传感器与检测技术实验指南

1、实验一 压阻式压力传感器的压力测量实验第一部分：压阻式压力传感器一、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。三、需用器件与单元：压力源(已在主控箱)、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±4V、±15V。四、实验步骤：1、这里选用的差压传感器两只气咀中，一只为高

2、压咀，另一只为低压咀。本实验模板连接见图1-1，压力传感器有4端：3端接+2V电源，1端接地线，2端为U0+，4端为U0-。1、2、3、4端顺序排列见图1-1。端接线颜色通过观察传感器引脚号码判别。2、实验模板上Rw2用于调节零位，Rw2可调放大倍数，按图1-1接线，模板的放大器输出V02引到主控箱数显表的Vi插座。将显示选择开关拨到合适档位，反复调节Rw2(Rw1旋到满度的1/3)使数显表显示为零。3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。图1-1 压力传感器压力实验接线图4、合上主控箱上的气源开关K3，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠浮起悬于玻璃管中。5、逐步关小流量计旋钮，

3、使标准压力表指示某一刻度。6、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列于表(1-1)表(1-1)压力传感器输出电压与输入压力值P(KP)V0(p-p)思考题1、计算本系统的灵敏度和非线性误差。2、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法如下：输入4KPa气压，调节Rw2(低限调节)使数显表显示0.400V，当输入12KPa气压，调节Rw1(高限调节)，使数显表显示1.200V这个过程反复调节直到足够的精度即可。3、利用本系统如何进行真空度测量？第二部分： 扩散硅压阻式压力传感器差压测量一、实验目的：了解利用压阻式

4、压力传感器进行差压测量的方法。二、基本原理：压阻式压力传感器的硅膜片受到两个压力P1和P2作用时由于它们对膜片产生的应力正好相反，因此作用在压力膜片上是P=P1-P2，从而可以进行差压测量。三、需用器件与单元：实验八所用器件和单元、压力气囊。四、实验步骤：请同学们自拟一个差压测量的方法，并记录实验数据。实验二 金属箔式应变片第一部分：单臂电桥性能实验一、实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、基本原理: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/

5、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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EK/4。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。四、实验步骤：1、根据图(2-1)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，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350，加热丝阻值为50左右。图2-1 应变式传

6、感安装示意图2、接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，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，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的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)如图2-2所示。检查接线无误后，

7、合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。图2-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图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500g(或200g)砝码加完。记下实验结果填入表2-1，关闭电源。重量(g)电压(mv)5、根据表2-1计算系统灵敏度S，S=u/W(u输出电压变化量；W重量变化量)计算线性误差：f1=m/yF·S×100%式中m为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差：yF·S满量程输出平均值，此外为500g或200g。五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)

8、负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。第二部分：半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。二、基本原理：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U02=EK/2。三、需用器件与单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验(一)2的步骤，实验模板差动放大器调零。2、根据图2-3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(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

9、器Rw1进行桥路调零，实验步骤3、4同第一部分中4、5的步骤，将实验数据记入表2-2，计算灵敏度S=U/W，非线性误差f2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。图2-3 应变片传感器半桥实验接线图表2-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)五、思考题：1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：(1)对边(2)邻边。2、桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差，是因为：(1)电桥测量原理上存在非线性(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。第三部分：全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路优点。二、基本原理

10、：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U03=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件和单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。2、根据图2-4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表2-3；进行灵敏度和非线性误差计算。图2-4 全桥性能实验接线图表2-3全桥输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)实验三 电容式传感器和光纤式传感器第一部分：电容式传感器位移特性测试一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特

11、点。二、基本原理：利用平板电容C=A/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，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(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。四、实验步骤：1、按图3-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。图3-1 差动变压器电容传感器安装示意图2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图3-2。图3-2 电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元V

12、i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，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。X(mm)V(mv)5、根据表3-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。五、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？第二部分:光纤传感器的位移特性实验一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、基本原理：本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成Y型光纤，探头为半圆分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的

13、端部是工作端亦即探头，它与被测体相距，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量，而光电转换器转换的电压量大小与间距有关，因此可用于测量位移。三、需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源±15V、反射面。四、实验步骤：1、根据图3-3安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上光电变换座孔上。其内部已和发光管及光电转换管T相接。图3-3 光纤传感器安装示意图2、将光纤实验模板输出端V01与数显单元相连，见图3-4。图3-4 光纤传感器位移实验接线图3、调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。4

14、、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调RW使数显表显示为零。5、旋转测微头,被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表值,将其填入表3-2。表3-2光纤位移传感器输出电压与位移数据X(mm)V(v) 6、根据表3-2数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。五、思考题：光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？实验四 霍尔式传感器第一部分：直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、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，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。 三、需用器件与

15、单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4V、±15、测微头、数显单元。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器按图4-1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图4-2进行。1、3为电源±4，2、4为输出。图4-1 霍尔传感器安装示意图2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW2使数显表指示为零。图4-2 霍尔传感器位移 直流激励实验接线图3、旋转测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表4-1。表4-1X(mm)V(mv)作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。五、思考题：本实验中霍尔元件位移的线

16、性度实际上反映的是什么量的变化？第二部分：霍尔传感器应用电子秤实验 一、实验目的：了解霍尔式传感器用于称重实验方法。 二、基本原理：利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移，通过测位移来称重。 三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显单元。 四、实验步骤：1、传感器安装、线路接法与上面实验相同。2、在霍尔元件上加直流电压±4，数量表 2 。3、调节传感器连接支架高度，使传感器在磁钢中点位置（要求当振动台无重物时，调节传感器高度使它在线性段起点），调RW2使数显表输出零。4、在振动台面上中间部位分别加砝码：20g、40g、60g、80g、100g，读

17、出数显表上相应值，依次填入表4-2。表4-2W(g)V(mv)5、根据表4-2计算该称重系统的灵敏度。6、放上未知重物，读出数显表电压值。7、计算出未知重物为g。五、思考题：1、该电子称系统所加重量受到什么限制？2、试分析本称重系统的误差。实验五 集成温度传感器的特性实验实验装置用法：附（一）温控仪表操作说明1、功能的调出顺序仪表通电后，上排显示INP，下排显示分度号（E或），表示输入类型。经过4秒钟后，上排显示400，下排显示0，表示测量范围。再经过4秒钟后，上排显示测量值，下排显示设定值，进入正常工作状态。温度的设定：按键，上排显示SP。按或键，使下排显示为所需要的值。再按键回到标准模式。

18、控制参数的设定：按键4秒钟以上，上排显示控制参数的提示符(详见控制参数一览表)，按或键，使下排显示为所需要的值。继续按键，上排依次显示各参数的提示符，按或键，使各控制参数为所需要的值，再按键4秒钟以上，回到标准模式。（无键按下分钟后自动返回到标准模式）若红色显示的下边出现0000则说明热电偶接反，上边出现0000则说明热电偶开路或温度超过测量范围。仪表控制参数的自整定功能：按键20秒后AT类闪烁，仪表开始自整定，温度经过一到二次波动后自整定结束，AT灯灭。仪表将以新的控制参数进行控制，并永远保存。2、各功能参数一览表：提示符名 称设定范围说 明出厂值报警设定100400报警点设定，当AL0时为

19、上限报警；当AL0时为下限报警，输出状态自动翻转，实际报警点SPAL50AL测量值修正-100100用于修正由热电偶、补偿导线所产生的测量误差。0rT过 冲抑 制0100减小Ar能减小温度过冲,当SP改变时,Ar需重新设定,自整后Ar重新确定,并根据SP 动调整.P=0时,Ar为控制不灵敏区,Ar=0为0.4。100Ar比例范围0400比例作用调节,P越大比例作用越小,系统增益越低.P太大,达到设定值的时间太长。P太小，温度出现波动。25P控制周期1100秒继电器输出不小于20秒.外接固态继电器或可控硅的仪表,T取3各处.203T系统常量1999与加热对象的功率、升温时间、热电偶的位置、仪表的

20、比例范围等多种因素有关。一般惯性大的现象Cr应大一些。72Cr密码锁02LC=0:所有参数匀能修改.LC=1;只能修改给定值(SP)。LC=2:有参数匀不能修改。0LC3、面板布置说明附(二)温控仪表操作说明1、通电前检查接线正确无误，感温元件与仪表分度号一致，仪表通电5S内显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗同输出代码,后显示PV窗量程上限、SV 量程下限,随后即进入工作状态,按SET键0.5秒SV显示窗闪烁,此时可改变设定值,再按SET键0.5秒确认,如需修改其它参数,必须按住SET键大于3秒,即进入B菜单,可按要求逐一修改内容(见操作流程表),修改完毕再按SET键0.5秒若干下, 退出B菜

21、单,如15秒内无键按下(该窗内新设置的数据无效)自动进入新的工作状态.2、在输入信号大于量程上限时,仪表显示,在输入信号小于量程下限时,仪表显示。3、当温度控制效果不够理想时,可以通过人工或自整定来改变PID参数。操作方法如下：人工修正：将仪表进入菜单至窗，再用键来修正P值，再按SET键0.5S进入I窗，I、D、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。自整定修正：将仪表进入B菜ATU窗后选择(1)(选0时为不自整定)，选好按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，待自整定完成AT灯闪时再按SET键2秒确认后即按新的自整定PID参数工作。

22、用自整修正PID值时应注意当负载为多段串联加热方式(如挤出机械)，其中某段进入自整定过程时，应心意一保持前拍二段的温度不变,否则会影响自整定效果。4、PID参数的设置原则:P为比例带(加热侧),如过冲大可加大比例带。如希升温快可减小比例带。I为积分时间，如温度波动较大则加长积分，反之则减小积分。一般来说系统滞后现象越严重，积分时间越长。D为微分时间，一般取积分时间的(1/51/4)。5、PID控制与位式控制功能的切方法：若需把仪表切换成位工控制(常规仪表出厂设置均为PID控制)，政党工作状态仪表按住SET键3S以上进入B菜单后，再按SET键0.5S若干下至P窗,把P设为0后按SET键若干下至T

23、窗，把T设为1即进入位式控制，其控温范围(切换差)可通过改变dP值来实现,位式控制时的dP值举例：SV100时，设dP=12.5,则实际输出控制范围为87.5-112.5。若需返回至PID控制时,把P、值还原即可。PID控制适用于高精度控温场S合,系统配置稳定合理可达±1个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。6、进入C菜单的设置方法：(C菜单因仪表功能不同而有所不同; 非专业人士及无特殊情况下请勿进入C菜单。)先进入B菜单的ATU窗后同时按住键0.5秒至PV窗显示L，可设置量程下限；再按SET键0.5秒，PV 窗显示H,可设置量程上限;按SET0.5秒，PV窗显示LP，LP

24、=下冲限，常规值26；按SET0.5秒，PV窗显示L1，在L1值内无开机及设定后默认值,常规610；按SET0.5秒，PV窗显示A，在SV窗选1或0，选1时为绝对值报警(报警设定值=报警输出值)，选0时=偏差值报警(主控值±报警设定值=报警输出值)；当测量值低于下限报警输出值时ALM灯亮下限继电器吸合，高于上限报警输出值时ALM灯亮，上限继电器吸合；再按SET0.5秒，PV窗显示I，I常规3内大控制快；按SET0.5秒，PV窗显示E，E为抗干扰等级，0=常规，1=加强，按SET0.5秒，PV窗显示P，P(30-100%)为输出最大功率限制，按SET0.5秒即进入新的工作状态。7、若控

25、温失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。按键不起作用，请检查LCK键是否被锁定。8、操作流程表第一部分：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在0-630.74以内，电阻Rt与温度t的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系温度为0时的电阻。本实验R0=100，At=3.9684×10-2/，Bt=-5.847×10-7/2，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测

26、量的影响。三、需用器件与单元：加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。四、实验步骤：1、注意：首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说”，学会基本参数设定。2、将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。将型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶E插孔中，红线为正极，黑色为负，注意热电偶护套中已安置了二支热电偶，型和E型，蓝色为正，绿色为负。它们热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别型和型（型热电势大）热电偶。3、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的220V控制电源插座上。4、将Pt100铂电阻三根线引入“Rt”输入的a、b上

27、：用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线接b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R6相接，见图5-1。图5-1 热电阻测温特性实验5、在端点a与地之间加直流源2V，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。6、加±15V模块电源，调Rw3使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。7、设定温度值50将PT100探头插入加热源另一个插孔中开启加热开关，待温度控制在50，时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50+n·t，建议t=5，n=110，每隔1n读出数显表输出电压与温度值，将结果填入下表5-1。表5-1t()V(mv)6、根据表5-1值计算其非线性误差。五、思考题：如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？选作：热电偶测温性能实验（可以根据时间自己选作）一、实验目的：了解热电偶测量温度的性能与应用范围。二、基本原理：当两种不同