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实验一常用电子仪器的使用一、实验目的1、掌握数字万用表、台式万用表、数字存储示波器、函数信号发生器、数字频率计、可编程直流稳压电源、LCR测试仪等典型电子测量仪器的原理、性能和基本使用方法；2、了解测量的基本原理。
二、实验仪器1、数字万用表；2、台式万用表；3、数字存储示波器；4、函数信号发生器；5、可编程直流稳压电源；6、LCR测试仪。
三、实验原理1、万用表万用表具有用途多、量程广、使用方便等优点，是电子测量中最常用的工具。
它可以用来测量电阻，交流电压和直流电压，有的万用表还可以测量晶体管的主要参数及电容器的电容量，还有通断蜂鸣、检测频率、温度等功能。
掌握万用表的使用方法是电子技术的一项基本技能。
数字万用表是可以实现多种测量功能的数字式仪器，其前端为实现各种变换电路，如：AC/DC变换、I/V变换、Z/V变换等，变换后得到直流电压，通过以A/D转换器为核心的DVM即实现数字化测量，并通过内置的CPU，实现测量自动化。
2、数字存储示波器数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope，简称为DSO）是将捕捉到的波形通过A/D转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储器中。
它具有记忆、存贮被观察信号功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。
图1-2 典型数字存储示波器原理框图一个典型的数字存储示波器原理方框图如图1-2所示，它有实时和存储两种工作模式。
当处于实时工作模式时，其电路组成原理与一般模拟示波器一样。
当处于存储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段。
在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当地放大或衰减，然后再经过“取样”和“量化”两个过程的数字化处理，将模拟信号转换成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM 中。
在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出，并经D/A 转换器转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT 的Y 偏转板。
第15章 微弱信号检测（知识点）知识点1 概述微弱信号是相对背景噪声而言，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号。
微弱信号检测的任务是采用电子学、信息论、计算机及物理学、数学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，对被噪声淹没的微弱有用信号进行提取和测量。
微弱信号检测的目的是从噪声中提取出有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输入输出信号的信噪比。
知识点2 噪声噪声是影响微弱信号检测结果的重要因素，在微弱信号检测中，如果能够有效地克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。
噪声无处不在，而且总是与信号共存，在进行微弱信号检测时，应首先设法尽量抑制噪声，然后再提取出噪声中的有用信号。
噪声是对有用信号的某种不期望的扰动，包括非被测信号或非测量系统所引起的噪声和来自于被测对象、传感器、测量系统内部的噪声两种情况。
前者可能是来自于自然界的宇宙射线、电磁干扰或人为引起的开关电火花、较强的广播信号、市电的干扰等，这些外界干扰的影响通过适当的屏蔽措施是可以减小或消除的；后者是由组成电路的器件材料的物理性质及温度等引起电荷载流子不规则运动而产生的自然扰动，是存在于电路内部的一种固有的扰动信号，这些噪声是随机的，不能精确预见，也不能彻底排除，只能设法减少或控制。
噪声是一种连续型随机变量，在不同时刻可能出现不同的噪声值。
因此，对噪声的度量要分析噪声的统计特征。
（1）噪声的概率分布噪声电压在t 时刻的大小，只能通过概率分布密度函数()p n 表示，()p n 表示噪声电压在t 时刻取值为n 的概率。
知道()p n 后，就可以知道t 时刻噪声电压取值在1n 与2n 之间的概率。
()()2112n n P n n n p n dn <<=⎰ （15.1）表征随机过程特征的统计特征量为数学期望和方差。
①数学期望[]()E n np n dn ∞-∞=⎰ （15.2）②方差[][]()()[]222D n nE n p n dn E nE n ∞-∞⎡⎤=-=-⎣⎦⎰（15.3） 电路处于稳定状态时，噪声的数学期望和方差一般不再随时间变化。
“传感器与检测技术”实验指导书1实验教学大纲一、适用专业：口动化、测控技术与仪器、电气工程与口动化、机械设计制造及其口动化等专业二、地位、作用和任务《传感器与检测技术》课程属于适用专业大学本科学生的必修专业基础课程。
传感器具有检测某种变量并把检测结果传送出去的功能，它们广泛应用于牛产实践和科学研究小，是获取、处理、传送各种信息的基本元件。
特别是现代大规模工业生产，儿乎全都依靠各种控制仪表或计算机实现口动控制，为保证口动控制系统的正常运行，必须随时随地把生产过程的各种变最提供给控制仪表或计算机。
要想正确及时地掌握生产过程或科研对象的各种信息, 就必须具备传感器与检测技术方面的知识。
本部分旨在以实验和课程设计的形式进一步加强学生対各类传感器与检测技术的原理与应用的深入理解，将理论与实践有机地结合起來，学以致用。
主要任务是：1、通过理论学习和实验操作，掌握各类传感器的棊木工作原理；2、了解各类传感器的特性和应用方法；3、学握基本的误差与测量数据处理方法。
三、教学基本要求通过传感器与检测技术实验的棊木训练，使学生在冇关传感器与检测技术的实验方法和实验技能方血达到下列要求：（1）能够自行或在教师的指导下正确完成实验和实验报告等主要实验程序；（2）能够学握常用传感器的性能、调试和使用方法；（3）能够通过实验完整学握各类传感器的基本工作原理；（4）能够在接受传感器与检测技术基本实验技能的训练后，进行开放性实验，以提高综合实验能力。
四、实验内容实验一金属应变片：单臂、半桥、全桥功能比较（验证）实验二差动变压器特性及应用（综合）实验三差动螺线管电感式传感器特性（设计）实验四差动变面积式电容传感器特性（验证）实验五压电加速度传感器特性及应川（验证）实验六磁电式传感器特性（验证）实验七崔尔式传感器特性（验证）实验八热敏电阻测温特性（设计）实验九光纤位移传感器特性及应川（验证）实验十汽车防撞报警系统设计（设计）五、实验教材主要教材：《传感辭与检测技术学习指导（实验部分）》六、考核方法根据实验操作效果、实验态度、实验报告撰写结果等进行综合评定。
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。
答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
实验一 金属箔式与半导体式应变计的性能测试一．实验目的：１．观察了解箔式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式。
２．验证单臂、半桥、全桥的性能，比较各桥路间的输出关系。
３．说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
４．了解温度对测试系统的影响，说明箔式应变片和半导体应变计的灵敏度和温度效应。
５．通过实验对两种应变电路的特性有充分的了解。
二．实验所需部件：直流稳压电源、应变式传感器实验模块、金属箔式应变计及温度补偿片、半导体式应变计、砝码、数字电压／频率表、应变加热（位于主机面板的温控单元下面）。
三．实验原理：1. 箔式应变片性能——单臂电桥本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。
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/ R1、△R2/ R2、△R3/ R3、△R4/ R4 ，当使用一个应变片时，∑=RRR ∆；当二个应变片组成差动状态工作，则有∑=RRR ∆2；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R ，∑=RRR ∆4。
2. 箔式应变片三种桥路性能比较已知单臂、半桥和全桥电路的∑R 分别为△R/ R 、△2R/ R 、4△R/ R 。
根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于41·E ·∑·∑R ，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1/4E 、1/2E 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３．金属箔式应变计的温度效应温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。
由此引起测试系统输出电压发生变化。
用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图（1）所示。
在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1＝R2。
当温度变化时两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1*R4＝R2*R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。
图（1） 图（2） ４．半导体应变片性能由于材料的阻值s l R ρ=，则)21(ρρμρρ++=-+=ldl d s ds l dl d R dR , 当应变ll∆=∑，灵敏度∑++=∑=ρρ∆μ∆/)21(/RR K ; 对于箔式应变片，K 箔≈1＋2μ，主要是由形变引起。
对于半导体应变计，K 半≈（△ρ/ρ）/∑,主要由电阻率变化引起。
由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K 半要大于K 箔，但是受温度影响大。
半导体应变计主要是根据硅半导体材料的压阻效应制成，当半导体晶体受到作用力时，晶体除产生应变外，电阻率也会发生变化。
与金属应变片相比，半导体应变计灵敏系数很高，可达100～200，但是在稳定性及重复性方面都不如金属箔式片。
实际使用时都是采用全桥工作形式以达到相对稳定。
四．实验步骤：图（3）１．首先差放调零，连接主机与应变式传感器实验模块之间的电源，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对地短路。
输出端接数字电压表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，然后关闭主机电源，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（3）将所需实验部件连接成单臂电桥，图中R1、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，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。
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。
调节模块电桥上的WD电位器，使系统输出为零。
４．在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，每个砝码的重量为20g，每放一个砝码，记录一个输出电压值，并记入下表（1）：表（1）图（4）图（5）５．按图（4）将图（3）中的固定电阻R1换接金属箔式应变计组成半桥电路，按图（5）将图（3）中的固定电阻R2 、R3，换接金属箔式应变计组成全桥电路。
６．重复3-4步骤，完成半桥系统与全桥系统测试实验，数据记入表（1）。
记录重量——电压值，并填入下表。
表（2）７．关掉电源，拆掉连线，按图（3）接成单臂应变电桥，再开启主机电源，调节“WD”电位器，使系统输出为零。
８．开启“应变加热”电源，观察系统输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（加热器加热温度约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出大致的温飘△V/△T，然后关闭加热电源，待其冷却。
９．按图（3）将电桥中的固定电阻R1换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整“WD”电位器，使系统输出为零。
10．开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，求出温飘，然后与未进行补偿时的电路进行比较。
图（６）11. 关掉电源，拆掉连线。
按图（6）接线，R是半导体应变计，直流激励输出电压为2V，以免因为电压过高引起半导体应变计自热。
12. 连接主机与模块的电源并开启，调节电桥WD电位器，使系统输出为零，此时差动放大器增益可置最大电压表可先置20V档。
13. 按单臂电桥实验步骤，调节电桥中的ＷＤ电位器使系统输出为零，逐一加上砝码，记录重量-电压值，求出灵敏度，记入表（3）。
表（3）图（８）14．按图（8）接入二片半导体应变片和二个固定电阻，组成应变半桥。
15．激励电压接2V，打开主机电源，调节电桥中WD电位器使系统输出为零。
16．按步骤13进行操作，数据记录在表（4），计算出灵敏度。
表（4）五．注意事项：１．进行上述实验时激励电压，差动放大器增益等实验条件必须一致，否则就无可比较性。
２．做单臂电桥实验时，由于应变片的零飘和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零飘值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路必然会出现输出电压漂移现象，这是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的飘移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。
３．箔式应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相反，如接反则电路无输出或输出很小。
４．半导体应变计加热后温飘是非常大的，即使是加热到了相对的热平衡，但只要温度不是绝对稳定，电桥输出往往还是不能稳定，这不是仪器的毛病。
５．由于半导体应变计非常灵敏，当环境温度有微小变化时都会引起电桥不平衡，电路输出电压变化。
随着加热温度的改变，半导体单臂电桥系统输出电压要有一个相当长的时间才能基本稳定。
实验二变电抗式传感器一．实验目的：１．了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
２．通过实验说明不同的涡流感应材料对电涡流传感器特性的影响。
３．掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
二．实验原理：１．电涡流式传感器的静态标定电涡流式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，与其平行的金属片上感应产生电涡流，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（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。
将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
２．被测材料对电涡流式传感器特性的影响线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。
而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流率有关，还与线圈与导体间的距离ｘ有关。
因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Ｚ的函数关系为：Z=F(ρ,μ,r,f,x)式中，ｒ为线圈与被测体的几何因子。
３．电容式传感器特性电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为C X1，下层定片与动片形成的电容定为C X2，当将C X1和C X2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
三．实验所需部件：电涡流式传感器、三种金属涡流片、电涡流变换器、螺旋测微仪、示波器、数字电压/频率表、电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器。
四．实验步骤：图（9）１．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行（必要时可稍许调整探头角度），安装好螺旋测微仪，如图（9）将电涡流线圈的上端对应接入涡流变换器输入端，涡流变换器输出端接电压表20V档。
２．开启仪器电源，调节测微头位移将电涡流线圈与金属涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出，用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。
３．用螺旋测微仪带动振动圆盘使电涡流线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零，涡流变换器中的振荡电路停振。
４．旋动螺旋测微仪使电涡流线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形，将V—X数据填入下表（5），作出V－X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。
表（5）５．分别对铁、铜、铝被测体进行测量，记录数据在表（6），在同一坐标直作出V－X曲线。
６．分别找出各被测体的线性范围、灵敏度，并进行比较。
７．从实验得出结论：被测材料不同时灵敏度与线性范围都不同，必须分别进行标定。
表（6）图（10）８．按图（10）接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。
９．装上螺旋测微仪，带动振动圆盘移动，使电容动片位于两静片中间位置，调节差动放大器“调零”旋钮使差动放大器输出为零。
10．以此为起点，旋动螺旋测微仪向上和向下移动，直至动片与一组静片全部重合为止。
记录数据在表（7），并作出V—X曲线，求得灵敏度。
11．低频振荡器输出接“激振I”端，移开螺旋测微仪，适当调节低频振荡器频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。
