1 传感器 实验指导书(A4)

目 录

使 用 说 明 ................................................... 1 实验一 电阻应变式传感器位移测量、温度补偿和性能比较 ........... 4 实验二 差动变压器的标定和振动测量 ............................. 9 实验三 热电式传感器――热电偶 ................................ 11 实验四 电容式传感器特性 ...................................... 13 实验五 光纤位移传感器――位移测量 ............................ 14

使 用 说 明

CSY10B传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。

实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。

一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁和一个称重台。悬臂梁梁上装有半导体式应变片。称重台平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号 和 表示。其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号 和 表示。

实验工作台右边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式、压阻式等传感器。

电感式（差动变压器）：由初级线圈Li和两个次级线圈L。绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>10mm。

电容式：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。

磁电式：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。

霍尔式：半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。 电涡流式：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>1mm。 两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。

为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自15V直流电源，打开加热开关即能加热,工作时能获得高于温度30℃左右的升温。

以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。

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实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关以及激振转换开关。 测微头装在右边的支架上。

二、信号及仪表显示部分：位于仪器上部面板

低频振荡器：1~30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流1.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。

音频振荡器：0.4KHz~10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，180°、0°为反相输出，Lv端最大电流输出1.5A。

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1.5A。电压输出档位为±2V~±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。

3 位显示，电压分2V、20V两档，灵敏度≥50mV，频率分2KHz、数字式电压/频率表：

20KHz两档，频率显示5Hz~20KHz。

数字式温度计：K分度热电偶测温，精度±1℃。 三、处理电路：位于仪器下部面板

电桥：用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1、R2、R3

为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。

差动放大器：增益可调直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。 光电变换器：提供光纤传感器红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。

电容变换器：由高频振荡、放大和双T电桥组成。

移相器：允许输入电压20Vp-p，移相范围±40°（随频率不同有所变化）。

相敏检波器：集成运放极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压≦20Vp-p。

电荷放大器：电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。 涡流变换器：变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。 温度变换器（信号变换器）：根据输入端热敏电阻值、光敏电阻及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。

低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。

使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的工作电源，进行实验时请勿关掉。

请用户注意，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。

各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：

1、应变片及差动放大器，参考附图2进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量其阻值。各接线图两个节点间即为一实验接插线，接插线可多根迭插，并保证接触良好。

2、半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。

3、热电偶，按附图4接线，加热器打开即可，观察随温度升高热电势的变化。 4、进行“移相器实验”，用双踪示波器观察两通道波形。

5、进行“相敏检波器实验”，相敏检波端口序数请参照附图6，其中4端为参考电压输入端。 6、将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端、输出端用示波器观察，注意根据低通输

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12出幅值调节输入信号大小。

7、进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。

8、如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及处理说明。数据采集卡已装入仪器中，其中A/D转换是12位转换器，无漏码最大分辨率1/2048（即0.05%），在此范围内的电压值可视为容许误差。所以建议在做小信号实验（如应变电桥单臂实验）时选用合适的量程（如200mv），以正确选取信号,减小误差。

仪器后部的RS232接口请接计算机串行口工作。所接串口须与实验软件设置一致，否则计算机将收不到信号。

仪器工作时需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。

仪器的型号不同，传感器种类不同，则检查项目也会有所不同，请自行根据仪器型号选择实验内容。

上述检查及实验能够完成则整台仪器各部分均为正常。

实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，尽量避免电源短路情况的发生，加热时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。实验工作台上各传感器部分如相对位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，原则上以按下振动梁松手，周边各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。

附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方，铜质砝码做称重实验之用。实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。

本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度-10℃~40℃。

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实验一 电阻应变式传感器位移测量、温度补偿和性能比较

一、实验目地：

1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。

2、在单臂情况下，利用箔式应变片测试应变梁变形的应变输出。 3、说明温度变化对应变测试系统的影响。

4、由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。 5、说明半导体应变计的灵敏度和温度效应。

6、通过实验比较两种应变电路的灵敏度与温度特性。

7、微机检测与转换课程中，数据采集和分析处理是最重要的两部分，通过实验仪用A/D采集卡和实验软件对传感器测试系统测量到的电信号进行分析处理，可以得到这方面的初步知识。

二、实验原理：

1、应变片是最常用的测力传感元件。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，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。

2、电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2

ΔR；当二个应变片组成差动状态工作，R2ΔR4ΔR则有?R?；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，?R?。

RR／R2、△R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时，?R?3、温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。由此引起测试系统输出电压发生变化。

4、用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图1所示。在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1＝R2。当温度变化时两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1R4＝R2R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。

图1

5、由于材料的阻值R?ρ灵敏度K??R/R??(1?2?)??lldRdρdldsdρdl?????(1?2μ), 当应变??，则，

sRρlsρll??/??; 对于箔式应变片，K箔≈1＋2μ，主要是由形变引起。对

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于半导体应变计，K半≈（△ρ/ρ）/ε,主要由电阻率变化引起。由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K半要大于K箔，，约为50~80倍，但是受温度影响大。

三、实验所需部件：

直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、半导体应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表、加热器、温度计（可用仪器中的P－N结温度传感器或热电偶作测温参考），微型计算机、打印机。

将计算机与仪器的串行口RS232连接进行通讯。启动CSY10B传感器系统实验仪的数据采集软件（实验前，实验软件已经安装成功，快捷方式放与桌面上）。在“参数设置”界面中。选择电压量程为1V或10V，采集模式选为单次；输入实验者姓名、班级和实验项目名称，否则实验结果将不被承认；其它设置为默认。在 “系统设置”界面中，将计算机与仪器的串行口RS232连接进行通讯，设置串口为：波特率2400，1位停止位，无奇偶校验；其它设置为默认。以保证数据采集的正确进行。

在电阻应变式传感器位移测量数据采集实验中，只针对箔式应变片和半导体应变片单臂电桥采集数据，每放置一个砝码，点击一次“单次采集”按钮，单次采每次最多采100个点在坐标上显示，直到实验结束，坐标上最多可同时容纳四条曲线（对于其它数据采集实验，根据实际需要，在“参数设置”界面中选择采集模式选为连续或单次，点击“连续采集”或“单次采集”按钮进入数据采集，直到实验结束）。

四、实验内容：

1. 箔式应变片性能――单臂电桥 2. 箔式应变片的温度效应 3. 箔式应变电路的温度补偿 4. 半导体应变计性能

5. 箔式应变片与半导体应变片性能比较

五、实验步骤：

1、调零。开启仪器电源，差动放大器增益置为100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表（档位2V），用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。

2、按图2将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为金属箔式应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V。

图2

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实验三 热电式传感器――热电偶

一、实验目的：

观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。 二、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。CSY10B型实验仪为镍铬-镍硅（K分度）。

CSY10B型实验仪为一支K分度热电偶，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 温度修止电动势

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。

CSY10B型实验仪的K分度热电偶如插入数字式温度表端口，则直接显示℃温度值。

三、实验所需部件：

热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备） 四、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、加热前，K分度热电偶同室温（冷端温度），接数字式温度表端口，测得冷端温度，查热电偶分度表，得到温度修正电动势。

2、差动放大器双端输入接入热电偶，红端接差动放大器正极，黑端接差动放大器负极，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。读数除以差动增益即为测量所得的电动势，与修正电动势相加可获得实际电动势，查查热电偶分度表，得到当前热端温度，同时可用数字式温度表加以验证。

五、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。

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铜―康热电偶分度 （自由端温度0℃）

（单位：mV） 工作端 温 度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.0000 0.391 0.792 1.201 1.618 2.044 2.478 2.920 3.370 3.827 4.291 1 0.039 0.431 0.832 1.242 1.661 2.087 2.522 2.965 3.415 3.873 4.338 2 0.078 0.471 0.873 1.284 1.703 2.130 2.566 3.010 3.491 3.919 4.385 3 0.116 0.510 0.914 1.325 1.745 2.174 2.610 3.054 3.506 3.965 4.432 4 0.155 0.550 0.954 1.367 1.788 2.217 2.654 3.099 3.552 4.012 4.479 5 0.194 0.590 0.995 1.408 1.830 2.260 2.698 3.144 3.597 4.058 4.529 6 0.234 0.630 1.036 1.450 1.873 2.304 2.743 3.189 3.643 4.105 4.573 7 0.273 0.671 1.077 1.492 1.916 2.347 2.787 3.234 3.689 4.151 4.621 8 0.312 0.711 1.118 1.534 1.958 2.391 2.831 3.279 3.735 4.198 4.668 9 0.352 0.751 1.159 1.576 2.001 2.435 2.876 3.325 3.781 4.244 4.715 de/dt （vu） 38.6 39.5 40.4 41.3 42.4 43.0 49.8 44.5 45.3 46.0 46.8 12

实验四 电容式传感器特性

一、实验目的

掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。 二、实验原理

电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。 三、实验所需部件

电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头。

图6

四、实验步骤

1．按图6接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。

2．装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。

3．以此为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。记录数据于表6，并作出V—X曲线，求得灵敏度。

表6

砝码数量 △X（个） 电 压 （mV） 4．低频振荡器输出接“激振I”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。 五、注意事项

1．电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。位移和振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变。

2．如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。

3.由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并不回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向的采集。

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实验五 光纤位移传感器――位移测量

一、实验原理：

反射式光纤位移传感器的工作原理如图8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，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电元件将接收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置量。

图8 反射式光纤位移传感器原理图

二、实验所需部件：

光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、示波器、电压表、支架、反射片、测微头。

三、实验步骤：

1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。

2、将原装在电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片（即电涡流片）。

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。旋动测微头，带动振动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面（必要时可稍许调整探头角度），此时Vo输出为最小。然后旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.25mm取一Vo电压值填入表9，作出V－X曲线。

表9

X 0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 2.75 3.0 3.25 3.5 3.75 4.0 V 得出输出电压特性曲线如图9所示，分前坡和后坡，通常测量是采用线性较好的前坡。

图9 反射式光纤位移传感器输出特性曲线

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4、振动实验：将测微头移开，振动台处于自由状态，根据V－X曲线选取前坡中点位置装好光纤探头。将低频振荡器输出接“激振I”，调节激振频率和幅度，使振动台保持适当幅度的振动（以不碰到光纤探头为宜）。用示波器观察Vo端电压波形。并用电压／频率表2K档读出振动频率。 四、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，如增益过高可能导致FO端无法读取频率值，可通过调节增益电位器控制。

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,光纤勿成锐角曲折。

5、每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，请勿互换使用，光电转换器应与仪器编号配对，以保证仪器正常使用。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nag3.html