1、現代(傳感器)檢測技術實驗實驗指導書目 錄1、 THSRZ-2型傳感器系統綜合實驗裝置 簡介 2、 實驗一 金屬箔式應變片電子秤實驗3、 實驗二 交流全橋振幅測量實驗4、 實驗三 霍爾傳感器轉速測量實驗5、 實驗四 光電傳感器轉速測量實驗6、 實驗五 E型熱電偶測溫實驗7、 實驗六 E型熱電偶冷端溫度補償實驗西安交通大學自動化系 2008.11THSRZ-2型傳感器系統綜合實驗裝置 簡介一、概述“THSRZ-2 型傳感器系統綜合實驗裝置”是將傳感器、檢測技術及計算機控制技術有機的結合，開發成功的新一代傳感器系統實驗設備。實驗裝置由主控臺、檢測源模塊、傳感器及調理（模塊）、數據采集卡組成。1.

2、主控臺(1) 信號發生器：1k10kHz 音頻信號，Vp-p=017V連續可調；(2) 130Hz低頻信號，Vp-p=017V連續可調，有短路保護功能；(3) 四組直流穩壓電源：+24V,±15V、+5V、±2±10V分五檔輸出、05V可調，有短路保護功能 ；(4) 恒流源：020mA連續可調，最大輸出電壓12V； (5) 數字式電壓表：量程020V，分為200mV、2V、20V三檔、精度0.5級；(6) 數字式毫安表：量程020mA，三位半數字顯示、精度0.5級，有內側外測功能；(7) 頻率/轉速表：頻率測量范圍19999Hz，轉速

3、測量范圍19999rpm；(8) 計時器：09999s，精確到0.1s；(9) 高精度溫度調節儀：多種輸入輸出規格，人工智能調節以及參數自整定功能，先進控制算法，溫度控制精度±0.50C。2. 檢測源加熱源：0220V交流電源加熱，溫度可控制在室溫1200C；轉動源：024V直流電源驅動，轉速可調在03000rpm；振動源：振動頻率1Hz30Hz（可調），共振頻率12Hz左右。3. 各種傳感器包括應變傳感器：金屬應變傳感器、差動變壓器、差動電容傳感器、霍爾位移傳感器、擴散硅壓力傳感器、光纖位移傳感器、電渦流傳感器、壓電加速度傳感器、磁電傳感器、PT100、AD590、K型熱電偶、E型

4、熱電偶、Cu50、PN結溫度傳感器、NTC、PTC、氣敏傳感器（酒精敏感，可燃氣體敏感）、濕敏傳感器、光敏電阻、光敏二極管、紅外傳感器、磁阻傳感器、光電開關傳感器、霍爾開關傳感器。包括扭矩傳感器、光纖壓力傳感器、超聲位移傳感器、PSD位移傳感器、CCD電荷耦合傳感器：、圓光柵傳感器、長光柵傳感器、液位傳感器、渦輪式流量傳感器。4. 處理電路包括電橋、電壓放大器、差動放大器、電荷放大器、電容放大器、低通濾波器、渦流變換器、相敏檢波器、移相器、V/I、F/V轉換電路、直流電機驅動等5. 數據采集高速USB數據采集卡：含4路模擬量輸入，2路模擬量輸出，8路開關量輸入輸出，14位A/D轉換，A/D采樣

5、速率最大400kHz。上位機軟件：本軟件配合USB數據采集卡使用，實時采集實驗數據，對數據進行動態或靜態處理和分析，雙通道虛擬示波器、虛擬函數信號發生器、腳本編輯器功能。實驗一 金屬箔式應變片電子秤實驗一、實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，直流全橋工作原理和性能，了解電路的定標。二、實驗儀器：應變傳感器實驗模塊、托盤、砝碼、數顯電壓表、±15V、±4V電源、萬用表（自備）。三、實驗原理： 電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為 （1-1）式中 為電阻絲電阻相對變化；為應變靈敏系數；為電阻絲長度相對變化。金屬箔

6、式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感組件。如圖1-1所示，將四個金屬箔應變片分別貼在雙孔懸臂梁式彈性體的上下兩側，彈性體受到壓力發生形變，應變片隨彈性體形變被拉伸，或被壓縮。圖1-1 雙孔懸臂梁式稱重傳感器結構圖圖1-2 全橋面板接線圖全橋測量電路中，將受力性質相同的兩只應變片接到電橋的對邊，不同的接入鄰邊，如圖3-1，當應變片初始值相等，變化量也相等時，其橋路輸出Uo= （3-1）式中為電橋電源電壓。為電阻絲電阻相對變化；式3-1表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差得到進一步改善。電子稱實驗原理同全橋測量原理，通過調節放大電路對電橋輸出的放大倍數使電路輸出電壓值為重量

7、的對應值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成一臺比較原始的電子稱。四、實驗內容與步驟1應變傳感器上的各應變片已分別接到應變傳感器模塊左上方的R1、R2、R3、R4上，可用萬用表測量判別，R1=R2=R3=R4=350。2差動放大器調零。從主控臺接入±15V電源，檢查無誤后，合上主控臺電源開關，將差動放大器的輸入端Ui短接并與地短接，輸出端Uo2接數顯電壓表（選擇2V檔）。將電位器Rw3調到增益最大位置（順時針轉到底），調節電位器Rw4使電壓表顯示為0V。關閉主控臺電源。（Rw3、Rw4的位置確定后不能改動）3按圖1-2接線，將受力相反（一片受拉，一片受壓）的兩對應變片分別接入電橋的

8、鄰邊。4將10只砝碼置于傳感器的托盤上，調節電位器Rw3（滿量程時的增益），使數顯電壓表顯示為0.200V（2V檔測量）。5拿去托盤上所有砝碼，觀察數顯電壓表是否顯示為0.000V，若不為零，再次將差動放大器調零和加托盤后電橋調零（調節電位器Rw4使電壓表顯示為0V）。6重復4、5步驟，直到精確為止，把電壓量綱V改為重量量綱Kg即可以稱重。5將砝碼依次放到托盤上并讀取相應的數顯表值，直到200g砝碼加完，記下實驗結果，填入下表。6去除砝碼，托盤上加一個未知的重物（不要超過1Kg），記錄電壓表的讀數。根據實驗數據，求出重物的重量。重量(g)20406080100120140160180電壓(V)

9、0.020.0.039.0590.0790.1000.1200.1400.16000.1800鑰匙：0.043手機：0.143手機+鑰匙：0.1867實驗結束后，關閉實驗臺電源，整理好實驗設備。五、實驗報告1根據實驗所得數據計算系統靈敏度SU/W（U輸出電壓變化量，W重量變化量）；2計算電橋的非線性誤差f1=m/yF.S ×100。式中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差；yF·S為滿量程（200g）輸出平均值。3全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1R3，R2R4，而R1R2時，是否可以組成全橋？六、注意事項實驗所采用的彈性體為雙

10、孔懸臂梁式稱重傳感器，量程為1kg，最大超程量為120。因此，加在傳感器上的壓力不應過大，以免造成應變傳感器的損壞！實驗三 霍爾傳感器轉速測量實驗一、實驗目的：了解霍爾組件的應用測量轉速。二、實驗儀器：霍爾傳感器、可調直流電源、轉動源、頻率/轉速表。三、實驗原理；利用霍爾效應表達式：UHKHIB，當被測圓盤上裝上N只磁性體時，轉盤每轉一周磁場變化N次，每轉一周霍爾電勢就同頻率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計數電路就可以測出被測旋轉物的轉速。四、實驗內容與步驟1安裝根據圖3-1，霍爾傳感器已安裝于傳感器支架上，且霍爾組件正對著轉盤上的磁鋼。圖3-12將+5V電源接到三源板上“霍爾”輸出的電源

11、端，“霍爾”輸出接到頻率/轉速表（切換到測轉速位置）。3打開實驗臺電源，選擇不同電源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±6）、16V（±8）、20V（±10）、24V驅動轉動源，可以觀察到轉動源轉速的變化，待轉速穩定后記錄相應驅動電壓下得到的轉速值。也可用示波器觀測霍爾元件輸出的脈沖波形。電壓(V)+4V+6V+8V+10V12V16V20V24V本次323660104714061774252332123657轉速(rpm)392806120315901825253332123752五、實驗報告1分析霍爾組件產生脈沖的原理。2根據記錄的驅動電壓和轉速，作V

12、-RPM曲線。實驗四 光電傳感器轉速測量實驗一、 實驗目的：了解光電轉速傳感器測量轉速的原理及方法。二、 實驗儀器：轉動源、光電傳感器、直流穩壓電源、頻率/轉速表、示波器三、 實驗原理：光電式轉速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的，傳感器端部有發光管和光電池，發光管發出的光源通過轉盤上的孔透射到光電管上，并轉換成電信號，由于轉盤上有等間距的6個透射孔，轉動時將獲得與轉速及透射孔數有關的脈沖，將電脈計數處理即可得到轉速值。四、 實驗內容與步驟1光電傳感器已安裝在轉動源上，如圖4-1所示。+5V電源接到三源板“光電”輸出的電源端，光電輸出接到頻率/轉速表的“f/n”。2打開實驗臺電源

13、開關，用不同的電源驅動轉動源轉動，記錄不同驅動電壓對應的轉速，填入下表，同時可通過示波器觀察光電傳感器的輸出波形。圖4-1驅動電壓V(V)4v6v8v10v12v16v20v24v轉速n(rpm)331703109014581723233829333473本次測量364723109814581795250431363600五、實驗報告根據測的驅動電壓和轉速，作V-n曲線。并與霍爾傳感器測得的曲線比較。實驗五 E型熱電偶測溫實驗一、實驗目的：了解E型熱電偶的特性與應用二、實驗儀器：智能調節儀、PT100、E型熱電偶、溫度源、溫度傳感器實驗模塊。三、實驗原理：熱電偶傳感器的工作原理熱電偶是一種使用

14、最多的溫度傳感器，它的原理是基于1821年發現的塞貝克效應，即兩種不同的導體或半導體A或B組成一個回路，其兩端相互連接，只要兩節點處的溫度不同，一端溫度為T，另一端溫度為T0，則回路中就有電流產生，見圖50-1（a），即回路中存在電動勢，該電動勢被稱為熱電勢。 圖5-1（a） 圖5-1（b） 兩種不同導體或半導體的組合被稱為熱電偶。當回路斷開時，在斷開處a，b之間便有一電動勢ET，其極性和量值與回路中的熱電勢一致，見圖50-1（b），并規定在冷端，當電流由A流向B時，稱A為正極，B為負極。實驗表明，當ET較小時，熱電勢ET與溫度差（T-T0）成正比，即 ET=SAB（T-T0） （1）SAB為

15、塞貝克系數，又稱為熱電勢率，它是熱電偶的最重要的特征量，其符號和大小取決于熱電極材料的相對特性。熱電偶的基本定律：（1）均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的截面積和長度如何，也不論各處的溫度分布如何，都不能產生熱電勢。（2）中間導體定律 用兩種金屬導體A，B組成熱電偶測量時，在測溫回路中必須通過連接導線接入儀表測量溫差電勢EAB（T，T0），而這些導體材料和熱電偶導體A，B的材料往往并不相同。在這種引入了中間導體的情況下，回路中的溫差電勢是否發生變化呢？熱電偶中間導體定律指出：在熱電偶回路中，只要中間導體C兩端溫度相同，那么接入中間導體C對熱電偶回路總熱電勢EAB（T，T0）

16、沒有影響。（3）中間溫度定律 如圖49-2所示，熱電偶的兩個結點溫度為T1，T2時，熱電勢為EAB（T1，T2）；兩結點溫度為T2，T3時，熱電勢為EAB（T2，T3），那么當兩結點溫度為T1，T3時的熱電勢則為EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） （2）式（2）就是中間溫度定律的表達式。譬如：T1=100，T2=40，T3=0，則EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） （3）圖5-2熱電偶的分度號熱電偶的分度號是其分度表的代號（一般用大寫字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在熱電偶的參考端為0的條件下，以列表的形式表示熱電勢與

17、測量端溫度的關系。四、實驗內容與步驟1利用Pt100溫度控制調節儀將溫度控制在500C，在另一個溫度傳感器插孔中插入E型熱電偶溫度傳感器。2將±15V直流穩壓電源接入溫度傳感器實驗模塊中。溫度傳感器實驗模塊的輸出Uo2接主控臺直流電壓表。3將溫度傳感器模塊上差動放大器的輸入端Ui短接，調節Rw3到最大位置，再調節電位器Rw4使直流電壓表顯示為零。圖5-34拿掉短路線，按圖5-3接線，并將E型熱電偶的兩根引線，熱端（紅色）接a，冷端（綠色）接b；記下模塊輸出Uo2的電壓值。 5改變溫度源的溫度每隔50C記下Uo2的輸出值。直到溫度升至1200C。并將實驗結果填入下表(mv)T（）505

18、56065707580859095100105110115120Uo2（V）54.645.962.455.270.364.582.973.792.683.199.592.5108.4101.9118.0111.2127.5120.7137.2130.4146.3140.3155.2149.6163.8159.2173.0169.3181.2179.6五、實驗報告1根據實驗數據，作出UO2-T曲線，分析E型熱電偶的溫度特性曲線，計算其非線性誤差。 2根據中間溫度定律和E型熱電偶分度表，用平均值計算出差動放大器的放大倍數A。因 T=50 Eab(T,0)=3.047mv 實驗結果輸出 Uo2=0.

19、059=59mv而 Tn=18(室溫) Eab(Tn,0)=1.071mv 又 Eab(T,0)=Eab(T,Tn) + Eab(Tn,0) Eab(T,Tn)= Eab(T,0)- Eab(Tn,0)所以 A= Uo2/ Eab(T,Tn) = Uo2/ (Eab(T,0)-Eab(Tn,0)=59/(3.047-1.071)=29.8629.8629.86*3.047=90.98mv附1：溫度調節儀附2： E型熱電偶分度表（分度號：K，單位：mV）溫度（）熱電動勢（mV）012345678900.0000.0590.1180.1760.2350.2950.3540.4130.4720.53

20、2100.5910.6510.7110.7700.8300.8900.9501.0111.0711.131201.1921.2521.3131.3731.4341.4951.5561.6171.6781.739301.8011.8621.9241.9852.0472.1092.1712.2332.2952.357402.4192.4822.5442.0572.6692.7322.7952.8582.9212.984503.0473.1103.1733.2373.3003.3643.4283.4913.5553.619603.6833.7483.8123.8763.9414.0054.0704.

21、1344.1994.264704.3294.3944.4594.5244.5904.6554.7204.7864.8524.917804.9835.0475.1155.1815.2475.3145.3805.4465.5135.579905.6465.7135.7805.8465.9135.9816.0486.1156.1826.2501006.3176.3856.4526.5206.5886.6566.7246.7926.8606.9281106.9967.0647.1337.2017.2707.3397.4077.4767.5457.6141207.6837.7527.8217.8907.

22、9608.0298.0998.1688.2388.3071308.3778.4478.5178.5878.6578.8278.8428.8678.9389.0081409.0789.1499.2209.2909.3619.4329.5039.5739.6149.7151509.7879.8589.92910.00010.07210.14310.21510.28610.3584.4292實驗六 熱電偶冷端溫度補償實驗一、實驗目的：了解熱電偶冷端溫度補償的原理和方法二、實驗儀器：智能調節儀、PT100、E型熱電偶、溫度源、溫度傳感器實驗模塊三、實驗原理：熱電偶冷端溫度補償的方法有：冰水法、恒溫槽法和電橋自動補償法（圖6-1），電橋自動補償法常用，它是在熱電偶和測溫儀表之間接入一個直流電橋，稱冷端溫度補償器，補償器電橋在0時達到平衡（亦有20平衡）。當熱電