传感器实验指导书天煌

T H S R Z-2型传感器系统综合实验装置简介一、概述“THSRZ-2型传感器系统综合实验装置”是将传感器、检测技术及计算机控制技术有机的结合，开发成功的新一代传感器系统实验设备。

适用于各大、中专院校开设“传感器原理”、“非电量检测技术”、“工业自动化仪表与控制”等课程的实验教学。

二、装置特点1.实验台桌面采用高绝缘度、高强度、耐高温的高密度板，具有接地、漏电保护、采用高绝缘的安全型插座，安全性符合相关国家标准；2.完全采用模块化设计，将被测源、传感器、检测技术有机的结合，使学生能够更全面的学习和掌握信号传感、信号处理、信号转换、信号采集和传输的整个过程；3.紧密联系传感器与检测技术的最新进展，全面展示传感器相关的技术。

三、设备构成实验装置由主控台、检测源模块、传感器及调理（模块）、数据采集卡组成。

1.主控台(1)信号发生器：1k～10kHz?音频信号，Vp-p=0～17V连续可调；(2)1～30Hz低频信号，Vp-p=0～17V连续可调，有短路保护功能；(3)四组直流稳压电源：+24V,±15V、+5V、±2～±10V分五档输出、0～5V可调，有短路保护功能?；(4)恒流源：0～20mA连续可调，最大输出电压12V；?(5)数字式电压表：量程0～20V，分为200mV、2V、20V三档、精度0.5级；(6)数字式毫安表：量程0～20mA，三位半数字显示、精度0.5级，有内侧外测功能；(7)频率/转速表：频率测量范围1～9999Hz，转速测量范围1～9999rpm；(8)计时器：0～9999s，精确到0.1s；(9)高精度温度调节仪：多种输入输出规格，人工智能调节以及参数自整定功能，先进控制算法，温度控制精度±0.50C。

2.检测源加热源：0～220V交流电源加热，温度可控制在室温～1200C；转动源：0～24V直流电源驱动，转速可调在0～3000rpm；振动源：振动频率1Hz～30Hz（可调），共振频率12Hz左右。

选配制冷井：半导体制冷，温度范围：-50C～室温；单容水箱：分为储水箱和液位水箱，储水箱5L，液位0～180mm，24V直流泵，流量0～0.1m3/h。

3.各种传感器包括应变传感器：金属应变传感器、差动变压器、差动电容传感器、霍尔位移传感器、扩散硅压力传感器、光纤位移传感器、电涡流传感器、压电加速度传感器、磁电传感器、PT100、AD590、K型热电偶、E型热电偶、Cu50、PN结温度传感器、NTC、PTC、气敏传感器（酒精敏感，可燃气体敏感）、湿敏传感器、光敏电阻、光敏二极管、红外传感器、磁阻传感器、光电开关传感器、霍尔开关传感器。

选配包括扭矩传感器、光纤压力传感器、超声位移传感器、PSD位移传感器、CCD 电荷耦合传感器：、圆光栅传感器、长光栅传感器、液位传感器、涡轮式流量传感器。

4.处理电路包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、V/I、F/V转换电路、直流电机驱动等5.数据采集高速USB数据采集卡：含4路模拟量输入，2路模拟量输出，8路开关量输入输出，14位A/D转换，A/D采样速率最大400kHz。

上位机软件：本软件配合USB数据采集卡使用，实时采集实验数据，对数据进行动态或静态处理和分析，双通道虚拟示波器、虚拟函数信号发生器、脚本编辑器功能。

四、实验项目常规实验：实验一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验实验二金属箔式应变片――半桥性能实验实验三金属箔式应变片――全桥性能实验实验四金属铂式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验实验五直流全桥的应用——电子称实验实验六移相实验实验七相敏检波实验实验八交流全桥性能测试实验实验九交流激励频率对全桥的影响实验十交流全桥振幅测量实验实验十一扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验实验十二差动变压器性能实验实验十三差动变压器零点残余电压补偿实验实验十四激励频率对差动变压器特性的影响实验实验十五差动变压器测试系统的标定实验十六差动变压器的应用——振动测量实验实验十七差动变压器传感器的应用——电子称实验实验十八差动电感式传感器位移特性实验实验十九差动电感式传感器振动测量实验实验二十激励频率对电感式传感器的影响实验二十一电容式传感器的位移特性实验实验二十二电容式传感器的应用——电子称实验实验二十三电容传感器动态特性实验实验二十四直流激励时霍尔传感器的位移特性实验实验二十五交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验二十六霍尔式传感器的应用——电子称实验实验二十七霍尔式传感器振动测量实验实验二十八霍尔测速实验实验二十九磁电式传感器的测速实验实验三十压电式传感器振动实验实验三十一电涡流传感器的位移特性实验实验三十二被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特性影响实验实验三十三电涡流传感器的应用——电子称实验实验三十四电涡流传感器转速测量实验实验三十五电涡流传感器测量振动实验实验三十六光纤传感器位移特性实验实验三十七光纤传感器的测速实验实验三十八光纤传感器测量振动实验实验三十九光电转速传感器的转速测量实验实验四十磁敏元件转速测量实验实验四十一光敏电阻特性测试实验实验四十二声传感器实验实验四十三光敏电阻应用——声光双控LED实验实验四十四硅光电池特性测试实验实验四十五红外热释电传感器实验实验四十六智能调节仪温度控制实验实验四十七集成温度传感器的温度特性实验实验四十八铂热电阻温度特性测试实验实验四十九铜热电阻温度特性测试实验实验五十K型热电偶测温实验实验五十一E型热电偶测温实验实验五十二热电偶冷端温度补偿实验实验五十三PN 结温度特性测试实验实验五十四热敏电阻温度特性测试实验实验五十五负温度系数热敏电阻（NTC ）测温实验实验五十六气敏（酒精）传感器实验实验五十七气敏（可燃气体）传感器实验实验五十八湿敏传感器实验实验五十九直流电机驱动实验实验六十I/V 、F/V 转换实验实验六十一智能调节仪转速控制实验选做实验：实验一超声波测距实验实验二扭矩传感器实验实验三CCD 传感器测径实验实验四光纤压力传感器压力测量实验实验五PSD 位置测量实验实验六园光栅传感器应用实验实验七长光栅传感器应用实验实验八计算机位置控制实验实验九扩散硅压力传感器应用——液位测量实验实验十涡轮流量传感器流量检测实验实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V 、±4V 电源、万用表（自备）。

三、实验原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为ε⋅=∆k RR （1-1） 式中RR ∆为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数；ll ∆=ε为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件。

如图1-1所示，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1双孔悬臂梁式称重传感器结构图通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5=R6=R7=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压RR R R E U ∆⋅+∆⋅=211/40（1-2） E 为电桥电源电压；式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021⋅∆⋅-RR 。

图1-2单臂电桥面板接线图四、实验内容与步骤1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。

从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档）。

将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。

关闭主控台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S ＝ΔU/ΔW （ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）；2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/y F..S ×100％。

式中Δm 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；y F ·S 为满量程（200g ）输出平均值。

六、注意事项实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg ，最大超程量为120％。

因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！实验二金属箔式应变片——半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、实验仪器：同实验一三、实验原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。

电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为RR E k E U ∆⋅=⋅⋅=220ε（2-1） 式中RR ∆为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数；ll ∆=ε为电阻丝长度相对变化； E 为电桥电源电压。

式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

四、实验内容与步骤1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告根据所得实验数据，计算灵敏度L=ΔU/ΔW 和半桥得非线性误差δf 2。

六、思考题引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？图2-1半桥面板接线图实验三金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。

二、实验仪器：同实验一。

三、实验原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出Uo=RR E ∆⋅（3-1） 式中E 为电桥电源电压。

RR ∆为电阻丝电阻相对变化； 式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。