传感器实验指导书

1 / 21传感器实验指导书传感器实验指导书目 录实验一 电阻式传感器的单臂电桥性能实验 . 3 实验二 电阻式传感器的半桥性能实验 . 6 实验三 电阻式传感器的全桥性能实验 . 8 实验四 变面积式电容传感器特性实验 . 10 实验五 差动式电容传感器特性实验 . 13 实验六 差动变压器的特性实验 . 14 实验七 自感式差动变压器的特性实验 . 16 实验八 光电式传感器的转速测量实验 . 18 实验九 接近式霍尔传感器实验 . 20 实验十 涡流传感器的位移特性实验 . 22 实验十一 被测体材质对涡流传感器特性的影响实验 . 24 实验十二 温度传感器及温度控制2 / 21实验 . 25 实验十三 超声波传感器的位移特性实验 . 28 实验十四 磁电式传感器的特性实验 . 30 实验十五 压电加速度式传感器的特性实验 . 32 附录一 计算机数据采集系统的使用说明 . 33 附录二 检测与转换技术实验台使用手册 . 35实验一 电阻式传感器的单臂电桥性能实验一、实验目的1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。 3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：R/ RK ，R 为电阻丝变化值， K 为应变灵敏系数， 为电阻丝长度的相对变化量 L/ L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。3 / 212、电阻应变式传感如图 1-1 所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为3mm。11外壳 2电阻应变片 3测杆 4等截面悬臂梁 5面板接线图图 1-1 电阻应变式传感器3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图 1-2 所示，图中 R1、R2 、R3 为固定，R 为电阻应变片，输出电压UOEK，E 为电桥转换系数。图 1-2 电阻式传感器单臂电桥实验电路图四、实验步骤1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示 15mm 左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、将实验箱面板上的15V 和地端，用导线接到差动放大器上；将放大器放大倍数电位器 RP1 旋钮逆时针旋到终端位置。 3、用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上4 / 21电压量程转换开关的 20V 档按键；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器 RP2 旋钮，使电压表指示向零趋近，然后换到 2V 量程，旋动调零电位器 RP2 旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器 RP2 旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器 RP1。4、按图 1-2 接线，R1 、R2、R3 与一个的应变片构成单臂电桥形式。5、调节平衡电位器 RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次，上下各2mm，将位移量 X 和对应的输出电压值 UO 记入下表中。表1-1 五、实验报告1、根据表 1-1 中的实验数据，画出输入/输出特性曲线 UO?f，并且计算灵敏度和非线性误差。2、传感器的输入电压能否从5V 提高到10V？输入电压的大小取决于什么？ 3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。实验设备简介传感器种类：金属箔应变片式传感器、半导体应变片、电容传感器、电涡流传感器、霍尔位移传感器、光电传感器、磁电5 / 21传感器、温度传感器和湿度传感器等。 实验台信号及显示部分1、气压装置：由气泵、气压表、流量计、储气箱组成。2、低频振荡器：130Hz 输出连续可调，VP-P值 20V，Vi 端插口可提供用作电流放大器。3、音频振荡器：110kHz 输出连续可调，VP-P值 20V，180 为反相输出。 4、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，最大输出电流。 2V10V，档距 2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流。 224V 可调直流电源5、数字式电压表：分 20mv、2V、20V 三档，由Vin 接线口接出，在“显示选择”处显示。6、频率/转速表：在 Fin 接线口接出。处理电路：由电桥电路、差动放大电路、光电变换电路等组成，具体见实验模板。 使用本仪器时打开电源开关，检查交、直流信号及显示仪表是否正常。请注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各种传感器测试电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。传感器基础知识6 / 21一、传感器的定义传感器是将各种非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。合格的传感器应该满足：输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。 二、静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。 通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系保持线性。 1、 线性度在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。1非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同。2、 灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。由图 1-5 可知，线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度 K。非线性传感器的灵敏度用 dY/dX 表示，此外，传感器静态特性还有精确度、分辨力、重复性等指标。27 / 21实验 1 转速测量实验一、实验目的：了解光电传感器、磁电转速传感器测转速的原理 二、实验原理：1光电传感器测速原理用光电法测量转速的原理是：将旋转轴的转速变换为相应频率的电脉冲，测出脉冲的频率，即可得到转速值。光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，由光敏三极管和发光二极管相对组成。在被测转轴上安装一圆盘，上面开有 6 个圆孔。圆盘一侧是发光二极管，另一侧是光敏三极管。由发光二极管产生恒定光，当圆盘转动时，透过圆盘上的孔照射到光敏三极管上，转换成相应的电脉冲信号，经放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速可以由脉冲信号的频率来决定。若开孔盘的孔数为 N，转轴每分钟转数为 n，则每秒钟产生的电脉冲数为 fNn/60 ，即 n=60f/N 在本实验中，N6，所以 n=10f。2磁电转速传感器e ?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： ? N 发生变d?8 / 21dt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、实验器材：光电转速传感器、磁电转速传感器、直流源5V、转动源 2 24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分，导线。 四、实验内容：光电传感器测速1光电转速传感器已安装在转动源上，把转动源上的5V、接地和输出分别与主控箱上的5V、地、数显表的 Fin 相连。数显表转换开关打到转速档。2将转速调节电源 224V 输出接到转动源 212V 插孔上。3合上主控箱电源开关，调节转速源 224V 旋钮，每增大，从转速表上观察电机转速。1磁电传感器测速1、 磁电式转速传感器按图 1 安装传感器端面离转动盘面 2mm 左右。将磁电式传感器输出端插入数显单元 Fin 孔。 2、 将显示开关选择转速测量档。3、 将转速电源 224V 用引线引入到台面板上9 / 2124V 插孔，合上主控箱电开关。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。4、五、实验报告：1光电传感器是，频率和转速的关系是什么？ 2整理二个表中数据，在同一坐标图上绘出 V-n 曲线，计算灵敏度和线性度。 六、注意事项：1、连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。2、接插线插入插孔时保证接触良好，拔出时要轻轻地拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。2实验 2 扩散硅压阻传感器的压力测量实验一、实验目的：1了解扩散硅式压力传感器的结构。2掌握扩散硅式压力传感器测量压力的原理和方法。 二、实验内容1.半导体应变片性能的测试 2.制作气压计三、实验原理：压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，具有灵敏度高、动态响应好、精度高。易于微型化10 / 21和集成化的特点。1、压阻效应：单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。dRd?dldS对于半导体材料，根据公式可得出电阻相对变化量 ?R?lSdR?E? R式中? 压阻系数；E 弹性模量； ?应变因此，半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生明显变化。2、实验中用的是扩散硅压阻式压力传感器，实验原理见图 1，实验接线见图 1，它是将 P 型杂质扩散到一片N 型单晶硅的基片上，形成一层极薄的导电 P 型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。如果在圆形硅膜片上扩散出四个呈 X 型的等值电阻，构成惠斯通电桥的四个臂，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变化，引起电阻的变化，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。a 原理图 b 接线图11 / 21图 1 实验原理图和接线图 3、差分放大电路：IC1 和 IC2 是安全对称的同相放大器，IC3 为差分放大器，对 IC1 和 IC2 的输出电压实行减法运算。电阻R1=R2， R3=R4， R5=R6。该电路的差模电压放大倍数为 Auf?R5?2R1?1?。电位器的作用 ?R3?RW1?3传感器实验指导书 电子对抗实验室目录 1、传感器的半桥性能实验2、传感器的全桥性能实验3、差动变压器的特性实验4、超声波传感器的位移特性实验5、单片机应用6、红外传感器的应用7、温湿度检测8、综合实验9、附件 1实验一 电阻式传感器的半桥性能实验一、实验目的掌握半桥电路的工作原理和性能。12 / 21二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值发生变化,这就是电阻应变效应, 其关系为 :R/R=K, R 为电阻丝变化值,K 为应变灵敏系数, 为电阻丝长度的相对变化量 L/L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。2、电阻应变式传感如图 1-1 所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁,四个电阻应变片贴在梁的根部, 可组成单臂、半桥与全桥电路,最大测量范围为3mm。1 一外壳 2-电阻应变片 3-测杆 4- 等截面悬臂梁 5-面板接线图图 电阻应变式传感器图中 R1、 R2、R3 为固定,R 为电阻应变片。3、将两个受力方向不同的应变片电阻分别接入电桥的两个相邻桥臂,组成半桥形式的测量电路, 转换电路的输出灵敏度提高,非线性得到改善。4、实验电路图见图 1-1 ,当两个应变片的阻值和应变量相同时,半桥输出电压 Uo=2EK， E 为电桥转换系数。四、实验步骤13 / 211、固定好位移台架,将电阻应变式传感器置于位移台架上,调节测微器使其指示 15mm 左右。将测微器装入位移台架上部的开口处,旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧, 然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态,两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、将实验箱面板上的15V 和地端,用导线接到差动放大器上;将放大器放大倍数电位器 RP1 旋钮逆时针旋到终端位置。3、用导线将差动放大器的正负输入端连接,再将其输出端接到数字电压表的输入端;按下面板上电压量程转换开关的 20V 档按键;接通电源开关, 旋动放大器的调零电位器RP2 旋钮 ,使电压表指示向零趋近,然后换到 2V 量程, 旋动调零电位器 RP2 旋钮使电压表指示为零;此后调零电位器 RP2旋钮不再调节,根据实验适当调节增益电位器 RP1。4、按图 1-2 接线, 将两个受力方向相反的应变片接入电桥中。图 1-2 电阻式传感器半桥实验电路5、调节平衡电位器 RP,使数字电压表指示接近零,然后旋动测微器使电压表指示为零,此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器,每次, 上下各 2mm,将位移量 X 和对应的输出电压值 Uo 记入下表中。14 / 21表1-1五、实验报告1、根据表 1-1 的实验数据, 画出输入 /输出特性曲线U。=f,并且计算灵敏度和非线性误差。2、进行半桥测量时,接入的两个应变片电阻的受力方向为什么必须相反?实验二 传感器的全桥性能实验一、实验目的掌握全桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值发生变化,这就是电阻应变效应, 其关系为 :R/R=K, R 为电阻丝变化值,K 为应变灵敏系数, 为电阻丝长度的相对变化量 L/L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。2、电阻应变式传感如图 1-1 所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁,四个电阻应变片贴在梁的根部, 可组成单臂、半桥与全桥电路,最大测量范围为3mm。15 / 213、按图 2-1 接线, 将四个应变片接入电桥中 ,注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。图 2-1 电阻式传感器全桥实验电路四、实验步骤1、固定好位移台架,将电阻应变式传感器置于位移台架上,调节测微器使其指示 15mm 左右。将测微器装入位移台架上部的开口处,旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧,然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态,两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、将实验箱面板上的15V 和地端,用导线接到差动放大器上;将放大器放大倍数实验一：金属箔式应变片性能及应用实验一、 实验内容 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 金属箔式应变片半桥性能实验 金属箔式应变片全桥性能实验 二、实验目的及要求 掌握应变片的工作原理和电桥电路的测量原理和方法。 比较各电桥的性能输出灵敏度及其非线性的差异。 三、实验条件及要求16 / 21应变式传感器实验模板、应变式传感器电子秤、砝码、数显表、15V 电源、4V 电源。 四、实验相关知识点电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当外力作用到弹性敏感元件上时，弹性敏感元件表面将产生微小的机械变形，而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生微小的机械变形，根据材料力学中的虎克定律即?E?，又由金属的应变效应可知应变片的应变? 与其电阻值的相对变化率成正比，因此电阻应变片的阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电路把电阻的变化转换为相应电压或电流的变化，这样就可以唯一确定被测量和电压或电流的关系。再利用这一关系，进行实际的测量。当然，测量其他物理量如力、压力、加速度等，需要将这些物理量通过弹性敏感元件转换为应变，这样就可以利用应变片进行测量。 五、实验实施步骤金属箔式应变片单臂电桥性能实验1、根据图应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3 、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进17 / 21行测量判别，R1R2R3 R4350，加热丝阻值为50 左右。图 应变式传感器安装示意图2、 接入模板电源15V，检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器 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，输出端与主控台面板上数显表输入端 Vi 相连，调节实验模板上调零电位器 RW4，使数显表显示为零。关闭主控箱电源。3、 将应变式传感器的其中一个电阻应变片 R1 接入电桥作为一个桥臂与 R5、R6、R7 接成直流电桥，接好电桥调零电位器 RW1，接上桥路电源4V 如图所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节 RW1，使数显表显示为零。图应变式传感器单臂电桥实验接线图说明：模板上实线表示内部有导线连接，相应的电子元件接于模板内部。4、 在电子称上放置一只砝码，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 200g 砝码加完。记下实验结果填入表 1-1，关闭电源。18 / 21金属箔式应变片半桥性能实验1、传感器安装同实验上，做实验步骤 2，实验模板差动放大器调零。2、根据图接线。R1、R2 为实验模板左上方的应变片，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，重复实验步骤 3、 4，将实验数据记入表 1-1。图应变式传感器半桥差动电路实验接线图金属箔式应变片全桥性能实验1、传感器安装同上，做实验步骤 2，实验模板差动放大器调零。 2、根据图接线，实验方法与半桥实验相同。将实验结果填入表 1-1。图应变式传感器全桥差动电路实验接线图表 1-1 输出电压与加负载重量值直流全桥的应用电子秤实验1、按实验一中 2 的步骤，将差动放大器调零，按图1-4 全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示。 2、将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器 RW3 使数显表显示为或。 3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 R W4 使数显表显示为。19 / 214、重复 2、3 步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲 V 改为重量纲 g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。 把砝码依次放在托盘