传感器实验指导书1.doc

传感器原理与应用 实 验 指 导 书 陈小玲、韩 克 王立功、柳秀山 编 广东技术师范学院电子与信息学院 目 录实验一 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较1实验二 电容式传感器的位移特性实验7实验三 差动变压器的性能实验9实验四 电涡流传感器位移特性实验11实验五 光纤温度传感器性能实验13实验六 压电式传感器测量振动实验14实验七 霍尔、光电转速传感器测速实验16实验八 超声波传感器测距实验18实验九 热释电远红外传感器辐射特性19实验十 光敏电阻的伏安特性20实验十一 光敏二极管的伏安特性22实验十二 光敏三极管的伏安特性24实验十三 光电耦合器件的输出特性及电流传输比26实验十四 光电耦合器件的交流耦合实验28实验十五 光电池的伏安特性29附录一 多功能数据采集系统软件使用说明31附录二 温控仪表操作说明32课程类型： 学科专业课 课程代码： 课程总学时： 实验课程性质： 非独立设课 课程实验学时： 12 综合性、设计性实验项目数： 2 个 4 学时 适用专业： 电子与通信类 开课时间： 三 年级 一 学期 开课单位： 电子与信息学院 撰写人： 陈小玲 审定人： 王立功 实验一 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的与要求比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、实验类型 综合型三、实验原理及说明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：式中为电阻丝电阻的相对变化，为应变灵敏系数，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的受力状态变化，电桥的作用是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。单臂电桥输出电压O1。不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uo2=。全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3= R4，其变化值R1=R2=R3=R4时，其桥路输出电压Uo3=。其输出灵敏度比半桥提高了一倍。四、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1应变式传感器实验模块测量模块2应变式传感器感受待测信号3砝码使应变式传感器受力415V电源、4V电源提供电源5数显表显示电压值五、实验步骤应变片 引出线 固定垫圈 固定螺丝 限程螺丝 模块 弹性体 托盘 加热丝 应变片 图1-1 应变式传感器安装示意图 应变式传感器已装于应变传感器模块，如图1-1所示。传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4，其中R1= R2= R3= R4=350，加热丝阻值为50左右。一）单臂电桥实验1、模块的差分式放大电路调零。接入模块电源15V（从主控箱引入），将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，检查无误后，合上主控箱电源开关，调节实验模块上调零电位器Rw4，使主控箱的电压表显示为零（表的切换开关打到200mV或2V档）。关闭主控箱电源。（注意：实验过程中单臂、半桥、全桥的放大器增益必须相同）。2、接单臂电桥。根据图1-2和1-3接线。将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源4V（从主控箱引入）。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。3、在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到500g（或200g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。表1-1 单臂电桥输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）+4V -4V 接主控箱 电源输出 接主控箱 电源输出 接主控箱 电源输出 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 接数显表 Vi 地 R1 加热 二）半桥实验1、模块的差分式放大电路调零。方法同上。2、接半桥电路。+4V-4V送差分运放R6R7R5R1RW1R8图1-3 单臂电桥接线图根据图1-4和1-5接线。R1、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。+4V-4V送差分运放R6R7R2R1RW1R8图1-5 单臂电桥接线图接主控箱电源输出 接主控箱电源输出 接数显表Vi 地 图1-4 应变式传感器半桥实验接线图 3、在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到500g（或200g）砝码加完。记下实验结果填入表1-2。表1-2 半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）三）全桥实验1、模块的差分式放大电路调零。方法同上。2、接全桥电路。根据图1-6和1-7接线。将应变片传感器的4个应变片接成全桥。图1-6 应变式传感器全桥实验接线图+4V-4V送差分运放R4R3R1R2RW1R8图1-7 全桥接线图3、桥路调零。接好电桥后，检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调零电位器Rw1，使主控箱的电压表显示为零。4、测实验数据。在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的电压表的数值。记下实验结果填入表1-3，关闭电源。表1-3 全桥输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）六、实验数据处理与分析根据表1-1计算系统灵敏度S，S=（输出电压变化量；重量变化量）计算线性误差：f1=F S100%，式中为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：F S满量程输出平均值，此处为200g。七、思考题1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1= R3， R2= R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻?R1 R2 R3 R4 F F R1 R2 R3 R4 F F 图1-4 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图 实验二 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的与要求了解电容式传感器结构及其特点。二、实验原理及说明利用平板电容和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）、测微小位移（d变）和测量也为（A变）等多种电容传感器。三、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1电容传感器实验模块测量模块2电容传感器感受待测信号3直流稳压电源提供电源4数显表显示电压值四、实验内容和步骤1、按图2-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。图2-1 电容、差动传感器安装示意图 差动变压器电容传感器 模块 测量架 测微头 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模块上标有Ti的插孔中，实验接线图如图2-2所示。3、将电容传感器实验模块的输出端Vo1与主控箱的数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。4、接入15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入下表。X（mm）V（mv）接主控箱电源输出 接主控箱数显表 Vi 地 图2-2 电容传感器位移实验接线图 五、实验数据处理与分析根据下上表数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。六、思考题试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？实验三 差动变压器的性能实验一、实验目的与要求了解差动变压器的工作原理和特性。二、实验原理及说明差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，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，将两只次级线圈反向串接（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、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1差动变压器实验模块测量模块2差动变压器传感器感受待测信号3测微头测位移4直流电源提供电源5音频信号源产生音频信号6双线示波器观察输入输出信号四、实验内容和步骤1、根据图2-1，将差动变压器装在差动变压器实验模块上。2、将差动传感器输出线插入差动传感器实验模块上标有Ti的插孔中。模块上电路按照图3-2接线，音频振荡器信号接1、2端，音频振荡器信号从主控箱中的LV端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为45KHz（可用主控箱的数显表的频率档fi来监测，即LV与fi连接，同时转速/频率表调至频率档）。调节幅度使输出幅度为接第一通道示波器 接第二通道示波器 6 2 3 4 1 5 插座管脚编号 图3-2 双线示波器与差动变压器连接示意图 峰-峰值Vp-p=2V（可用示波器监测）。3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p为最小（铁芯约在中间位置）。这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一个方向位移为负。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3-1。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3-1 差动变压器位移X值与输出电压Vp-p数据表X（mm） + Vp-p（mv）最小相位五、实验数据处理与分析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。根据表3-1画出Vop-p-X曲线，作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性误差。六、思考题1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同。实验四 电涡流传感器位移特性实验一、实验目的与要求了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二、实验原理及说明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、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1电涡流传感器实验模块测量模块2电涡流传感器感受待测信息3测微头测位移4直流电源提供电源5铁圆片被测体6数显单元显示电压值四、实验内容和步骤1、根据图4-1安装电涡流传感器。图4-1 电涡流传感器安装示意图 电涡流传感器 模块 测量架 测微头 被测体 2、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有Ti的插孔中，作为振荡器的一个元件。3、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。4、将实验模块输出端Vo与主控箱的输入端Vi相接。主控箱的电压表量程切换开关选择电压20V档。5、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果填入表4-1。表4-1 电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）V（v）五、实验数据处理与分析根据表4-1数据，画出V-X曲线，试计算量程为1mm、3mm、5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。六、思考题1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量5mm的量程应如何设计传感器？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据使用量程选用传感器？实验五 光纤温度传感器性能实验一、实验目的与要求运用光纤温度传感器完成温度信号的传输测量。二、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1光纤温度传感器实验模块测量模块2热电偶E型感测温度信号3温度控制源使应变式传感器受力4数显表显示电压值三、实验内容和步骤1、将YL系列温度测量控制仪的“加热方式”、“冷却方式”拨至“内控”方式。选用E型热电偶，插在控制仪上方的测温孔中，而热电偶传感器的输出线分别对应接至控制仪面板的传感器（+）和（-）端；同时将温度测量控制仪的标准信号输出Vo到光纤温度传感器实验模块的输入，将光纤温度传感器实验模块的输出Vo接主控箱的电压表Vi。2、接通YL系列温度测量控制仪的电源，同时设定给定温度值为50C，适当调节光纤温度传感器实验模块的放大倍数旋钮（RW1为粗调旋钮、RW2为细调旋钮）。3、重新设定给定温度值为100C，从50 C开始每隔1个t（t = 5C）读出数显表输出电压与温度值，并记入下表。E型热电偶温度和输出电压数据T（C）556065707580859095100V（v）实验六 压电式传感器测量振动实验一、实验目的与要求了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、实验原理及说明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，质量块便有正比于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于运动加速度的表面电荷。三、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1压电式传感器实验模块测量模块2压电传感器感受待测信号3振动台产生振动4检波移相低通滤波器模块信号滤波5双线示波器观测输入输出信号四、实验内容和步骤1、压电传感器吸在振动台模块上。将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入源插孔。接主控箱电源输出 接主控箱数显表 Vi 地 图6-1 压电式传感器性能实验接线图 2、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模块两输入端，见图6-1，屏蔽线接地。将压电传感器实验模块电路输出端Vo1（如增益不够大，则Vo1接入IC2，Vo2接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出Vo与示波器相连。（注：滤波器为有源低通滤波器，即+15V、地、-15V要接主控箱的+15V、地、-15V）3、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，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。4、改变低频振荡器频率，观察输出波形变化。实验七 霍尔、光电转速传感器测速实验一、实验目的与要求了解霍尔、光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、实验类型 综合型三、实验原理及说明利用霍尔效应表达式UH = KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周，磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。光电式转速传感器有反射型和直射型两种，本实验装置是反射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源射在转盘上，反射后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有黑白相间的间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。四、实验主要仪器设备和材料序 号名 称主要用途1转动源单元测量模块2霍尔转速传感器感受待测信号3光电转速传感器感受待测信号4直流电源+5V、2-24V提供电源5数显转速/频率表显示转速值五、实验内容和步