傳感器實驗臺實驗指導書2011年學生

1、目 錄CSY系列傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺使用說明1實驗一 金屬箔式應(yīng)變計性能應(yīng)變電橋5實驗二 溫度傳感器鉑熱電阻7實驗三 光電傳感器光電開關(guān)（紅外發(fā)光管與光敏三極管）8實驗四 電渦流傳感器振幅測量9實驗五 電容式傳感器性能10實驗六 超聲波距離測量實驗11使 用 說 明CSY系列傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺為完全模塊式結(jié)構(gòu)，分主機、實驗?zāi)K和實驗桌三部分。根據(jù)用戶不同的需求分為基本型和增強性兩種配置。主機由實驗工作平臺，傳感器綜合系統(tǒng)、高穩(wěn)定交、直流信號源，溫控電加熱源，旋轉(zhuǎn)源、位移機構(gòu)、振動機構(gòu)、儀表顯示、電動氣壓源、數(shù)據(jù)采集處理和通信系統(tǒng)（RS232接口）、實驗軟件等組成。全套13個實驗?zāi)K中均包含一

2、種或一類傳感器及實驗所需的電路和執(zhí)行機構(gòu)（位移裝置均由進口精密導軌組成，以確保純直線性位移），實驗時模塊可按實驗要求靈活組合，儀器性能穩(wěn)定可靠，方便實用。傳感器包括：（基本型含24種傳感器，序號1.11.24。增強型含31種傳感器，序號1.11.31）1.1 金屬箔式應(yīng)變傳感器（箔式應(yīng)變片 工作片4片；溫度補償片2片,應(yīng)變系數(shù)：2.06，精度2%）1.2 稱重傳感器（標準商用雙孔懸臂梁結(jié)構(gòu)，量程0500g，精度2%）1.3 MPX擴散硅壓阻式壓力傳感器（差壓式，量程050KP，精度3%）1.4 半導體應(yīng)變傳感器（BY350，工作片2片，應(yīng)變系數(shù)120）1.5 標準K分度熱電偶，（量程0800，

3、精度3%）1.6 標準E分度熱電偶，（量程0800，精度3%）1.7 MF型半導體熱敏傳感器（負溫度系數(shù)，25時電阻值10K）1.8 Pt100鉑熱電阻（量程0800，精度5%）1.9 半導體溫敏二極管（精度5%）1.10 集成溫度傳感器（電流型，精度2%）1.11 光敏電阻傳感器（cds器件，光電阻2M.1.12 光電轉(zhuǎn)速傳感器（近紅外發(fā)射-接收量程02400轉(zhuǎn)/分）1.13 光纖位移傳感器（多模光強型，量程2mm,在其線性工作范圍內(nèi)精度5%）1.14 熱釋電紅外傳感器（光譜響應(yīng)715m，光頻響應(yīng)0.510HZ）。1.15 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2mm

4、，精度5%)1.16 磁電式傳感器（動鐵與線圈）1.17 濕敏電阻傳感器（高分子材料，工作范圍595%RH，）1.18 濕敏電容傳感器（高分子材料，工作范圍595%RH）1.19 MQ3氣敏傳感器（酒精氣敏感，實驗演示用）1.20 電感式傳感器（差動變壓器，量程5mm,精度5%）1.21 壓電加速度傳感器（PZT壓電陶瓷與質(zhì)量塊。工作范圍530HZ ）1.22 電渦流傳感器（線性工作范圍1mm,精度3%）1.23 電容傳感器（同軸式差動變面積電容，工作范圍3mm,精度2%）1.24 力平衡傳感器（綜合傳感器系統(tǒng)）125 光電池傳感器126 光敏二極管傳感器127 光敏三極管傳感器1.28 PS

5、D光電位置傳感器（PSD器件與激光器組件，采用工業(yè)上的三角測量法，量程25mm，精度0.1%）1.29 激光光柵傳感器（光柵衍射及光柵莫爾條紋，莫爾條紋精密位移記數(shù)精度0.01mm）1.30 CCD圖象傳感器（光敏面尺寸：1/3英寸。采用計算機軟件與CCD傳感器配合，進行高精度物徑及高精度光柵莫爾條紋位移自動測試。）1.31 超聲波測距傳感器（量程范圍30600mm，精度10mm）主機配置：2.1 直流穩(wěn)壓電源：（傳感器工作直流激勵源與實驗?zāi)K工作電源）2V10V分五檔輸出，最大輸出電流1.5A15V（12V）、最大輸出電流1.5A；激光器電源。2.2 音頻信號源：（傳感器工作交流激勵源）0.

6、4KHz-10KHz輸出連續(xù)可調(diào)，最大Vp-p值20V。 0、180端口反相輸出 0、LV端口功率輸出，最大輸出電流1.5A180端口電壓輸出，最大輸出功率300mw2.3 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(xiàn)傳感器動態(tài)測試）1Hz30Hz輸出，連續(xù)可調(diào)，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(zhuǎn)換鈕子開關(guān)的作用：（請?zhí)貏e注意）當?shù)瓜騐0側(cè)時，低頻信號源正常使用，V0端輸出低頻信號，倒向Vi側(cè)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

7、作時激振選擇開關(guān)應(yīng)位于置中位置。2.4 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(yīng)的溫度源等。2.5 旋轉(zhuǎn)源：（光電、電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速之用）低噪聲旋轉(zhuǎn)電機，轉(zhuǎn)速0-2400轉(zhuǎn)/分，連續(xù)可調(diào)。（特別注意：電機不工作時鈕子開關(guān)應(yīng)置于“關(guān)”，否則直流穩(wěn)壓電源負電源會無輸出）。2.6 氣壓源：（提供壓力傳感器氣壓源）電動氣泵：氣壓輸出應(yīng)40KP，連續(xù)可調(diào),使用時請注意控制氣壓。手動加壓氣囊：可加壓至滿量程40KP，通過減壓閥調(diào)節(jié)氣壓值。儀表顯示部分

8、：3.1 電壓/頻率表：3 1/2位數(shù)字表、電壓顯示分02V、020V兩檔；頻率顯示分02KHz、020KHz兩檔，靈敏度50mv。3.2 數(shù)字式溫度表：（E分度）溫度顯示：0-800（用其他熱電偶測溫時應(yīng)查對相應(yīng)的熱電偶分度表）。3.3 氣壓表： 0-40KP（0-300mmHg）顯示。計算機通信與數(shù)據(jù)采集：4.1 通信接口：標準RS232口，提供實驗臺與計算機通信接口。4.2 數(shù)據(jù)采集卡：12位A/D轉(zhuǎn)換，采集卡信號輸入端為電壓/頻率表的“通道”和“通道”端，采集卡頻率輸入端為“轉(zhuǎn)速信號入”口。實驗?zāi)K包含：（基本型含9個模塊，序號5.1-5.9，增強型含13個模塊，序號5.1-5.13，

9、每個模塊包含一種或一類傳感器，使用方便）5.1 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。5.2 應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K（包含電阻應(yīng)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）、懸臂梁結(jié)構(gòu)金屬箔式、半導體應(yīng)變、MPX擴散硅壓阻式傳感器、放大電路。5.3 電感式傳感器實驗?zāi)K：差動變壓器、螺管式傳感器、高精度位移導軌、放大電路。5.4 電容式傳感器實驗?zāi)K：同軸式差動電容組成的雙T電橋檢測電路，精密位移導軌。5.5 光電傳感器實驗?zāi)K：光纖位移傳感器與光電耦合器、光敏電阻及信號變換電路，精密位移導軌、電機旋轉(zhuǎn)裝

10、置。5.6 霍爾傳感器實驗?zāi)K：霍爾傳感器、梯度磁場、變換電路及高精度位移導軌。5.7 溫度傳感器實驗?zāi)K：提供7種溫度傳感器及變換電路，可控電加熱爐。5.8 電渦流傳感器實驗?zāi)K：電渦流探頭、變換電路及精密位移導軌。5.9 濕敏氣敏傳感器實驗?zāi)K：高分子濕敏電阻、濕敏電容、MQ3氣敏傳感器及變換電路。5.10 PSD光電位置傳感器實驗?zāi)K：PSD器件及激光器組件、精密位移導軌，高倍放大器。（增強型單元）5.11 CCD 圖象傳感器及光柵測試實驗?zāi)K：CCD傳感器、光柵莫爾條紋位移傳感器及計機測試軟件、精密位移導軌。（增強型單元）5.12 超聲波傳感器測距實驗?zāi)K：超聲波發(fā)射-接收探頭、位移裝

11、置及時間-距離變換顯示電路，直接顯示探測距離（cm）及時間（s）（增強型單元）513光電器件實驗?zāi)K：光電器件模板、微安表，實驗選配單元。主機工作臺上裝置的傳感器有:磁電式、壓電加速度、半導體應(yīng)變（2片）、金屬箔式應(yīng)變（工作片4片，溫度補償片2片）、衍射光柵（增強型）。雙平行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(tài)實驗。實驗臺主機與實驗?zāi)K的連接線采用了高可靠性的防脫落插座及插頭。實驗連接線均用燈籠狀的插頭及配套的插座，接觸可靠，防旋防松脫，并可在使用日久斷線后重新修復（特別注意：在

12、本型儀器上請勿同時使用舊型號的可鎖緊連接線，以免損壞新型連接線及造成插座松動）。實驗操作須知：1. 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(gòu)的工作范圍做到心中有數(shù)。主機面板上的紐子開關(guān)都應(yīng)選擇好正確的倒向。2. 了解測試系統(tǒng)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(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)）儀表顯示（數(shù)據(jù)采集或圖象顯示）3. 實驗操作時，在用實驗連接線接好各系統(tǒng)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?zāi)K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(fā)現(xiàn)信號燈、數(shù)字表有異常狀況，應(yīng)立即關(guān)機，查清原

13、因后再進行實驗。4. 實驗連接線插頭為燈籠狀簧片結(jié)構(gòu)，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉(zhuǎn)鎖緊，使用時應(yīng)避免搖晃。為延長使用壽命，操作時請捏住插頭連接疊插。5. 實驗指導中的“注意事項”不可忽略。傳感器的激勵信號不準隨意加大，否則可能會造成傳感器永久性的損壞。6. 本實驗儀為教學實驗用儀器，而非測量用儀器，各傳感器在其工作范圍內(nèi)有一定的線性和精度，但不能保證在整個信號變化范圍都是呈線性變化。限于實驗條件，有些實驗只能做為定性演示（如濕敏、氣敏傳感器），能完成實驗指導書中的實驗內(nèi)容，則整臺儀器正常。7. 本儀器的工作環(huán)境溫度40，需防塵。實驗一 光電傳感器光電開關(guān)（紅外發(fā)光管與光敏三極管）實驗原理

14、：光敏三極管與半導體三極管結(jié)構(gòu)類似，但通常引出線只有二個，當具有光敏特性的PN結(jié)受到光照時，形成光電流，不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，光敏三極管較之光敏二極管能將光電流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的靈敏度。與光敏管相似，不同材料制成的發(fā)光二極管也具有不同的光譜特性，由光譜特性相同的發(fā)光二極管與光敏三極管組成對管，安裝成如圖（2）形式，就形成了光電開關(guān)（光耦合器或光斷續(xù)器）。實驗所需部件：光電開關(guān)、測速電機、示波器、電壓/頻率表、光纖光電傳感器實驗?zāi)K。實驗步驟：1、觀察光電開關(guān)結(jié)構(gòu)：傳感器是一個透過型的光斷續(xù)器，工作波長3m左右，可以用來檢測物體的有無，物體運動方向等。2、

15、連接主機與實驗?zāi)K電源線及傳感器接口，示波器接光電輸出端。3、開啟主機電源，用手轉(zhuǎn)動電機葉片分別擋住與離開傳感光路，觀察輸出端信號波形。開啟轉(zhuǎn)速電機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，觀察V0端連續(xù)方波信號輸出，并用電壓/頻率表2KHz檔測轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速=頻率表顯示值24、如欲用數(shù)據(jù)采集卡中的轉(zhuǎn)速采集功能，須將V0輸出端信號送入整形電路以便得到5VTTL電平輸出的信號，整形電路輸出端請接實驗儀主機面板上的“轉(zhuǎn)速信號入”端口，與內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集卡中的頻率記數(shù)端接定。實驗二 溫度傳感器鉑熱電阻實驗原理：pt100鉑熱電阻的電阻值在0時為100，測溫范圍一般為-200650 ，鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似線性，當溫度在0T65

16、0時，RT=R0（1+AT+BT2）式中RT鉑熱電阻T時的電阻值RO鉑熱電阻在0時的電阻值A(chǔ)系數(shù)（=3.9684710-31/）B系數(shù)（-5.84710-71/2）鉑熱電阻測溫時只要將其阻值直接與鉑熱電阻分度表對照即可知道感受到的溫度。本實驗介紹了鉑熱電阻實際應(yīng)用時的一種測溫電路。實驗所需部件：鉑熱電阻（Pt100）、加熱爐、溫控器、溫度傳感器實驗?zāi)K、數(shù)字電壓表、水銀溫度計或半導體點溫計（自備）。實驗步驟：1、觀察已置于加熱爐頂部的鉑熱電阻，連接主機與實驗?zāi)K的電源線及傳感器與模塊處理電路接口，鉑熱電阻電路輸出端VO接電壓表，溫度計置于熱電阻旁感受相同的溫度。2、開啟主機電源，調(diào)節(jié)鉑熱電阻電

17、路調(diào)零旋鈕，使輸出電壓為零，電路增益適中，由于鉑電阻通過電流時產(chǎn)生自熱其電阻值要發(fā)生變化，因此電路有一個穩(wěn)定過程。3、開啟加熱爐，設(shè)定加熱爐溫度為100，觀察隨爐溫上升鉑電阻的阻值變化及輸出電壓變化，（實驗時主機溫度表上顯示的溫度值是加熱爐的爐內(nèi)溫度，并非是加熱爐頂端傳感器感受到的溫度）。并記錄數(shù)據(jù)填入下表：VO（mV） 做出V-T曲線，觀察其工作線性范圍。注意事項：加熱器溫度一定不能過高，以免損壞傳感器的包裝。實驗三 金屬箔式應(yīng)變計性能應(yīng)變電橋?qū)嶒災(zāi)康模?、觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。 2、測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。3、比較各橋路間的輸出關(guān)系。實驗原理： 本實驗說明箔式應(yīng)變片及直流電

18、橋的原理和工作情況。 應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)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，電阻的相對變化率分別為R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，當使用一個應(yīng)變片時，；當二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應(yīng)變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R4=R，。 實驗所需部件： 直流穩(wěn)壓電源+4V、應(yīng)變式傳感

19、器實驗?zāi)K、貼于主機工作臺懸臂梁上的箔式應(yīng)變計、螺旋測微儀、數(shù)字電壓表實驗步驟：1、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(diào)零電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線，調(diào)零后模塊上的“增益、調(diào)零”電位器均不應(yīng)再變動。（圖1）2、觀察貼于懸臂梁根部的應(yīng)變計的位置與方向，按圖（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(yīng)變計（可任選上梁或下梁中的一個工作片），圖中每兩個節(jié)之間可理解為一根實驗連接線，注意連接方式，勿使直流激勵電

20、源短路。將螺旋測微儀裝于應(yīng)變懸臂梁前端永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)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，并預(yù)熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。調(diào)節(jié)模塊上的WD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，并記入下表：位移mm 電壓V位移mm 電壓V根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)在坐標圖上做出VX曲線，計算靈敏度S：S=。注意事項：1、實驗前應(yīng)檢查實驗連接線是否完好，學會正確插拔連接線，這是順利完成實驗的基本保證。2、由于懸臂梁彈性恢復的滯后及應(yīng)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

21、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。3、做單臂電橋?qū)嶒灂r，由于應(yīng)變片的零飄和蠕變現(xiàn)象的客觀存在，橋路中的三個精密電阻與應(yīng)變片的零飄值一致的可能性很小，如果沒有采用補償?shù)脑?，單臂電橋測試電路必然會出現(xiàn)輸出電壓漂移現(xiàn)象，這是真實地反映了應(yīng)變片的特性，但是只要采用了半橋或全橋測試電路，系統(tǒng)就會非常穩(wěn)定，這是因為同一批次的應(yīng)變片的飄移和蠕變特性相近，接成半橋和全橋形式后根據(jù)橋路的加減特性原理就起到了非常好的補償作用，這也是應(yīng)變片在實際應(yīng)用中無一例外地采用全橋（或半橋）測試電路的原因。4、因為是小信號測試，所以調(diào)零后做實驗時電壓表應(yīng)置2V檔，實驗中要盡量避免外界

22、信號干擾。實驗四 電渦流傳感器振幅測量實驗所需部件：電渦流傳感器、電渦流傳感器實驗?zāi)K、公共電路實驗?zāi)K、直流穩(wěn)壓電源、激振器（I）、示波器1、連接主機與實驗?zāi)K電源，并在主機上的振動圓盤旁的支架上安裝好電渦流傳感器，按圖（3）接好實驗線路，將線圈安裝在距渦流片最佳工作位置，直流穩(wěn)壓電源置10V檔（也可選用68V檔，原則是接入電路的負電壓值一定要高于電渦流變換電路的電壓輸出值以便調(diào)零），差動放大器增益調(diào)至最?。ㄔ鲆鏋?），僅做為一個電平移動電路。2、開啟主機電源，調(diào)節(jié)電橋WD電位器，使系統(tǒng)輸出為零。3、開啟激振I，調(diào)節(jié)低頻振蕩頻率，使振動平臺在1530Hz范圍內(nèi)變化，用示波器觀察輸出波形，記下

23、Vp-p值，求出波形變化范圍內(nèi)的X值。4、降低激振頻率，提高振幅范圍，用示波器就可以看出輸出波形有失真現(xiàn)象，這說明電渦流傳感器的振幅測量范圍是很小的。注意事項：直流穩(wěn)壓電源10V、接地端接電橋WD電位器兩端。實驗五 電容式傳感器性能實驗原理：差動式同軸變面積電容的兩組電容片Cx1與Cx2作為雙T電橋的兩臂，當電容量發(fā)生變化時，橋路輸出電壓發(fā)生變化。實驗所需部件：電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)K、激振器I、測微儀實驗步驟：1、觀察電容傳感器結(jié)構(gòu)：傳感器由一個動極與兩個定級組成，連接主機與實驗?zāi)K的電源線及傳感器接口，按圖（4）接好實驗線路，增益適當。2、打開主機電源，用測微儀帶動傳感器動極位移至兩

24、組定極中間，調(diào)整調(diào)零電位器，此時模塊電路輸出為零。3、前后位移動極，每次0.5mm，直至動靜極完全重合為止，記錄數(shù)據(jù)，作出V-X曲線，求出靈敏度。X（mm）V0（v）4、移開測微儀，在主機振動平臺旁的安裝支架上裝上電容傳感器，在振動平臺上裝好傳感器動極，用手按動平臺，使平臺振動時電容動極與定極不碰擦為宜。5、開啟“激振I”開關(guān)，振動臺帶動動極在定極中上下振動，用示波器觀察輸出波形。注意事項：電容動極須位于環(huán)型定極中間，安裝時須仔細作調(diào)整，實驗時電容不能發(fā)生擦片，否則電壓信號會發(fā)生突變。實驗六 超聲波距離測量實驗測量原理：人耳所能聽聞的聲波在2020000Hz之間。頻率超過20000Hz的聲波是人耳不能聽聞的聲波稱為超聲。聲波的頻率愈高，其與光波的某些特性也愈相似。聲波的波峰與