傳感器實驗指導(dǎo)書1

1、 傳感器原理與應(yīng)用 實 驗 指 導(dǎo) 書 陳小玲、韓 克 王立功、柳秀山 編 廣東技術(shù)師范學(xué)院電子與信息學(xué)院 目 錄實驗一 金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較1實驗二 電容式傳感器的位移特性實驗7實驗三 差動變壓器的性能實驗9實驗四 電渦流傳感器位移特性實驗11實驗五 光纖溫度傳感器性能實驗13實驗六 壓電式傳感器測量振動實驗14實驗七 霍爾、光電轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗16實驗八 超聲波傳感器測距實驗18實驗九 熱釋電遠紅外傳感器輻射特性19實驗十 光敏電阻的伏安特性20實驗十一 光敏二極管的伏安特性22實驗十二 光敏三極管的伏安特性24實驗十三 光電耦合器件的輸出特性及電流傳輸比26實驗十四

2、光電耦合器件的交流耦合實驗28實驗十五 光電池的伏安特性29附錄一 多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件使用說明31附錄二 溫控儀表操作說明32課程類型： 學(xué)科專業(yè)課 課程代碼： 課程總學(xué)時： 實驗課程性質(zhì)： 非獨立設(shè)課 課程實驗學(xué)時： 12 綜合性、設(shè)計性實驗項目數(shù)： 2 個 4 學(xué)時 適用專業(yè)： 電子與通信類 開課時間： 三 年級 一 學(xué)期 開課單位： 電子與信息學(xué)院 撰寫人： 陳小玲 審定人： 王立功 實驗一 金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較一、實驗?zāi)康呐c要求比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。二、實驗類型 綜合型三、實驗原理及說明電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電

3、阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：式中為電阻絲電阻的相對變化，為應(yīng)變靈敏系數(shù)，為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位的受力狀態(tài)變化，電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。單臂電橋輸出電壓O1。不同受力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓Uo2=。全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)叄煌慕尤豚忂?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1= R2= R3= R4，其變化值R1=R2=R3=R4時

4、，其橋路輸出電壓Uo3=。其輸出靈敏度比半橋提高了一倍。四、實驗主要儀器設(shè)備和材料序 號名 稱主要用途1應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K測量模塊2應(yīng)變式傳感器感受待測信號3砝碼使應(yīng)變式傳感器受力4±15V電源、±4V電源提供電源5數(shù)顯表顯示電壓值五、實驗步驟應(yīng)變片 引出線 固定墊圈 固定螺絲 限程螺絲 模塊 彈性體 托盤 加熱絲 應(yīng)變片 圖1-1 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖 應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模塊，如圖1-1所示。傳感器中各應(yīng)變片已接入模塊的左上方的R1、R2、R3、R4，其中R1= R2= R3= R4=350，加熱絲阻值為50左右。一）單臂電橋?qū)嶒?、模塊的差分式放大電路調(diào)零

5、。接入模塊電源±15V（從主控箱引入），將實驗?zāi)K調(diào)節(jié)增益電位器Rw3順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進行差動放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上的數(shù)顯表電壓輸入端Vi相連，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實驗?zāi)K上調(diào)零電位器Rw4，使主控箱的電壓表顯示為零（表的切換開關(guān)打到200mV或2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。（注意：實驗過程中單臂、半橋、全橋的放大器增益必須相同）。2、接單臂電橋。根據(jù)圖1-2和1-3接線。將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片R1（即模塊左上的R1）接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋（R5、R6、R7模塊內(nèi)已連接好），接好

6、電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源±4V（從主控箱引入）。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。3、在電子秤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到500g（或200g）砝碼加完。記下實驗結(jié)果填入表1-1，關(guān)閉電源。表1-1 單臂電橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）20406080100120140160180200電壓（mv）+4V -4V 接主控箱 電源輸出 接主控箱 電源輸出 接主控箱 電源輸出 圖1-2 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒灲泳€圖 接數(shù)顯表 Vi 地 R1 加熱 二）半橋?qū)嶒?、模塊的差分式放大電路調(diào)零。方法同上。

7、2、接半橋電路。+4V-4V送差分運放R6R7R5R1RW1R8圖1-3 單臂電橋接線圖根據(jù)圖1-4和1-5接線。R1、R2為實驗?zāi)K左上方的應(yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進行橋路調(diào)零。+4V-4V送差分運放R6R7R2R1RW1R8圖1-5 單臂電橋接線圖接主控箱電源輸出 接主控箱電源輸出 接數(shù)顯表Vi 地 圖1-4 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖 3、在電子秤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到500g（或200g）砝碼加完

8、。記下實驗結(jié)果填入表1-2。表1-2 半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值重量（g）20406080100120140160180200電壓（mv）三）全橋?qū)嶒?、模塊的差分式放大電路調(diào)零。方法同上。2、接全橋電路。根據(jù)圖1-6和1-7接線。將應(yīng)變片傳感器的4個應(yīng)變片接成全橋。圖1-6 應(yīng)變式傳感器全橋?qū)嶒灲泳€圖+4V-4V送差分運放R4R3R1R2RW1R8圖1-7 全橋接線圖3、橋路調(diào)零。接好電橋后，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)零電位器Rw1，使主控箱的電壓表顯示為零。4、測實驗數(shù)據(jù)。在電子秤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的電壓表的數(shù)值。記下實驗結(jié)果填入表1

9、-3，關(guān)閉電源。表1-3 全橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）20406080100120140160180200電壓（mv）六、實驗數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)表1-1計算系統(tǒng)靈敏度S，S=（輸出電壓變化量；重量變化量）計算線性誤差：f1=F S×100%，式中為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：F S滿量程輸出平均值，此處為200g。七、思考題1、全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1= R3， R2= R4，而R1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以 （2）不可以。2、某工程技術(shù)人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如何利用這四片電阻應(yīng)

10、變片組成電橋，是否需要外加電阻?R1 R2 R3 R4 F F R1 R2 R3 R4 F F 圖1-4 應(yīng)變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖 實驗二 電容式傳感器的位移特性實驗一、實驗?zāi)康呐c要求了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。二、實驗原理及說明利用平板電容和其他結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇、A、d三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（變）、測微小位移（d變）和測量也為（A變）等多種電容傳感器。三、實驗主要儀器設(shè)備和材料序 號名 稱主要用途1電容傳感器實驗?zāi)K測量模塊2電容傳感器感受待測信號3直流穩(wěn)壓電源提供電源4數(shù)顯表顯示電壓值四、實驗內(nèi)容和

11、步驟1、按圖2-1安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗?zāi)K上。圖2-1 電容、差動傳感器安裝示意圖 差動變壓器電容傳感器 模塊 測量架 測微頭 2、將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗?zāi)K上標(biāo)有Ti的插孔中，實驗接線圖如圖2-2所示。3、將電容傳感器實驗?zāi)K的輸出端Vo1與主控箱的數(shù)顯表單元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw調(diào)節(jié)到中間位置。4、接入±15V電源，旋動測微頭推進電容傳感器動極板位置，每隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入下表。X（mm）V（mv）接主控箱電源輸出 接主控箱數(shù)顯表 Vi 地 圖2-2 電容傳感器位移實驗接線圖 五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)下上表數(shù)據(jù)計算

12、電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差f。六、思考題試設(shè)計利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結(jié)構(gòu)。能否敘述一下在設(shè)計中應(yīng)考慮哪些因素？實驗三 差動變壓器的性能實驗一、實驗?zāi)康呐c要求了解差動變壓器的工作原理和特性。二、實驗原理及說明差動變壓器由一只初級線圈和兩只次級線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化，促使次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只次級線圈反向串接（同名端連接），就引出差動輸出。其輸出電勢反映出被測體的移動量。三、實驗主要儀器設(shè)備和材料序

13、號名 稱主要用途1差動變壓器實驗?zāi)K測量模塊2差動變壓器傳感器感受待測信號3測微頭測位移4直流電源提供電源5音頻信號源產(chǎn)生音頻信號6雙線示波器觀察輸入輸出信號四、實驗內(nèi)容和步驟1、根據(jù)圖2-1，將差動變壓器裝在差動變壓器實驗?zāi)K上。2、將差動傳感器輸出線插入差動傳感器實驗?zāi)K上標(biāo)有Ti的插孔中。模塊上電路按照圖3-2接線，音頻振蕩器信號接1、2端，音頻振蕩器信號從主控箱中的LV端子輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為45KHz（可用主控箱的數(shù)顯表的頻率檔fi來監(jiān)測，即LV與fi連接，同時轉(zhuǎn)速/頻率表調(diào)至頻率檔）。調(diào)節(jié)幅度使輸出幅度為接第一通道示波器 接第二通道示波器 6 2 3 4 1 5

14、插座管腳編號 圖3-2 雙線示波器與差動變壓器連接示意圖 峰-峰值Vp-p=2V（可用示波器監(jiān)測）。3、旋動測微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰-峰值Vp-p為最?。ㄨF芯約在中間位置）。這時可以左右位移，假設(shè)其中一個方向為正位移，則另一個方向位移為負。從Vp-p最小開始旋動測微頭，每隔0.2mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值填入表3-1。再從Vp-p最小處反向位移做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關(guān)系。表3-1 差動變壓器位移X值與輸出電壓Vp-p數(shù)據(jù)表X（mm） + Vp-p（mv）最小相位五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零

15、點殘余電壓大小。根據(jù)表3-1畫出Vop-p-X曲線，作出量程為±1mm、±3mm靈敏度和非線性誤差。六、思考題1、用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？2、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同。實驗四 電渦流傳感器位移特性實驗一、實驗?zāi)康呐c要求了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、實驗原理及說明通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時，因?qū)щ婓w渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進行位移測量。三、實驗主要儀器設(shè)備和材料序 號名 稱主要用途1電渦流傳感器實驗?zāi)K測量模塊2

16、電渦流傳感器感受待測信息3測微頭測位移4直流電源提供電源5鐵圓片被測體6數(shù)顯單元顯示電壓值四、實驗內(nèi)容和步驟1、根據(jù)圖4-1安裝電渦流傳感器。圖4-1 電渦流傳感器安裝示意圖 電渦流傳感器 模塊 測量架 測微頭 被測體 2、將電渦流傳感器輸出線接入實驗?zāi)K上標(biāo)有Ti的插孔中，作為振蕩器的一個元件。3、在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。4、將實驗?zāi)K輸出端Vo與主控箱的輸入端Vi相接。主控箱的電壓表量程切換開關(guān)選擇電壓20V檔。5、使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結(jié)果填入表4-1。表4-1

17、 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)X（mm）V（v）五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)，畫出V-X曲線，試計算量程為1mm、3mm、5mm時的靈敏度和線性度（可以用端基法或其它擬合直線）。六、思考題1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關(guān)，如果需要測量±5mm的量程應(yīng)如何設(shè)計傳感器？2、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據(jù)使用量程選用傳感器？實驗五 光纖溫度傳感器性能實驗一、實驗?zāi)康呐c要求運用光纖溫度傳感器完成溫度信號的傳輸測量。二、實驗主要儀器設(shè)備和材料序 號名 稱主要用途1光纖溫度傳感器實驗?zāi)K測量模塊2熱電偶E型感測溫度信號3溫度控制源使應(yīng)變式傳感器受力4數(shù)顯表顯示電壓

18、值三、實驗內(nèi)容和步驟1、將YL系列溫度測量控制儀的“加熱方式”、“冷卻方式”撥至“內(nèi)控”方式。選用E型熱電偶，插在控制儀上方的測溫孔中，而熱電偶傳感器的輸出線分別對應(yīng)接至控制儀面板的傳感器（+）和（-）端；同時將溫度測量控制儀的標(biāo)準信號輸出Vo到光纖溫度傳感器實驗?zāi)K的輸入，將光纖溫度傳感器實驗?zāi)K的輸出Vo接主控箱的電壓表Vi。2、接通YL系列溫度測量控制儀的電源，同時設(shè)定給定溫度值為50ºC，適當(dāng)調(diào)節(jié)光纖溫度傳感器實驗?zāi)K的放大倍數(shù)旋鈕（RW1為粗調(diào)旋鈕、RW2為細調(diào)旋鈕）。3、重新設(shè)定給定溫度值為100ºC，從50 ºC開始每隔1個t（t = 5º

19、C）讀出數(shù)顯表輸出電壓與溫度值，并記入下表。E型熱電偶溫度和輸出電壓數(shù)據(jù)T（ºC）556065707580859095100V（v）實驗六 壓電式傳感器測量振動實驗一、實驗?zāi)康呐c要求了解壓電傳感器的測量振動的原理和方法。二、實驗原理及說明壓電式傳感器由慣性質(zhì)量塊和受壓的壓電陶瓷片等組成。工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片上，由于壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片上產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷。三、實驗主要儀器設(shè)備和材料序 號名 稱主要用途1壓電式傳感器實驗?zāi)K測量模塊2壓電傳感器感受待測信號3振動臺產(chǎn)生振動4檢波移相低通濾波器模塊信號濾波5雙線示

20、波器觀測輸入輸出信號四、實驗內(nèi)容和步驟1、壓電傳感器吸在振動臺模塊上。將低頻振蕩器信號接入到振動源的低頻輸入源插孔。接主控箱電源輸出 接主控箱數(shù)顯表 Vi 地 圖6-1 壓電式傳感器性能實驗接線圖 2、將壓電傳感器輸出兩端插入到壓電傳感器實驗?zāi)K兩輸入端，見圖6-1，屏蔽線接地。將壓電傳感器實驗?zāi)K電路輸出端Vo1（如增益不夠大，則Vo1接入IC2，Vo2接入低通濾波器）接入低通濾波器輸入端Vi，低通濾波器輸出Vo與示波器相連。（注：濾波器為有源低通濾波器，即+15V、地、-15V要接主控箱的+15V、地、-15V）3、合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率與幅度旋鈕使振動臺振動，用示波器的

21、兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形。4、改變低頻振蕩器頻率，觀察輸出波形變化。實驗七 霍爾、光電轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗一、實驗?zāi)康呐c要求了解霍爾、光電轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理及方法。二、實驗類型 綜合型三、實驗原理及說明利用霍爾效應(yīng)表達式UH = KHIB，當(dāng)被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，磁場就變化N次，霍爾電勢相應(yīng)變化N次，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和直射型兩種，本實驗裝置是反射型的，傳感器端部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源射在轉(zhuǎn)盤上，反射后由光電管接收轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有黑白相間的間隔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速及黑白間隔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈沖計數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。四、實驗主要儀器設(shè)備和材料序 號名 稱主要用途1轉(zhuǎn)動源單元測量模塊2霍爾轉(zhuǎn)速傳感器感受待測信號3光電轉(zhuǎn)速傳感器感受待測信號4直流電源+5V、2-24V提供電源5數(shù)顯轉(zhuǎn)速/頻率表顯示轉(zhuǎn)速