传感器实验指导书.docx

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1、传感器实验指导书 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 THSRZ-2型传感器系统综合实验装置 简介 一、概述 “THSRZ-2 型传感器系统综合实验装置”是将传感器、检测技术及计算机控制技术有机的结合，开发成功的新一代传感器系统实验设备。适用于各大、中专院校开设“传感器原理”、“非电量检测技术”、“工业自动化仪表与控制”等课程的实验教学。 二、装置特点 1. 实验台桌面采用高绝缘度、高强度、耐高温的高密度板，具有接地、漏电保护、采用高绝缘的安全型插座，安全性符合相关国家标准； 2. 完全采用模块化设计，将被测源、传感器、检测技术有机的结合，使学生能够更全面的学习和掌握信号传感、信号处理、信号

2、转换、信号采集和传输的整个过程； 3. 紧密联系传感器与检测技术的最新进展，全面展示传感器相关的技术。 三、设备构成 实验装置由主控台、检测源模块、传感器及调理、数据采集卡组成。 1. 主控台 (1) 信号发生器：1k10kHz 音频信号，Vp-p=017V连续可调； (2) 130Hz低频信号，Vp-p=017V连续可调，有短路保护功能； (3) 四组直流稳压电源：+24V,15V、+5V、210V分五档输出、05V可调，有短路保护功能 ； (4) 恒流源：020mA连续可调，最大输出电压12V； (5) 数字式电压表：量程020V，分为200mV、2V、20V三档、精度0.5级； (6)

3、数字式毫安表：量程020mA，三位半数字显示、精度0.5级，有内侧外测功能； (7) 频率/转速表：频率测量范围19999Hz，转速测量范围19999rpm； (8) 计时器：09999s，精确到0.1s； (9) 高精度温度调节仪：多种输入输出规格，人工智能调节以及参数自整定功能，先进控制算法，温度控制精度0.5C。 2. 检测源 加热源：0220V交流电源加热，温度可控制在室温1200C； 转动源：024V直流电源驱动，转速可调在03000rpm； 振动源：振动频率1Hz30Hz，共振频率12Hz左右。 选配 制冷井：半导体制冷，温度范围：-5C室温； 单容水箱：分为储水箱和液位水箱，储水

4、箱5L，液位0180mm，24V直流泵，流量00.1m/h。 3. 各种传感器 包括应变传感器：金属应变传感器、差动变压器、差动电容传感器、霍尔位移传感器、扩散硅压力传感器、光纤位移传感器、电涡流传感器、压电加速度传感器、磁电传感器、PT100、1 天煌科技 天煌教仪 300 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 AD590、K型热电偶、E型热电偶、Cu50、PN结温度传感器、NTC、PTC、气敏传感器、湿敏传感器、光敏电阻、光敏二极管、红外传感器、磁阻传感器、光电开关传感器、霍尔开关传感器。 选配 包括扭矩传感器、光纤压力传感器、超声位移传感器、PSD位移传感器、CCD电荷耦合传感器：、圆光

5、栅传感器、长光栅传感器、液位传感器、涡轮式流量传感器。 4. 处理电路 包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、V/I、F/V转换电路、直流电机驱动等 5. 数据采集 高速USB数据采集卡：含4路模拟量输入，2路模拟量输出，8路开关量输入输出，14位A/D转换，A/D采样速率最大400kHz。 上位机软件：本软件配合USB数据采集卡使用，实时采集实验数据，对数据进行动态或静态处理和分析，双通道虚拟示波器、虚拟函数信号发生器、脚本编辑器功能。 四、实验项目 常规实验： 实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 实验二 金属箔式应变片半桥

6、性能实验 实验三 金属箔式应变片全桥性能实验 实验四 金属铂式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 实验五 直流全桥的应用电子称实验 实验六 移相实验 实验七 相敏检波实验 实验八 交流全桥性能测试实验 实验九 交流激励频率对全桥的影响 实验十 交流全桥振幅测量实验 实验十一 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验 实验十二 差动变压器性能实验 实验十三 差动变压器零点残余电压补偿实验 实验十四 激励频率对差动变压器特性的影响实验 实验十五 差动变压器测试系统的标定 实验十六 差动变压器的应用振动测量实验 实验十七 差动变压器传感器的应用电子称实验 实验十八 差动电感式传感器位移特性实验 实验十九

7、 差动电感式传感器振动测量实验 实验二十 激励频率对电感式传感器的影响 实验二十一 电容式传感器的位移特性实验 2 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 实验二十二 电容式传感器的应用电子称实验 实验二十三 电容传感器动态特性实验 实验二十四 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验 实验二十五 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 实验二十六 霍尔式传感器的应用电子称实验 实验二十七 霍尔式传感器振动测量实验 实验二十八 霍尔测速实验 实验二十九 磁电式传感器的测速实验 实验三十 压电式传感器振动实验 实验三十一 电涡流传感器的位移特性实验 实验三十二 被测体材质、面积大小对电

8、涡流传感器的特性影响实验 实验三十三 电涡流传感器的应用电子称实验 实验三十四 电涡流传感器转速测量实验 实验三十五 电涡流传感器测量振动实验 实验三十六 光纤传感器位移特性实验 实验三十七 光纤传感器的测速实验 实验三十八 光纤传感器测量振动实验 实验三十九 光电转速传感器的转速测量实验 实验四十 磁敏元件转速测量实验 实验四十一 光敏电阻特性测试实验 实验四十二 声传感器实验 实验四十三 光敏电阻应用声光双控LED实验 实验四十四 硅光电池特性测试实验 实验四十五 红外热释电传感器实验 实验四十六 智能调节仪温度控制实验 实验四十七 集成温度传感器的温度特性实验 实验四十八 铂热电阻温度特

9、性测试实验 实验四十九 铜热电阻温度特性测试实验 实验五十 K型热电偶测温实验 实验五十一 E型热电偶测温实验 实验五十二 热电偶冷端温度补偿实验 实验五十三 PN结温度特性测试实验 实验五十四 热敏电阻温度特性测试实验 实验五十五 负温度系数热敏电阻测温实验 实验五十六 气敏传感器实验 实验五十七 气敏传感器实验 实验五十八 湿敏传感器实验 3 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 实验五十九 直流电机驱动实验 实验六十 I/V、F/V转换实验 实验六十一 智能调节仪转速控制实验 选做实验： 实验一 超声波测距实验 实验二 扭矩传感器实验 实验三 CCD传感器测径实验 实

10、验四 光纤压力传感器压力测量实验 实验五 PSD位置测量实验 实验六 园光栅传感器应用实验 实验七 长光栅传感器应用实验 实验八 计算机位置控制实验 实验九 扩散硅压力传感器应用液位测量实验 实验十 涡轮流量传感器流量检测实验 4 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 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、实验仪器： 应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15V、4V电源、万用表。 三、实验原理： 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

11、式为 DRR=ke 式中 DRR为电阻丝电阻相对变化； e=k为应变灵敏系数； Dll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组件。如图1-1所示，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1 双孔悬臂梁式称重传感器结构图 通过这些应变片转换弹性体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，如图1-2所示R5=R6=R7=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 U0=E4DR/R1+12DRRE为电桥电源电压； 5 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-

12、2传感器系统综合实验装置 式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=-1DR100%。 2R图1-2 单臂电桥面板接线图 四、实验内容与步骤 1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。 2差动放大器调零。从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表。将电位器Rw3调到增益最大位置，调节电位器Rw4使电压表显示为0V。关闭主控台电源。 3按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂

13、直流电桥。 4加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。 5在应变传感器托盘上放置一只砝码，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，填入下表。 重量(g) 电压(mV) 6实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 1根据实验所得数据计算系统灵敏度SU/W；2计算单臂电桥的非线性误差f1=m/yF.S 100。 式中m为输出值与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程输出平均值。 6 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 六、注意事

14、项 实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg，最大超程量为120。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！ 实验二 金属箔式应变片半桥性能实验 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、实验仪器：同实验一 三、实验原理： 不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 EkeEDR U0= =22R式中 DRR为电阻丝电阻相对变化； e=k为应变灵敏系数； Dll为电阻丝长度相对变化； E为电桥电源电压。 式2-1表明，半桥输出与应变片阻值

15、变化率呈线性关系。 四、实验内容与步骤 1应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。 2差动放大器调零，参考实验一步骤2。 3按图2-1接线，将受力相反的两只应变片接入电桥的邻边。 4加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。 5在应变传感器托盘上放置一只砝码，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，填入下表。 重量(g) 电压(mV) 6实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 根据所得实验数据，计算灵敏度L=U/W和半桥得非线性误差六、思考题 引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？ f2。 7 天煌科技 天煌教仪 TH

16、SRZ-2传感器系统综合实验装置 图2-1 半桥面板接线图 实验三 金属箔式应变片全桥性能实验 一、实验目的： 了解全桥测量电路的优点。 二、实验仪器： 同实验一。 三、实验原理： 全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出 Uo=E式中E为电桥电源电压。 DRRDRR为电阻丝电阻相对变化； 式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。 四、实验内容与步骤 1应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。 2差动放大器调零，参考实验一步骤2。 3按图3-1接线，将受

17、力相反的两对应变片分别接入电桥的邻边。 4加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。 5在应变传感器托盘上放置一只砝码，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，填入下表。 8 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 重量(g) 电压(mV) 6实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 根据实验数据，计算灵敏度L=U/W和全桥的非线性误差六、思考题 全桥测量中，当两组对边电阻值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否可以组成全桥？ 图3-1 全桥面板接线图 f3。 实验四 金属铂式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

18、实验 一、实验目的 比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、实验仪器 同实验一。 三、实验原理： 根据式1-2、2-1、3-1电桥的输出可以看出，在受力性质相同的情况下，单臂电桥电路的输出只有全桥电路输出的1/4，而且输出与应变片阻值变化率存在线性误差；半桥电路的输出为全桥电路输出的1/2。半桥电路和全桥电路输出与应变片阻值变化率成线性。 四、实验内容与步骤 1重复单臂电桥实验，将实验数据记录在下表中。 2保持差动放大电路不变，将应变电阻连接成半桥和全桥电路，做半桥和全桥性能实验，9 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 并将实验数据记录在下表中

19、。 重量(g) 电压(mV) 单臂 半桥 全桥 3实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 根据记录的实验数据，计算并比较三种电桥的灵敏度和非线性误差。将得到的结论与理论计算进行比较。 实验五 直流全桥的应用电子称实验 一、实验目的： 了解直流全桥的应用及电路的定标 二、实验仪器： 同实验一 三、实验原理： 电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲改为重量量纲即成一台比较原始的电子称。 四、实验内容与步骤 1按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。 2将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器

20、Rw3，使数显电压表显示为0.200V。 3拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。 4重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。 5将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表。 6去除砝码，托盘上加一个未知的重物，记录电压表的读数。根据实验数据，求出重物的重量。 重量(g) 电压(V) 7实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 根据实验记录的数据，计算电子称的灵敏度L=U/W，非线性误差f4。 10 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2

21、传感器系统综合实验装置 实验六 移相实验 一、实验目的： 了解移相电路的原理和应用 二、实验仪器： 移相器/相敏检波/低通滤波模块，15V电源，信号源，示波器 三、实验原理： 由运算放大器构成的移相器原理图如下图所示： 图6-1 移相器原理图 由图可求得该电路的闭环增益G： 1R4+R6R2C1S(R3+R1)R2C1S+1G(S)=R1R4RwC2S+1-R6-R3 G(jw)=1R1R4R4+R6jwRwC2+1-R6jwR2C1(R3+R1)jwR2C1+1-R3 在实验电路中，常设定幅频特性G1,为此选择参数R1=R3，R4=R6，则输出幅度与频率无关，闭路增益可简化为： 1-jwRw

22、C21+jwRwC2jwR2C1-1jwR2C1-1G(jw)=则有： |G(jw)|=1 (6-4) 11 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 2(tgy=1-wRwR2C1C22wRwC2+wR2C12)1-(wRwR2C1C2-1R2C1w+RwC2w )22tgy22由正切三角函数半角公式tgy=1-tgy2可得 y=2arctg(1-wRwR2C1C22wRwC2+wR2C1) Rw1wR2C1C22时，输出相位滞后于输入，当RwP2时，输出为正；P1P2时，输出为负。 图11-1 扩散硅压力传感器原理图 17 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实

23、验装置 四、实验内容与步骤 1接入+5V、15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。 4调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。 5气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。 6保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P

24、1的压力达到0.095Mpa；填入下表。 P(kP) Uo2 7保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa；填入下表。 P(kP) Uo2 8保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力为0.005Mpa；填入下表。 P(kP) Uo2 9保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力为0.005Mpa；填

25、入下表。 P(kP) Uo2 五、实验报告 1根据实验所得数据，计算压力传感器输入P输出Uo2曲线。计算灵敏度L=U/P，非线性误差f。 18 天煌科技 天煌教仪 10实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 图11-2 扩散硅压力传感器接线图 实验十二 差动变压器性能实验 一、实验目的 了解差动变压器的工作原理和特性 二、实验仪器 差动变压器模块、测微头、差动变压器、信号源、15V直流电源、示波器。 三、实验原理 差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级

26、线圈的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接引出差动输出。输出的变化反映了被测物体的移动量。 四、实验内容与步骤 1根据图12-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。 图12-1 差动变压器安装图 19 天煌科技 天煌教仪 THSRZ-2传感器系统综合实验装置 图12-2 差动变压器模块接线图 2将传感器引线插头插入实验模块的插座中，音频信号由信号源的“Us100”处输出，打开实验台电源，调节音频信号的频率和幅度，使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V，按图12-2接线。 3用示波器观测Uo的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰峰值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从上位机