1、检测与转换技术 实验指导书上海工程技术大学电子电气工程学院自动化系前 言CSY2000 系列传感器与检测技术实验台主要用于检测与转换技术和检测技术课程的实验教学。CSY2000 系列传感器与检测技术实验台上采用的传感器虽然是教学传感器，但其结构与线路是工业应用的基础，希望通过实验帮助广大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、转换和分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能和动手能力。本实验指导书由于编写时间、水平有限，又是初次使用，难免有疏漏谬误之处，热切期望读者提出宝贵意见。参加本实验指导书编写工作的教师有：陈小龙、张莉萍。2004 年 7 月 4 日传感器
2、实验指导手册 自动化系第 I 页实验目录实验一 金属箔式应变片特性实验 .11.1 金属箔式应变片 单臂电桥性能实验 11.2 金属箔式应变片 半桥性能实验 31.3 金属箔式应变片 全桥性能实验 4实验二 电涡流传感器变换特性实验 .62.1 电涡流传感器的位移特性实验 62.2 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验 82.3 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验 9实验三 电容式传感器位移特性实验 .10实验四 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 .12传感器实验指导手册 自动化系第 1 页实验一 金属箔式应变片特性实验1.1 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
3、式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、基本原理：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元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压 Uo1=EK/4。三、需要器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、15V电源、4V 电源四、试验步骤：1、根据图 1，应变式传感器已装于应
4、变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。图 1 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V（从主控箱引入） ，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器 RW3 顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端 Vi相连，调节实验模板上调零电位器 RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到 2V 档） 。关闭主控箱电源。3、将应变式传感器的其中一个应变片 R1（即模板左上方的 R1）接入电桥作为一个桥臂与 R5、R6、R7 接成直流电桥（R5、R6、R7 模块内已接
5、好） ，接好电桥调零电位器传感器实验指导手册 自动化系第 2 页RW1，接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图 2 所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节 RW1，使数显表显示为零。图 2 应变式传感器单臂电桥实验接线图4、在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表数值，直到 200g 砝码加完。记下试验结果填入表 1，关闭电源。表 1重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200正行程电压（mv） 反行程5、根据上表计算系统灵敏度 S，S=u/W（u 为输出电压变化量；W 为重量变化量） 。计算线性误差（端基线性度）：
6、f1=m/yF.S100%，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，yF.S 为满量程输出平均值，此处为 200g。五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。传感器实验指导手册 自动化系第 3 页1.2 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、基本原理：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压 Uo2=EK/2。三、需要器件与单元：同实验 1.1。四、实验步骤：1、传
7、感器安装同实验 1.1。做实验 1.1 中 2 的步骤，实验模板差动放大器调零。2、根据图 3 接线。R1、R2 为实验模板左上方的应变片，注意 R2 应和 R1 受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器 Rw1进行桥路调零，实验步骤 3、4 同实验 1.1 中 4、5 的步骤，将实验数据记入表 2，计算灵敏度 S=u/W，非线性误差（端基线性度）f2。若实验时无数值显示，说明 R2 与 R1 为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。图 3 应变式传感器半桥实验接线图表 2 半桥测量时输出电压与加负载重量值
8、传感器实验指导手册 自动化系第 4 页重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200正行程电压（mv） 反行程五、思考题：1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。1.3 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、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其变化值 R1=R2
9、=R3=R4 时，其桥路输出电压 Uo3=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件和单元：同实验 1.1。四、实验步骤：1、传感器安装同实验 1.1。2、根据图 4 接线，实验方法与 1.2 相同。将实验结果填入表 3；进行灵敏度和非线性误差（端基线性度）计算。传感器实验指导手册 自动化系第 5 页图 4 全桥性能实验接线图表 3 全桥输出电压与加负载重量值重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200正行程电压（mv） 反行程五、思考题1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）电阻值 R 相同时，即 R1
10、R3，R2=R4，而R1R2 时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。传感器实验指导手册 自动化系第 6 页实验二 电涡流传感器变换特性实验2.1 电涡流传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二、基本原理：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。三、需要器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。四、实验步骤：1、根据图 5 安装电涡流传感器。图 5 电涡流传感器安装示意图传感器实验指导手册 自动化系第 7 页图 6
11、电涡流传感器位移实验接线图2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。3、将电涡流传感器的输出插入 Ti 孔中。4、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。5、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 档。6、用连接导线从主控台接入+15V 直流电源到模板上标有+15V 的插孔中。7、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。将结果写入表 4。表 4 电涡流传感器位移 X 与输出电压数据X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.
12、6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0正行程V(v)反行程8、根据表 4 中的数据，画出 V-X 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 和 3mm 时的灵敏度和线性度（端基线性度） 。五、思考题：传感器实验指导手册 自动化系第 8 页1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量5mm 的量程应如何设计传感器？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器？2.2 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验一、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。二、基本原理：电涡流效应与金属导体本身的电阻
13、率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。三、需用器件与单元：除与实验 2.1 相同外，另加铜和铝的被测体小圆盘。四、实验步骤：1、传感器安装与实验 2.1 相同。2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。3、重复实验 2.1 步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表5 和表 6。表 5 被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0正行程V(v)反行程表 6 被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
14、 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0正行程V(v)反行程4、根据表 5 和表 6 分别计算量程为 1mm 和 3mm 时的灵敏度和非线性误差（端基线性度）。5、分别比较实验 2.1 和本实验所得结果进行小结。传感器实验指导手册 自动化系第 9 页五、思考题：当被测体为非金属材料，如何利用电涡流传感器进行测试？2.3 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验一、实验目的：了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。二、基本原理：电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状、大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因
15、此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。三、需用器件与单元：直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同面积的铝被测体、数显单元。四、实验步骤：1、传感器安装见图 5，与前面静态特性实验相同。2、按照测静态特性实验要求连接好测量线路。3、在测微头上分别用两种不同的被测铝（小圆盘、小圆柱体）进行电涡流位移特性测定，分别记入表 7。表 7 不同尺寸时的被测体特性数据X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0正行程被测体 1 反行程正行程被测体 2
16、 反行程4、根据表 7 数据计算目前范围内二种被测体 1 号、2 号的灵敏度，并说明理由。五、思考题：目前现有一个直径为 10mm 的电涡流传感器，需对一个轴直径为 8mm 的振动进行测量，传感器实验指导手册 自动化系第 10 页试说明具体的测试方法与操作步骤。实验三 电容式传感器位移特性实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。二、基本原理：利用平板电容 C=A/d 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 三个参数，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ 变） 、测微小位移（d 变）和测量液位（A 变）等多种电容传感器。三、需用器件与单元
17、：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。四、实验步骤：1、按图 7 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。图 7 电容传感器安装示意图2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图 8。传感器实验指导手册 自动化系第 11 页图 8 电容传感器位移实验接线图3、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。4、接入15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔 0.2mm 记下位移X 与输出电压值，填入表 8。表 8 电容传感器位移与输出电压值X(mm)
18、-2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2正行程V(mv)反行程X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0正行程V(mv)反行程5、根据表 8 数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差（端基线性度）f。五、思考题：试设计利用 的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？传感器实验指导手册 自动化系第 12 页实验四 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势 UH=KHIB，当霍尔元
19、件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源4V、15V、测微头、数显单元。四、实验步骤：1、将霍尔传感器按图 9 安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图 10 进行。1、3 为电源4V，2、4 为输出。图 9 霍尔传感器安装示意图2、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。传感器实验指导手册 自动化系第 13 页图 10 霍尔传感器位移 直流激励实验接线图3、旋转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 9。作出 V-X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差（端基线性度） 。表 9X(mm) -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2正行程V(mv)反行程X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0正行程V(mv)反行程五、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？
