傳感器原理與應用

1、傳感器原理與應用實驗指導書朱蘊璞 王芳 編寫孔德仁 審定南京理工大學二九年九月實驗須知1 傳感器實驗儀是貴重實驗設(shè)備，請在每個實驗前認真閱讀實驗指導書，尤其是每個實驗最后的實驗注意事項。2 實驗儀器電源的開關(guān)原則:連接測量線路,確認準確無誤后，開啟儀器電源；實驗完畢，關(guān)閉儀器電源，拆除測量線路。3穩(wěn)壓電源不可對地短路。4實驗過程中，心要細、動作要輕，不可有強制性機械動作出現(xiàn)。5實驗嚴格按操作規(guī)程進行，否則，出現(xiàn)損壞責任自負。6實驗完畢，請一切恢復到實驗前的狀態(tài)，然后離開實驗室。目 錄實驗一 傳感器靜態(tài)標定實驗3實驗二 應變式傳感器特性實驗10實驗三 電感式、渦流式、電容式、霍爾式位移傳感器特性

2、實驗14實驗四 重量測量實驗（選做）25實驗五 轉(zhuǎn)速測量實驗29實驗六 溫度實驗34實驗一 傳感器靜態(tài)標定實驗（注：“壓力傳感器的靜態(tài)標定及特性指標的求取”與“光纖位移傳感器靜態(tài)標定及特性指標求取“兩實驗取其一。）壓力傳感器的靜態(tài)標定及特性指標的求取1、實驗目的掌握壓力傳感器靜態(tài)標定的基本方法以及壓力傳感器的靜態(tài)特性指標的求取。2、實驗內(nèi)容（1）組建壓力測試系統(tǒng)；（2）學習壓力測試系統(tǒng)的標定過程；（3）計算壓力測試系統(tǒng)靜態(tài)特性指標。3、實驗原理及方法活塞壓力計被標傳感器（電阻應變儀）數(shù)字萬用表圖1 壓力傳感器標定系統(tǒng)原理框圖壓力表法碼傳感器橋盒（電阻應變儀）萬用表電源壓力泵手輪圖2 壓力傳感器

3、標定系統(tǒng)構(gòu)成框圖 被標傳感器和壓力表接入活塞壓力計壓力油路，活塞壓力計產(chǎn)生一系列標準壓力，該標準壓力值由壓力表指示。4、實驗儀器設(shè)備活塞壓力計一臺，數(shù)字萬用表一只，動態(tài)電阻應變儀一臺，壓力表一只。5、實驗步驟（1）反復排除活塞壓力計油腔內(nèi)的空氣，最后將壓力泵手輪搖出。（2）把壓力傳感器裝在活塞壓力計的聯(lián)接螺帽上，關(guān)閉油杯。（3）傳感器輸出接入可調(diào)零的橋盒，電橋輸出接入數(shù)字萬用表。當輸出量很小，無法直接用萬用表測得時，可先將傳感器接入動態(tài)電阻應變儀橋盒（注意電橋的連接），橋盒的另一端連線接應變儀輸入（選擇一個通道）；將應變儀專用電源接好；電阻應變儀電壓輸出接數(shù)字萬用表。（說明：后者標定是整個系統(tǒng)

4、標定，所求得的指標也為系統(tǒng)指標）（4）壓力表指示為零時，開啟儀器電源（注意：開啟儀器電源前應變儀各通道應處于關(guān)閉狀態(tài)），將應變儀靈敏度旋鈕放在適中位置，按照動態(tài)電阻應變儀調(diào)零規(guī)則（應變儀衰減檔從大到?。?，各檔分別調(diào)節(jié)電阻、電容平衡旋鈕將系統(tǒng)輸出調(diào)整為零，最后將應變儀衰減檔放在適中位置上。（5）按活塞壓力計的操作規(guī)程，轉(zhuǎn)動壓力泵的手輪，使托盤上升到規(guī)定的刻線位置，并轉(zhuǎn)動托盤。（6）按所要求的壓力間隔，逐點增加砝碼重量，使壓力計產(chǎn)生所需要的壓力（等間隔68個點至滿量程），用數(shù)字萬用表記錄傳感器在相應壓力下的電壓輸出，數(shù)據(jù)記錄于表1。（此過程稱為升程）（7）在滿量程處逐點減少砝碼重量，使壓力計產(chǎn)生所

5、需要的壓力（等間隔68個點至零點）。用數(shù)字萬用表記錄傳感器在相應壓力下的電壓輸出，數(shù)據(jù)記錄于表1。（此過程稱為回程）（8）重復4次實驗步驟6、7，數(shù)據(jù)記錄于表1。（9）計算壓力傳感器的靈敏度、遲滯、非線性度及重復性。表1 數(shù)據(jù)記錄、計算平均值及子樣標準偏差表壓力（MPa）0(滿量程)輸出（mV）1次升程回程2次升程回程3次升程回程平均值（mV）升程回程子樣標準偏差升程回程表2 以端點連線為工作特性曲線時特性指標的計算表壓力（Mpa）平均值（mV）遲滯值（mV）端點連線理論值（mV）非線性（mV）升程回程升程回程0.(滿量程)6、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（

6、3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀器設(shè)備與條件（包括儀器狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）（5） 實驗步驟*（6） 實驗結(jié)果記錄（7） 實驗信息處理與分析*（8） 實驗心得體會*7、實驗注意事項（1）在整個標定過程中，系統(tǒng)只允許開始為零壓力時的1次調(diào)零。（2）壓力表的量程必須稍大于被標傳感器的量程，所加壓力不要超過傳感器滿量程的10%。光纖位移傳感器靜態(tài)標定及特性指標求取1、實驗目的掌握光纖位移傳感器靜態(tài)標定的基本方法以及靜態(tài)特性指標的求取方法。2、實驗內(nèi)容（1）組建光纖位移傳感器測試系統(tǒng)；（2）學習光纖位移傳感器測試系統(tǒng)的標定過程；（3）計算光纖位移傳感器測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標。

7、3、實驗原理x接受光纖光源光纖輸出電壓位移前波后波圖3 反射式光纖位移傳感器原理圖圖4 輸出特性曲線反射式光纖位移傳感器的工作原理如圖3、4所示，光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭，另一端分成兩束，分別作為接受光纖和光源光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當光發(fā)射器發(fā)出的紅外光經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接受光纖至光電轉(zhuǎn)換元件將接受到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其輸出的光強決定于反射體距光纖探頭的距離，通過對光強的檢測而得到位移量。輸出電信號（電壓）同輸入（位移）之間關(guān)系必須通過標定來得到，本系統(tǒng)由測微頭產(chǎn)生標準位移，數(shù)字電壓表記錄輸出電壓。4、實驗儀器設(shè)備CSY傳感器綜合實驗儀，

8、光纖、光電變換器、支架、反射片、測微頭、電壓表5、實驗步驟（1）觀察光纖結(jié)構(gòu)：本儀器中光纖探頭為圓型結(jié)構(gòu)，由數(shù)百根光導纖維組成，一半為光源光纖，一半為接受光纖。（2）將原裝電渦流線圈上得電渦流線圈取下，裝上光纖探頭，探頭對準度鉻反射片。（3）振動臺上裝上測微頭，開啟電源，光電變換器VO端接電壓表。旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動振動平臺，使光纖探頭端面緊貼反射鏡面，此時VO輸出為最小。（4）旋動測微頭，使反射面離開探頭，每隔0.2mm取一VO電壓值填入下表3，至5mm結(jié)束。（此過程稱為升程）（5）探頭返回，同樣每隔0.2mm取一VO電壓值填入下表4。（此過程稱為回程）（6）重復2次實驗步驟4、5。（7）按平均

9、值作出VOx曲線，分析并找出傳感器前波段和后波段的線性段。（8）計算你所找出的前波段的線性段的靈敏度、非線性、重復性及遲滯。6、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀器設(shè)備與條件（包括儀器狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）（5） 實驗步驟*（6） 實驗結(jié)果記錄（7） 實驗信息處理與分析*（8） 實驗心得體會*7、實驗注意事項（1）光電變換器工作時VO最大輸出電壓以2V左右為好，可通過調(diào)節(jié)增益電位器控制，調(diào)節(jié)好后，在整個標定過程中，增益電位器不可再動。（2）實驗時請保持反射鏡片的潔凈與光纖端面的垂直度。（3）工作時光纖端面

10、不宜長時間直照強光，以免內(nèi)部電路受損。（4）注意背景光對實驗的影響。（5）光纖勿成銳角曲折。表4 數(shù)據(jù)記錄表 位移(mm)電壓(mV)0024.85.01次升程回程2次升程回程3次升程回程實驗二 應變式傳感器特性實驗1、實驗目的了解掌握應變式傳感器及不同測量處理電橋的特性。2、實驗內(nèi)容（1）觀察掌握箔式應變片、半導體應變片的結(jié)構(gòu)、工作原理、相關(guān)測量電路及粘貼方式。（2）比較單臂橋、差動半橋及全橋間的輸出關(guān)系。（3）比較箔式應變片、半導體應變片的輸出。（4）觀察掌握溫度對單臂橋、差動橋輸出的影響。（5）觀察掌握溫度對箔式應變片和半導體應變片的影響。3、實驗原理及方法 應變片是常用的測力元件。當用

11、應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，當測件受力發(fā)生形變時，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。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，電阻的相對變化分別為R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4，當電阻的相對變化絕對值大小相等時，若單臂橋的輸出為U單，則差動半橋的輸出為2U單，差動全橋的輸出為4U單。溫度變化引入了測量誤差，實用測試電路中必須進行溫度補償。在電橋中，R1、R2為相鄰臂工作片（或其中一片只起補償作用），當溫度變化時兩應變片

12、的電阻變化R1、R2符號相同，大小值相等，橋路如原來是平衡的，則溫度變化后，電橋仍滿足平衡條件，無漂移電壓輸出。4、實驗儀器設(shè)備CSY傳感器實驗儀（直流穩(wěn)壓電源（±2V檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、半導體應變片、加熱器）。5、實驗步驟+2VR1R2R3R4WD-2V圖5電壓表差放（1）調(diào)零。差動放大器增益順時針方向旋轉(zhuǎn)到底，“+、”輸入端用實驗線對地短路，輸出端接數(shù)字電壓表。開啟儀器電源，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，關(guān)閉儀器電源，然后拔掉實驗線。（調(diào)零后電位器不要變化）（2）按圖5將實驗部件用實驗線連接成測試橋路。橋路中R2、R3、R4和WD為電橋中的固定電阻和

13、直流平衡電位器，R1為應變片（可任選上、下梁中的一片工作片）。直流激勵電源為±2V。（3）測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)使應變梁處于基本水平狀態(tài)。（4）確認接線無誤后開啟儀器電源，并預熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋WD電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。（5）旋動測微頭（以水平狀態(tài)下輸出電壓為零）。測微頭向上移動4mm，每移動0.5mm記錄一個差動放大器輸出電壓值，按表1格式記錄（注：表5只是數(shù)據(jù)記錄格式，請另外用記錄紙記錄）；在4mm處測微頭向下移動8mm(即測微頭至4mm處)，同樣每移動0.5mm記錄一個差動放大器輸出電壓值；在4mm處測微頭向上移動4mm(即測微頭至0mm處)。同樣每移動

14、0.5mm記錄一個差動放大器輸出電壓值。（6）重復上面實驗1次。表5 數(shù)據(jù)記錄表位移x(mm)-4-3.5-0.50+0.5+3.5+4電壓(mV)1次向上向下向上2次向上向下向上（7）開啟“加熱”電源，觀察并記錄測試系統(tǒng)輸出電壓隨溫度升高而發(fā)生的變化，然后關(guān)閉“加熱”電源（8）關(guān)閉儀器電源。將上面實驗中R4換成箔式應變片（注意R1、R4構(gòu)成差動工作）；調(diào)節(jié)使應變梁處于基本水平狀態(tài)；重復實驗4、5、6、7。（9）關(guān)閉儀器電源。將上面實驗中R1、R2、R3、R4換成箔式應變片（注意R1、R2、R3、R4構(gòu)成差動工作）；調(diào)節(jié)使應變梁處于基本水平狀態(tài)；重復實驗4、5、6。（10）關(guān)閉儀器電源。將上面

15、實驗中R1換成半導體應變片，R2、R3、R4為固定電阻；調(diào)節(jié)使應變梁處于基本水平狀態(tài)；重復實驗4、5、6、7。（11）關(guān)閉儀器電源。（12）根據(jù)所測數(shù)據(jù)，用平均值在同一坐標圖上作出箔式應變片單臂橋、箔式應變片半橋、箔式應變片全橋、半導體應變片單臂橋的輸出輸入關(guān)系曲線，并計算靈敏度。（13）根據(jù)實驗觀察，分析溫度對單臂橋、半橋的影響。（14）根據(jù)實驗觀察，分析溫度對箔式單臂橋、半導體單臂橋的影響。6、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀器設(shè)備與條件（包括儀器狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）（5） 實驗步驟*（6） 實驗

16、結(jié)果記錄（7） 實驗信息處理與分析*（8） 實驗心得體會*7、實驗注意事項（1）實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連接時應盡量使用較短的接插線，以免引入干擾。（2）接插線插入插孔時輕輕地做一小角度的轉(zhuǎn)動，以保證接觸良好，拔出時也輕輕地轉(zhuǎn)動一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導線斷裂。（3）穩(wěn)壓電源不要對地短路。（4）由于進行位移測量時，測微頭要從零®正的最大值，又回復到零，再®負的最大值，因此容易造成零點偏移，因此計算靈敏度時可將正x靈敏度與負x的靈敏度分開計算。再求平均值，以后實驗中凡需過零的實驗均可采用此種方法。（5）此實驗中直流激勵電壓只能用±2V，

17、以免引起半導體自熱。（6）進行上述實驗時，激勵電壓、差動放大器增益、測微頭起始點位置等外部環(huán)境必須一致，否則無可比性。實驗五 轉(zhuǎn)速測量實驗光纖傳感器轉(zhuǎn)速測量1、實驗目的及內(nèi)容了解光纖傳感器的轉(zhuǎn)速測量運用。2、實驗原理當光纖探頭與反射面的相對位置發(fā)生周期性變化；光電變換器輸出電量也發(fā)生相應的變化，經(jīng)VF電路變換，成方波頻率信號輸出。3、實驗儀器設(shè)備光纖、光電變換器、測速電機及轉(zhuǎn)盤、電壓頻率表、示波器。4、實驗步驟 1參照實驗一，將光纖探頭轉(zhuǎn)一角度置于測速電機上方，并調(diào)整探頭高度使其距轉(zhuǎn)盤面1mm左右，光纖探頭以對準轉(zhuǎn)盤邊緣內(nèi)3mm處為宜。1 光電變換器Fo端分別接電壓頻率表2kHz檔和示波器DC

18、檔。開啟電機開關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，用示波器觀察輸出波形并讀出頻率。（CSY10型）2 CSY10A型實驗儀：測轉(zhuǎn)速時“光纖輸出”“光電輸出”須先接入“轉(zhuǎn)速信號入”端，經(jīng)整形電路輸出，在“轉(zhuǎn)速信號出”端口讀取頻率信號。電機轉(zhuǎn)速Fo端方波頻率除以2（每周兩個方波信號）5、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀器設(shè)備與條件（包括儀器狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）（5） 實驗步驟*（6） 實驗結(jié)果記錄（7） 實驗信息處理與分析*（8） 實驗心得體會*6、注意事項 （1）光纖探頭在支架上固定時應保持與轉(zhuǎn)盤面平行，切不可相擦，以免

19、使光纖端面受損。（2） 電機開關(guān)平時應置關(guān)閉狀態(tài)，以保證穩(wěn)壓電源正常工作。（3） 實驗時應避免強光直接照射轉(zhuǎn)盤盤面，以免造成測試誤差。光電傳感器轉(zhuǎn)速測量1、實驗目的及內(nèi)容了解光電開關(guān)的原理和應用。2、實驗原理光電開關(guān)由紅外發(fā)射、接收及整形電路組成，為遮斷式工作方式。2、實驗儀器設(shè)備 光電傳感器、光電變換器、測速電機及轉(zhuǎn)盤、電壓頻率表2KHZ檔、示波器。4、實驗步驟（1）光電傳感器“光電”端接光電變換器 端，VF端接示波器和電壓頻率表2kHz。（CSY10A接法參照光纖傳感器接法）（2） 安裝好光電傳感器位置，勿與轉(zhuǎn)盤盤面相擦。 （3）開啟電源，打開電機開關(guān)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。用示波器觀察光電轉(zhuǎn)換器

20、VF端（轉(zhuǎn)速信號出端），并讀出波形頻率，與頻率表所示頻率比較。 （4）電機轉(zhuǎn)速方波頻率÷2。 （5）將一較強光源照射儀器轉(zhuǎn)盤上方，觀察測試方波是否正常。（6）由此可以得出結(jié)論，光電開關(guān)受外界影響較小，工作可靠性較高。6、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀器設(shè)備與條件（包括儀器狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）（5） 實驗步驟*（6） 實驗結(jié)果記錄（7） 實驗信息處理與分析*（8） 實驗心得體會*電渦流傳感器轉(zhuǎn)速測量1、實驗目的及內(nèi)容了解電渦流式傳感器的實際應用。2、實驗原理當平面線圈與金屬被測體的相對位置發(fā)

21、生周期性變化時，電渦流及線圈阻抗的變化經(jīng)渦流變換器轉(zhuǎn)換為周期性的電壓信號變化。3、實驗儀器設(shè)備電渦流傳感器、電渦流變換器、測速電機及轉(zhuǎn)盤、電壓/頻率表、示波器。4、實驗步驟（1）電渦流線圈支架轉(zhuǎn)一角度，安裝于電機轉(zhuǎn)盤上方，線圈與轉(zhuǎn)盤面平行，在不碰擦的情況下相距越近越好。（2）電渦流線圈與渦流變換器相接，渦流變換器輸出端接示波器，開啟電機開關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)整平面線圈在轉(zhuǎn)盤上方的位置，用示波器觀察，使變換器輸出的脈動波較為對稱。（3）仔細觀察示波器中兩相鄰波形的峰值是否一樣，如有差異則說明線圈與轉(zhuǎn)盤面或是不平行，或是電機有振動現(xiàn)象，利用實驗三十二中鐵渦流片的特性曲線大致判斷轉(zhuǎn)盤面與線圈的不平行度。

22、（4）將電壓/頻率表2kHz檔接入渦流變換器輸出端讀取得脈動波形變化周期數(shù)值值，并與示波器讀取的頻率作比較。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速=脈動波形數(shù)÷2。5、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀器設(shè)備與條件（包括儀器狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）（5） 實驗步驟*（6） 實驗結(jié)果記錄（7） 實驗信息處理與分析*（8） 實驗心得體會*實驗六溫度實驗1、實驗目的及內(nèi)容 熟悉熱電偶的結(jié)構(gòu)，掌握熱電偶測溫原理，學會查閱熱電偶分度表。2、實驗原理熱電偶的基本工作原理是熱電效應，當其熱端和冷端的溫度不同時，即產(chǎn)生熱電動勢。通過測量此電

23、動勢即可知道兩端溫差。如固定某一端溫度（一般固定冷端為室溫或0），則另一端的溫度就可知，從而實現(xiàn)溫度的測量。CSY10A型實驗儀中熱電偶為銅一康銅（T分度）。3、實驗儀器設(shè)備 熱電偶、加熱器、差動放大器、電壓表、溫度計（自備）4、實驗步驟（1）打開電源，差動放大器增益放100倍，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使差放輸出為零。（2）差動放大器雙端輸入接入熱電偶，打開加熱開關(guān)，迅速將差動放大器輸出調(diào)零。（3）隨加熱器溫度上升，觀察差動放大器的輸出電壓的變化，待加熱溫度不再上升時（達到相對的熱穩(wěn)定狀態(tài)），記錄電壓表讀數(shù)。（4）本儀器上熱電偶是由兩支銅康銅熱電偶串接而成，熱電偶的冷端溫度為室溫，放大器的增益為100倍，計算熱電勢時均應考慮進去。用溫度計讀出熱電偶參考端所處的室溫t1。 E（t , to） = E（t , t1） + E（t1 , to） 實際電動勢 測量所得電勢 溫度修正電動勢式中E為熱電偶的電動勢，t為熱電偶熱端溫度，to為熱電偶參考端溫度為0，t1為熱電偶參考端所處的溫度。查閱銅康銅熱電偶分度表，求出加熱端溫度t。5、實驗報告要求實驗報告含如下內(nèi)容：（1） 實驗目的（2） 實驗內(nèi)容（3） 實驗原理及方法（包括實驗系統(tǒng)框圖）（4） 實驗儀