CSY型传感器系统仪指南

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1、检测与传感器技术 实验指导书第一章 CSY 传感器说明书 第一章 CSY 传感器说明书 第二章实验指导 一、 应变式电阻传感器：单臂、半桥、全桥比较 二、 差动面积式电容传感器的静态及动态特性 三、 ；：；.度传感器茂计 第三章附录 附录一、电路原理图 附录二、传感器安装示意图及面板示意图 一、CSY传感器实验仪简介 实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电 路单元。 传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、 PN 结、热敏电阻、加热器、压电 传感器、梁自由端的磁钢） 、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头 小机电、电

2、涡流传感器及支座、电涡流传感器引线 3.5 插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振 动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动 变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子） 、扩散硅压阻式传感器、气敏 传感器及湿敏元件安装盒，具体安装部位参看附录三。 备注：CSY 系列传感器实验仪的传感器具体配置根据需方的合同安装。 显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（土 2V土 10V 档位调节）、F/ V 数字显示表（可作为电压表和频率表） 、动圈毫伏表（5mV-500mV 及调零、音频振荡器、低频振 荡器、土 15V 不可调稳压电源

3、。 实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元 上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个 单元插孔引线。 处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、 电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。 CSY 实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。教师也可以利用传感器及处 理电路开发实验项目。 二、主要技术参数、性能及说明 一 传感器安装台部分： 双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激 振器 VO可做静态或动态测量。 应变梁

4、：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。 传感器： 1、 差动变压器 量程： 5mm 直流电阻：5Q 10 Q由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯 为软磁铁氧体. 2、 电涡流位移传感黑 量程： 1mm 亡流吐H： 1 Q 2 Q 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。 3、 霍尔式传感器 量程：土2mm 讥电厂：浊反泌踣丨 I ： 800 Q 1.5K Q 输出端口： 300 Q 500 Q 日本 JVC 公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。 4、 热电偈 直流电阻：10Q左右 由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为 T 冷端温度为环境

5、温度。 5、 电容式传感器 量程：土2mm 由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。 6、 热敏电阳 由半导体热敏电阻 NTC :温度系数为负, 25 C时为 10KQ。 7、 光纤传感器 由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围 2mm。 红外线发射、接收、直流电阻： 500 Q 1.5k Q 2X 60 股丫形、半圆分布。 8、 压阻 N 斥力传感湍 量程：10Kpa（差压） 供电：w 6V 直流电阻： Vs+-V s- : 350 Q 450 Q V o+-V o- : 3KQ 3.5K Q 美国摩托罗拉公司生产的 MPX 型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的

6、 X 型工作片 （带温补）。 9、 压电加述度计 PZT-5 双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率： 10KHZ，电荷灵敏度：q20pc/g。 10、 应变式传感器 箔式应变片阻值： 350 Q、应变系数：2 11、 PN 结温度传感器: 利用半导体 P-N 结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度: -2.1mV/ C。 12、磁电式传感器 0 .21 X 1000 匸流 I阳：30 Q 40 Q 13、气敏传感器 MQ3 酒精：测量范围： 50 2000ppm。 14、湿敏电阻 由 50Hz 陷波器和 RC 滤波器组成，转折频率 35Hz 左右 输出电压|8|V（

7、探头离开被测物 变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件 10、光电变换座 由红外发射、接收组成。 由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度: 0.5v/m/s 高分子薄膜电阻型： RH：几兆 Q 几 KQ 响应时间：吸湿、脱湿小于 10 秒。 湿度系数：0.5RH%/C 测量范围：10 % 95 % 二、信号及变换： 用于组成应变电桥，提供组桥插座， 工作温度：0 C 50 C 1、 电桥： 差动放大器 标准电阻和交、直流调平衡网络。 通频带 010kHz 可接成同相、反相，差动结构，增益为 1-100 倍的直流放 3、 电容变换器 电压放大器 5、 移和器 6、 和敏检波器 由高频

8、增益约为 5 倍 同相输入 电桥组成的处理电路。 通频带 010KHz 移刀丨荒卜乜：士 20o（5kHz允许最大输入电压 10Vp-p 可检波电压频率 0 10kHz 允讣赧.匕冷典电圧 10Vp-p 极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路 7、 电荷放大器 8、 9、涡流变换器 电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。 三、 二套显示仪表 1、 数字式电压 /频率表 ：3 位半显示，电压范围 02V、 0 20V ，频率范围 3Hz 2KHz 、10Hz 20KHz，灵敏度50mV。 2、 指针式毫伏表 ：85c1 表，分 500mV 、50mV 、 5mV 三档，精度 2.5%

9、。 四、二种振荡器 1、 音频振荡器 ：0.4KHz 10KHz 输出连续可调， V-p-p 值 20V ， 180、 0 反相输出， Lv 端最 大功率输出电流 0.5A 。 2、 低频振荡器： 1 30Hz 输出连续可调， Vp-p 值 20V ，最大输出电流 0.5A ， Vi 端可提供用做电 流放大器。 五、二套悬臂梁、测微头 双平行式悬臂梁二副 （其中一副为应变梁， 另一副装在内部与振动圆盘相连） ，梁端装有永久磁钢、 激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。 六 电加热器二组 电热丝组成，加热时可获得高于环境温度 30 C左右的升温。 七 测速电机一组 由可调的低噪

10、声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。 八 二 组稳压电稳 直流 15V ，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励 1.5A 。 2V 10V 分五档输出，最大输出电流 1.5A 。提供直流激励源。 九 计算机联接与处理 数据采集卡： 十二位 A/D 转换， 采样频率 2025000 次/秒， 采样速度可控制， 分单次采样与连续 采样。 标准 RS-232 接口，与计算机串行工作。 良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图 形分析与比较、文件存取打印。 第二章实验指导 实验一丿 1、单臂 实验目的:了於全 M 箔乂対变,且和单

11、挤旳作甩土和FT： 所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、 F/V 表、主、 副电源。 旋钮初始位置： 口流痔.厂 I源：闵二 2V 档，F/V 表打到 2V 档，昙丈虞丈州辽怙丿 实验步骤： （1） 了解所需单元、 部件在实验仪上的所在位置， 观察梁上的应变片， 应变片为棕色衬底箔式结构小方 薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片， 测微头在双平行梁前面的支座上， 可以轨下、呱后、汇、右逍 （1）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+ ） 、负（）、地短接。将差动放大器的输出端 与 F/V 表的输入插口 Vi 相连；开启主、副电

12、源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整 差动放大器的调零旋钮使 F/ V 表显示为零，关闭主、副电源。 根据图 1接线 R1、R2、R3 为电桥单元的固定电阻。 R4 为应变片；将稳压电源的切换开关置土 4V 档，F/ V 表置 20V 档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的 W1, 使 F/ V 表显示为零，然后将 F/ V 表置 2V 档，再调电桥 W1 （慢慢地调），使 F/ V 表显示为零。 （3）将测微头转动到 10mm 刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合） ，调节测微头支 柱的高度（梁的自由端跟随变化） 使 F/V 表显示最小，再旋动

13、测微头， 使 F/V 表显示为零（细调零）， 这时的测微头刻.度为零位的相应刻度匚 （4）往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下 F/V 表显示的值。建议每旋动测微头 VI -4V 。 V 別电瀝 o j o 开 0 一周即 X= 0.5mm ii乍蔥（！卩、入，去: 位移（mr）i 电压（mV (5) 据所得结果计算灵敏度 S= A V/A X (式中 X 为梁的自由端位移变化， V 为相应F/ V表显 示的电压相应变化)。 (6) 刁 注意事项* (1) 电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。 (3)为确保实验过程中输出指示不溢出，如指示溢出，适当

14、减小差动放大增益，此时 差动曲人器不宓垃调零:： (3) 电位器 W1 W2在有的型号仪器中标为 RD RA 问题： (1) 术锁齡电册心百流穩旧_涼和心破刖器川更求？ (2) 根据所给的差动放大器电路原理图， (见附录图一)，分析其工作原理，说明它既能作差动放 人又町柞同和或反和放人器 2、 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 实验目的:弦订肛竹、宀忻.二疥的性能滋 IL二务. 所需单元和部件： 直流稳压电源、差动放大器、电桥、 F/ V 表、测微头、双平行梁、应变片、主、 副屯源。 有关旋钮的初始位置： 首济稳卞卜好订到 2V 档，F/ V 表打到 2V 档，差动放大器增益打到最大。 实

15、验步骤： (1)按锁齡一力汰楙爭龙般扎習训电F :关闭主、刑电源: 按图 1 接线，图中 R4 为工作片，r 及 W1 人巧平|欝网踣. (3) 调整测微头使双平行梁处于水平位置 (目测)，将直流稳压电源打到土 4V 档。选择适当的放大增益, 然后调整电桥平衡电位器 W1 使表头显示零(需预热几分钟表头才能稳定下来 )： (4) 旋转测微头，使梁移动，每隔 0 .5mm 读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源： 位移(mr)i 电压(mV (5)保持放大器增益不变，将 R3 固定电阻换为与 R4 工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不 同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置

16、(目测) ，调节电桥 W1 使 F/V 表显示表显示为零, 重复(4)过程同样测得读数，填入下表： 位移(mr)i 电压(mV (6)保持差动放大器增益不变，将 R1, R2 两个固定电阻换成另两片受力应变片(即 R1 换成匚,R2 换成川，)组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互 抵消没有输出。 接成一个直流全桥， 调节测微头使梁到水平位置， 调节电桥 W1 同样使 F/ V 表显示零。 重复(4过稈将成川数丸惶入卜： (7) 在同一坐标纸上描出 X-V |1|线 口克法巫说乏 注意事项： (1) 在更换应变片时应将电源 竺| o (2) 在实脸过桃

17、I:如 h发现缶发牛.疋我应将.-L.H;丄桿扩人. (4) 直流稳压电源土 4V 不铉厂怡过人以纶损川应交片戈适成严屯门热敖,；： (4)接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。 (6)在同一坐标纸上描出 X-V ill 銭匸世二柯克疙；,辰说茂， 注意事项： (1) 忙更項应变,旺应粽也原关用； (2) 1 锁齡过利丨如仃找规乐丢龙 4.|；：裁、应疥-压 i 禅扩人. (3) 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正 常一牛： (4) 直流稳压电源土 4V 不笛厂怡过人以纶损/!、；变片工适成严屯门啓敖局: (5) 卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。 实

18、验二差动变面积式电容传感的静态及动态特性 实验目的：了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。 所需单元及部件：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/ V 表、激振器、示波器 有关旋钮的初始位置 ：差动放大器增益旋钮置于中间，F/ V 表置于 V表 2V档， 实验步骤： (1) 按图 2 8接线。 (2) F/V 表打到 20V,调节测微头，使输出为零。 (3) 转动测微头，每次 0.1mm,记下此时测微头的读数及电压表的读数， 直至电容动片与上 (或 下)静片复盖面积最大为止。 X(mm) V(mv) 退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下 X(mm)及 V(mv)值。

19、(4) 计算系统灵敏度 SoS= A V/ A X(式中 V为电压变化， X为相应的梁端位移变 化)，并作出 V-X关系曲线。 X(mm) V(mv) 电容传感黠 丄 电压敲大器 低通滤波器 电压表 温度传感器设计 一、 实验目的： 了解热电偶、P-N 结、热敏电阻的工作特性，测温原理及转换电路。 二、 基本原理： 1 热电偶测温原理：两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会 产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同导体的这种组合 称为热电偶。 2 晶体二极管或三极管的 PN 结电压是随温度变化的。例如硅管的 PN 结的结电压在温度每

20、升高 1C时，下降约 2.1mV，利用这种特性可作成各种各样的 PN 结温度传感器。它具有线形好，时间常数 小（0.22 秒），灵敏度高等优点，其不足之处是离散性大互换性较差。 3 热敏电阻的温度系数有正有负，因此分为两类： PTC 热敏电阻（正温度系数）与 NTC 热敏电阻 （负温度系数）。一般 NTC 热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而 PTC 突变型热敏电阻的温 度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。有些功率 PTC 也作 为发热元件用。PTC 缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。 温度-频率转换电路 设计举例 温度-频率转换器电路图 下面

21、讨论转换器的输出频率与被测温度的关 延时电路 Ti, T2由一块 LM556 组成，它们 td1(td1=1.1RlCi)和 td2(td2 = 1.1R2C2)的脉冲信号，且 如图所示。 在 t=0 时，晶体管 BG 关断，比较器 A4输出 t=t1时， Uc上升到超过 U + , A4输出电压 U=-U1, 且令 Rf=RT0 (温度 To时的电阻值)，得到 系。 产生宽度为 使 td2U +时，比较器的输出电压由正变负，此负跳变电压触发延时电路( Ti, T2),使延时电路输出窄 脉冲，驱动开关电路 BG,为电容器 C 构成放电通路；当 UCU +时，比较器 A4输出由负变正，延时电 路

22、输出低电位， BG 截止，电容器 C 开始一个新的充电周期。当温度恒定时，输出一个将与该温度相 对应的频率信号。当温度改变时， U+改变，使比较器输出电压极性的改变推迟或提前，于是输出信号 频率将相应地变化，从而实现温度到脉冲频率的变换，达到测量温度的目的。 该转换器由温度-电压转换电路(Ai, A2, A3)、 RC 充放电电路、电压比较 A4和延时电路组成。 温度-电压转换电路由热敏电阻 RT和运算放大器 AiA3组成，产生一个与温度相对应的电压 加到比较器 A4的正端。运算放大器 Ai为差动放大器 A2提供一个低电压 UA1 E的输入的信号, 100 其目的是减小热敏电阻自身发热所引起的

23、误差。 A2输出再由反相放大器 A 3提高信号幅值。该幅值为 Rf RC 电路(见 A4反相输入端)中的电容 C 上充电电压为 UC 二 E 1 - exp IL 用 波形图 BBC BRC 在 t=t1时，比较器 A4输出的负跳变电压触发延时电路 T1，产生 td1=t2-t1的脉冲，在此脉冲的下降 沿（t=t2时），触发延时电路 T2,产生 td2=t3-t2的窄脉冲，该脉冲使晶体管 BG 导通，使电容 C 短路, UC下降到零，并使 A4输出由-Ui变到+Ui，开始一个新周期, 新对 C 充电。 不难看出，A4输出方波的周期 Tm为 T m=tl+tdl+td2 T 输出方波频率 f 为

24、：f =丄 BRC Tm 1 + T BRC 待 t3到来时，BG 截止，电源通过 R 重 注意：上式中BRC 。由于 调不到零，也可使热敏电阻输出的非线性得到改善。 四、调试方法： 调试过程应分块、分步进行 电压是否正常。 拿掉运放，装入 555 芯片，观察电路是否正常工作。 装入运放和 555 芯片联调。 五、主要技术指标及实验方法: 1、测量框图如下： 到零，则上式可简写为: T BRC (5-31) 从该式可说明，输出频率与绝对温度 T 成正比。 所以, 该电路，在 :.=0 时输出是线性的。即使 :. 1、 电路装配完毕检查无误后，装入运放（先不装入 555 芯片），接通电源，测量运放的工作 2、测试内容: 开启电烤箱，测量温度与频率的关系，填入下表 温度 频率（或电压） a、 测量线性度; b、 测量灵敏度; c、 测量重复性; d、 静态标定 六、设计任务: 1、 设计温度-频率转换电路中未给定的电阻、电容值; 2、 设计 PCB 图，制作电路板； 3、 装配、调试，实现温度 -频率线性转换。 给定主要器件：热敏电阻、运算放大器、电阻、电容、电烤箱、温度计、电压表，频率计。 第三章 附录