传感器的结构，熟悉他们的工作特性；2、 比较热电偶、金属热电阻、热敏电阻及PN结温度传感器的工作原理、性能、特点及应用场合。二、 实验原理热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生电动势。通过测量此电动势就可以知道两端的温差。若将热电偶的冷端固定某一温度（一般为室温或0）则热电偶的热端温度即可知道，从而实现温度的测量。本次实验中，热电偶由两只铜康铜热电偶串接而成，分别装在上、下梁表面。金属热电阻和热敏电阻都是基于热电阻效应，金属热电阻随温度升高而增加，最常见的金属热电阻材料是铂、镍或铜。金属热电阻的基本结构十分简单，其敏感部分由玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料支撑并与导线相连，外部包覆保护外套。热敏电阻由钴、锰、镍等金属氧化物以不同配方高温烧结而成，它通常有三种类型：正电阻温度系数的热敏电阻（PTC）、负电阻温度系数的热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻（CTR），CTR主要用于温控开关。在温度测量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC应用较多。由于热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，因而引线电阻对测量影响小，非常适合测量微弱温度变化的场合。缺点是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。本实验采用NTC热敏电阻，型号为MF-51，25时的阻值为8-10K，热敏电阻装于悬臂梁上封套内。半导体P-N结具有非常良好的温度特性，根据P-N结特性表达式可知，当一个P-N结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，根据这一原理制成的P-N结温度传感器具有良好的测温精度。P-N结温度传感器有温敏二极管、温敏三极管以及温敏晶体管和辅助电路集成在同一芯片上制成的集成化温度传感器三种类型。本实验用P-N结温度传感器，可以直接显示绝对温度。三、 实验任务1、铜-康铜热电偶测温图3-1热电偶测温（1）如图3-1接线。差动放大器双端输入接入热电偶，打开电源，差动放大器增益放大100倍，调节调零电位器，使差动放大器输出为0。（2）接通加热器电源，用自备温度计测出热电偶冷端（即室温）的温度。（3）随着加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压变化，待加热器温度处于稳定时（输出电压基本不再变化），记下电压表读数，其电动势为E(t，),(注意:此时电压表读数是经过差动放大器放大100倍的值)。（4）查表求出此时热电偶测得的温度t。设：热电偶端温度（即被测温度）为t。冷端温度为0的温度为0，热电偶产生的电动势为E，则热电偶实际电动势E(t，)应满足以下表达式：E(t，)=E(t，)+E(,)式中：E(t，)为实际测量所得电动势。E(,)为温度修正电动势（通过查阅附录热电偶分度表得到）。最后可通过E(t，)值从热电偶分度表查到所测温度t。2、热敏电阻测温（1）将热敏电阻接入温度变换器R端口，如图3-2所示，调节“热敏增益”，使加热前加压输出U0尽可能大。用温度计测量环境温度T0，并记录下来。（2）将自备的半导体点温度计探头放入两应变梁之间的电加热器上，打开加热器，观察自备半导体点温计的温升和温度变换器输出电压的变化。温度每升3，记录下电压值，待电压稳定后记下最终温度T，并列表如下：()（V）根据表中数据，用坐标纸做出V-T曲线，求出该传感器的灵敏度。3、P-N结温度传感器测温图3-2热敏电阻测温接线示意图（1）将P-N结温度传感器接入温度变换器右侧P-N结端口，如图3-2所示，输出电压接电压表（2V档）开启电源。此时电压表显示绝对温度T。（2）用自备的半导体点温计测量室温t，调节温度变换器右下方的电位器（温度调节），使摄氏温度t与绝对温度T满足关系式tT-273。（3）将半导体点温计放在加热器上，打开加热器，观察随温度上升时的电压表变化。（注意：输出的电压表显示小数点后三位数字即为绝对温度值，比较半导体点温计的温度与P-N结的绝对温度）（4）将半导体点温计所测温度与P-N结温度传感器测得温度列表比较，试分析差别原因。t()T（k）四、 实验注意事项1、热电偶测温时，仪器中的差动放大器放大倍数近似100，所以，由差动放大器放大后的热电势并不十分精确，因此查表所得的热端温度也是近似值。2、加热器电源内部已接好，接通开关，红色指示灯亮即表示正在加热。五、 思考题1、热电偶、金属热电阻、半导体热敏电阻和P-N结温度传感器的测温基本原理是什么？2、什么是热电偶的冷端温度校正法（又称计算修正法）？六、 实验预习及实验报告要求1、认真预习热电偶、热电阻等温度传感器工作原理及测量电路的有关章节。2、认真阅读本实验指导书，明确实验目的、内容及实验步骤。3、实验报告要求：（1）将实验任务1-3的各实验电路图绘出，并将所测数据列表，加以分析，按照端基法计算非线性误差。（2）对误差原因分析。（3）完成思考题。七、 实验仪器设备CSY10A型传感器系统实验仪一台数字万用表一个附录：铜康铜热电偶分度（自由端温度0） 单位:mv工作端温度0123456789de/dt(vu)00.000 0.039 0.078 0.116 0.155 0.194 0.234 0.273 0.312 0.352 38.6 100.391 0.431 0.471 0.510 0.550 0.590 0.630 0.671 0.711 0.751 39.5 200.792 0.832 0.873 0.914 0.951 0.995 1.036 1.077 1.118 1.159 40.4 301.201 1.242 1.284 1.325 1.367 1.408 1.450 1.492 1.534 1.576 41.3 401.618 1.661 1.703 1.745 1.788 1.830 1.873 1.916 1.958 2.001 42.4 502.044 2.087 2.130 2.174 2.217 2.260 2.304 2.347 2.391 2.435 43.0 602.478 2.522 2.566 2.610 2.654 2.698 2.743 2.787 2.831 2.876 49.8 703.920 2.965 3.010 3.054 3.099 3.144 3.189 3.234 3.279 3.325 44.5 803.370 3.415 3.491 3.506 3.552 3.597 3.643 3.689 3.735 3.781 45.3 903.827 3.873 3.919 3.965 4.012 4.058 4.105 4.151 4.198 4.244 46.0 1004.291 4.338 4.385 4.432 4.479 4.529 4.573 4.621 4.668 4.715 46.8 实验二十二 差动变压器的标定一、 实验目的通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。二、 实验原理差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的相同线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上。由于零残电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，电压经过放大器会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常关系，因此必须采用适当的方法进行补偿。零残电压中主要包含两种波形成份：1、基波分量：这是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。2、高次谐波：主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。减少零残电压的办法有：1、从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对程；2、采用相敏检波电路；3、选用补偿电路。相敏检波器工作原理：相敏检波电路如图所示，图为输入信号端，为交流参考电压输入端，为输出端。为直流参考电压输入端。、为整形电路将正弦信号转换成的方波信号，使相敏检波器中的电子开关正常工作。当、端输入控制电压信号时，通过差动放大器的作用使D和J处于开关状态，从而把端输入的正弦信号转换成半波整流信号。相敏检波器原理图实验操作台上相敏检波器图三、 实验所需部件差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微仪四、 实验步骤（一）了解相敏检波器工作原理1调节音频振荡器输出频率为5KHZ，输出幅值2V，将音频振荡器00端接相敏检波器的输入端，相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端接数字电压表2V。相敏检波器的交流参考电压输入端分别接00、1800，使相敏检波器的输入信号和交流参考电压分别同相或反相，用示波器观察相敏检波器输出端的波形变化和电压表电压值变化。注意：示波器的“触发”方式要选择正确。可以看出，当相敏检波器的输入信号和交流参考信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表只是正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。记录下观察到的各种情况波形及电压值。2用示波器两通道观察相敏检测器的波形并记录下观察到的波形。可以看出，相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。（二）差动变压器性能检测1. 按下图接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出。2. 音频振荡器输出频率5KHz，输出值VP-P值2V。3. 用手提变压器磁芯，观察示波器第二通道的波形是否能过零翻转，以判断两个次级线圈的联接方式，如不能过零翻转，则需改变两个次级线圈的串接端，使两个次级线圈反向串联。（三）差动变压器零残电压的补偿1. 根据上图接线，差动放大器增益调到最大，音频LV端输出VP-P值2V，调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。2. 调节测微仪带动衔铁在线圈中运动，使差动放大器输出电压最小，调整电桥网络WDWA电位器，使输出更趋减小。3. 提高示波器第二通道灵敏度，将零残电压波形与激励电压波形比较，观察零点残余电压的波形，说明经过补偿后的零残电压主要是什么分量？（四）差动变压器的标定1. 按上图接线，差动放大器增益适度，音频振荡器Lv端输出5KHZ，VP-P值2V。2. 调节电桥WD、WA电位器，移相器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。3. 旋动测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称。如不对称则需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。注意：示波器CH1、CH2通道分别接入相敏检波器1、2端口，用手将衔铁位置压到最低，调节电桥、移相器，当CH1、CH2所观察到的波形正好同相或反相时，则系统输出可做到正负对称。4. 旋动测微仪，带动衔铁向上5mm，向下5mm位移，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并填入表格。位移mm电压V（上移）（下移）五、思考题1、为什么在差动变压器的标定中电路中要加移相器？作用是什么？2、差动变压器标定的含义，为什么要进行标定？六、实验预习及实验报告要求：1、明确本次实验的目的和任务，预习有关差动变压器的结构及工作原理、零点残余电压的补偿方式、相敏检波电路的工作原理。2、实验报告要求：（1）画出实验原理框图；（2）记录、整理实验数据、表格，画出有关曲线并计算灵敏度、非线性度。七、实验仪器设备：CSY10A型传感器系统实验仪一台数字示波器一台实验二十三 超声波传感器距离测量一、 实验原理1、 超声波测距工作原理超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波发生器不断地发射出40kHz 超声波，当遇到障碍物时反射，超声波接受器接收到反射的信号，通过发射和接收信号的时间差可求出距离。计算距离公式，式中的C为超声波波速，t为接收器接收到信号的时间差。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，声波传输速率为m/s，其中T为绝对温度，C0=331.4m/s，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，一般认为C为常数340m/s。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波发射和接收到信号的时间差，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。由于超声波测距范围小, 基本上被用在汽车倒车避撞装置上。表1 声速与温度关系表 温度（）-30-20-100102030100声速（米/秒）3133193253233383443493862超声波发射电路和接收电路设计实验提供的T/R40系列超声波传感器是利用压电效应工作的传感器，通常我们又称之为换能器。T/R40系列超声波传感器的工作过程：从两个引脚输入40KHz的脉冲信号，通过其内部的陶瓷片激励器和谐振片转换成机械振动能量，经锥形辐射口将振动信号向外发射。接收端收到40kHz的反射信号，使谐振片产生谐振，通过内部转换输出一组信号。超声波发射器T40-16的电路工作电压9V，工作电流4050mA，发射超声波信号大于8m。40kHz多谐振荡电路可由LM555时基电路及外围元件构成，通过调节电阻器阻值，可以改变振荡频率。超声波接收器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号被接收。通过设计的放大电路将超声波接收器R40-16端信号放大并进行距离测量。二、实验目的1通过对超声波传感器的具体运用，掌握超声波传感器测距的工作原理。2掌握超声测距的电路设计和计算方法。三、实验内容1设计超声波发射器工作的多谐振荡电路和接收器的放大电路；2测量超声波发射信号和接收信号的时间差。3通过测量值计算出距离并与实际移动距离相比较。 四、实验设备1 超声波传感器（T为发射器、R为接收器）；2检测技术通用实验板或面包板；3示波器；4双路直流稳压电源。五、实验步骤1 完成系统方案设计；2 测取超声波传感器的有关数据（电压、时间变化量、距离等）；测试并推导距离与时间的传递函数。3 根据实验内容要求，拟定设计实验步骤。六、实验报告要求1写出实验设计方案及实验电路图，并阐述工作原理。2测量结果计算、分析、实验结论、改进方案。3对本次设计性实验进行总结。七、实验所用集成电路芯片功能与引脚资料：1、LM555内部原理图：2、TL082的引脚图实验二十四 PT100铂热电阻测温实验一、 实验原理1铂热电阻工作原理铂热电阻元件作为一种温度传感器，其工作原理是在温度作用下，铂电阻丝的电阻值随着温度的变化而变化。温度和电阻的关系接近于线性关系，偏差极小且随着时间的增长，偏差可以忽略，具有可靠性好、热响应时间短等优点，且电气性能稳定。铂热电阻是一种精确、灵敏、稳定的温度传感器。铂热电阻元件是用微型陶瓷管、孔内装绕制好的铂热电阻丝脱胎线圈制成感温元件，由于感温元件可以做得相当小，因此它可以制成各种微型温度传感器探头。可用于-200+420范围内的温度。2PT100设计参数PT100铂电阻A级在0时的电阻值 R0=100 0.06 ；B级 R0=100 0.12 ，PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表23-1。PT100R允许通过的最大测量电流为5mA，由此产生的温升不大于0.3。设计时PT100上通过电流不能大于5mA。温度 0123456789电阻值()-40-30-20-10-0 84.2788.2292.1696.09100.00 83.8787.8391.7795.6999.61 83.4887.4391.3795.3099.22 83.0887.0490.9894.9198.83 82.6986.6490.5994.5298.44 82.2986.2590.1994.1298.04 81.8985.8589.8093.7397.65 81.5085.4689.4093.3497.26 81.1085.0689.0192.9596.87 80.7084.6788.6292.5596.48 010203040100.00103.90107.79111.67115.54 100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.57112.45116.31 101.17105.07108.96112.83116.70 101.56105.46109.35113.22117.08 101.95105.85109.73113.61117.47 102.34106.24110.12114.00117.86 102.73106.63110.51114.38118.24 103.12107.02110.90114.77118.63 103.51107.40111.29115.15119.01 5060708090 119.40123.24127.08130.90134.71 119.78123.63127.46131.28135.09 120.17124.01127.84131.66135.47 120.55124.39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23 121.32125.16128.99132.80136.61 121.71125.54129.37133.18136.99 122.09125.93129.75133.57137.37 122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.69130.52134.33138.13 表23-1 PT100铂电阻分度表二、实验目的1通过自行设计热电阻测温实验方案，加深对温度传感器工作原理的理解。2掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。三、实验内容1设计PT100铂热电阻测温实验电路方案； 2测量PT100的温度与电压关系，要求测温范围为：室温65；温度测量精度：2；输出电压04V，输出以电压V方式记录。3通过测量值进行误差分析。 四、实验设备1、PT100铂热电阻；2检测技术通用实验板或面包板；3CSY10A型传感器系统实验仪（带有加热器可供使用）；4双路直流稳压电源；5数字万用表。五、实验步骤1、完成系统方案设计（信号输入及放大）；2、测取PT100温度传感器的有关数据（电压、温度变化量等）；计算非线性误差。3、根据实验内容要求，拟定设计实验步骤。六、实验报告要求1根据PT100设计参数和实验内容要求，设计PT100铂热电阻测温系统（电桥式），设计信号放大电路（用运放芯片设计完成）；2绘制温度-电压曲线，并计算非线性误差。3通过测量结果进行误差分析，并提出改进方案。 4对本次的设计性实验进行总结。附录：CSY系列传感器系统实验仪使 用 说 明CSY系列传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。一、实验工作台位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁，梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。应变式：平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。其中六片为金属箔式片(BHF350)。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。热电式(热电偶)：串接工作的两个铜康铜热电偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。分度表见实验指导书。热敏式：上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF51，负温度系数，25时阻值为810K。P-N结温度式：根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的温度传感器，敏感面为顶端。压电加速度式：位于悬臂梁右部，由PZT5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。实验工作台右边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。电感式（差动变压器）：由初级线圈Li和两个次级线圈Lo绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围10。电容式：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围3。磁电式：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4Vms。霍尔式：半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围3，直流激励电压2V，交流激励信号Vp-p5V。电涡流式：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围1。光电式传感器装于电机侧旁。扩散硅压力传感器与湿敏、气敏传感器可根据用户需要选装。两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振”带动。为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，工作时能获得高于环境温度30C左右的升温。以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。两只测微仪分别装在左、右两边的支架上。二、信号及显示部分信号及显示部分位于仪器上部面板。低频振荡器：130Hz输出连续可调，Vp-p值20V。Vi端插口可提供最大输出电流0.5A，用作电流放大器。Vi端3.5耳机插座静合接点的正常接触是保证低频输出的条件，无低频信号、无输出，则可能是静合接点分开。如遇此情况请打开面板，调节Vi插口静合接点，使之接触良好。音频振荡器：0.4KHz10 KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180o、0o为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。直流稳压电源：15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1A。2V10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1A。数字式电压频率表：位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度50mV，频率显示5Hz20KHz。指针式直流毫伏表：测量范围500mV、50mV、5mV三档，精度2.5。三、处理电路处理电路位于仪器下部面板。电桥：用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1、R2、R3为350标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。WD电位器中心抽头串接口的为防短路电阻，WA电位器中心抽头串接的为隔直电容。差动放大器：增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。光电变换器：提供红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号屯压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。电容变换器：由高频振荡、放大和双T电桥组成。移相器：允许输入电压20Vp-p，移相范围40o（随频率有所变化）。相敏检波器：极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压20Vp-p。电荷放大器：电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。电压放大器：增益5倍的高阻放大器。（仅CSY型实验仪配置）涡流变换器：变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。温度变换器：根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。四、各电路和传感器性能检查各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：1应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。各接线图两个节点间即为实验接插线，接插线可多根迭插，为保证接触良好，插入插孔后请将插头稍许旋转。2半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。3热电偶，接入差动放大器，打开“加热”开关，观察随温度升高热电势的变化。4热敏式，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温度升高“V0”端输出电压变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。5PN结温度式，进行PN结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T。6进行“移相器实验”，用双踪示波器观察两通道波形。7进行“相敏检波器实验”，相敏检波端口序数规律为从左至右，从上到下，其中4端为参考电压输入端。8进行“电容式传感器特性”实验，当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器Vo端电压应正负过零变化。9进行“光纤传感器位移测量”，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微仪带动反射片位置变化，从“Vo”端读出电压变化值。光电变换器“Fo”端输出频率变化方波信号。测频率变化时可参照“光纤传感器转速测试”步骤进行。10进行光电式传感器测速实验，Vo端输出的是频率信号。11将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端、输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。12进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。13进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，直流激励信号绝对不能大于2V，否则一定会造成霍尔元件烧坏。14进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形，参见附图12。15进行“压电加速度传感器”实验，此实验与上述第12项内容均无定量要求。16进行“电涡流传感器的静态标定实验，接线参照图，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。17进行“扩散硅压力传感器”实验，注意MPX压力传感器为差压输出，故输出信号有正负两种。18进行“气敏传感器特性”实验，观察输出电压变化。19进行“湿敏传感器特性演示实验，以上气敏与气敏传感器实验均为演示性质，无定量要求。20如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及帮助说明。数据采集卡已装入仪器中，其中AD转换是12位转换器，最大容错率12048（即0.05），所以建议在做小信号实验（如应变电桥单臂实验）时选用合适的量程（200mv），以正确选取信号。仪器后部的RS232接口与计算机串行口相接，信号采集前请正确设置串口，否则计算机将收不到信号。仪器工作时需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。仪器的型号不同，传感器种类不同，则检查项目也会有所不同。上述检查及实验能够完成，则整台仪器各部分均为正常。五、实验注意事项为保证仪器正常工作，实验中需注意下列问题： 1. 实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。2. 使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左