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1、感测技术实验讲义（选 做）,长江大学电子与信息学院吴爱平 编 2006年7月,实 验 目 录,实验一位移测量实验实验二振动测量实验实验三热电偶冷端温度补偿实验实验四气敏传感器实验实验五交流全桥的应用附录一实验台使用说明附录二调节仪使用说明,实验一 位移测量实验,实验目的 基本原理 实验所需部件 实验步骤 思考题,了解电容式传感器结构及其特点了解霍尔式传感器原理与应用了解电涡流传感器的工作原理和性能了解光纤位移传感器的工作原理和性能。,一、实验目的：,二、基本原理：,利用平板电容CAd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，
2、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。根据霍尔效应，霍尔电势UHKHIB，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。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。,传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型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。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转
3、换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。,三、实验所需部件：电容传感器、电容传感器实验模板、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源、导线若干。,、按图11安装示意图将测微头和电容传感器装于电容传感器模板上。将传感器引线插头插入实验模板的插座中。、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),RW调节到中间位置。、接入15V电源旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值V，填入表11。根据表（11）数据，计算电容传感器的系统灵敏度S和非线
4、性误差f。,四、实验步骤：,图11电容传感器位移实验接线图,表11电容式传感器位移X与输出电压V,、霍尔传感器按图12安装。将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验模板的连接按图13进行连接。1、3为电源4V,2、4为输出。、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。,、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12。作出VX曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。,表12 霍尔传感器位移X与输出电压V,图12 霍尔传感器安装示意图,图13霍尔传感器位移直流激励实验接线图,7、根据图14安装电涡流传感器。8、观察传
5、感器结构，这是一个平绕线圈。9、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件，见图15。10、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。,图14 电涡流传感器安装示意图,图15电涡流传感器位移实验接线图,11、将实验模板输出端VO与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V。12、从主控台接入+15V直流电源到实验模板上标有15V的插孔中。13、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。将结果列入表13。,表13电涡流传感器位移X与输出电压V,14、将原铁圆片换成
6、铜圆片，重复上述步骤，进行被测体为铜圆片时的位移特性测试，记入表14。,表14被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据,15、据表13、14数据，画出VX曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度。16、根据图16安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。17、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图17。,图16光纤传感器安装示意图,图17光纤传感器位移实验接线图,18、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。19、实验模板接入15V电源，合上主控箱电源开关，调RW使数显
7、表显示为零。20、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15。根据表15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。,表15光纤位移传感器输出电压与位移数据,五、思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？在电涡流传感器测位移的实验中如果将铜圆片换成铝圆片，在相同的条件下输出的电压与原来相比是 1)偏大 2)偏小 3)一样大在相同条件下金属圆片面积的大小与输出电压有无关系?,实验二 振动测量实验,实验目的 基本原理 实验所需部件 实验步骤 思考题,一、实验目的：,了解差
8、动变压器的工作原理和特性。了解差动变压器零点残余电压补偿方法。了解差动变压器测量振动的原理和方法了解压电传感器测量振动的原理和方法,二、基本原理：,变压器由一只初级线圈和二只次线圈及铁芯组成，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，将两只次级反向串接，就引出差动输出。其输出电势则反映出被测体的移动量。,由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯BH特性的非线性等，因此在铁芯处于
9、差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。称其为零点残余电压。压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。(观察实验用压电加速度结构)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晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。,三、实验所需部件：,音频振荡器、差动放大器模板、压电式传感器、压电式传感器实验模块、移相器、相敏检波器、滤波模板、数显单元、低频振荡器、示波器、直流稳压电源。,四、实验步骤：,、根据图21，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。,图21差动变压器电容传感器安装示意图,、在模块上按图22接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端
10、子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为45KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。调节输出幅度为峰峰值Vp-p2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div）。图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。,图22 双踪示波器与差动变压器连结示意图,、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，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，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，填入下表21，再人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21 差动变压器位移X值与输出
11、电压数据表,4、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21画出Vop-pX曲线，作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性误差。,5、按图23接线进行零点残余电压补偿实验。音频信号源从LV插口输出，实验模板R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。,图23零点残余电压补偿电路,6、利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰峰值。7、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。8、依次调整RW1、RW2，使输出电压降至最小。9、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。10、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰峰值）。（注：这时
12、的零点残余电压经放大后的零点残余电压V零点p-pK，K为放大倍数）,11、将差动变压器按图24，安装在台面三源板的振动源单元上，进行振动测量实验。,图24 差动变压器振动测量安装图,12、按图25接线，并调整好有关部分。调整如下：（1）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV峰-峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使V=2V，（2）利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接高度，使示波器显示的波形幅度为最小。（3）仔细调节RW1和RW2使示波器（相敏检波器）显示的波形幅度更小，基本为零点。,（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波
13、形为一个接近全波整流波形。（5）松手，整流波形消失为一条接近零点线。（否则再调节RW1和RW2）。将低频振荡器输出接入振动源的低频输入端，调节低频振荡器的幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示波器观察放大器VO相敏检波器的VO及低通滤波器的VO波形。,图25 差动变压器测振幅系统原理图,13、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据。填入下表2214、保持低频振荡器的频率不变，改变振荡幅度,用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰峰电压值，记下实验数据，得到振幅与电压峰值曲线(定性)。,表22振荡频率与输出电压,15、取走差动变压
14、器实验模块,将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。16、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26，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模块电路输出端VO1接R6。将压电传感器实验模块电路输出端VO2,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。,图26 压电式传感器性能实验接线图,17、合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波形。18、改变低频振荡器的频率,观察输出波形变化。19、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。20、根据实验结果作出梁的振幅频率特性曲线，指出自
15、振频率的大致值注意事项：选择低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。,五、思考题：,如何用电涡流传感器进行振动测量实验?如何用磁电传感器进行振动测量实验?,实验三 热电偶冷端温度补偿实验,实验目的 基本原理 实验所需部件 实验步骤 思考题,一、实验目的：了解热电偶冷端温度补偿的原理与方法。,二、基本原理：热电偶冷端温度补偿的方法有：冰水法、恒温槽法和自动补偿法（图31），电桥法常用，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端温度补偿器，补偿器电桥在0时达到平衡（亦有20平衡）。当热电偶自由端温度升高时（0）热电偶回路电势Uab下降，由于补偿器中，PN呈负温度系数，其正向
16、压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。,三、实验所需部件：温度传感器实验模板、热电偶、冷端温度补偿器、直流源5V、15V。,四、实验步骤：,、温度控制仪表设定温度值50。、接入15V电源，合上主控箱电源开关，调RW3使温度传感器实验模板输出Vo2为零，并使实验模板输出端Uo2与数显表Vi相接 此时数显表显示零位，电压显示用200mv档。,、将K型热电偶置于加热器插孔中，输出端与实验模板输入端R5、R6插孔相接，合上主控箱加热源开关，使温度达到50，放大器增益RW2置最小读取数显表上数据V1。,、保持工作温度50不变，RW2、RW3不
17、变，冷端温度补偿器上的热电偶插入加热器另一插孔中，在补偿器4端加补偿器电源5V，使冷端补偿器工作，读取数显表上数据V2。、比较V1、V2二个数据，根据实验时的室温和二输出值，计算因自由端温度上升而产生的温度差。,图31冷端温度补偿原理图,五、思考题：此温度差值代表什么含义？,实验四 气敏传感器实验,实验目的 基本原理 实验所需部件 实验步骤 思考题,一、实验目的：了解气敏传感器原理及应用。,二、基本原理：本实验所采用的SnO2（氧化锡）本导体气敏传感器属电阻型气敏元件；它是利用气体在半导体表面的氯化和还原反应导致敏感元件阻值变化：若气浓度发生，其阻值又将变化，根据这一特性，可以从阻值的变化得知
18、，吸附气体的种类和浓度。,三、实验所需部件：气敏传感器、直流稳压电源、酒精、棉球、数显单元、差动变压器实验模板。,四、实验步骤：、将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板上传感器固定支架上。、根据图41接线，将气敏传感器，色线（加热线）接4V电压，红色线A端接10V电压、黑线接地，色线（B端）接入差动变压板R1的插孔内，RW1下端接地。,图41 气敏元件结构和工作原理,、将R1插孔与实验模板上的R2的输入孔相接。输出U0与数显单元Vi相接，电压拨2V档。、接上15V电源使运放工作，预热5分钟。、用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化。,五、思考
19、题：酒精检测报警常用于交通警察检查司机是否是酒后开车，若要使用这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素？,实验五 交流全桥的应用,实验目的 基本原理 实验所需部件 实验步骤 思考题,一、实验目的：了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。,二、基本原理：对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。,三、实验所需部件：音频振荡器、低频振荡器、万用表（自备）、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、双综示波器、振动源。,四、实验步骤：,、不用模块上的传感器，改为振动梁的应变
20、片，即台面上的应变输出。,、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350，若二组对角线阻值均为350则接法正确（万用表测量）。,、根据图51，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p（频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）,图51应变片振动测量实验接线图,、将低频振荡器输出接入振动台激励源插
21、孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入数显单元的Fin，把数显表的切换开关打到频率档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出Vo的电压峰峰值，填入表51。从实验数据得振动梁的自振频率为 HZ。,表51 振荡频率与输出电压,五、思考题：在交流电桥测量中，对音频振荡器频率和被测梁振动频率之间有什么要求？请归纳总结直流电桥和交流电桥的特点？,附录一 实验台使用说明,CSY2000系列传感器与检测技术实验台，主要用于各大专院校开设的“自动检测技术”“传感器原理与技术”“工业自动化控制”“非电量电测技术”等课程的教学实
22、验。CSY2000系列传感器与检测技术实验台上是采用最新推出的模块化结构的产品。希望通过实验能让学生加强对书本知识的理解，并在实验进行的过程中，通过信号的拾取、转换、分析掌握作为一个科技工作者应具备的基本的操作技能与动手能力。,一、实验台的组成 CSY2000系列传感器与检测技术实验台由主控台、三源板（温度源、转动源、振动源）、传感器（基本型18个、增强型23个）、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等六部分组成。,、主控台部分：提供高稳定的15V、5V、2V4V6V8V10V、及2V24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、气压、频率、转速的3位半数显表 及计时表。音频信
23、号源（音频振荡器）1KHZ10KHZ(可调)；低频信号源（低频振荡器）1HZ30HZ（可调）；气压源020kpa可调；高精度温度转速两用仪表；RS232计算机串行接口；流量计；漏电保护器；其中电源、音频、低频均具有断路保护功能。2V10V电源与其他电源、信号Fin、Vin部分，不共地。如果与其他电源同时使用时应将其共地。因断路无输出重新开机即可回复正常。调节仪置内为温度调节、置外为转速调节。,、三源板：装有振动台1HZ30HZ（可调）；旋转源02400转/分（可调）；加热源常温150（可调）。、传感器：基本型传感器包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器
24、、霍尔式转速传感器、磁电式传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八个。、实验模块部分：普通型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波十个模块。,二、电路原理传感器模块电路原理图见模块正面。,三、使用方法、开机前将转速调节旋钮调到中间位置，显示选择旋钮打到2V档，电压选择旋钮打到2V档，其余旋钮均打到中间位置，计时复位按钮在松开状态。、将220V的电源线插头插入市电插座，接通开关，电源指示灯亮，计时器指示为4个零，数字表
25、显示0.000或0.000，电压指示灯亮，表示实验台电源工作正常。,、每个实验前先阅读实验指导书，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线，检查无误后方可接通主电源。、打开调节仪电源开关，调节仪表头PV显示测量值，SV显示设置值。,四、注意事项、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。、严禁将电源、信号源输出插座和地短接，时间长易造成电路元件损坏。,、严禁将主控箱上15V电源引入模块时接错。、本实验台电源2V10V与电源15V不共地，所以在同时使用时应将共地。、差动变压器的原边不能接直流电压。、三源板上的电机电源不能超过12V。、做振动实验时振动面板不要碰到传感器
26、。、本实验台应采用Pt100做温度标准值与主控箱面板相连（见色标）。,、打开调节仪电源开关后等其完成自启动后再做按键操作。、实验完毕后，请将传感器以及电路模块放回原位。、本实验台的各个部分是相配套使用的，请勿调换。、在做实验前务必详细阅读实验指导书。,附录二 调节仪使用说明,一、仪表面板说明,1、PV测量值显示窗2、SV给定值显示窗3、AT 自整定工作指示灯4、ALM1报警指示灯5、ALM2手动指示灯6、OUT调节输出指示灯7、SET 功能键8、数据移位(兼A/M切换)键9、数据减少键10、数据增加键,二、温度实验仪表操作、将Pt100传感器接入主控箱调节仪单元的Pt100输入端口(传感器引线
27、相同的二根接入Pt100输入上方二端口,传感器另外一根引线接入Pt100输入下方一个端口);合上主控箱的漏电保护开关为ON,再合上调节仪单元中的温度开关为开,合上控制方式开关为内。,、仪表参数设置:按住SET键(功能键)并保持2秒钟,进入参数设置状态,PV显示菜单(功能),SV显示相应PV菜单(功能)的参数值。再按一下SET键.仪表依次显示菜单及各参数值。此时,分别按键可以进行参数修改。按 键并保持不放,再按键可返回显示上一个参数。先按住键不放接着按SET键可退出设置参数状态。如果没有按键操作,约30秒钟后仪表会自动退出设置参数状态。,、参数设置表:,、根据以上参数设定表设定经常改动的参数。如
28、假设仪表已根据参数设定表设定好。现如果要做温度实验温度值为50。则只要进行以下参数改动:按住SET键约2秒钟,进入参数设置状态。PV显示HIAL,按住或键使SV显示为50.0。按一下SET键,PV显示LOAL,按住或键使SV显示为50.0。按一下SET键.重复按SET到PV显示ctrl时,按住或键使SV显示为1。,先按住键不放接着按SET键退出设置参数状态,或不按住任何键等待约30秒钟后自动退出设置参数状态,返回到仪表正常工作状态。此时按住或键使SV显示为需要做实验的温度值(温度实验设定值)。按住键并保持约2秒钟,此时仪表AT指示灯亮,启动自整定工作状态,自动设置M50、P、t参数进行自动调节
29、温度。,三、转速控制实验仪表操作,、将主控箱的+5V电源,接到转动源的光电转速传感器的+5V输入;、将光电转速传感器的信号输出,接到主控箱上的控制输入;、将主控箱上的控制输出与转动电源相连接;、将调节仪的控制方式打在外,合上主控箱的电源开关,打开调节仪的电源开关;,按住SET键(功能键)并保持2秒钟,进入参数设置状态,PV显示菜单(功能),SV显示相应PV菜单(功能)的参数值。再按一下SET键.仪表依次显示菜单及各参数值。此时,分别按键可以进行参数修改。按 键并保持不放,再按键可返回显示上一个参数。先按住键不放接着按SET键可退出设置参数状态。如果没有按键操作,约30秒钟后仪表会自动退出设置参数状态。,5、参数设定,参数设定表,6、假如仪表已根据参数设定好。现如果要使转速控制实验稳定在1500r/min。则只需对设定值进行修改即可。即:按或键,将SV窗口的值改为1500。经过一段时间的仪表调整,转速就稳定在设定值。,
