1、1传感器技术实验指导书淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2010.3.102THSRZ-1 型传感器系统综合实验装置简介实验台主要由试验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。1. 实验台部分这部分设有 1k10kHz 音频信号发生器、130Hz 低频信号发生器、直流稳压电源15V、+5V、2-10V、2-24V 可调四种、 数字式电压表、频率/ 转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。2. 三源板部分热源：0220V 交流电源加热，温度可控制在室温120 oC转动源：224V 直流电源驱动，转速可调在 04500 RPM(转/分)振动源：装有振动台 1Hz30Hz（可
2、调）3. 处理（模块）电路部分包括电桥、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、温度检测与调理、压力检测与调理等共十个模块。4. 数据采集、分析部分为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了 USB 数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件） 。14 位 A/D 转换、采样速度达 300kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图等处理，能对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务。二、实验内容结
3、合本装置的数据采集系统，不用外配示波器，可以完成大部分常用传感器的实验及应用。1实验一、金属箔应变片的性能研究实验 1 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（自备） 。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/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组件，如图 1-1
4、所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，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图 1-2通过这些应变片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，如图 1-2 所示R5、R6、R7 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压Uo= （1-1）RE2/42E 为电桥电源电压，R 为固定电阻值，式 1-1 表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为 L=。%102四、实验内容与步骤1图 1-1 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从
5、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，输出端 Uo2 接数显电压表（选择 2V 档） ，调节电位器 Rw4，使电压表显示为 0V。Rw4 的位置确定后不能改动。关闭主控台电源。3将应变式传感器的其中一个应变电阻（如 R1）接入电桥与 R5、R6、R7 构成一个单臂直流电桥，见图 1-2，接好电桥调零电位器 Rw1，直流电源4V （从主控台接入） ，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，调节 Rw1,使电压表显示为零。4在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节 Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示 2mV
6、，读取数显表数值，保持 Rw3 不变，依次增加砝码和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 1-1，关闭电源。重量(g)电压(mV)表 11五、实验报告根据表 11 计算系统灵敏度 SU/W（U 输出电压变化量，W 重量变化量）和非线性误差 f1= m/yFS 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；y FS 为满量程（200g）输出平均值。六、注意事项加在应变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 2 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
7、，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=KE （3-1）E 为电桥电源电压，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31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放大器调零，参考实验一步骤 2。3按图 3-1 接线，将受力相反 (一片受拉，一片受压)的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源4V(从主控台接入 )，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，调节 Rw1，使电压表显示为
8、零。 4在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节 Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示 0.020V 左右，读取数显表数值，保持 Rw3 不变，依次增加砝码和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 3-1，关闭电源。表 3-1重量(g)电压(mV)五、实验报告根据记录表 3-1 的实验资料，计算 灵敏度 L=U/W，非线性误差 f3六、思考题比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 实验 3 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
9、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（V ）改为重量量纲（g）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 接好线并将电路调零2将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器 Rw3（满量程时的增益） ，使数显电压表显示为0.200V（2V 档测量） 。3拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为 0.00V，若不为 0.00V，再次调节 Rw4 调零。4重复 2、3 步骤的定标过程，直到精确为止，把电压量纲改为重量量纲即可以称重。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，
10、关闭电源。表 4-1重量(g)电压(mV)五、实验报告根据计入表 4-1 的实验资料，计算灵敏度 L=U/W，非线性误差 f4作出输出电压-重量曲线。实验二、霍尔转速传感器测速实验一、实验目的：了解霍尔组件的应用测量转速。4二、实验仪器：霍尔传感器、+5V、2-24V 直流电源、转动源、频率/转速表。三、实验原理；利用霍尔效应表达式：U HK HIB，当被测圆盘上装上 N 只磁性体时，转盘每转一周磁场变化 N 次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。四、实验内容与步骤1安装根据图 15-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对
11、着转盘上的磁钢。图 15-12将+5V 电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端， “霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置） 。 “2-24V”直流稳压电源接到 “转动源”的“转动电源 ”输入端。3合上主控台电源，调节 2-24V 输出，观察转动源转速与电源的关系，并通过通信接口的第一通道CH1，用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。电压(V)转速计算值五、实验报告1分析霍尔组件产生脉冲的原理。2. 观察并记录霍尔组件输出的脉冲波形3. 作出转速-电压曲线。实验三、压电式传感器振动实验一、实验目的：了解压电式传感器的原理；掌握压电式传感器测量振动的原理和方法。二、实验仪器：振动源、低频振
12、荡器、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块三、实验原理：压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）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压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。四、实验内容与步骤1压电传感器已安装在振动梁的圆盘上。2将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入” ，并按下图 19-1 接线，合上主控台电源开关，调节低频幅度到最大、低频频率调到适当位置，使振动梁的振幅最大（达到共振） 。3将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端 Ui1，用上位机观察压电传感器的输出波形
13、Uo。5图 19-1五、实验报告1观察并记录压电传感器在谐振时的输出波形 Uo2. 改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值，作出幅度-频率曲线，找出系统的共振频率。频率(Hz)幅值(mV)实验四、热敏电阻的特性研究3 一、 实验目的：了解 PID 智能模糊+位式调节温度控制原理；了解铂热电阻的特性与应用二、 实验仪器：智能调节仪、PT100 （2 只） 、温度源、温度传感器实验模块三、 实验原理：1. 温度控制原理位式调节（ON/OFF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的
14、继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。PID 智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行 PID 调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（AT）功能使得无需设置控制参数。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除 PID 饱和积分现象，当误差趋小时，采用 PID 算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。本实验仪采用 PID 智能模糊+位式双重调节控制温度。用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热
15、源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可以节约实验时间。当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻 Pt100 的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给 PID 智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字 PID 运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却） ，使温度源的温度趋近温度设定值。PID 智能温度控制原理框图如图 27-1 所示。6图 27-1 PID 智能温度控制原理框图图 27-22. 热电阻测温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
16、好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值通过测量电路转换电信号，即可得到被测温度。四、 实验内容与步骤1在控制台上的“智能调节仪”单元中“控制对象”选择“温度” ，并按图 27-2 接线。2将 2-24V 输出调节调到最大位置，打开调节仪电源。3. 设置目标温度（PID 调节参数不用调节，如需调节请参阅仪器使用说明书） ，将温度控制在 500C，在另一个温度传感器插孔中插入另一只铂热电阻温度传感器 PT100。图 29-1注意Pt100 接线端的颜色74将15V 直流稳压电源接至温度传感器实验模块。温度传感器实验模块的输出
17、Uo2 接主控台直流电压表。5将温度传感器模块上差动放大器的输入端 Ui 短接，调节电位器 Rw4 使直流电压表显示为零。6按图 29-1 接线，并将 PT100 的 3 根引线插入温度传感器实验模块中 Rt 两端（其中颜色相同的两个接线端是短路的） 。7拿掉短路线，将 R6 两端接到差动放大器的输入 Ui，记下模块输出 Uo2 的电压值。8改变温度源的温度每隔 50C 记下 Uo2 的输出值。直到温度升至 1200C。并将实验结果填入下表。T（）Uo2（V）表 29-1三、 实验报告1根据表 29-1 的实验数据，作出 UO2-T 曲线，分析 PT100 的温度特性曲线，计算其非线性误差。实
18、验五 差动变压器的应用振动测量实验一、 实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。二、 实验仪器：振荡器、差动变压器模块、相敏检波模块、频率/转速表、振动源、直流稳压电源。通信接口（含上位机软件） 。三、 实验原理：利用差动差动变压器测量动态参数与测量位移的原理相同，不同的是输出为调制信号，要经过检波才能观测到所测量动态参数。四、 实验内容与步骤1、将差动变压器安装图 3-1 安装在三源板的振动源单元上。图 3-12、将差动变压器的输入输出线连接到差动变压器模块上，并按图 3-2 接线。3、检查接线无误后，合上主控台电源开关，用上位机观察音频振荡器“0 0”输出端信号峰峰值，调整音频振荡器幅度旋
19、钮使 Vop-p=2V。4、用上位机观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使上位机显示的波形幅值为最小。5、仔细调节 RW1 和 RW2 使示波器（相敏检波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。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，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。松手，整流波形消失变为一条接近零点线。 （否则再调节 RW1 和 RW2）6、振动源“低频输入”接振荡器“低频输出” ，调节低频输出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 Vo1、相敏检波器的 Vo2 及低通滤波器的 Vo3 的波形。8图 3-27、保持低频振
20、荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压 Vp-p 的监测方法与实验十相同）用上位机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 31表 31f(Hz) Vp-p（V）一、实验报告1、根据实验结果作出梁的振幅频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。2、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值 Vp-p 曲线（定性） 。二、注意事项1、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。附录：THSRZ-1 型传感器系统综合实验装置简介一、概述THSRZ-1 型传感器系统综合实验装置适应不同类别、不同层次专业教学实验、
21、培训、考核的需求，是一套多功能、全方位、综合性、动手型的实验装置，可以与普教中的“物理”，职教、高教中的“传感器技术”、“工业自动化控制 ”、 “非电测量技术与应用 ”、 “工程检测技术与应用”等课程的教学实验配套。二、设备构成实验台主要由试验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。1. 实验台部分这部分设有 1k10kHz 音频信号发生器、130Hz 低频信号发生器、四组直流稳压电源：15V、+5V 、 210V、224V 可调、 数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。2. 三源板部分热源：0220V 交流电源加热，温度可控制在室温120 oC，
22、控制精度1 oC。转动源：224V 直流电源驱动，转速可调在 04500 rpm。振动源：振动频率 1Hz30Hz（可调） 。3. 处理（模块）电路部分9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、温度检测与调理、压力检测与调理等共十个模块。4. 数据采集、分析部分为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了 USB 数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件） 。14 位 A/D 转换、采样速度达 300kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线
23、和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图以及对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务、软件与硬件互动、软件与硬件组成系统的功能。更注重考虑根据不同数据设定采集的速率、单步采样的时间间隔。本实验台，作为教学实验仪器，大多传感器基本上都做成透明，以便学生有直观的认识，测量连接线用定制的接触电阻极小的迭插式联机插头连接。三、实验内容结合本装置的数据采集系统，不用外配示波器，可以完成大部分常用传感器的实验及应用，包括金属箔应变传感器、差动变压器、差动电容、霍耳位移、霍耳转速、磁电转速、扩散硅压力传感器、压电传感器、电涡流传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器（AD59
24、0 ） 、K 型、E 型热电偶、PT100铂电阻、湿敏传感器、气敏传感器共 17 种，三十多个实验。THSRZ 上位机软件使用说明THSRZ 传感器实验系统使用说明 THSRZ 传感器实验系统软件是为了配合浙江天煌科技实业有限公司生产的 THSRZ 传感器实验装置而开发的上位机软件。本软件通过一块 USB 数据采集卡将传感器实验台上的模拟信号采集到上位机进行显示分析。上位机实现了部分数字示波器的功能，对采集的信号进行显示，测量，放大，缩小，波形保存，数据分析等. 程序的主要界面图如下所示： 10工作区域 工作区域包括以下组件： 菜单栏 菜单栏包含执行任务的菜单。这些菜单是按主题进行组织的。例如
25、，“采集”菜单中包含“开始采集”和“停止采集”，波形显示包括“波形放大”“波形缩小”“波形还原”，等。工具栏工具栏提供了本系统的所有功能：开始采集、停止采集、采样条件设置、波形放大、波形缩小、波形还原、游标选择、实验数据分析、计算器、系统退出。工具栏的操作：采样条件设置：点选工具栏的 选项，将弹出如图所示对话框，通过这个对话框，来选择采样的方式，和采集卡的增益放大倍数。11波形的采集：在设置好采样条件后点击 按钮采集波形，点击 按钮将停止采集，这时主窗体的右边区域将显示采集到的波形。波形的测量：分别点击 、 按钮，然后到右边的波形区进行定位，这时游标所在的位置及波形的幅值将在左边的区域对应显示测量电压的电压值及两游标之间的间隔和频率。波形的缩放： 、 、 这三个按钮分别对应对波形的放大、缩小、还原操作。操作方法：点击一个按钮后把鼠标移动到右边波形显示区域，左键单击执行相应的操作，注意:在对波形放大的过程中不能过度放大。 实验数据分析：点击 将弹出如下所示的对话框：在图上添加要分析的一组数据，然后点确定将弹出如下界面，对数据进行曲线拟合或线性回归分析。12波形的保存：在右边的波形显示区域点击鼠标右键，选择“波形保存”将把显示的波形保存为 BMP 格式的位图，如图所示：
