传感器原理与应用.doc

“传感器原理及应用”实验指导书

《传感器原理与应用》
实验指导书

朱蕴璞 王芳 编写
孔德仁 审定

南京理工大学
二〇〇九年九月

实验须知
1． 传感器实验仪是贵重实验设备，请在每个实验前认真阅读实验指导书，尤其是每个实验最后的实验注意事项。
2． 实验仪器电源的开关原则:
连接测量线路,确认准确无误后，开启仪器电源；
实验完毕，关闭仪器电源，拆除测量线路。
3．稳压电源不可对地短路。
4．实验过程中，心要细、动作要轻，不可有强制性机械动作出现。
5．实验严格按操作规程进行，否则，出现损坏责任自负。
6．实验完毕，请一切恢复到实验前的状态，然后离开实验室。

目 录
实验一 传感器静态标定实验…………………………………………3
实验二 应变式传感器特性实验……………………………………10
实验三 电感式、涡流式、电容式、霍尔式位移传感器特性实验……………………………………………………………14
实验四 重量测量实验（选做）………………………………………25
实验五 转速测量实验………………………………………………29
实验六 温度实验……………………………………………………34

实验一 传感器静态标定实验
（注：“压力传感器的静态标定及特性指标的求取”与“光纤位移传感器静态标定及特性指标求取“两实验取其一。）
压力传感器的静态标定及特性指标的求取
1、实验目的
掌握压力传感器静态标定的基本方法以及压力传感器的静态特性指标的求取。
2、实验内容
（1）组建压力测试系统；
（2）学习压力测试系统的标定过程；
（3）计算压力测试系统静态特性指标。
3、实验原理及方法
活塞压力计
被标传感器
（电阻应变仪）
数字万用表

图1 压力传感器标定系统原理框图

压力表
法码
传感器
桥盒
（电阻应变仪）
万用表
电源
压力泵手轮
图2 压力传感器标定系统构成框图

被标传感器和压力表接入活塞压力计压力油路，活塞压力计产生一系列标准压力，该标准压力值由压力表指示。
4、实验仪器设备
活塞压力计一台，数字万用表一只，动态电阻应变仪一台，压力表一只。
5、实验步骤
（1）反复排除活塞压力计油腔内的空气，最后将压力泵手轮摇出。
（2）把压力传感器装在活塞压力计的联接螺帽上，关闭油杯。
（3）传感器输出接入可调零的桥盒，电桥输出接入数字万用表。当输出量很小，无法直接用万用表测得时，可先将传感器接入动态电阻应变仪桥盒（注意电桥的连接），桥盒的另一端连线接应变仪输入（选择一个通道）；将应变仪专用电源接好；电阻应变仪电压输出接数字万用表。（说明：后者标定是整个系统标定，所求得的指标也为系统指标）
（4）压力表指示为零时，开启仪器电源（注意：开启仪器电源前应变仪各通道应处于关闭状态），将应变仪灵敏度旋钮放在适中位置，按照动态电阻应变仪调零规则（应变仪衰减档从大到小），各档分别调节电阻、电容平衡旋钮将系统输出调整为零，最后将应变仪衰减档放在适中位置上。
（5）按活塞压力计的操作规程，转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置，并转动托盘。
（6）按所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需要的压力（等间隔6~8个点至满量程），用数字万用表记录传感器在相应压力下的电压输出，数据记录于表1。（此过程称为升程）
（7）在满量程处逐点减少砝码重量，使压力计产生所需要的压力（等间隔6~8个点至零点）。用数字万用表记录传感器在相应压力下的电压输出，数据记录于表1。（此过程称为回程）
（8）重复4次实验步骤6、7，数据记录于表1。
（9）计算压力传感器的灵敏度、迟滞、非线性度及重复性。

表1 数据记录、计算平均值及子样标准偏差表
压力（MPa）
0
……
(满量程)
输出
（mV）
1次
升程

回程

2次
升程

回程

3次
升程

回程

平均值（mV）
升程

回程

子样标准偏差
升程

回程

表2 以端点连线为工作特性曲线时特性指标的计算表

压力
（Mpa）
平均值
（mV）

迟滞值
（mV）
端点连线
理论值
（mV）
非线性
（mV）
升程
回程
升程
回程
0

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
(满量程)

6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*
7、实验注意事项
（1）在整个标定过程中，系统只允许开始为零压力时的1次调零。
（2）压力表的量程必须稍大于被标传感器的量程，所加压力不要超过传感器满量程的10%。

光纤位移传感器静态标定及特性指标求取
1、实验目的
掌握光纤位移传感器静态标定的基本方法以及静态特性指标的求取方法。
2、实验内容
（1）组建光纤位移传感器测试系统；
（2）学习光纤位移传感器测试系统的标定过程；
（3）计算光纤位移传感器测试系统的静态特性指标。
3、实验原理
x
接受光纤
光源光纤
输出电压
位移
前波
后波
图3 反射式光纤位移传感器原理图
图4 输出特性曲线
反射式光纤位移传感器的工作原理如图3、4所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分成两束，分别作为接受光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发出的红外光经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接受光纤至光电转换元件将接受到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。输出电信号（电压）同输入（位移）之间关系必须通过标定来得到，本系统由测微头产生标准位移，数字电压表记录输出电压。

4、实验仪器设备
CSY传感器综合实验仪，光纤、光电变换器、支架、反射片、测微头、电压表
5、实验步骤
（1）观察光纤结构：本仪器中光纤探头为圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接受光纤。
（2）将原装电涡流线圈上得电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准度铬反射片。
（3）振动台上装上测微头，开启电源，光电变换器VO端接电压表。旋转测微头，带动振动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时VO输出为最小。
（4）旋动测微头，使反射面离开探头，每隔0.2mm取一VO电压值填入下表3，至5mm结束。（此过程称为升程）
（5）探头返回，同样每隔0.2mm取一VO电压值填入下表4。（此过程称为回程）
（6）重复2次实验步骤4、5。
（7）按平均值作出VO—x曲线，分析并找出传感器前波段和后波段的线性段。
（8）计算你所找出的前波段的线性段的灵敏度、非线性、重复性及迟滞。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*
7、实验注意事项
（1）光电变换器工作时VO最大输出电压以2V左右为好，可通过调节增益电位器控制，调节好后，在整个标定过程中，增益电位器不可再动。
（2）实验时请保持反射镜片的洁净与光纤端面的垂直度。
（3）工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。
（4）注意背景光对实验的影响。
（5）光纤勿成锐角曲折。

表4 数据记录表
位移(mm)

电压(mV)

0

0．2

……

4.8

5.0
1次
升程

回程

2次
升程

回程

3次
升程

回程

实验二 应变式传感器特性实验
1、实验目的
了解掌握应变式传感器及不同测量处理电桥的特性。
2、实验内容
（1）观察掌握箔式应变片、半导体应变片的结构、工作原理、相关测量电路及粘贴方式。
（2）比较单臂桥、差动半桥及全桥间的输出关系。
（3）比较箔式应变片、半导体应变片的输出。
（4）观察掌握温度对单臂桥、差动桥输出的影响。
（5）观察掌握温度对箔式应变片和半导体应变片的影响。
3、实验原理及方法
应变片是常用的测力元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变时，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当电阻的相对变化绝对值大小相等时，若单臂桥的输出为U单，则差动半桥的输出为2U单，差动全桥的输出为4U单。
温度变化引入了测量误差，实用测试电路中必须进行温度补偿。在电桥中，R1、R2为相邻臂工作片（或其中一片只起补偿作用），当温度变化时两应变片的电阻变化△R1、△R2符号相同，大小值相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出。
4、实验仪器设备
CSY传感器实验仪（直流稳压电源（±2V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、半导体应变片、加热器）。

5、实验步骤
+2V
R1
R2
R3
R4
WD
-2V
图5
电压表
差放

（1）调零。差动放大器增益顺时针方向旋转到底，“+、–”输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表。开启仪器电源，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，关闭仪器电源，然后拔掉实验线。（调零后电位器不要变化）
（2）按图5将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电阻和直流平衡电位器，R1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±2V。
（3）测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
（4）确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
（5）旋动测微头（以水平状态下输出电压为零）。测微头向上移动4mm，每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，按表1格式记录（注：表5只是数据记录格式，请另外用记录纸记录）；在4mm处测微头向下移动8mm(即测微头至–4mm处)，同样每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值；在–4mm处测微头向上移动4mm(即测微头至0mm处)。同样每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值。
（6）重复上面实验1次。
表5 数据记录表
位移x(mm)
-4
-3.5
…
-0.5
0
+0.5
…
+3.5
+4
电压(mV)
1次
向上

…

向下

…

…

向上

…

2次
向上

…

向下

…

…

向上

…

（7）开启“加热”电源，观察并记录测试系统输出电压随温度升高而发生的变化，然后关闭“加热”电源
（8）关闭仪器电源。将上面实验中R4换成箔式应变片（注意R1、R4构成差动工作）；调节使应变梁处于基本水平状态；重复实验4、5、6、7。
（9）关闭仪器电源。将上面实验中R1、R2、R3、R4换成箔式应变片（注意R1、R2、R3、R4构成差动工作）；调节使应变梁处于基本水平状态；重复实验4、5、6。
（10）关闭仪器电源。将上面实验中R1换成半导体应变片，R2、R3、R4为固定电阻；调节使应变梁处于基本水平状态；重复实验4、5、6、7。
（11）关闭仪器电源。
（12）根据所测数据，用平均值在同一坐标图上作出箔式应变片单臂桥、箔式应变片半桥、箔式应变片全桥、半导体应变片单臂桥的输出—输入关系曲线，并计算灵敏度。
（13）根据实验观察，分析温度对单臂桥、半桥的影响。
（14）根据实验观察，分析温度对箔式单臂桥、半导体单臂桥的影响。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*
7、实验注意事项
（1）实验前应检查实验接插线是否完好，连接时应尽量使用较短的接插线，以免引入干扰。
（2）接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，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。
（4）由于进行位移测量时，测微头要从零®正的最大值，又回复到零，再®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灵敏度与负△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。
（5）此实验中直流激励电压只能用±2V，以免引起半导体自热。
（6）进行上述实验时，激励电压、差动放大器增益、测微头起始点位置等外部环境必须一致，否则无可比性。

实验五 转速测量实验
光纤传感器―转速测量
1、实验目的及内容
了解光纤传感器的转速测量运用。
2、实验原理
当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化；光电变换器输出电量也发生相应的变化，经V／F电路变换，成方波频率信号输出。
3、实验仪器设备
光纤、光电变换器、测速电机及转盘、电压／频率表、示波器。
4、实验步骤
1．参照实验一，将光纤探头转一角度置于测速电机上方，并调整探头高度使其距转盘面1mm左右，光纤探头以对准转盘边缘内3mm处为宜。
1． 光电变换器Fo端分别接电压／频率表2kHz档和示波器DC档。开启电机开关，调节转盘转速，用示波器观察输出波形并读出频率。（CSY10型）
2． CSY10A型实验仪：测转速时“光纤输出”“光电输出”须先接入“转速信号入”端，经整形电路输出，在“转速信号出”端口读取频率信号。
电机转速＝Fo端方波频率除以2（每周两个方波信号）
5、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*
6、注意事项
（1）光纤探头在支架上固定时应保持与转盘面平行，切不可相擦，以免使光纤端面受损。
（2） 电机开关平时应置关闭状态，以保证稳压电源正常工作。
（3） 实验时应避免强光直接照射转盘盘面，以免造成测试误差。

光电传感器―转速测量
1、实验目的及内容
了解光电开关的原理和应用。
2、实验原理
光电开关由红外发射、接收及整形电路组成，为遮断式工作方式。
2、实验仪器设备
光电传感器、光电变换器、测速电机及转盘、电压／频率表2KHZ档、示波器。
4、实验步骤
（1）光电传感器“光电”端接光电变换器 端，VF端接示波器和电压／频率表2kHz。（CSY10A接法参照光纤传感器接法）
（2） 安装好光电传感器位置，勿与转盘盘面相擦。
（3）开启电源，打开电机开关，调节电机转速。用示波器观察光电转换器VF端（转速信号出端），并读出波形频率，与频率表所示频率比较。
（4）电机转速＝方波频率÷2。
（5）将一较强光源照射仪器转盘上方，观察测试方波是否正常。
（6）由此可以得出结论，光电开关受外界影响较小，工作可靠性较高。
6、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*

电涡流传感器―转速测量
1、实验目的及内容
了解电涡流式传感器的实际应用。
2、实验原理
当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，电涡流及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。
3、实验仪器设备
电涡流传感器、电涡流变换器、测速电机及转盘、电压/频率表、示波器。
4、实验步骤
（1）电涡流线圈支架转一角度，安装于电机转盘上方，线圈与转盘面平行，在不碰擦的情况下相距越近越好。
（2）电涡流线圈与涡流变换器相接，涡流变换器输出端接示波器，开启电机开关，调节转速，调整平面线圈在转盘上方的位置，用示波器观察，使变换器输出的脉动波较为对称。
（3）仔细观察示波器中两相邻波形的峰值是否一样，如有差异则说明线圈与转盘面或是不平行，或是电机有振动现象，利用实验三十二中铁涡流片的特性曲线大致判断转盘面与线圈的不平行度。
（4）将电压/频率表2kHz档接入涡流变换器输出端读取得脉动波形变化周期数值值，并与示波器读取的频率作比较。转盘的转速=脉动波形数÷2。
5、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*

实验六 温度实验
1、实验目的及内容
熟悉热电偶的结构，掌握热电偶测温原理，学会查阅热电偶分度表。
2、实验原理
热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。通过测量此电动势即可知道两端温差。如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或0℃），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。CSY10A型实验仪中热电偶为铜一康铜（T分度）。
3、实验仪器设备
热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）
4、实验步骤
（1）打开电源，差动放大器增益放100倍，调节调零电位器，使差放输出为零。
（2）差动放大器双端输入接入热电偶，打开加热开关，迅速将差动放大器输出调零。
（3）随加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数。
（4）本仪器上热电偶是由两支铜－康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1。
E（t , to） = E（t , t1） + E（t1 , to）
实际电动势 测量所得电势 温度修正电动势
式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，to为热电偶参考端温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度。查阅铜－康铜热电偶分度表，求出加热端温度t。
5、实验报告要求
实验报告含如下内容：
（1） 实验目的
（2） 实验内容
（3） 实验原理及方法（包括实验系统框图）
（4） 实验仪器设备与条件（包括仪器状况、环境温度、环境湿度）
（5） 实验步骤*
（6） 实验结果记录
（7） 实验信息处理与分析*
（8） 实验心得体会*

6、注意事项
因为仪器中差动放大器放大倍数≈100倍，所以用差动放大器放大后的热电势并非十分精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。:

20

铜―康热电偶分度 （自由端温度0℃）
工作端
温 度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
de/dt
（vu）
0
0.0000
0.039
0.078
0.116
0.155
0.194
0.234
0.273
0.312
0.352
38.6
10
0.391
0.431
0.471
0.510
0.550
0.590
0.630
0.671
0.711
0.751
39.5
20
0.792
0.832
0.873
0.914
0.954
0.995
1.036
1.077
1.118
1.159
40.4
30
1.201
1.242
1.284
1.325
1.367
1.408
1.450
1.492
1.534
1.576
41.3
40
1.618
1.661
1.703
1.745
1.788
1.830
1.873
1.916
1.958
2.001
42.4
50
2.044
2.087
2.130
2.174
2.217
2.260
2.304
2.347
2.391
2.435
43.0
60
2.478
2.522
2.566
2.610
2.654
2.698
2.743
2.787
2.831
2.876
49.8
70
3.920
2.965
3.010
3.054
3.099
3.144
3.189
3.234
3.279
3.325
44.5
80
3.370
3.415
3.491
3.506
3.552
3.597
3.643
3.689
3.735
3.781
45.3
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
46.0
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
46.8