CSY2001B传感器

CSY2001B型 传感器系统综合实验台

使 用 说 明

实 验 指 导

浙江大学仪器科学与工程学系

检测技术研究所

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吕汉黎（工程师）

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目 录

CSY2001B型传感器系统综合实验台使用说明 ··················································· 3 实验一 金属箔式应变计性能——应变电桥 ······················································· 7 实验二 金属箔式应变计三种桥路性能比较 ······················································· 9 实验三 双孔应变传感器——称重实验 ····························································· 10 实验四 金属箔式应变计的温度效应及补偿 ····················································· 11 实验五 半导体应变计性能 ·················································································· 12 实验六 半导体应变计直流半桥测试 ································································· 14 实验七 金属箔式应变计与半导体应变计性能比较 ········································ 15 实验八 移相器实验 ······························································································· 16 实验九 相敏检波器实验 ······················································································ 18 实验十 金属箔式应变计组成的交流全桥 ························································· 19 实验十一 交流信号激励的称重传感器实验 ····················································· 21 实验十二 交流激励频率对全桥的影响 ····························································· 22 实验十三 交流全桥振幅测量实验······································································ 23 实验十四 MPX扩散硅压阻式传感器 ······························································· 23 实验十五 温度传感器——热电偶测温实验 ····················································· 25 实验十六 温度传感器——热电偶标定 ····························································· 26 实验十七 温度传感器——铂热电阻 ································································· 28 实验十八 温度传感器——PN结温敏二极管 ·················································· 29 实验十九 温度传感器——半导体热敏电阻 ····················································· 29 实验二十 温度传感器——集成温度传感器 ····················································· 31 实验二十一 电感式传感器——差动变压器性能 ············································ 32 实验二十二 差动变压器零残电压的补偿 ························································· 34 实验二十三 电感式传感器——差动变压器的标定 ········································ 35 实验二十四 差动变压器的振动测量 ································································· 36 实验二十五 差动变压器的应用——电子秤 ····················································· 37 实验二十六 电感传感器——差动螺管式传感器位移测量 ···························· 38 实验二十七 差动螺管式电感传感器振幅测量 ················································· 39 实验二十八 激励频率对电感传感器的影响 ····················································· 40 实验二十九 光电传感器——光敏电阻实验 ····················································· 41 实验三十 光电传感器——光电开关（红外发光管与光敏三极管） ······· 42

实验三十一 光电传感器——热释电红外传感器 ·········································· 473 实验三十二 PSD光电位置传感器实验 ····························································· 45 实验三十三 光纤传感器——位移测量 ····························································· 46 实验三十四 光纤传感器——动态测量 ····························································· 48 实验三十五 光纤传感器——转速测量 ····························································· 48 实验三十六 霍尔式传感器——直流激励特性 ················································· 49 实验三十七 霍尔传感器——交流激励特性 ····················································· 50 实验三十八 实验三十九 实验四十 实验四十一 实验四十二 实验四十三 实验四十四 实验四十五 实验四十六 实验四十七 实验四十八 实验四十九 实验五十 实验五十一 实验五十二 实验五十三 实验五十三 霍尔传感器——振幅测量 ····························································· 51 电涡流传感器——静态标定 ························································· 52 被测材料对电涡流传感器特性的影响 ········································ 54 电涡流传感器——振幅测量 ························································· 54 电涡流传感器——测转速实验 ····················································· 55 磁电式传感器性能 ·········································································· 56 压电加速度传感器性能 ································································· 57 电容式传感器性能 ·········································································· 58 湿敏传感器——湿敏电容实验 ····················································· 59 湿敏传感器——湿敏电阻实验 ····················································· 61 气敏传感器演示实验······································································ 62 光栅传感器——衍射演示及测距实验 ········································ 63 综合传感器——力平衡式传感器实验 ········································ 64 双平行梁的动态特性——正弦稳态影响 ···································· 66 CCD电荷耦合传感器——测径实验 ··········································· 67 CCD摄像法的应用----莫尔条纹记数?????????? 68 微机检测与转换——数据采集与处理 ········································ 69

使 用 说 明

CSY2001B型传感器系统综合实验台为完全模块式结构，分主机、实验模块和实验桌三部分。根据用户不同的需求分为基本型和增强性两种配置。主机由实验工作平台，传感器综合系统、高稳定交、直流信号源，温控电加热源，旋转源、位移机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统（RS232接口）、实验软件等组成。全套12个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构（位移装置均由进口精密导轨组成，以确保纯直线性位移），实验时模块可按实验要求灵活组合，仪器性能稳定可靠，方便实用。

传感器包括：（基本型含24种传感器，序号1.1-1.24。增强型含28种传感

器，序号1.1-1.28）

1.1 金属箔式应变传感器（箔式应变片 工作片4片；温度补偿片2片,应变系数：2.06，精度2%）

1.2 称重传感器（标准商用双孔悬臂梁结构，量程0~500g，精度2%） 1.3 MPX扩散硅压阻式压力传感器（差压式，量程0~50KP，精度3%） 1.4 半导体应变传感器（BY350，工作片2片，应变系数120） 1.5 标准K分度热电偶，（量程0~800℃，精度3%） 1.6 标准E分度热电偶，（量程0~800℃，精度3%）

1.7 MF型半导体热敏传感器（负温度系数，25℃时电阻值10K） 1.8 Pt100铂热电阻（量程0~800℃，精度5%） 1.9 半导体温敏二极管（精度5%） 1.10 集成温度传感器（电流型，精度2%） 1.11 光敏电阻传感器（cds器件，光电阻≥2MΩ.

1.12 光电转速传感器（近红外发射-接收量程0~2400转/分）

1.13 光纤位移传感器（多模光强型，量程≥2mm,在其线性工作范围内精度5%）

1.14 热释电红外传感器（光谱响应7~15μm，光频响应0.5~10HZ）。 1.15 半导体霍尔传感器(由线性霍尔元件与梯度磁场组成。工作范围：位移±2mm，精度5%)

1.16 磁电式传感器（动铁与线圈）

1.17 湿敏电阻传感器（高分子材料，工作范围5~95%RH，）

1.18 湿敏电容传感器（高分子材料，工作范围5~95%RH） 1.19 MQ3气敏传感器（酒精气敏感，实验演示用） 1.20 电感式传感器（差动变压器，量程±5mm,精度5%）

1.21 压电加速度传感器（PZT压电陶瓷与质量块。工作范围5~30HZ ） 1.22 电涡流传感器（线性工作范围1mm,精度3%）

1.23 电容传感器（同轴式差动变面积电容，工作范围±3mm,精度2%） 1.24 力平衡传感器（综合传感器系统）

1.25 PSD光电位置传感器（增强型选配单元，PSD器件与激光器组件，采用工业上的三角测量法，量程25mm，精度0.1%）

1.26 激光光栅传感器（增强型选配单元，光栅衍射及光栅莫尔条纹，莫尔条纹精密位移记数精度0.01mm）

1.27 CCD图象传感器（增强型选配单元，光敏面尺寸：1/3英寸。采用计算机软件与CCD传感器配合，进行高精度物径及高精度光栅莫尔条纹位移自动测试。）

1.28 超声波测距传感器（增强型选配单元，量程范围30~600mm，精度10mm）

主机配置：

2.1 直流稳压电源：（传感器工作直流激励源与实验模块工作电源） +2V~+10V分五档输出，最大输出电流1.5A

+15V（±12V） 、最大输出电流1.5A；激光器电源。 2.2 音频信号源：（传感器工作交流激励源） 0.4KHz-10KHz输出连续可调，最大Vp-p值20V。 00、1800端口反相输出

00、LV端口功率输出，最大输出电流1.5A 1800端口电压输出，最大输出功率300mw

2.3 低频信号源：（供主机位移平台与双平行悬臂梁振动激励，实现传感器动态测试）

1Hz~30Hz输出，连续可调，最大输出电流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（双平行悬臂梁）、激振II（圆形位移平台）的振动源。

转换纽子开关的作用：（请特别注意）当倒向V0侧时，低频信号源正常使用，V0端输出低频信号，倒向Vi侧时，断开低频信号电路，V0 端无低频信号输出，

停止激振Ⅰ、Ⅱ的激励。Vi作为电流放大器的信号输入端，输出端仍为V0端。激振不工作时激振选择开关应位于置中位置。

2.4 温控电加热源：（温度传感器加热源）

由E分度热电偶控温的300W电加热炉，最高控制炉温400℃，实验控温≤200℃。交流220V插口提供电炉加热电源，作为温度传感器热源、及热电偶测温、标定和传感器温度效应的温度源等。

2.5 旋转源：（光电、电涡流传感器测转速之用）

低噪声旋转电机，转速0-2400转/分，连续可调。（特别注意：电机不工作时纽子开关应置于“关”，否则直流稳压电源-2V会无输出）。

2.6 气压源：（提供压力传感器气压源） 电动气泵，气压输出≤20KP，连续可调。

手动加压气囊：可加压至满量程40KP，通过减压阀调节气压值。 仪表显示部分： 3.1 电压/频率表：

3 1/2位数字表、电压显示分0~2V、0~20V两档； 频率显示分0~2KHz、0~20KHz两档，灵敏度≤50mv。 3.2 数字式温度表：（E分度）

温度显示：0-800℃（用其他热电偶测温时应查对相应的热电偶分度表）。 3.3 气压表：

0-40KP（0-300mmHg）显示。 计算机通信与数据采集：

4.1 通信接口：标准RS232口，提供实验台与计算机通信接口。 4.2 数据采集卡：12位A/D转换，采集卡信号输入端为电压/频率表的“IN”端，采集卡频率输入端为“转速信号入”口。

实验模块包含：

（基本型含9个模块，序号5.1-5.9，增强型含12个模块，序号5.1-5.12，每个模块包含一种或一类传感器，使用方便）

5.1 实验公共电路模块：提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。

5.2 应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿）、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。 5.3 电感式传感器实验模块：差动变压器、螺管式传感器、高精度位移导轨、

放大电路。

5.4 电容式传感器实验模块：同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路，精密位移导轨。

5.5 光电传感器实验模块：光纤位移传感器与光电耦合器、光敏电阻及信号变换电路，精密位移导轨、电机旋转装置。

5.6 霍尔传感器实验模块：霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及日本进口高精度位移导轨。

5.7 温度传感器实验模块：提供7种温度传感器及变换电路，可控电加热炉。 5.8 电涡流传感器实验模块：电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。

5.9 湿敏气敏传感器实验模块：高分子湿敏电阻、湿敏电容、MQ3气敏传感器及变换电路。

5.10 PSD光电位置传感器实验模块：PSD器件及激光器组件、日本进口精密位移导轨，高倍放大器。（增强型单元）

5.11 CCD 图象传感器及光栅测试实验模块：CCD传感器、光栅莫尔条纹位移传感器及计机测试软件、日本进口精密位移导轨。（增强型单元）

5.12 超声波传感器测距实验模块：超声波发射-接收探头、精密位移装置及时间-距离变换显示电路，直接显示探测距离（cm）及时间（μs）（增强型单元）

主机工作台上装置的传感器有:

磁电式、压电加速度、半导体应变（2片）、金属箔式应变（工作片4片，温度补偿片2片）、衍射光栅（增强型）。

双平行悬臂梁旁的支柱安装有螺旋测微仪，可带动悬臂梁上下位移。 圆形位移（振动）平台旁的支架可安装电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器探头，在平台振动时进行动态实验。

2001B型主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。实验连接线均用灯笼状的插头及配套的插座，接触可靠，防旋防松脱，并可在使用日久断线后重新修复（特别注意：在本型仪器上请勿同时使用旧型号的可锁紧连接线，以免损坏新型连接线及造成插座松动）。

实验桌的传感器模块柜平时放置实验模块，抽屉中可放置传感器探头与配件。

实验操作须知：

1、 使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。主机面板上的纽子开关都应选择好正确的倒向。

2、 了解测试系统的基本组成：合适的信号激励源→传感器→处理电路（传感器状态调节机构）→仪表显示（数据采集或图象显示）

3、 实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，主机与实验模块的直流电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。

4、 实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，使用时应避免摇晃。为延长使用寿命，操作时请捏住插头连接叠插。

5、 实验指导中的“注意事项”不可忽略。传感器的激励信号不准随意加大，否则会造成传感器永久性的损坏。

6、 本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化。限于实验条件，有些实验只能做为定性演示（如湿敏、气敏传感器），能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。

7、

本仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。

实验一 金属箔式应变计性能——应变电桥

实验目的：

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。 实验原理：

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，

?R2?R；当二个应变片组成差动状态工作，则有?R?；用四个应变片?R?RR4?R组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R，?R?。

R 实验所需部件：

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、螺旋测微仪、数字电压表 实验步骤：

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。

（图1）

2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图（1）将所需实验部件连接成测试桥路，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。

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5mm ,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：

位mm 电压V 移 根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线，计算灵敏度S：S=?V/?X。 注意事项：

1、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。

实验二 金属箔式应变计三种桥路性能比较

实验原理：

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

1戴维南定理可以得出测试电桥近似等于42E2∑2∑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。 实验所需部件：

直流稳压电源（+4V）、应变式传感器实验模块、贴于悬臂梁上的箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表。 实验步骤：

1、在完成实验一的基础上，依次将图（1）中的固定电阻R1，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V-X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。

实验三 双孔悬臂梁应变传感器——称重实验

实验原理：

本实验选用的是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R1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： E??R1?R2?R3?R4?E?R?U??????4???4?RRRR4R234??1 实验所需部件：

直流稳压电源、应变式传感器实验模块、双孔悬臂梁称重传感器，称重砝码（20克/个）、数字电压表。

（图2）

实验步骤：

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，记录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V-W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：

称重传感器的激励电压请勿随意提高。

注意保护传感器的引线及应变片使之不受损伤。

实验四 箔式应变计的温度效应及补偿

实验原理：

当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。

为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试 电路中要进行温度补偿。本实验中采用的是电桥 补偿法，图（3）所示。

（图3）

实验所需部件：

贴于双平行悬臂梁（或双孔悬臂梁）上的温度补偿片（一片）、金属箔式应变片（一片）、直流稳压电源（+4V），应变式传感器实验模块、电压表、应变片加热器（双平行悬臂梁的加热开关位于主机面板的温控单元）、温度计（自备） 实验步骤：

1、按图（1）接成单臂应变电桥，开启主机电源，调整系统输出为零。记录环境温度。

2、开启“应变加热”电源，观察电桥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。

4、将电桥中接入的一个固定电阻换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整系统输出为零。

5、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。 注意事项：

在箔式应变片接口中，从左至右6片箔式片分别是：第1、3工作片与第2、4工作片受力方向相反，第5、6片为上、下梁的补偿片，请注意应变片接口上

所示符号表示的相对位置。

“应变加热”源温度是不可控制的，只能达到相对的热平衡。

实验五 半导体应变计性能

实验原理：

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。 实验所需部件：

贴于双平行悬臂梁上的半导体应变计（一片）、直流稳压电源（2V）、应变式传感器实验模块、电压表、应变加热器

（图4）

实验步骤：

1、按图（4）将半导体应变计接入差动放大器、电桥、电压表、注意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。

2、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。

3、用手提、压平行悬臂梁上下各约5mm ,观察电路输出电压变化范围、应变梁弹性恢复及重复性情况。

4、打开“应变加热”开关，观察半导体单臂电桥的温飘情况。（此时电压表应放20V档） 注意事项：

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。

实验六 半导体应变计直流半桥测试

实验目的：

了解实际运用的半导体应变电桥的运用。 实验所需部件：

半导体应变计（二片）、直流稳压电源（2V）、应变式传感器实验模块、螺旋测微仪、电压表

实验步骤：

1、在实验五的基础上按图（5）接入二片半导体应变片和二个固定电阻，组成应变半桥。

2、用螺旋测微仪将悬臂梁调至水平，激励电压接2V。 3、打开主机电源，调整电桥中WD电位器使电路输出为零。

4、按实验一步骤3-4进行操作，测出V-X值，画出V-X曲线，计算出灵敏度。

5、比较半导体应变计接成半桥后与单臂电桥的稳定性。 注意事项：

WD R +2V R′ R － ＋ 差放 V R R″ （图5）

由于半导体半桥灵敏度高，输出信号较大，必要时可适当减小差动放大器增益。

实验七 箔式应变计与半导体应变计性能比较

实验目地：

通过实验对两种应变电路的特性有充分的了解 实验所需部件：

直流稳压电源、箔式应变计、半导体应变计、应变式传感器实验模块、螺旋测微仪、数字电压表、应变加热器、温度计（自备） 实验步骤：

1、分别进行箔式应变单臂电桥与半导体应变单臂电桥实验，直流激励源统一为±2V，差动放大器增益置一固定位置，接线如图（1）。

调整系统，在相同的外部环境下测得两组数据并填入下表：

位移Xmm V半导体单臂 V箔式单臂 V半导体半桥 V箔式半桥 灵敏度 2、将电桥中R1固定电阻分别换成箔式片与半导体片，做半桥实验，测得的两组数据也填入上表。

3、在同一坐标上做出四条V-X曲线进行比较。

4、打开应变加热器，测得箔式应变电桥与半导体应变电桥的温飘，进行温度特性比较。

注意事项：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。

实验八 移相器实验

实验目地：

说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。 实验原理：图（6）为移相器电路示意图。

（图6）

由图可求得该电路的闭环增益G（S）：

G(S)?1R1R4??R4?R5??R2CS(R3?R1)?R?R5??3? ?WCS?1RCS?1221?????R4?R5??jR2C1?(R3?R1)??R5???R3??JWC??1jRC??1221????

1G(j?)? 则R1R42(1??2C2W2)(R2C1?2?1)?4?2C1C2R2W G(j?)?2222(1??C2W)(1?R2C1?) 当R1= R2= R3= R4= R5=10K时有

?1??2R2C1C2W??2???CW??CR?2?21???C1C2R2W?1?1???RC??CW???2?21?22G(j?)?1 tg??

由正切三角函数半角公式可得

??1??2R2C1C2W?2?? ??2arctg tg???????C2W??R2C1?1?tg222tgω＞

11时，输出相位滞后于输入，当ω＜时，输出22?R2C1C2?R2C1C2相位超前输入。 实验所需部件：

公共电路实验模块（移相器、相敏检波器、低通滤波器）、音频信号源、双线示波器 实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，音频信号源频率幅值旋钮居中，信号输出端连接移相器输入端。

2、打开主机电源，双线示波器两探头分别接移相器输入与输出端，调整示波器，观察两路波形。

3、调节移相器“移相”电位器，观察两路波形相应变化。

4、改变音频信号源频率，观察频率不同时移相器移相范围的变化。 5、对照移相器电路图分析其工作原理。 注意事项：

因为实验仪的音频信号是由函数发生器产生，不是纯正弦信号，所以通过移相器后波形局部有失真，这并非仪器故障。

正确选择双线示波器的“触发”方式及其它设置，以保证能看到移相波形的变化。

实验九 相敏检波器实验

实验目的：

说明由施密特开关电路及运放组成的相敏检波器电路的原理。 实验原理：

相敏检波电路如图（7）所示：图中①为输入信号端，②为交流参考电压输入端，③为检波信号输出端，④为直流参考电压输入端。

当②、④端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把①端输入的正弦信号转换成全波整流信号。

（图7）

实验所需部件：

公共电路实验模块（相敏检波器、移相器、低通滤波器）、音频信号源、直流稳压电源、电压表、双线示波器 实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，音频信号输出接相敏检波输入端①。 2、直流稳压电源2V档输出（正或负均可）接相敏检波器④端。 3、示波器两通道分别接相敏输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。

4、改变④端参考电压的极性，观察输入、输出波形的相位和幅值关系。由此可以得出结论：当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。

5、将音频振荡器00 端输出信号送入移相器输入端，移相器的输出与相敏检波器的参考输入端②连接，相敏检波器的信号输入端①接音频00输出。

6、用示波器两通道观察附加观察插口⑤、⑥的波形。

可以看出，相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。

7、将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通输出端接数字电压表20V档。

8、示波器两通道分别接相敏检波器输入、输出端。

9、适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表电压值变化，然后将相敏检波器的输入端①改接至音频振荡器180输出端口，观察示波器和电压表的变化。

由上可以看出，当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。

10、调节移相器“移相”旋钮，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入Vp-p值与输出直流电压的关系。

11、使输入信号与参考信号的相位改变1800，得出实验结果。 注意事项：

相敏检波器实验插口端的序数从左至右，从上至下为①—⑥号。

0

实验十 箔式应变计组成的交流应变全桥

实验目的：

本实验说明交流激励的四臂应变电桥的原理及工作情况。 实验原理：

图（8）是交流全桥的一般形式。当电桥平衡时，Z1 Z4= Z2 Z3，电桥输出为零。若桥臂阻抗相对变化为△Z1/ Z1、△Z2/ Z2、△Z3/ Z3、△Z4/ Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。

交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。

（图8）

实验所需部件：

公共电路模块、、音频信号源、箔式应变计（四片，双平行悬臂梁上的工作片）、螺旋测微仪，电压表、示波器 实验步骤：

1、连接主机与实验模块的电源线，按图（8）正确接线，音频信号源幅度与频率旋钮居中，开启主机电源。

2、用螺旋测微仪调节悬臂梁至水平位置，调节电桥直流调平衡电位器WD，使系统输出基本为零，并用WA进一步细调至零，示波器接相敏检波器③端观察波形。

3、用手将悬臂梁自由端往下压至最低，调节“移相”旋钮使检敏检波器③端波形成为首尾相接的全波整流波形。然后放手，悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中WD和WA电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。

4、装上螺旋测微仪，分别从水平位置将悬臂梁上移和下移5mm ,测得数据填入下表：

Xmm Vmv 0 0 在坐标上作出V-X曲线，求出灵敏度。

注意事项：

以后凡用交流信号激励的传感器测试电路的实验，电桥电路调节都可以参照上述实验的调节方式，以增加相位差，系统输出达到较高的灵敏度。

实验十一 交流信号激励的称重传感器实验

实验目地：

商用称重传感器实际使用时一般都为交流激励，通过此实验验证交流激励

较之直流激励可以使传感器提高抗干扰性和稳定性。 实验所需部件：

双孔悬臂梁称重传感器、称重砝码、音频信号源、公共电路实验模块、应变式传感器实验模块、电压表、示波器 实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，参照图（8）连接称重传感器与信号源、差动放大器、移相器、相敏检波器与低通滤波器、电压表，示波器探头接相敏检波器③端。

2、开启主机电源，按交流全桥实验方式调节各部电路，调节系统输出为零。 3、依次在称重盘上放上砝码，记录W（重量）、V（电压）值，并记录下表： W（克） Vmv 作出V-W曲线，计算灵敏度，并与直流激励的称重系统进行比较。 4、取走砝码，放上未知重量的物品，根据V-W曲线大致确定物品重量。 注意事项：

称重传感器量程为500克，实验时注意不要超出量程100%，请勿用力揿压。

实验十二 交流激励频率对全桥的影响

实验目地：

通过改变交流全桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度。

实验所需部件：

音频信号源、公共电路实验模块、应变式传感器实验模块、箔式应变计（四片，任选双平行悬臂梁或双孔悬臂梁）、电压表、螺旋测微仪（或砝码） 实施步骤：

1、接线、操作均按实验十（箔式应变计）和实验十一（称重传感器）进行。 2、音频信号源输出00信号，频率从2KHz-10 KHz，分别测出V、X值，

在同一坐标上做出V-X曲线，比较灵敏度，观察系统工作的稳定性，由此得出结论，此系统工作在哪个频率区段中较为合适。 注意事项：

进行上述实验时频率改变但信号幅值不变。

实验十三 交流全桥振幅测量实验

实验原理：

当双平行悬臂梁被不同频率的信号激励时，起振幅度不同，贴于应变梁表面的应变片所受应力不同，应变片组成的电桥输出信号大小也不同，若激励频率与梁的固有频率相同时则产生谐振，此时电桥输出信号最大，根据这一原理可以找出梁的固有频率。 实验所需部件：

双平行悬臂梁、箔式应变计（四片）、音频信号源、公共电路实验模块、电压表、示波器、激振器Ⅱ 实验步骤：

1、根据实验十接线、操作，将系统调至灵敏度最大，输出为零。 2、将“激振选择”倒向“激振Ⅱ”，调节低频信号源输出频率与幅值，此时悬臂梁开始振动。

3、用示波器观察差动放大器和低通滤波器的输出波形。注意调节示波器的扫描时间，差动放大器输出的是调幅波。

4、固定低频信号源的幅度旋钮不变，系统输出端接电压/频率表2KHZ档，，调节低频信号频率，当示波器中交流信号波形幅度最大时，频率表中显示的频率（当然也可用示波器读取频率），即为应变梁的固有频率。 注意事项：

进行此实验时低频信号源幅值旋钮约放在3/4位置为宜。

实验十四 MPX扩散硅压阻式传感器

实验原理：

MPX压阻式传感器芯片是用集成工艺技术在硅片上制造出四个呈X型的等值电阻组成的电路，它用激光修正，温度补偿，所以线性好，灵敏度高，重复性好，其工作原理及实验接线如图（9）

（图9）

本实验中所用的压阻式传感器为差压式，无外加压力时电路平衡无输出，受压时则输出与压力大小成正比的电压信号。 实验所需部件：

MPX压力传感器、应变式传感器实验模块、气压源、胶管、电压表 实验步骤：

1、连接主机与实验模块的电源线及探头连接线，胶管连接气压源输出与压力传感器输入口（传感器另一接口空置感受大气压力）。差动放大器增益最大。

2、开启主机电源，调节电桥WD调平衡电位器，使实验模块输出为零，开启气源开关，逐步加大气压，观察随气压上升模块电压输出的变化情况。

3、待到气压相对稳定后，调节模块增益使输出电压值与气压值成一比例关系，并记录P（kp）值与Vmv值。

4、关闭气源，随着气压逐步下降，输出电压也发生变化，记录P-V值并填入下表：

Pkp Vmv 在坐标上作出V-P曲线，验证传感器的线性度与灵敏度。

5、气压源因功率限制输出≤20kp，亦可用随机附带的手工加压气囊代替气源，使传感器工作范围扩大到压力表满量程显示。 注意事项：

气源平时应关闭，以免影响其它电路工作，胶管尽量避免油污，以免造成老化破损。

实验十五 温度传感器—热电偶测温实验

实验原理：

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，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。

（图10）

图（10）中T为热端，To为冷端，热电势Et=?AB(T)??AB(To)

本实验中选用两种热电偶镍铬—镍硅（K分度）和镍铬—铜镍（E分度）。 实验所需部件：

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、412位数字电压表（自备） 实验步骤：

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℃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，41位万用表置200mv档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度

2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，To）=E(T,t1)+E(T1,T0)

实际电动势＝ 测量所得电势 ＋ 温度修正电势 查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。

4、继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃、130℃和150℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能。 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。

因为温控仪表为E分度，加热炉的温度就必须由E分度热电偶来控制，E分度热电偶必须接在面板的“温控”端。所以当钮子开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度。

实验十六 温度传感器——热电偶标定

实验原理：

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

?e?e校测?e标分?e标测S标?S标?e校分

式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度表上的热电势值。 S标——标准热电偶的微分热电势

实验所需部件：

K、E分度热电偶、温控电加热炉、温度传感器实验模块、41位数字电压

2表（自备） 实验步骤：

1、进行实验十五中1-2步骤，待设定炉温达到稳定时用41位电压表200mv

2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 标准热电偶（K）热电势（mv） 被校热电偶（E）热电势（mv） 1 2 平均 1 2 平均 分度表值 误差 50℃ 70℃ 被测量温度 90℃ 110℃ 130℃ 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（塞贝克系数S）表

实验十七 温度传感器——铂热电阻

实验原理：

pt100铂热电阻的电阻值在0℃时为100Ω，测温范围一般为-200~650 ℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）

式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值

RO——铂热电阻在0℃时的电阻值 A——系数（=3.96847310-31/℃） B——系数（＝-5.8473101/℃）

将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。 实验所需部件：

铂热电阻（Pt100）、加热炉、温控器、温度传感器实验模块、数字电压表、水银温度计或半导体点温计（自备） 实验步骤：

1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于热电阻旁感受相同的温度。

2、开启主机电源，调节铂热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时产生自热其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。

3、开启加热炉，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（实验时主机温度表上显示的温度值是加热炉的炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。并记录数据填入下表：

℃ -7

2

VO（mv） 做出V-T曲线，观察其工作线性范围。 注意事项：

加热器温度一定不能过高，以免损坏传感器的包装。

实验十八 温度传感器—PN结温敏二极管

实验原理：

半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结特性表达公式I?Is(?qvRT?1)可

知，当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结正向压降就下降2mv，利用PN结的这一特性就可以测得温度的变化。

实验所需部件：

温敏二极管、温度传感器实验模块、温控加热炉、电压表、温度计（自备） 实验步骤：

1、观察已置于加热炉上的温敏二极管，连接主机与实验模块的电源及传感器探头（二极管符号对应相接），温度计置于与传感器同一感温处，模块温敏二极管输出电路VO端接电压表。

2、开启加热电源，设定加热炉温度，拨动开关置“测量”档，观察随炉温上升VO 端电压的变化，并将结果记入下表：

℃ VO 做出V-T曲线，求出灵敏度S=△V/△T。

实验十九 温度传感器——半导体热敏电阻

实验原理：

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。图（11）为金属与热敏电阻温度曲线的比较。

（图11）

实验所需部件：

MF型热敏电阻、温控电加热器、温度传感器实验模块、电压表、温度计（自

备） 实验步骤：

1、观察已置于加热炉上的热敏电阻，温度计置于与传感器相同的感温位置。 连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，热敏电阻测温电路输出端接数字电压表。

2、打开主机电源，调节模块上的热敏转换电路电压输出电压值，使其值尽量大但不饱和。

3、设定加热炉加热温度后开启加热电源。

4、观察随温度上升时输出电压值变化，待温度稳定后将V-T值记入下表：

℃ VT 作出V-T曲线，（因为热敏电阻负温度特性呈非线性，所以实验时建议多采几个点）。

得出用热敏电阻测温结果的结论。 注意事项：

热敏电阻感受到的温度与温度计上的温度相同，并不是加热炉数字表上显示的温度。而且热敏电阻的阻值随温度不同变化较大，故应在温度稳定后记录数据。

实验二十 温度传感器——集成温度传感器

实验原理：

用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1μA/K的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接显示℃温度值。 实验所需部件：

集成温度传感器、温控电加热炉、温度传感器实验模块、电压表、温度计（自备）

实验步骤：

1、观察置于加热炉上的集成温度传感器，温度计置于传感器同一感温处。 连接主机与实验模块电源，按图标对应连接传感器接口与处理电路输入端，输出端接电压表。

2、打开主机电源，根据温度计示值调节转换电路电位器，使电压表（2V档）所示当前温度值（已设定电压显示值最后一位为1/10℃值，如电压表2V档显示0.256就表示25.6℃）。

3、开启加热开关，设定加热器温度，观察随温度上升，电路输出的电压值，并与温度计显示值比较，得出定性结论。

本实验台所用的几种温度传感器性能比较： 传感器 热电偶 铂热电阻 测温范围 -200-1600 -200-650 精度（℃） 线性 0.5-3.0 0.-1.0 1.0 0.2-2.0 1.0 较差 较好 良 不好 优 重复性（℃） 灵敏度 3.0-1.0 0.3-1.0 0.2-1.0 0.2-2.0 0.3 不高 不高 高 高 高 PN结温敏 -40-150 热敏电阻 集成温度

-50-300 -55-155 实验二十一 电感式传感器—差动变压器性能

实验目的：

了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。 实验原理：

电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器，差动变压器由衔铁、初级线圈和次级线圈组成，初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器原边。次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及

输

出特性见图（12）。

（图12）

（图13）

实验所需部件：

差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器 实验步骤：

1、按图（13）接线，差动变压器初级线圈必须从音频信号源LV功率输出端接入，二个次级线圈串接。双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv/格。

2、打开主机电源，调整音频输出信号频率，输出Vp-p值2V，以示波器第二通道观察到的波形不失真为好。

3、前后移动改变变压器磁芯在线圈中位置，观察示波器第二通道所示波形能否过零翻转，否则改变接次级二个线圈的串接端序。

4、用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压Vp-p值，同时注意初次级线圈波形相位。

位移mm 电压Vp-p 根据表格所列结果，作出V-X曲线，指出线性工作范围。

5、仔细调节测微仪使次级输出波形无法再小时，即为差动变压器零点残余电压，提高示波器第二通道灵敏度，观察残余电压波形，分析其频率成分。 注意事项：

示波器第二通道为悬浮工作状态（即示波器探头二根线都不接地）。

实验二十二 差动变压器零残电压的补偿

实验目的：

由于零残电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，此电压经过放大器还会使放大器未级趋向饱和，影响电路正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿使之减小。 实验原理：

零残电压中主要包含两种波形成份：

1、基波分量：这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。

2、高次谐波：主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。

减少零残电压的办法是：（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。（2）采用相敏检波电路。（3）选用补偿电路。

（图14）

实验所需部件：

差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器

实验步骤：

1、按图（14）接线，示波器第一通道500mv/格，第二通道1V/格，（根据波形大小适当调整）差动放大器增益置最大。

2、打开主机电源，调节音频输出频率，以第二通道波形不失真为好（为此音频信号频率可调至10KHZ左右），音频幅值Vp-p2V。

调节铁芯在线圈中的位置，使差动放大器输出的电压波形最小，再调节电桥中WD、WA电位器，使输出更趋减小。

3、提高示波器二通道灵敏度，将零残电压波形与激励电压波形作比较。 注意事项：

音频信号频率一定要调整到次级线圈输出波形基本无失真，否则由于失真波形中有谐波成分，补偿效果将不明显。

此电路中差动放大器的作用是将次级线圈的二端输出改为单端输出。

实验二十三 电感式传感器—差动变压器的标定

实验目的：

说明差动变压器测试系统的组成和标定方法。 实验所需部件：

差动变压器、音频信号源、电感传感器实验模块、公共电路实验模块、螺旋测微仪、电压表、示波器

实验步骤：

1、按图（15）接线，连接主机与实验模块电源，示波器接相敏检波器①、②端，电压表接低通滤波器输出端，差动放大器稍有增益（10倍左右）即可。

（图15）

2、打开主机电源，调节音频信号源输出频率，使次级线圈波形不失真，用手将中间铁芯移至最左端，然后调节移相器，当示波器两通道所示波形正好是同相或反相时，将铁心重新安装到位移装置上，用测微仪将铁芯置于线圈中部（可利用实验二十二、二十三的结果），调节电桥WD、WA电位器使系统输出电压为零。

3、用测微仪分别带动铁芯向左和向右位移5mm，每位移0.5mm记录一电压值并填入下表：

位移 mm 电压V 0 0 作出V-X曲线，求出灵敏度S S=△V/△X，指出线性工作范围。 注意事项：

观察相敏检波器①、②端波形时示波器各功能键及“触发”选择要正确，否则可能看不到正确的波形相位的变化。

实验二十四 差动变压器的振动测量

实验目的：

了解差动变压器的实际运用情况。 实验所需部件：

差动变压器、音频信号源、电感传感器实验模块、公共电路实验模块、电压/频率表、示波器、振动平台 实验步骤：

1、将模块单元上的电感传感器拆下安装在主机振动平台旁的支架上，铁心安装在振动圆盘的固定螺丝上，仔细调节，使之能自由振荡，电感连接线不够长可串接。按实验二十三系统接线并调整输出电压为零

2、激振选择开关倒向“激振I”，开启主机电源，调节低频信号源，使铁芯在振动台的带动下在线圈中上下振动。

3、维持低频信号源输出信号幅值不变，改变振荡频率从5Hz~30Hz（用频率表监控低频VO端），示波器观察低通滤波的输出，将各激振频率下Vp-p值记入下表：

F（Hz） 5 V0p-p 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 18 20 22 24 26 30 作出V-F曲线，指出安装平台的悬臂梁的自振频率。 注意事项：

仪器中上、下两副悬臂梁因尺寸不同，所以固有振动频率不是一样的。 电感线圈的位置可根据实验需要调节螺杆稍上下位置，以静止时铁心置于线圈中间位置为好。

实验二十五 差动变压器的应用——电子秤

实验所需部件：

差动变压器、电感传感器实验模块、公共电路实验模块、电压表、振动平台、砝码、示波器 实验步骤：

1、按实验二十四装配与接线，将系统输出电压调节为零，低通滤波器输出接电压表2V挡。

2、将所有砝码放上振动平台，调节差动放大器增益，使输出电压与所称重量成一比例关系。

3、分别依次取走砝码和重新堆上砝码，将所称重量与输出电压值记入下表： W克 V0 作出V-W曲，并在取走砝码后在平台放一不知重量之物品，根据曲线坐标值大致求出此物重量。 注意事项：

由于悬臂梁的机械弹性滞后，此电子秤的重复性不一定太好。

实验二十六 电感传感器—差动螺管式传感器位移测量

实验原理：

差动螺管式电感传感器由电感线圈的二个次级线圈反相串接而成，工作在自感基础上，由于衔铁在线圈中位置的变化使二个线圈的电感量发生变化，包括两个线圈在内组成的电桥电路的输出电压信号因而发生相应变化。 实验所需部件：

差动变压器二组次级线圈、音频信号源、公共电路实验模块、电感传感器实验模块、电压表、示波器、测微仪

实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，按图（16）组成测试系统，模块上的两个次级线圈必须接成差动状态，差动放大器增益不要太大，具体调节注意点可参照实验二十三。

2、旋动测微仪使衔铁居中线圈，此时LO′=LO″，系统输出为零。 3、当衔铁在线圈中前后位移时，LO′≠LO″，电桥失衡，输出电压信号的大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁位移方向有关，衔铁向左和向右移动时输出波形相差约1800，（可用示波器观察相敏检波器①、②端），因此必须经过相敏检波器才能判断电压极性。

（图16）

以衔铁位置居中为起点，分别向前、后各位移5mm，记录V、X值并填入下表（每位移0.5mm记录一个数值）：

Xmm V0 0 0 依此做出V-X曲线，求出灵敏度S，指出线性工作范围。

实验二十七 差动螺管式电感传感器振幅测量

实验所需部件：

差动变压器二组次级线圈、音频信号源、低频信号源、公共电路实验模块、电感传感器实验模块、示波器、电压/频率表 实验步骤：

1、按实验二十四装配调整好系统各部器件及电路后，低频激振选择“激振I”。

2、开启主机电源，保持低频信号输出幅值不变，改变振荡频率，将动态测试结果记入下表：

振动频率 V0p-p 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 18 20 22 24 26 30 在坐标上作出V-F曲线 注意事项：

振动平台振动时以与周围各部件不发生碰擦为宜，否则会产生非正弦振动信号。

实验二十八 激励频率对电感传感器的影响

实验目的：

说明不同的激励信号频率对差动螺管式传感器的影响。 实验所需部件：

差动变压器二组次级线圈、音频信号源、电感传感器实验模块、公共电路实验模块、主机振动台、电压表、测微仪、示波器 实验步骤：

1、将音频信号频率从2KHz起每隔2KHz进行一次实验二十六的操作，并将结果记入下表：

Xmm V 2KHz 4KHz 6KHz 8KHz 10KHz 0 0 0 0 0 0 0 根据所测数据在同一坐标做出V-X曲线，计算灵敏度，得出灵敏度与激励频率的关系。

从上述实验中可以看出，电感传感器的灵敏度与频率特性密切相关，对一个系统来讲，某一特定频率时系统最为灵敏，故在测试系统中应选用这个激励频率。

实验二十九 光电传感器——光敏电阻实验

实验原理：

由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。 实验所需部件：

光敏电阻、光电传感器实验模块、电压表、示波器

（图17）

实验步骤：

（图18）

1、观察光敏电阻，分别将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测得其亮电阻和暗电阻，暗电阻和亮电阻之差为光电阻值。在给定工作电压下，通过亮电阻和暗电阻的电流为亮电流和暗电流，其差为光敏电阻的光电流。光电流越大，灵敏度越高。

2、连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，光敏电阻转换电路输出端V0接电压表与示波器。

3、开启主机电源，通过改变光敏电阻的光照程度，调节控制电位器，观察输出电压的变化情况。实验电路又是一个暗光亮灯控制电路，可以设定暗光程度，依次试验环境光照不同时光敏电阻控制亮灯的情况。

实验三十 光电传感器—光电开关（红外发光管与光敏三极管）

实验原理：

光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。

与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图（19）形式，就

形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。

（图19） 实验所需部件：

光电开关、测速电机、示波器、电压/频率表、光纤光电传感器实验模块 实验步骤：

1、观察光电开关结构：传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3μm左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。

2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，示波器接光电输出端。 3、开启主机电源，用手转动电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。

开启转速电机，调节转速，观察V0端连续方波信号输出，并用电压/频率表2KHz档测转速 转速=频率表显示值÷2

4、如欲用数据采集卡中的转速采集功能，须将V0输出端信号送入整形电路以便得到5VTTL电平输出的信号，整形电路输出端请接实验仪主机面板上的“转速信号入”端口，与内置的数据采集卡中的频率记数端接定。

实验三十一 光电传感器——热释电红外传感器

实验原理：

热释电红外传感器是一种红外光传感器，属于热电型器件，当热电元件PZT受到光照时能将光能转换为热能，受热的晶体两端产生数量相等符号相反的电荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。

实验所需部件：

热释电红外传感器、菲涅耳透镜、温控电加热炉、温度传感器实验模块、电压表、示波器

（图20）热释电传感器结构及电路原理

实验步骤：

1、观察传感器探头，探头表面的滤光片使传感器对10μm左右的红外光敏感，安装在传感器前的菲涅耳透镜是一种特殊的透镜组，每个透镜单元都有一个不大的视场，相邻的两个透镜单元既不连续也不重叠，都相隔一个盲区，它的作用是将透镜前运动的发热体发出的红外光转变成一个又一个断续的红外信号，使传感器能正常工作。

2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，转换电路输出端接电压表。 3、开启主机电源，待传感器稳定后，人体从传感器探头前移过，观察输出信号电压变化，再用手放在探头前不动，输出信号不会变化，这说明热释电传感器的特点是只有当外界的幅射引起传感器本身的温度变化时才会输出电信号，即热释电红外传感器只对变化的温度信号敏感，这一特性就决定了它的应用范围。

4、将传感器探头对准加热炉方向，开启加热炉并将温度控制在50℃左右，用遮挡物断续探头前面的热源，观察传感器的反应。

5、在传感器探头前加装菲涅耳透镜，试验传感器的探测视场和距离，以验证菲涅透镜的功能。

实验三十二 PSD光电位置传感器实验

实验原理：

PSD（Position sensitive detector）是一种新型的横向光电效应器件，当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生光生电流I，经运算后即可知光点的位置。

（图21）PSD器件工作原理

实验所需部件：

PSD传感器、固体激光器、位移装置、PSD光电位置传感器实验模块、电压表、示波器 实验步骤：

1、观察PSD器件及安装位置，激光器置于PSD组件中，调节反射体（被测物）与激光管的位置大约为70~80mm ,模块输出V0端接电压表及示波器，连接主机与实验模块的电源线及传感器探头。

2、开启主机电源，连接激光器电源并调节激光光点，激光束射到被测物体后其漫反射光经透镜聚焦入射PSD光敏面（激光器的光点位置可以旋转调整，以提高PSD器件的光电流输出），调节位移装置，使光斑位于PSD光敏面中点（通过观察窗口确认），调节模块“增益”旋钮，用示波器观察，输出波形不应有自激，此时模块电路输出为零。

3、分别向前和向后位移被测体，每位移0.1mm记录一电压值，并记入下表： Xmm V0mv 作出V-X曲线，计算灵敏度，分析工作线性。

4、用遮挡物盖住观察窗口，使PSD器件不受背景光影响，重新进行位移测试，看结果是否有变化。 注意事项：

本实验仪中的固体激光器只能作为实验光源之用，严禁实验者用激光光束照射人的眼睛，否则将会造成视力不可恢复的伤害。

需注意的是由于背景光的影响及变化，会使多次实验的结果有所不同。

实验三十三 光纤传感器——位移测量

实验原理：

反射式光纤传感器工作原理如图（22）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。

（图22）

实验所需部件：

光纤（光电转换器）、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋测微仪、反射镜片 实验步骤：

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V0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V0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表：

Xmm V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 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。

实验三十四 光纤传感器——动态测量

实验所需部件：

光纤、光纤光电传感器实验模块、安装支架、反射镜片、转速电机、电压表、示波器、低频信号源 实验步骤：

1、利用实验三十三结果，将光纤探头装至主机振动平台旁的支架上，在圆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700，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V0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。

实验三十五 光纤传感器——转速测量

实验步骤：

1、紧接实验三十四，光纤端面垂直对准电机叶片，开启电机，示波器观察V0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V0端输出信号送入TTL整形电路Vi端，F0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。

主机上的电机所用直流电源为直流稳压电源-2V~-10V，实验完成后应及时将钮子开关复位以保证稳压电源（负电源）工作正常。

实验三十六 霍尔式传感器——直流激励特性

实验原理：

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。

WD R +2V 差动放大器 电压表

－ ＋

（图23）

实验所需部件：

霍尔传感器、直流稳压电源（2V）、霍尔传感器实验模块、电压表、测微仪 实验步骤：

1、安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，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，实验接线按图（23）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： Xmm V0mv 0 0 作出V-X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。

实验三十七 霍尔传感器——交流激励特性

实验目的：

了解和掌握交流信号激励的霍尔传感器测试系统的一般形式。

实验所需部件：

霍尔传感器、音频信号源、霍尔传感器实验模块、公共电路实验模块、螺旋测微仪、电压表、示波器 实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，按图（24）接好实验电路，差动放大器增益适当，音频信号输出从1800端口（电压输出）引出，幅度Vp-p≤4V，示波器两个通道分别接相敏检波器①、②端。

（图24）

2、开启主机电源，按实验十交流全桥的调节方式调节移相器及电桥，使霍尔元件位于磁场中间时输出电压为零。

3、调节测微仪，带动霍尔元件在磁场中前后各位移3.5mm，记录电压读数并记入下表：

Xmm Vmv 0 0 作出V-X曲线，求出灵敏度，并与直流激励测试系统进行比较。 注意事项：

交流激励信号勿从00或LV端口输出。

实验三十八 霍尔传感器——振幅测量

实验所需部件：

霍尔传感器、音频信号源、低频信号源、激振器（I）、直流稳压电源、霍尔传感器实验模块、公共电路实验模块、示波器 实验步骤：

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。按实验三十六连接实验连接线。

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、重按实验三十七接线，调节移相器、电桥，使低通滤波器输出电压波形正负对称。

5、接通“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，试解释激励源为交流且信号变化也是交流时需用相敏检波器的原因。

实验三十九 电涡流传感器—静态标定

实验原理：

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（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，将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。 实验所需部件：

电涡流传感器、电涡流传感器实验模块、螺旋测微仪、电压表、示波器

（图25）

（ 图25）

实验步骤：

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（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V-X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。

Xmm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 V0v 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V0变小，并造成初始位置附近的一段死区，示波器探头不接输入端即可解决这个问题。

实验四十 被测材料对电涡流传感器特性的影响

实验所需部件：

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