电子信息工程专业实验系列传感器原理及应用实验讲义胡仲秋宋明礼编班级：学号：姓名：内江师范学院物理学与电子信息工程系实验室内江师范学院教务处监制2006年7月21日学生实验守则1．实验前，必须根据本次实验的要求，进行认真而有效的预习。
2．在实验过程中，必须保持实验室内环境的肃静和整洁。
3．实验前要根据仪器卡片检查仪器，如有缺损，应立即向教师报告。
4．未了解仪器性能之前切勿动手，使用仪器时必须严守仪器的操作规程，不许擅自拆卸仪器。
5．仪器发生故障、损坏或丢失时，应立即报告指导教师。
6．联接电路并在确认无误后，应请指导教师检查，经允许后方可接通电源。
7．在实验过程中，严禁用手触摸线路中的带电部分，特别是高压部分。
严禁在未切断电源的情况下改接线路，确保人身安全和仪器安全。
8．注意爱护和正确使用仪器，注意节约材料、节约用电。
9．实验完毕后应立即关闭电源，将仪器恢复到实验前的状态，并请教师检查和在实验记录卡上签字后，方可离开实验室。
目录CSY－998系列传感器实验台 (3)主要技术参数、性能及说明 (3)实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥 (6)实验二金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥电路比较 (9)实验三差动变压器（互感式）的应用——振幅测量 (11)实验四被测体材料对电涡流传感器特性的影响 (12)实验五差动变面积式电容传感器的静态及动态特性 (14)实验六综合传感器——力平衡式传感器 (15)实验七光纤位移传感器静态实验 (17)实验八PN结温度传感器测温实验 (19)实验九霍尔式传感器 (21)实验十温控电路设计与制作 (23)实验十一光控电路设计与制作 (27)CSY－998系列传感器实验台主要技术参数、性能及说明CSY系列传感器系统实验仪是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，组成一个完整的测试系统。
实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。
传感器位于实验工作台右边，装在圆盘式工作台的四周，依次为（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式、压阻式等传感器。
光纤传感器的一端已固定在“光电变换器”上，另一端为活动的圆柱形探头，可根据要求加以固定。
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：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．应变式传感器箔式应变片阻值：350Ω，应变系数：2。
2．热电偶（热电式）直流电阻：10Ω左右，由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。
3．差动变压器量程：≥5mm，直流电阻：5Ω－10Ω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。
4．电涡流位移传感器量程：3mm，直流电阻：1Ω－2Ω，多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
5．霍尔式传感器日本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。
量程：±1mm。
6．磁电式传感器直流电阻：30Ω－40Ω，由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s。
7．压电加速度传感器PZT－5双压电晶片和铜质量块构成。
谐振频率：＞－10KHz。
8．电容式传感器量程：＋5mm，由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容传感器。
9．压阻式压力传感器量程：15Kpa，供电：≤4V，美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式压力传感器，具有温度自补偿功能。
10．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1mm。
红外线发射、接收，2×60股丫形、半圆分布。
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。
灵敏度：－2mV/℃12．热敏电阻由半导体热敏电阻NTC:温度系数为负，25℃时为10KΩ。
二、信号及变换1．电桥：用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。
2．差动放大器：通频带0～10KHz，可接成同相、反相、差动结构、增益为1－100倍的直流放大器。
3．电容变换器：由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。
4．电压放大器：增益约为5倍，同相输入，通频带0～10KHz。
5．移相器：允许最大输入电压10VP－P，移相范围≥±20°(50kHz时)6．相敏检波器：可检波电压频率0－10KHz，允许最大输入电压10VP－P极性反转整形电路与电子开关构成的检波电器。
7．电荷放大器：电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。
8．低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。
9．涡流变换器：输出电压≥|8|V(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。
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0－2V、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%。
四、二种振荡器音频振荡器:1KHz－10KHz输出连续可调，Vp－p值20V，180°、0°反相输出，LV 端最大功率输出电流0.5A。
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、测微头双平行式套悬臂梁二副(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℃左右的升温。
七、测速电机一组由可调的低噪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流，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（选配）分析软件性能稳定、动、静态采样直观且效果好；软件增强了分析处理功能（新增最小二乘法和端基法分析）。
测试的频率范围宽（0～10KHz）。
采样速度可以控制，既可单点采样亦能连续采样。
标准RS－232接口，与计算机串行工作。
提供的处理软件有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目选择，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。
数据采集卡进一步扩大EPROM（已达8K），能使波形完整地显示，采用性能稳定、转换速率快的A/D转换芯片（AD1674）。
实验一 金属箔式应变片性能——单臂电桥一、实验目的了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。
二、实验原理箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上，所谓电阻应变效应是指电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。
如图所示，设有一根长为l 、截面积为S 、电阻率为ρ的金属丝，其电阻为：sl R ρ= 当在轴向受到拉力的作用时，长度增加了l ∆，截面积减少了S ∆，那么电阻将增加R ∆，则电阻相对变化可按下式求得：ρρ∆+∆-∆=∆S S l l R R 。
对于箔式应变片0≈ρρ∆，电阻变化主要由应变产生。
则：ε=μ+ε=∆-∆≈∆K )(S S l l R R 21 式中：ll ∆是材料的轴向线应变，用应变ε表示为：l l ∆=ε S S ∆是材料截面积的变化，用材料的泊松比μ＝－l l D D ∆∆及ε表示为：με=∆2SS 由此可以看出，金属材料的电阻相对变化与其线应变ε正比，比例系数称为灵敏度，这就是金属材料的应变电阻效应。
应变片是最常用的测力传感元件。
汉用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片和敏感栅随同变形，其电阻屯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＋－电桥平衡网络差动力放大器 直流电压表图1.1 电桥原理相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R 1、R 2、R 3、R 4中，电阻的相对变化率分别为11/R R ∆、22/R R ∆、33/R R ∆、44/R R ∆，当使用一个应变片时，R R R ∆=∑；当二个应变片组成差动状态工作2R R R∆=∑，则有；用四个应变片组成二个差对工作，且R 1＝R 2＝R 3＝R 4，4R R R∆=∑。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验器材直流稳压电源、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：直流稳压电源置±2V 档，F/V 表置2V 档，差动放大增益最大。
四、实验步骤了解所需单元、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，可以上、下、前、后、左、右调节。
将差动放大器调零：用连线将差动放大器的下（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与F/V 表的输入插口相连；开启主、副电源；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1.1接线。
R 1、R 2、R 3为电桥单元的固定电阻；R x ＝R 4为应变片。
将稳压电源的切换开关置±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，调节电桥的平衡网络中的W 1，使F/V 表显示为零，然后将F/V 表置2V 档，再调电桥W 1（应仔细调整），使F/V 表显示为零。
将测微头转动到10mm 刻度附近，安装到双平行梁的自由端（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，再旋动测微头，使F/V 表显示为零（细调为零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
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。
建议每旋动测微头一周即△X ＝0.5mm 记一个数值填入表1-1：据所得结果计算灵敏度S ＝△V /△X （式中△X 为梁的自由端位移变化，△V 为相应F/V 表的电压相应变化）。
实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
五、注意事项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。
做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
六、问题本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？根据所给的差动放大器电路原理图，分析其工作原理，说明它既能差动放大，以可作同相或反相放大器。
