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传感器和检测技术实验指导书 (第二版) 电气工程学院 华亮 陈锋 张齐 沈申生 2007年1月目 录实验一 箔式应变片直流电桥实验-3实验二 移相器和相敏检波器实验-9实验三 电涡流式传感器的应用-13实验四 差动变压器传感器的性能与标定-18实验五 温度检测系统的设计-22 附录：CSY10型传感器实验仪的使用说明-25 实验一 箔式应变片直流电桥实验一、实验目的1. 了解电阻式金属箔应变片传感器的物理原理及其结构和粘贴方式。2 研究利用金属箔应变片构成的（单臂、双臂、四臂）直流电桥的工作原理。3. 通过应变梁的变形，测试金属箔应变片构成的（单臂、双臂、四臂）直流电桥的输出响应。比较各种桥路的输出关系，验证各种桥路的工作原理及单臂、双臂、全桥的输出响应灵敏度之间的关系。4. 综合应用应变片传感器和直流电桥，设计位移或压力检测系统，并进行测量和标定。二、实验原理应变片是最常用的测力传感元件,它牢固地粘贴在测试应变体（如悬臂梁、应变筒、应变柱等）表面，测量时,元件受力发生形变，应变片的敏感栅随即变形，其电阻值发生相应的微量变化。将应变片作为直流电桥的桥臂，直流电桥输出接运算放大器电路，将其转换成电压或电流信号输出。电桥电路是最常用的非电量（电阻、电容）电测电路中的一种，当桥臂四个电阻R1R2R3R4R或桥路对臂电阻阻值的乘积相等时，电桥平衡，电桥输出为零。桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4的相对变化分别为=R1R1、=R2R2、=R3R3、=R4R4。若定义电桥桥臂电阻的相对变化为电桥的四个桥臂电阻的相对变化的绝对值之和，即。 图1 直流电桥结构 那么，当平衡电桥（R1R2R3R4R）的一个桥臂电阻使用应变片时，称为单臂桥，单臂桥的桥臂电阻的相对变化为。当二个桥臂电阻使用应变片，并组成差动工作状态（二相邻桥臂电阻变化量符号相反，绝对值相等如=-，或相对桥臂电阻变化量符号相同，绝对值相等如=）时，称为双臂桥或半桥，半桥的桥臂电阻的相对变化为=。使用四个应变片组成二个差动对工作时，称为全桥，全桥的桥臂电阻的相对变化为=。根据戴维南定理可以归纳出直流电桥（单臂桥、半桥、全桥）的输出电压为U=。定义电桥的相对灵敏度为桥输出电压与桥臂电阻相对变化的比值，即KuU，于是单臂、半桥和全桥的电压灵敏度S分别为E、E和E。由此可知，单臂桥，半桥，全桥电路的灵敏度依次成倍增大。综上所述，可以推断：当电源电压和桥臂电阻相对变化一定时，电桥输出电压及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无相关性。本实验中，应变片粘贴在实验仪的悬臂梁上，旋动测微头，带动悬臂梁悬空端上下运动的位移为，由此致使应变片的阻值发生微量变化，将电桥输出接入差动放大器转换成电压信号输出，用数字电压表显示该输出电压的值。电桥灵敏度S可以用下式S=V/X计算。三、实验器材直流稳压电源（4V档）、用于组成电桥的电阻、差动放大器、带箔式应变片的悬臂梁、测微头、称重砝码、电压表。 四、实验内容单臂桥，半桥，全桥的测量电路如下列图3、图4、图5所示1、差动放大器调零开启仪器总电源及正负15V电源，差动放大器增益置于最大（即将增益旋钮顺时针方向旋到底），差动放大器的“、”输入端用专用导线对地短接。输出端与数字电压表连接，用“调零”电位器D调整差动放大器的输出电压,使其显示为零，然后拔除连接导线。在后续的实验过程中, 差动放大器调零后的电位器旋钮务必锁定,不能动弹。注: 如使用毫伏表，则首先将该表输入端对地短路，调整毫伏表“调零”电位器，使其表针指向“零”位。拔掉短接导线，指针偏离零位，毫伏表是有源指针式电压表，所以输入端悬空时输出端漂移纯属正常现象。 图2 实验所用的部分器件2、验证单臂电桥的灵敏度 关闭仪器总电源。所用部分器件如图2所示。（注意事项：电桥面板上四个标虚线的电阻并不存在，仅仅为搭桥提供插座。差放的增益不宜太大，以减小运放漂移。电压显示在做桥路实验时一般以指针毫伏表较为直观。更换应变片时应将直流稳压源断开。）按图3所示在实验仪上连线，创建单臂电桥测试电路。桥路中R2、R3、R4、为电桥中的固定电阻,WD为直流电桥调平衡电位器，为应变片（设为拉应变）。单臂电桥激励接直流电源4V。图3 单臂电桥测量电路 旋转悬臂梁上测微头微分筒，使其示值在10mm处，以便可以上下拉动悬臂梁的悬空端。旋松测微头支架的横向紧固螺丝，将测微头的测杆吸紧在悬臂梁前端的永久磁钢上，并上下调节使悬臂梁处于基本水平状态,然后拧紧横向螺丝，锁定悬臂梁处于基本水平状态的位置。 确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电位器WD，使测试系统输出为零。 以悬臂梁水平状态下电路输出电压等于零为起点，旋动测微头，带动悬臂梁作向上运动，测微头每移动1mm，就在下列表中记录悬臂梁的位移和数字电压表的示值，向上移动到6mm止；旋动测微头，悬臂梁回到水平状态下电路输出电压等于零为起点，旋动测微头带动悬臂梁作向下运动，测微头每移动1mm，就在下列表中记录悬臂梁的位移和数字电压表的示值，向下移动到6mm止。注意，换向时容易造成零点漂移，所以测微头返回起点（10mm处）时，务须重新调整，使系统输出为零，然后继续测试。位移mm0电压V0 表1 单臂电桥实验结果3、验证双臂电桥的灵敏度图4 差动半桥测量电路关闭仪器总电源。除了按图4所示在实验仪上连线以外，其余步骤与上述验证单臂电桥灵敏度的步骤完全相同。注意相邻桥臂上的应变片（在悬臂梁的上下面对应位置上）的工作状态相反。位移mm0电压V0表2 差动半桥实验结果4、验证全桥的灵敏度关闭仪器总电源。除了按图5所示在实验仪上连线以外，其余步骤与上述验证单臂电桥灵敏度的步骤完全相同。图5 差动全桥测量电路位移mm0电压 V0表3 全桥实验结果5、利用带箔式应变片的悬臂梁，设计一个测量位移或重力的检测系统设计要求如下： 画出位移或重力检测系统的设计原理图。 说明位移或重力标定的原理和方法。 进行实验测试，根据记录数据画出位移（载荷）电压关系曲线，确定线性范围和灵敏度。五、实验报告内容1、 分别画出单臂电桥，半桥，全桥测量电路原理图。2、 制作实验数据表，在同一坐标上描绘上述三种电桥的X-V关系曲线，并计算它们的灵敏度，SVX。3、比较三种桥路的灵敏度，做出定性结论。4、写位移或重力检测系统的设计说明书。六、注意事项1实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。 2接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。 3稳压电源不要对地短路。所有单元电路的地均须与电源地相连。 4差动桥实验时，应变片接入电桥时注意其受力方向。 5直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。 6由于进行位移测量时测微头要从零到正的最大值，又回复到零，再到负的最大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负的X的灵敏度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。 七、思考题1. 什么是电阻应变效应？试比较金属丝应变片与半导体应变片的异同点。2电桥电源电压对灵敏度有何影响？单臂电桥、双臂电桥、全桥电桥三者相比，灵敏度上有什么变化？3为什么和工作状态要相反？若相同，对输出电压有何影响？实验二 移相器和相敏检波器实验一、实验目的1了解由运算放大器构成的移相器电路的组成与工作原理。2. 掌握由移相器，相敏检波器和低通滤波器构成的锁相放大电路排除干扰选择微弱信号的原理。3综合应用移相原理、锁定放大原理设计相敏检波电路，分析相敏检波器的鉴幅特性和鉴相特性。二、实验原理1、移相器原理 图1 移相器电路电路如图1所示，当、时，可以求得该电路的闭环增益G(j) （1）由此，可以得到电路的相频特性 (2)根据正切函数的半角公式=可得: =2arctg （3）从上式（3）可知,调节电位器W可以改变移相器的输出相位，当W时,输出相位滞后输入，当W时则反之。由相频特性公式（3）还可知，移相器的输入信号频率不同，则其移相范围也不同。在实验电路中，常设定幅频特性，即在上图中选择、，这样输出幅度与频率无关。2、基于锁定放大器的微弱信号检测原理锁定放大器是可以检测埋没在噪声中的微弱信号的装置，可以提取微弱信号的幅值和相位等有效信息。 图2 基于锁定放大器的微弱信号检测原理如图2所示，设调制频率为，调制后的信号为，传感器输出信号为： （4）是噪声，调制后的信号与参考信号经过乘法器相乘得： （5） 噪声与信号不相关时，式5的第二项为0，再经低通滤波除去的信号成分，只有被调制度信号一项输出。 相位一般为信号传播过程中的信号迟延，不等于0。因此将参考信号的相位逐渐移动检测出的最大幅值，然后求其与最初的的比值可以得到。 三、实验器材相敏检波器、音频振荡器、移相器、直流稳压电源、低通滤波器、电压表（毫伏表）、双踪示波器四、实验内容1、验证移相器的相位移动 音频振荡器频率、幅值旋钮居中，将信号（0或180均可）送入移相器输入端。 将双线示波器两测试线分别接移相器输入输出端，调整示波器，观察波形。 调节移相器“移相”旋钮，观察两路波形的相位变化。 改变音频振荡器频率，观察不同频率时移相器的移相范围。 根据移相器实际电路图分析其工作原理。2、设计相敏检波电路相敏检波器也称为开关型锁相放大器，它是锁相放大器的特例，其参考信号可以是与输入信号同频率的交流信号，也可以是直流信号。 设计要求如下： 综合应用移相原理、锁定放大原理设计开关式全波相敏检波电路。 设计出的相敏检波器有两个输入信号：一个交流参考信号，一个输入信号。相敏检波完成对输入信号和参考信号进行乘法运算，得到两路信号的和频与差频信号，连接低通滤波器后，则滤除和频成分。 设计出的相敏检波器不但具有检幅特性和鉴相特性，而且通过相敏检波器还可以大大减小测试中的干扰，检测出微弱信号的幅值和相位。 画出相敏检波电路原理图并详细分析其工作原理。 采用CSY10A型传感器系统实验仪现有设备，设计由移相器、相敏检波器和低通滤波器构成的锁相放大电路，并验证相敏检波器的检幅特性和鉴相特性。五、实验报告内容1、根据移相器电路分析其工作原理。2、画出相敏检波器的电路图，并说明该电路的工作原理。3、画出由移相器，相敏检波器和低通滤波器构成的锁相放大电路原理图，并通过记录和分析实验结果，验证相敏检波器的检幅特性和鉴相特性。六、注意事项因为本实验仪中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障。七、思考题1. 什么是相敏检波? 为什么要采用相敏检波? 2. 什么是相敏检波器的鉴相特性?3. 移相器在实验线路中的作用是什么? 实验3 电涡流式传感器的应用一、实验目的1、了解涡流传感器的结构、原理、工作特性。2、掌握涡流传感器的静态标定方法。3、了解涡流传感器的实际应用，采用电涡流式传感器设计一个测量位移（重力）或材料厚度或震动或转速的实验。二、实验原理电涡流传感器能测量物体的位移、形变、应力，又能测材料种类、厚度、有无损伤、表面温度，还能测物体的运动速度，电解质浓度等，而且测量灵敏度高，线性范围大，响应时间短，体积小，又是一种非接触式无损测量，因此，广泛应用于电子测量和自动控制领域。1、 涡流传感器基本工作原理 图1 电涡流传感器原理图 图2 电涡流传感器等效电路当通有高频电流的空心线圈靠近金属或其他导体时，将在导体所在空间产生交变磁场，并在导体表层产生涡流。电涡流的磁场将阻碍原磁场的变化，同时影响空心线圈的电流。如图1所示。据相关资料，导体上涡流的深度h如下式： （1） 式中：为导体电阻率，为交流电的频率，为导体的相对磁导率（铁）。由于h很小，所以导体一般做成片状，称为涡流片，空心平面线圈叫做涡流线圈，它们共同组成涡流传感器。涡流传感器等效电路如图2所示，涡流线圈可看作变压器的初级线圈，涡流片中的涡流回路视为变压器次级线圈。当线圈两端加上频率为f 幅值恒定的高频励磁信号电压U1时，线圈中就有电流i，涡流片上也有涡流i1，i、i1互相感应。令两者间的互感系数为M，涡流回路中的等效电阻为 R1，等效电感为L1。由基尔霍夫定律可得到如下方程组：解方程得： （2）由2式可以看出，在涡流线圈各参量u、R、L、f 确定的情况下，通过它的电流i与M、R1、L1 有关，而R1、L1 的大小又取决于涡流片的电阻率、磁导率r、质量分布、厚度h及线圈与涡流片之间的距离x。可以设想，若固定涡流片的某些参量不变，只让一个参量（例x）改变，测出i随x的变化情况，即得到i=f (x) 函数，那么，测出某一距离对应的I，就可以由i=f (x)函数求出距离x的大小。在实验中，平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，则线圈的阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。2、测量电路 图3 涡流传感器测试系统实验是由涡流线圈和涡流变换器组合成电涡流传感器测试系统，这是一种典型的“变频式调幅电路”，见图3。将线圈直接接入电容三点式振荡电路，当电涡流量及线圈阻抗的变化，振荡器输出电压的幅度和频率都随之变动，所以输出电压是位移的函数。如果金属涡流片是齿轮状的旋转体，且旋转时轴向位置固定，那么涡流片与涡流线圈的相对位置发生周期性变化时，涡流变换器的输出电压也有节律地同步跟随，通过频率表可以测量金属涡流片的旋转频率或转速。三、实验器材 电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表、激振器、低频振荡器、砝码、差动放大器、测速电机及转盘、电压/频率表、不同厚度的铁片等。四、实验内容1、电涡流式传感器静态标定 安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行（必要时可稍许调整探头角度）。安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表20V档。 开启仪器电源，测微头位移将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。 用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。 旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。将V、X数据填入下表，作出VX曲线，指出线性范围，求出灵敏度。注：由于电涡流变换器的工作电压是负15伏，末级使用的放大器是PNP型三极管，所以其输出电压是负值。 表1 电涡流式传感器静态标定实验结果X(mm)-V(v)2、设计基于涡流传感器的位移（或重力）检测系统设计要求如下： 采用涡流传感器、涡流变换器、差动放大器、电桥、电压表、砝码等部件设计位移（或重力）检测系统并进行标定。 记录并做出VX（或VW）曲线，指出线性区，并求出最佳工作点（线性范围中点），计算灵敏度。 设定一未知位移（或放上一未知重量之物品），根据实验特性曲线大致求出被测位移（或被称物的重量）。 画出设计原理图，写设计说明书。3、设计基于涡流传感器的材料厚度检测系统 设计要求如下： 设计涡流传感器厚度检测系统，检测金属板的厚度。 设计中采用双涡流传感器线圈，相对放置于被测金属板上、下方。 由于低频磁场集肤效应小、渗透深，因此激励电源频率应选得较低（如1KHZ左右）。 通过测量厚度不同的铁片对测厚涡流传感器进行标定，估算可测铁片的最大厚度。 画出设计原理图，写设计说明书。4、设计基于涡流传感器的震动检测系统设计要求如下： 接通激振器，调节低频震荡器频率，使震动平台起振，震荡器频率在1530HZ 之间变化。 通过涡流传感器震动检测系统检测震动平台震幅。 通过实验确定所设计系统的震幅测量范围。 画出震幅检测系统原理图，写设计说明书。5、设计基于涡流传感器的转速检测系统设计要求如下： 设计基于涡流传感器的转速检测系统，检测实验台上的测速电机的瞬时转速及调速范围。 画出转速检测系统原理图，写设计说明书。五、实验报告内容 实验内容中，实验1必做，设计题25中至少完成两题。 记录和分析实验结果，写设计说明书。六、注意事项1、 当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小（如果示波器探头阻抗太小，甚至会使变换器电路停振而无输出），或是使传感器在初始状态有一死区。 2、 被测体与涡流传感器测试头平面必须平行，并将测头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。3、 测量震幅时，不能将激振器幅度（低频振荡器）打得过高。七、思考题 什么是涡流效应？ 影响电涡流传感器检测灵敏度的因素有哪些? 分析低频透射式涡流传感器测厚原理。 试举出涡流传感器的其它应用实例。实验4 差动变压器传感器的性能与标定一、实验目的1、了解差动变压器的基本结构和原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。2、掌握零点残余电压的补偿原理和方法。3、综合利用差动变压器、移相器和相敏检波器设计可辨向的位移检测系统并进行标定。二、实验原理1、差动变压器的结构及原理工作原理如图1所示，变压器由初级线圈L和次级线圈LS1、LS2组成。线圈中插入圆柱形铁芯P，两个次级线圈反极性串联连接（同名端相连）。当初级线圈L加上交流电压时U，次级线圈LS1、LS2 上分别产生感应电动势E1、E2，其大小与铁芯位置有关。当铁芯处于中间位置时，输出电压U0= E1-E2=0，铁芯向上运动时，E1E2；铁芯向下运动时，E110mm。电容式传感器：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3mm。磁电式传感器：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。霍尔式传感器：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3mm。电涡流式传感器：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片及涡流变换器组成的传感器，线性范围1mm。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II”带动。为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，打开加热开关即能加热,工作时能获得高于室温30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。两支测微头分别装在左、右两边的支架上。二、信号及仪表显示部分：位于仪器上部面板低频振荡器：130Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流1.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。音频振荡器：0.4KHz10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180、0为反相输出，Lv端最大功率输出1.5A。直流稳压电源：15V，提供仪器电路工