1、傳感器實驗指導書 長春理工大學電信學院目 錄一、概述部分二、實驗部分實驗一 金屬箔式、半導體應變片性能單臂電橋、半橋、全橋交直流實驗實驗二 差動變壓器的性能實驗實驗三 熱電偶原理及分度表的應用實驗四 氣敏傳感器實驗 一、 概 述傳感器實驗是針對傳感器原理與設計課程開設的一門實踐性環節，詣在檢驗學生對傳感器理論知識的掌握程度，引導學生將理論知識應用到實踐中，并將計算機技術、數據采集處理技術與傳感器技術融合在一起，拓寬傳感技術的應用領域，逐步建立工程應用的概念。通過實驗，幫助廣大學生加強對書本知識的理解，培養學生實際動手能力,增強學生對各種不同的傳感器及測量原理如何組成測量系統有直觀而具體的感性認

2、識；培養學生對材料力學、電工學、物理學、控制技術、計算技術等知識的綜合運用能力；同時在實驗的進行過程中通過信號的拾取、轉換、分析，掌握作為一個科技工作者應具有的基本的操作技能與動手能力。傳感器實驗全部在CSY-910型傳感器系統綜合實驗臺上進行，該實驗臺為完全模塊式結構，分主機、實驗模塊和實驗桌三部分。主機由實驗工作平臺、傳感器綜合系統、高穩定交、直流信號源，溫控電加熱源，旋轉源、位移機構、振動機構、儀表顯示、電動氣壓源、數據采集處理和通信系統（RS232接口）、實驗軟件等組成；全套12個實驗模塊中均包含一種或一類傳感器及實驗所需的電路和執行機構，實驗時模塊可按實驗要求靈活組合。一、傳感器1.

3、 金屬箔式應變傳感器（箔式應變片 工作片4片；溫度補償片2片,應變系數：2.06，精度2%）2. 稱重傳感器（標準商用雙孔懸臂梁結構，量程0500g，精度2%）3. MPX擴散硅壓阻式壓力傳感器（差壓式，量程050KP，精度3%）4. 半導體應變傳感器（BY350，工作片2片，應變系數120）5. 標準K分度熱電偶，（量程0800，精度3%）6. 標準E分度熱電偶，（量程0800，精度3%）7. Pt100鉑熱電阻（量程0800，精度5%）8. 半導體溫敏二極管（精度5%）9. 集成溫度傳感器（電流型，精度2%）10. 半導體霍爾傳感器(由線性霍爾元件與梯度磁場組成。工作范圍：位移±

4、2mm，精度5%)11. 磁電式傳感器（動鐵與線圈）12. 濕敏電容傳感器（高分子材料，工作范圍595%RH）13. MQ3氣敏傳感器（酒精氣敏感，實驗演示用）14. 電感式傳感器（差動變壓器，量程±5mm,精度5%）15. 電渦流傳感器（線性工作范圍1mm,精度3%）16. 力平衡傳感器（綜合傳感器系統）二、主機配置（一）電源、信號源部分1. 直流穩壓電源：（傳感器工作直流激勵源與實驗模塊工作電源）+2V +10V分五檔輸出，最大輸出電流1.5A；+15V（±12V） 、最大輸出電流1.5A；激光器電源。2. 音頻信號源：（傳感器工作交流激勵源）0.4KHz 10KHz輸

5、出連續可調，最大Vp-p值20V；00、1800端口反相輸出；00、LV端口功率輸出，最大輸出電流1.5A；1800端口電壓輸出，最大輸出功率300mw。3. 低頻信號源：（供主機位移平臺與雙平行懸臂梁振動激勵，實現傳感器動態測試）1Hz 30Hz輸出，連續可調，最大輸出電流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（雙平行懸臂梁）、激振II（圓形位移平臺）的振動源。轉換紐子開關的作用：（請特別注意）當倒向V0側時，低頻信號源正常使用，V0端輸出低頻信號，倒向Vi側時，斷開低頻信號電路，V0 端無低頻信號輸出，停止激振、的激勵。Vi作為電流放大器的信號輸入端，輸出端仍為V0端。激振不工作時激振選擇

6、開關應位于置中位置。4. 溫控電加熱源：（溫度傳感器加熱源）由E分度熱電偶控溫的300W電加熱爐，最高控制爐溫400，實驗控溫200。交流220V插口提供電爐加熱電源，作為溫度傳感器熱源、及熱電偶測溫、標定和傳感器溫度效應的溫度源等。5. 旋轉源：（光電、電渦流傳感器測轉速之用）低噪聲旋轉電機，轉速02400轉/分，連續可調。6. 氣壓源：（提供壓力傳感器氣壓源）電動氣泵：氣壓輸出20KP，連續可調；手動加壓氣囊：可加壓至滿量程40KP，通過減壓閥調節氣壓值。（二）儀表顯示部分1 電壓/頻率表：3 1/2位數字表、電壓顯示分02V、020V兩檔；頻率顯示分02KHz、020KHz兩檔，靈敏度5

7、0mv。2 數字式溫度表：（E分度）溫度顯示：0-800（用其他熱電偶測溫時應查對相應的熱電偶分度表）。3 氣壓表： 0-40KP（0-300mmHg）顯示。（三）計算機通信與數據采集1 通信接口：標準RS232口，提供實驗臺與計算機通信接口。2 數據采集卡：12位A/D轉換，采集卡信號輸入端為電壓/頻率表的“IN”端，采集卡頻率輸入端為“轉速信號入”口。三、實驗模塊包含1. 實驗公共電路模塊：提供所有實驗中所需的電橋、差動放大器、低通濾波器、電荷放大器、移項器、相敏檢波器等公用電路。2. 應變式傳感器實驗模塊（包含電阻應變及壓力傳感器）：金屬箔式標準商用稱重傳感器（帶加熱及溫度補償）、懸臂梁

8、結構金屬箔式、半導體應變、MPX擴散硅壓阻式傳感器、放大電路。3. 電感式傳感器實驗模塊：差動變壓器、螺管式傳感器、放大電路。4. 電容式傳感器實驗模塊：同軸式差動電容組成的雙T電橋檢測電路，精密位移導軌。5. 霍爾傳感器實驗模塊：霍爾傳感器、梯度磁場、變換電路及日本進口高精度位移導軌。6. 溫度傳感器實驗模塊：提供7種溫度傳感器及變換電路，可控電加熱爐。7. 電渦流傳感器實驗模塊：電渦流探頭、變換電路及日本進口精密位移導軌。8.氣敏傳感器實驗模塊：MQ3氣敏傳感器及變換電路。四、主機工作臺上裝置的傳感器磁電式、壓電加速度、半導體應變（2片）、金屬箔式應變（工作片4片，溫度補償片2片）。雙平行

9、懸臂梁旁的支柱安裝有螺旋測微儀，可帶動懸臂梁上下位移。圓形位移（振動）平臺旁的支架可安裝電感、電容、霍爾、光纖、電渦流等傳感器探頭，在平臺振動時進行動態實驗。Csy-910型主機與實驗模塊的連接線采用了高可靠性的防脫落插座及插頭。五、實驗操作須知：1、 在實驗前務必詳細閱讀CSY-910型傳感器系統綜合實驗臺實驗指導與使用說明、本實驗指導書。2、 使用本儀器前，請先熟悉儀器的基本狀況，對各傳感器激勵信號的大小、信號源、顯示儀表、位移及振動機構的工作范圍做到心中有數。主機面板上的紐子開關都應選擇好正確的倒向。3、 了解測試系統的基本組成：合適的信號激勵源傳感器處理電路（傳感器狀態調節機構）儀表顯

10、示（數據采集或圖象顯示）4、 在更換接線時，應斷開電源，只有在確保接線無誤后方可接通電源。5、 實驗操作時，在用實驗連接線接好各系統并確認無誤后方可打開電源，各信號源之間嚴禁用連接線短路，主機與實驗模塊的直流電源連接線插頭與插座連接時尤要注意標志端對準后插入，如開機后發現信號燈、數字表有異常狀況，應立即關機，查清原因后再進行實驗。6、 實驗連接線插頭為燈籠狀簧片結構，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉鎖緊，使用時應避免搖晃。為延長使用壽命，操作時請捏住插頭連接疊插。7、 實驗指導書中的“注意事項”不可忽略。傳感器的激勵信號不準隨意加大，否則會造成傳感器永久性的損壞。實驗一 金屬箔式電阻應變片式

11、性能實驗一、實驗目的：1、 觀察了解箔式應變片的結構及粘貼方式；2、 熟悉箔式應變片和半導體應變片的性能，充分了解兩種應變電路的特性；3、 掌握應變片單臂、半橋、全橋的工作原理和工作情況；4、 驗證應變片單臂、半橋、全橋的性能及相互之間的關系。二、實驗類型：驗證型三、實驗原理： 應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。 電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中

12、，電阻的相對變化率分別為R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，橋路的輸出與成正比。當使用一個應變片時，；當使用二個應變片時，；若二個應變片組成差動狀態工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R4=R，。根據戴維南定理可以得出電橋的輸出電壓近似等于，電橋的電壓靈敏度Ku=V/R/R，于是對于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度分別為、和E。由此可知，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大；當E和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關。四、實驗所需部件：直流穩壓電源+4V、應變式傳感器實驗模塊、貼于主機工作臺懸臂梁上的箔式應變

13、計、半導體應變計、螺旋測微儀、數字電壓表、應變加熱器。五、實驗步驟1、差動放大器調零。連接主機與模塊電路電源連接線，差動放大器增益置于最大位置（順時針方向旋到底），差動放大器“+”“-”輸入端對地用實驗線短路。輸出端接電壓表2V檔。開啟主機電源，用調零電位器調整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線，調零后模塊上的“增益、調零”電位器旋鈕均不應再變動。圖1-1單臂電橋實驗電路2、觀察貼于懸臂梁根部的箔式應變計的位置與方向，按圖1-1將所需實驗部件連接成測試橋路，圖中R1、R2、R3分別為模塊上的固定標準電阻，R為應變計（可任選上梁或下梁中的一個工作片），注意連接方式，勿使直流激勵電源短路。將螺

14、旋測微儀裝于應變懸臂梁前端永久磁鋼上，并調節測微儀使懸臂梁基本處于水平位置。3、確認接線無誤后開啟主機，使電路工作趨于穩定。調節模塊上的W1電位器，使橋路輸出為零。4、用螺旋測微儀帶動懸臂梁分別向上和向下位移各5mm ,每位移1mm記錄一個輸出電壓值，并記入表一 表一位移mm54321012345電壓V 表二位移mm54321012345電壓V圖1-2 半橋實驗電路圖1-3全橋實驗電路表三位移mm54321012345電壓V05、 依次將圖1-1中的固定電阻R1、 R2 、R3，分別換接電阻應變片組成雙橋和全橋。實驗電路見圖1-2及圖1-33所示6、 重復單臂電橋實驗步驟，完成雙橋和全橋實驗7

15、、將測試數據填入表2及表3。8、根據表中所測數據在同一坐標上描出V-X曲線，計算靈敏度S：S=，比較三種橋路的靈敏度，并做出定性的結論。六、注意事項：1、由于懸臂梁彈性恢復的滯后及應變片本身的機械滯后，所以當螺旋測微儀回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零，此時可一次或幾次將螺旋測微儀反方向旋動一個較大位移，使電壓值回到零后再進行反向采集實驗。2、實驗中實驗者用螺旋測微儀進行位移后應將手離開儀器后方能讀取測試系統輸出電壓數，否則雖然沒有改變刻度值也會造成微小位移或人體感應使電壓信號出現偏差。3、應變片接入橋路時，要注意應變片的受力方向，一定要接成差動形式，即鄰臂受力方向相反，對臂受力方向

16、相同，如接反則電路無輸出或輸出很小。4、更換應變片時應將電源關閉。七、思考題1、 本實驗對直流穩壓電源和差動放大器有何要求？2、 應變片橋路（差動電橋）連接應注意哪些問題？3、 橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差的主要原因是什么？4、 箔式應變片和半導體應變片在工作原理和性能上有什么區別？5、用交流和直流作為激勵電源時，傳感器的性能有何變化？ 實驗二 差動變壓器的性能實驗一、實驗目的：1、 了解差動變壓器的基本結構及原理，驗證差動變壓器的基本特性；2、 了解差動變壓器零點殘余電壓產生的原因及補償方法；3、 了解差動變壓器的實際應用。二、實驗類型：驗證型三、實驗原理：電感傳感器是一種將位置量的

17、變化轉為電感量變化的傳感器，差動變壓器由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架組成，初級線圈做為差動變壓器激勵用，相當于變壓器原邊。次級線圈由兩個結構尺寸和參數相同的線圈反相串接而成，相當于變壓器副邊。差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎上的，其原理及輸出特性見圖圖2-1。差動變壓器結構原理圖 差動變壓器位移輸出特性圖2-1由于零點殘余電壓的存在會造成差動變壓器零點附近的不靈敏區，此電壓經過放大器還會使放大器未級趨向飽和，影響電路正常工作，因此必須采用適當的方法進行補償使之減小。零點殘余電壓中主要包含兩種波形成份：a、基波分量：這是由于差動變壓器二個次級繞組因材料或工藝差異造成等效電路參數（M

18、、L、R）不同，線圈中的銅損電阻及導磁材料的鐵損、線圈中線間電容的存在，都使得激勵電流與所產生的磁通不同相。b、高次諧波：主要是由導磁材料磁化曲線的非線性引起，由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使激勵電流與磁通波形不一致，產生了非正弦波（主要是三次諧波）磁通，從而在二次繞組中感應出非正弦波的電動勢。減少零點殘余電壓的辦法是：（1）從設計和工藝制作上盡量保證線路和磁路的對稱。（2）采用相敏檢波電路。（3）選用補償電路。四、實驗所需部件：差動變壓器、電感傳感器實驗模塊、音頻信號源、螺旋測微儀、示波器、公共電路實驗模塊、電壓/頻率表。五、實驗步驟：1、按圖2-2接線，差動變壓器初級線圈必須從音頻信號源L

19、V功率輸出端接入，二個次級線圈串接。用雙線示波器測量初級、次級線圈波形，并記錄繪制。圖2-22、打開主機電源，調整音頻輸出信號頻率，輸出Vp-p值2V，以示波器第二通道觀察到的波形不失真為好。 3、前后移動改變變壓器磁芯在線圈中位置，觀察示波器第二通道所示波形能否過零翻轉（即波形相位變化），否則改變接次級二個線圈的串接端序。4、用螺旋測微儀帶動鐵芯在線圈中移動，從示波器中讀出次級輸出電壓Vp-p值，同時注意初次級線圈波形相位。位移mm電壓Vp-p根據表格所列結果，作出V-X曲線，指出線性工作范圍。5、然后按圖2-3接線，用示波器觀察波形（根據波形大小適當調整示波器）。差動放大器增益置最大。圖2

20、-36、打開主機電源，調節音頻輸出頻率，以第二通道波形不失真為好，調節音頻信號頻率，音頻幅值必須為峰-峰值Vp-p=2V。調節鐵芯在線圈中的位置，使差動放大器輸出的電壓波形最小，再調節電橋中W1、W2電位器，使輸出更趨減小。圖 2-47、再按圖2-4接線并調節移相璇鈕輸出電壓為零。8、維持低頻信號源輸出信號幅值不變，調節側微頭(先上移后下移)記錄位移和輸出電壓值將數據記錄值記入下表： X（mm）54221012345V（mm ）作出X-V曲線，指出工作范圍。六、注意事項：1、示波器第二通道為懸浮工作狀態（即示波器探頭二根線都不接地）。2、音頻信號頻率一定要調整到次級線圈輸出波形基本無失真，否則

21、由于失真波形中有諧波成分，補償效果將不明顯。3、此電路中差動放大器的作用是將次級線圈的二端輸出改為單端輸出。4、電感線圈的位置可根據實驗需要調節螺桿稍上下位置，以靜止時鐵心置于線圈中間位置為好。七、思考題1、 簡述差動變壓器的工作原理，并說明差動變壓器與一般普通變壓器有什么區別？2、差動變壓器零點殘余電壓產生是如何產生的？如何消除零點殘余電壓？實驗三 熱電偶原理及分度表的應用一.實驗目的1.了解熱電偶的工作原理及熱電偶回路熱電勢組成；2.學會利用分度表糾正溫度的方法二.實驗原理1.了解熱電偶的工作原理及熱電偶回路熱電勢組成；2.學會利用分度表糾正溫度的方法二.實驗原理熱電偶是根據熱電效應原理作

22、成的。利用兩種不同的導體連接在一起，組成一閉合回路，如圖3-1所示。當工作端溫度T大于冷端溫度T0時，回路產生電動勢，從而形成熱電流。這種現象稱為熱電效應。產生熱電流的電動勢稱為熱電勢。熱電勢由兩部分組成，一部分為溫差電勢，另一部分為結點電勢，即回路中引入第三種導體。總的熱電勢 當TT0且T>T0時，根據熱電偶工作定律，在冷端接入測量儀表，如果使T0端工作溫度為室溫或者為零攝氏度，而工作端的溫度通過測量回路，熱電勢即可得知。圖3-1三.所需單元及附件差動放大器，F/V表，-10V直流電壓源，加熱器，熱電偶，溫度計，電源四.實驗步驟1.將F/V表切換開關置在2V檔，差動放大器增益調至最大。

23、2.了解熱電偶在實驗臺上的位置和結構及所用導體材料。本實驗使用由銅康銅組成的非標準熱電偶，。分別放在懸梁臂的上下兩側，兩個熱電偶是串聯連接的，其熱電勢為兩個熱電偶的總和。3.按圖3-2接線，打開主副電源，調節差動放大器調零旋扭，使輸出為零（電壓表顯示為零），用溫度計記下此時的室溫。 圖 3-2 接線電路4.將-15V直流電源接入加熱器，目的是為熱電偶工作端提供溫度，同時，觀察F/V表顯示值的變化；F/V表輸出電壓是隨著溫度的增加而增加的。等待片刻后，F/V表顯示電壓值基本穩定后，記下此時F/V表上的熱電勢值。5.再利用溫度計，測量熱電偶工作端的溫度T，并且記錄下來。6.根據熱電偶的基本定律的中

24、間溫度定律以及熱電勢和溫度的關系式： （3-1）進行溫度糾正。式中，T熱電偶工作端溫度；Tn熱電偶冷端的溫度（即室溫）；T0參考溫度，即。求得參考溫度不等于零時的熱電勢溫度關系。利用公式（3-1）可以求得 （3-2）具體做法如下：首先求得熱端溫度為T，而冷端為室溫時的熱電勢。1）本實驗為兩個銅康銅熱電偶串聯，熱電偶工作端溫度為T，冷端溫度為室溫時熱電勢為等于F/V表的指示值除以差動放大器放大倍數K乘以熱電偶的個數2，即 2）然后通過查分度表得到熱端溫度為室溫，冷端溫度為的熱電勢，通過查表得知室溫時熱電偶的輸出熱電勢為一個值，然后再查參考溫度為所對應的電勢值。兩者差值就是我們要求的熱電勢。3）根據式（3-1）求得，參考溫度為