传感器实训教案指导

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1、传感器技术与应用实训指导书17目 录实训一 金属箔式应变计性能测试与应用1实训二 电涡流传感器的性能测试与应用4实训三 电容式传感器性能测试与应用7实训四 压电加速度传感器性能测试与应用8实训五 霍尔式传感器的性能测试与应用9实训六 热电偶传感器的性能测试与应用11实训七 光纤传感器的性能测试与应用16实训一 金属箔式应变计性能测试与应用一、实训目的：1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。2测试应变梁变形的应变输出。3比较各桥路间的输出关系。4掌握双孔悬臂梁式称重传感器的应用。二、实训内容：1金属箔式应变计性能测试应变电桥。2金属箔式应变计三种桥路性能比较。3双孔悬臂梁应变传感器称重实验。三、

2、实训原理：应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1/Rl、R2/R2、R3/R3、R4/R4，当使用一个应变片时，RR/R；当二个应变片组成差动状态工作，则有R2R/R；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1R2R3R4R，R4R/R。已知单臂、半桥和全桥电路的R分别为R1/Rl、R2/R2、

3、R3/R3、R4/R4。根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于1/4ER，电桥灵敏度Ku=V/R/R，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为l/4E、l/2E和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。标准商用双孔悬臂梁式称重传感器，灵敏度高，性能稳定，四个特性相同的应变片贴在如图所示位置，弹性体的结构决定了Rl和R3、R2和R4的受力方向分别相同，因此将它们串接就形成差动电桥。(弹性体中间上下两片为温度补偿片)当弹性体受力时，根据电桥的加减特性其输出电压为：四、实训器材：直流稳压电源4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、螺旋测微

4、仪、双孔悬臂梁称重传感器、称重砝码(20克/个)、数字电压表。五、实验步骤： （一）金属箔式应变计性能测试应变电桥1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置(顺时针方向旋到底)，差动放大器“+”“”输入端对地用实验线短路。输出端接电压表2V档。开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图将所需实验部件连接成测试桥路，图中Rl、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计(可任选上梁或下梁中的一个工作片)，图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接

5、方式，勿使直流激励电源短路。将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5m，每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：位移mm电压V根据表中所测数据在坐标图上做出VX曲线，计算灵敏度S：SV/X。注意事项：l、实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一

6、次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。3、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。4、因为是小信号测试，所以调零后电压表应置2V档。（二）金属箔式应变计三种桥路性能比较l、在完成实验（一）的基础上，依次将图中的固定电阻Rl，换接应变计组成半桥、将固定电阻R2、R3，换接应变计组成全桥。2、重复实验（一）中实验3-4步骤，完成半桥与全桥测试实验。3、在同一坐标上描出VX曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。注意事项：应变计接入桥路时，要注意应

7、变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。（三）双孔悬臂梁应变传感器称重实验1、观察称重传感器弹性体结构及贴片位置，连接主机与实验模块的电源连接线，按照实验（一）、（二）的方法连接测试系统，开启主机电源，调节电桥WD调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。2、逐一将砝码放上传感器称重平台，调节增益电位器，使V0端输出电压与所称重量成一比例关系，记W（克)与V（mv）的对应值，并填入下表：W(克)V(mv)3、记录W与V值，并做出VW曲线，进行灵敏度、线性度与重复性的比较。4、与双平行悬臂梁组成的全桥进行性能比较。注意事项：1、称重

8、传感器的激励电压请勿随意提高。2、注意保护传感器的引线及应变片使之不受损伤。实训二 电涡流传感器的性能测试与应用一、实训目的：1了解电涡流传感器的结构与工作原理。2掌握被测材料对电涡流传感器特性的影响。3掌握电涡流传感器应用。二、实训内容：1电涡流传感器一静态标定。2被测材料对电涡流传感器特性的影响。3电涡流传感器一振幅测量。4电涡流传感器测转速实验。三、实训原理：电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上会感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体(

9、涡流片)、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，降阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。当电涡流线圈与金属被测体的位置周期性地接近或脱离时，电涡流传感器的输出信号也转换为相同周期的脉动信号。四、实训器件：电涡流传感器、多种金属涡流片、电涡流传感器实验模块、公共电路实验模块、直流稳压电源、螺旋测微仪、激振器（I）、电压表、示波器五、实训步骤：（一）电涡流传感器一静态标定。1、连接主机与实验模块电源及传感器接口，电涡流线圈与涡流片须保持平行，安装好测微仪，涡流变换器输出接电压表20V档。2、开启主机电源，用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压为零

10、(如不为零可适当改变支架中的线圈角度)，然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，从电压表有读数时每隔0.2mm记录一个电压值，将V、X数值填入下表，作出VX曲线，指出线性范围，求出灵敏度。X（mm）00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.84Vo（v）3、示波器接电涡流线圈与实验模块输入端口，观察电涡流传感器的激励信号频率，随着线圈与电涡流片距离的变化，信号幅度也发生变化，当涡流片紧贴线圈时电路停振，输出为零。注意事项：模块输入端接入示波器时由于一些示波器的输入阻抗不高(包括探头阻抗)以至影响线圈的阻抗，使输出Vo变小，并造成初始位置附近的

11、一段死区，示波器探头不接输入端即可解决这个问题。（二）被测材料对电涡流传感器特性的影响。1、按实验（一）分别对铁、铜、铝涡流片进行测试与标定，记录数据，在同一坐标上作出VX曲线。2、分别找出不同材料被测体的线性工作范围，灵敏度，最佳工作点(双向或单向)并进行比较，并做出定性的结论。注意事项： 换上铜、铝和其他金属涡流片时，线圈紧贴涡流片时输出电压并不为零，这是因为电涡流线圈的尺寸是为配合铁涡流片而设计的，换了不同材料的涡流片，线圈尺寸须改变输出才能为零。（三）电涡流传感器一振幅测量。1、连接主机与实验模块电源，并在主机上的振动圆盘旁的支架上安装好电涡流传感器，按图接好实验线路，根据实验（一）结

12、果，将线圈安装在距涡流片最佳工作位置，直流稳压电源置10V档(也可选用68V档，原则是接入电路的负电压值一定要高于电涡流变换电路的电压输出值以便调零)，差动放大器增益调至最小(增益为1)，仅做为一个电平移动电路。2、开启主机电源，调节电桥WD电位器，使系统输出为零。3、开启激振I，调节低频振荡频率，使振动平台在1530Hz范围内变化，用示波器观察输出波形，记下Vp-p值，利用实验（一）结果求出波形变化范围内的X值。4、降低激振频率，提高振幅范围，用示波器就可以看出输出波形有失真现象，这说明电涡流传感器的振幅测量范围是很小的。注意事项：直流稳压电源一10V、接地端接电桥WD电位器两端。（四）电涡

13、流传感器测转速实验。1、按实验（三）安装，将电涡流支架顺时针旋转约70，安装于电机叶片之上，线圈尽量靠近叶片，以不碰擦为标准，线圈面与叶片保持平行。2、开启主机电源，调节电机转速，根据示波器波形调整电涡流线圈与电机叶片的相对位置，使波形较为对称。3、仔细观察示波器中两相邻波形的峰值，如有差异则是电机叶片不平行或是电机振动所致，可利用实验（一）特性曲线大致判断叶片的不平行度。4、用电压/频率表2KHz档测得电机转速，转速频率表显示值2。实训三 电容式传感器性能测试与应用一、实训目的：了解差动式同轴变面积电容传感器的结构。掌握电容传感器测试电路的连接。掌握电容式传感器性能的测试。二、实训内容：1电

14、容传感器位移测量。2电容传感器动态测量。三、实训原理：差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。四、实训器件：电容传感器、电容传感器实验模块、激振器I、测微仪五、实训步骤：1、观察电容传感器结构：传感器由一个动极与两个定极组成，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图接好实验线路，增益适当。2、打开主机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。3、前后位移动极，每次0.5mm，直至动静极完全重合为止，记录数据，作出V-X曲线，求出灵敏度。X（mm）Vo（v）4、移开测微仪，在主机振

15、动平台旁的安装支架上装上电容传感器，在振动平台上装好传感器动极，用手按动平台，使平台振动时电容动极与定极不碰擦为宜。5、开启“激振I ”开关，振动台带动动极在定极中上下振动，用示波器观察输出波形。注意事项：电容动极须位于环型定极中间，安装时须仔细作调整，实验时电容不能发生擦片，否则信号会发生突变。实训四 压电加速度传感器性能测试与应用一、实训目的：了解压电式加速度传感器的结构。掌握压电式传感器测试电路的连接。掌握压电式传感器性能的测试。二、实训内容：1压电传感器动态测量。三、实训原理：压电式传感器是一种典型的有源传感器(发电型传感器)，压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下

16、，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测。四、实训器件：压电加速度传感器、公共电路实验模块、激振器、电压频率表、示波器五、实训步骤：1、观察位于主机双平行悬臂梁前端的压电传感器的结构，按图连接主机与实验模块的电荷放大器、低通滤波器与传感器的接线。2、开启主机电源，调节低频信号源的振幅与频率，当悬臂梁处于谐振时示波器所观察到的波形Vp-p值也最大，由此可得出结论：压电加速度传感器是一种对外力变化敏感的传感器。、画出示波器中所观察到的波形。注意事项：激振时悬臂梁振动频率不能过低(如低于5Hz)，否则传感器将无稳定输出。实训五 霍尔式传感器的性能测试与应用一、实训目的：1了解霍尔传感器的结构与工

17、作原理。2掌握霍尔传感器的性能测试及应用。二、实训内容：1霍尔传感器的直流激励特性测试。2霍尔传感器的振幅测量。三、实训原理：霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度(磁场位置)，当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。四、实训器件：霍尔传感器、直流稳压电源(2V)、测微仪、音频信号源、低频信号源、激振器（I）、霍尔传感器实验模块、公共电路实验模块、电压表、示波器五、实训步骤： （一）霍尔传感器的直流激励特性测试1、安装好模块上的梯度磁场及霍

18、尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，霍尔元件另一激励端接地，实训接线按图所示，差动放大器增益10倍左右。2、用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。3、从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：X（mm）0Vo（mv）0作出VX曲线，求得灵敏度和线性工作范围。如出现非线性情况，请查找原因。注意事项：直流激励电压只能是2V，不能接2V(4V)否则锑化铟霍尔元件会烧坏。1、将梯度磁场安装到主机振动平台旁的磁场安装座上，霍尔元件连加长杆插入振动

19、平台旁的支座中，调整霍尔元件于梯度磁场中间位置。按实验三十六连接实验连接线。2、激振器开关倒向“激振广侧，振动台开始起振，保持适当振幅，用示波船观察输出波形。3、提高振幅，改变频率，使振动平台处于谐振(最大)：状态，示波器可观察到削顶的正弦波，说明霍尔元件己进入均匀磁场，霍尔电势不再随位移量的增加而增加。（二）霍尔传感器的振幅测量1、将梯度磁场安装到主机振动平台旁的磁场安装座上，霍尔元件连加长杆插入振动平台旁的支座中，调整霍尔元件于梯度磁场中间位置。按实验一图连接实验连接线。2、激振器开关倒向“激振I”侧，振动台开始起振，保持适当振幅，用示波器观察输出波形。3、提高振幅，改变频率，使振动平台处

20、于谐振(最大)状态，示波器可观察到削顶的正弦波，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电势不再随位移量的增加而增加。4、将示波器中观察到的波形参数记录下来，并绘制输出波形图。实训六 热电偶传感器的性能测试与应用一、实训目的：1了解热电偶结构和温控电加热器工作原理。2掌握热电势值的测量。二、实训内容：1热电偶测量电炉温度。2热电偶标定。三、实训原理：由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电动势产生，此电动势即为热电动势。 图中T为热端，T0为冷端，热电动势Et=LAB(T)-LAB(T0)。 本实验中选用两种热电偶镍铬一镍硅(K分

21、度)和镍铬一铜镍(E分度)。四、实训器件：K(也可选用其他分度号的热电偶)、E分度热电偶、温控电加热炉、温度传感器实验模块、4位半数字电压表(自备)。五、实训步骤： （一）热电偶测量电炉温度1、观察热电偶结构(可旋开热电偶保护外套)，了解温控电加热器工作原理。温控器：作为热源的温度指示、控制、定温之用。温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。温度设定：拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值随之变化，调节至实验所需的温度时停止。然后将拨动开关扳向“测量”侧，(注：首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲)。2、首先将温度设定在50

22、左右，打开加热开关，(加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座)，热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，4位半万用表置200mv档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度热电偶的热电势，并记录电炉温度与热电势E的关系。3、因为热电偶冷端温度不为0，则需对所测的热电势值进行修正 E（T，T0) = E（T，T1）+ E（T1，T0）实际电动势 = 测量所得电动势 + 温度修正电动势 查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。4、继续将电炉温度提高到60、70、80、90、100、110、120、130、140和1

23、50，重复上述实验，观察热电偶的测温性能，记录测量所得电动势并计算实际电动势值，数据表如下：炉温（）5060708090100110120130140150测得电动势实际电动势注意事项：加热炉温度请勿超过200，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。（二）热电偶标定以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶，由于被校热电偶热电势与标准热电偶热电势的误差为式中 e校测被校热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值 e标测标准热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值 e标分标准热电偶分度表上标定温度的热电势值 e校分被校热电偶标定温度下分

24、度表上的热电势值 S校被校热电偶的微分热电势S标标准热电偶的微分热电势。1、进行实验（一）中1-2步骤，待设定炉温达到稳定时用4位半电压表200mv档分别测试温控(E)和测试(K)两支热电偶的热电势(需用钮子开关转换)，每支热电偶至少测两次求平均值。2、根据上述公式计算被测热电偶的误差，计算中应对冷端温度不为0进行修正。3、分别将炉温升高，求被校热电偶的误差e，并将结果填入下表： 热电偶被测量温度507090110130标准热电偶(K)热电势(mv)12平均被校热电偶(E)热电势(mv)12平均分度表值误差分别画出热电势与温度曲线，得出标定值。附：K、E分度热电偶分度表及热电偶微分热电动势(塞

25、贝克系数S)表。实训七 光纤传感器的性能测试与应用一、实训目的：1了解反射式光纤传感器的结构与工作原理。2熟悉光纤传感器的动态测量。3掌握光纤传感器的应用。二、实训内容：1光纤传感器位移测量。2光纤传感器动态测量。3光纤传感器转速测量。三、实验原理：反射式光纤传感器工作原理如图所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。四、实训器件：光纤(光电转

26、换器)、光纤光电传感器实验模块、螺旋测微仪、反射镜片、转速电机、低频信号源、电压表、示波器五、实训步骤：（一）光纤传感器位移测量1、观察光纤结构：本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。2、连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央(镀铬圆铁片)，螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。3、开启主机电源，光电变换器Vo端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片(如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合)，此时Vo输出0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值并记入下

27、表：X（mm）00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.84Vo（v）位移距离如再加大，就可观察到光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，作出V-X曲线，通常测量用的是线性较好的前坡范围。注意事项：1、光纤请勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤要注意保护，否则会使光通量衰耗加大造成灵敏度下降。2、每台仪器的光电转换器(包括光纤)与转换电路都是单独调配的，请注意与仪器编号配对使用。3、实验时注意增益调节，输出最大信号以3V左右为宜，避免过强的背景光照射。（二）光纤传感器动态测量1、利用实验（一）结果，将光纤探头装至主机振动平台旁的支架

28、上，在固形振动台上的安装螺丝上装好反射镜片，选择“激振I”，调节低频信号源，反射镜片随振动台上下振动。2、调节低频振荡信号频率与幅值，以最大振动幅度时反射镜片不碰到探头为宜，用示波器观察振动波形，并读出振动频率。3、将光纤探头支架旋转约70，探头对准转速电机叶片，距离以光纤端面居于特性曲线前坡的中点位置为好。4、开启电机调节转速，用示波器观察Vo端输出波形，调节示波器扫描时间及灵敏度，以能观察到清晰稳定的波形为好，必要时应调节光纤放大器的增益。仔细观察示波器上两个连续波形峰值的差值，根据输出特性曲线，大致判断电机叶片的平行度及振幅。注意事项：光纤探头在电机叶片上方安装后须用手转动叶片确认无碰擦后方可开启电机，否则极易擦伤光纤端面。（三）光纤传感器转速测量1、紧接实验（二），光纤端面垂直对准电机叶片，开启电机，示波器观察Vo端输出电压波形并用电压/频率表2KHz档计数，电机转速频率表显示值2。2、如欲用机内设置的数据采集卡采集频率，则需将Vo端输出信号送入TTL整形电路Vi端，Fo端输出+5VTTL电平须与主机面板上的“转速信号入”口连接以供数采卡计数。注意事项：测转速时应避免强光直接照射叶片，以免信号过强造成放大电路饱和，必要时应该减小放大器增益。钮子开关复位以保证稳压电源(负电源)工作正常。