自动检测实验--THSRZ-1实验指导书 - 图文

THSRZ-1型传感器系统综合实验装置 简介

一、概述

THSRZ-1型传感器系统综合实验装置适应不同类别、不同层次专业教学实验、培训、考核的需求，是一套多功能、全方位、综合性、动手型的实验装置，可以与普教中的“物理”，职教、高教中的“传感器技术”、“工业自动化控制”、“非电测量技术与应用”、“工程检测技术与应用”等课程的教学实验配套。

二、设备构成

实验台主要由试验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。 1. 实验台部分

这部分设有1k～10kHz 音频信号发生器、1～30Hz 低频信号发生器、四组直流稳压电源：±15V、+5V、±2~±10V、2~24V可调、 数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。

2. 三源板部分

热源：0~220V交流电源加热，温度可控制在室温~120 oC，控制精度±1 oC。 转动源：2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500 rpm。 振动源：振动频率1Hz—30Hz（可调）。

3. 处理（模块）电路部分

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、温度检测与调理、压力检测与调理等共十个模块。

4. 数据采集、分析部分

为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了USB数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件）。14位A/D转换、采样速度达300kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图以及对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务、软件与硬件互动、软件与硬件组成系统的功能。更注重考虑根据不同数据设定采集的速率。

本实验台，作为教学实验仪器，大多传感器基本上都做成透明，以便学生有直观的认识，测量连接线用定制的接触电阻极小的迭插式联机插头连接。

三、实验内容

结合本装置的数据采集系统，不需另配示波器，可以完成大部分常用传感器的实验及应用。包括金属箔应变传感器、差动变压器、差动电容、霍耳位移、霍耳转速、磁电转速、扩散硅压力传感器、压电传感器、电涡流传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器（AD590）、K型、E型热电偶、PT100铂电阻、湿敏传感器、气敏传感器共17种，三十多个实验。

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THSRZ上位机软件使用说明

THSRZ传感器实验系统上位机软件使用说明

THSZR-1传感器实验系统是和浙江天煌科技实业有限公司生产的THSRZ-1型 传感器实验台配套的上位机软件，使用本软件之前先确认安装了USB数据采集以及采集卡的驱动程序。

在桌面上找到如下图标：

如果数据采集卡和电脑连接好并且安装好了驱动程序，程序将进入到主程序界面，否则程序将弹出如下所示对话框：

在确定安装了驱动和正确连接采集卡的情况下程序将进入如下所示的界面：

程序主要包括了工具栏、菜单栏、状态栏、控制栏等。 1、 菜单栏

菜单栏包括系统、示波器、视图、工具、帮助五大下拉项目。

其中系统中包括开始采集、停止采集、退出三个选项。当单击开始采集的时候，开始采集按钮将会变灰（不能使用），同时停止采集按钮被激活，工具栏上的采集和关闭按钮也会作出相应的变化。此时示波器将会显示采集到的波形。

2

示波器包括暂停显示、波形同步、波形操作、波形复位、基准复位、波形清除、波形复制七个选项。其中波形操作又包括有XY轴放大、X轴放大、Y轴放大、波形抓取、十字跟踪五个选项。

暂停显示 － 就是让波形停止在这个时候，但是采集还在继续。 波形同步 － 同步显示波形。 波形操作：

XY轴放大 — 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏。 X轴放大 — 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。 Y轴放大 — 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。 波形抓取 － 在此操作模式下，可以对波形进行抓取移动。 十字跟踪 — 在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。 波形复位 － 在放大波形的情况下还原到波形的初始状态。 基准复位 － 复位控制区里的水平，基准按钮到初始状态。 波形清除 － 清除示波器中的波形。

波形复制 － 将示波器中的图形复制到剪贴板中，这样可以方便将图形粘贴到其他程序中，比如windows自带的画板程序。

视图包括工具栏、状态栏和控制栏三个项目。这三个栏目是用来显示工具栏、状态栏＆控制栏的。入下所示：

工具包括实验数据处理和计算器这两个项目。单击实验数据处理项目将会出现画图工具程序，在程序中手动填入数据然后单击确定将会进入到曲线拟合程序。如下图所示：

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根据需要选择不同的拟合方式，然后单击显示曲线将会出现不同的拟合曲线。拟合方式有线性拟合、曲线拟合，其中曲线拟合又包括双曲线拟合和抛物线拟合。图形显示如下：

线性拟合

4

双曲线拟合

抛物线拟合

单击计算器将会弹出一个计算器出来，入下图所示：

帮助只有一个关于THSRZ-1的选项。单击后将出现如下图形：

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目 录

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 直流全桥的应用――电子秤实验 实验五 交流全桥的应用――振动测量实验 实验六 扩散硅压阻压力传感器差压测量实验 实验七 差动变压器的性能实验

实验八 差动变压器零点残余电压补偿实验 实验九 激励频率对差动变压器特性的影响实验 实验十 差动变压器的应用――振动测量实验 实验十一 电容式传感器的位移特性实验 实验十二 电容传感器动态特性实验

实验十三 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 实验十四 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 实验十五 霍尔测速实验

实验十六 霍尔式传感器振动测量实验 实验十七 磁电式转速传感器的测速实验 实验十八 压电式传感器振动实验 实验十九 电涡流传感器的位移特性实验

实验二十 被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特性影响实验 实验二十一 电涡流传感器测量振动实验 实验二十二 光纤传感器的位移特性实验 实验二十三 光纤传感器的测速实验 实验二十四 光纤传感器测量振动实验 实验二十五 光电转速传感器的转速测量实验 实验二十六 PT100温度控制实验

实验二十七 集成温度传感器的温度特性实验 实验二十八 铂电阻温度特性实验 实验二十九 K型热电偶热电偶测温实验 实验三十 E型热电偶测温实验 实验三十一 热电偶冷端温度补偿实验＊ 实验三十二 气敏传感器实验 实验三十三 湿敏传感器实验 实验三十四 转速控制实验* 打*号为演示实验，选做。

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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：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l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，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，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

图1-2

7

通过这些应变片转换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为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

Uo=

E?R/R （1-1） ?1?R41??2RE为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=?1?R??100%。 2R1．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，

四、实验内容与步骤

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Uo2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。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。 重量(g) 电压(mV) 五、实验报告

表1－1

根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..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；yF·S为满量程（200g）输出平均值。 六、注意事项

加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

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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 Uo=EKε/2 =

E?R （2-1） ?2RE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。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表，关闭电源。 表2-1 重量(g) 五、实验报告

根据表2-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δ六、思考题

引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？

f2

电压(mV)

图2-1

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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=KEε （3-1）

E为电桥电源电压，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。 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 3-1接线， 将受力相反（一片受拉， 一片受压）的两对应变 片分别接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调

零，参考实验一步骤4。 图3-1

5．在应变传感器托 盘上放置一只砝码，读取 数显表数值，依次增加砝 码和读取相应的数显表值 ，直到200g砝码加完，

计下实验结果，填入下表3-1，关闭电源。 表3-1 重量(g) 电压(mV) 五、实验报告

根据记录表3-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δ六、思考题

f3

比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

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实验四 直流全桥的应用——电子称实验

一、实验目的：

了解直流全桥的应用及电路的定标 二、实验仪器：

同实验一 三、实验原理：

电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。 四、实验内容与步骤

1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。

2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。

4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。 5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入表4-1。

6．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。根据实验数据，求出重物的重量。

表4-1 重量(g) 电压(V) 五、实验报告

根据计入表4-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δ

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f4

实验五 交流全桥的应用——振动测量实验

一、实验目的：

了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法 二、实验仪器：

振荡器、万用表（自备）、应变传感器模块、通信接口（包括采集卡及上位机软件）、振动源、三源板上的应变输出、应变输出专用连接线。 三、实验原理：

将应变传感器模块电桥的直流电源E换成交流电源E，则构成一个交流全桥，其输出 u= E ? ? R ，用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。

??四、实验内容与步骤：

1．不用模块上的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到三源板的“应变输出”。 2．将台面三源板上的应变输出用连接线接到应变传感器实验模块的黑色插座上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。对角线的阻值为350Ω，若二组对角线阻值均为350Ω则接线正确（万用表测量）。

3．根据图5-1， 接好交流电桥调平衡 电路及系统，R8、Rw1 、C、Rw2为交流电桥 调平衡网络。检查接 线无误后，合上主控 台电源开关，将音频 振荡器的频率调节到 1KHz左右，幅度峰 -峰值调节到Vp-p= 10V（频率用频率/转 速表监测，幅度用上

位机监测）。 图5-1

4．调节Rw1、Rw2使上位机采集到一条在零点的直线。

5．将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台(圆盘)明显有振动。

6．低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率（用频率/转速表监测），用上位机检测频率改变时差动放大器输出调制波包络的电压峰－峰值，填入下表。 f(Hz) Vo(p-p) 五、实验报告

从表5-1的实验数据得出振动梁的共振频率。

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R 实验六 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验

一、实验目的：

了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器

压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V、±15V。 三、实验原理

在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。

实验原理图如图6.1所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1

1．接入+5V、±15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。

4．调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。

5．气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。

6．保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.095Mpa；填入表6-1。 P(KP) Uo2（V） 7．保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa；填入表6-2。 P(KP) Uo2（V） 8．保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力为0.005Mpa；填入表6-3。 P(KP) Uo2（V） 9．保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力为0.005Mpa；填入表6-4

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P(KP) Uo2（V） 五、实验报告

1．根据表6-1、6-2、6-3所得数据，计算压力传感器输入P（P1-P2）—输出Uo2曲线。计算灵敏度L=ΔU/ΔP，非线性误差δf。

图6-1

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实验七 差动变压器性能实验

一、实验目的

了解差动变压器的工作原理和特性 二、实验仪器

差动变压器模块、测微头、通信接口（含上位机软件）、差动变压器、信号源、直流电源。 三、实验原理

差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。输出的变化反映了被测物体的移动量。 四、实验内容与步骤

1．根据图7-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。

图7-1 图7-2

2．将传感器引线插头插入实验模块的插座中，音频信号由振荡器的“00”处输出，打开主控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用上位机软件检监测），使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V，按图7-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出，接放大器输入端）。

3．用上位机观测Uo的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入下表7－1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。 五、实验报告

1．实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表7－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

表（7-1）差动变压器位移X值与输出电压数据表。 V(mV) X(mm)

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实验八 差动变压器零点残余电压补偿实验

一、实验目的：

了解差动变压器零点残余电压补偿的方法 二、实验仪器：

差动变压器模块、测微头、通信接口（含上位机）、差动变压器、信号源、直流电源。 三、实验原理：

由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列不均匀性，次级线圈的不均匀，不一致性，铁芯的B-H特性非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出并不为零，称其为零点残余电压。 四、实验内容与步骤

1．安装好差动变压器，利用上位机观测并调整音频振荡器“00”输出为4KHz ，2V峰－峰值；按图8-1接线。

2．实验模块R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。 3．用上位机监测放大器输出；

4．调整测微头，使放大器输出信号最小。

5．依次调整RW1、RW2，使上位机显示的电压输出波形幅值降至最小。 6．此时上位机显示即为零点残余电压的波形。

7．记下差动变压器的零点残余电压值峰－峰值（Vop-p）。（注：这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压＝V零点 p-p／K，K为放大倍数）。

8．可以看出，经过补偿后的残余电压的波形是一不规则波形，这说明波形中有高频成分存在。

图8-1

五、实验报告

1．分析经过补偿的零点残余电压波形。

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实验九 激励频率对差动变压器特性的影响实验

一、实验目的：

了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响 二、实验仪器：

同实验七 三、实验原理：

差动变压器输出电压的有效值可以近似表示为： Uo??(M1?M2)?UiR??L2p22p 式9-1

式9-1中Lp、Rp为初级线圈的电感和损耗电阻，Ui、ω为激励信号的电压和频率，M1、 M2为初级与两次级线圈的互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，RP2＞ ω2LP2，则输出电Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与 ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，影响系统的稳定性。 四、实验内容与步骤

1．按照实验七安装传感器和接线。开启主控台电源开关。 2．选择音频信号的频率为1KHz，Vp-p=2V。（用上位机监测）。

3．用上位机观察Uo输出波形，移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置。固定测微头。

4．旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置1mm处，使Uo有较大的输出。

5．分别改变激励频率从1KHZ―9KHZ，幅值不变，频率由频率/转速表监测。将测试结果记入表9－1

表9-1激励频率与输出电压的关系。 F(Hz) V0(V) 1KHz 2 KHz 3 KHz 4 KHz 5 KHz 6 KHz 7 KHz 8 KHz 9 KHz 五、实验报告

1．根据表9-1作出幅频特性曲线。

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实验十 差动变压器的应用——振动测量实验

一、实验目的：

了解差动变压器测量振动的方法。 二、实验仪器：

振荡器、差动变压器模块、相敏检波模块、频率/转速表、振动源、直流稳压电源。通信接口（含上位机软件）。 三、实验原理：

利用差动变压器测量动态参数与测量位移的原理相同，不同的是输出为调制信号要经过检波才能观测到所测动态参数。 四、实验内容与步骤

1．将差动变压器按图10-1安装在三源板的振动源单元上。

图10-1

2．将差动变压器的输入输出线连接到差动变压器模块上，并按图10-2接线。

图10-2

3．检查接线无误后，合上主控台电源开关，用上位机观察音频振荡器“00”输出端信号峰－峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vp-p=2V。

4．用上位机观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使上位机显示的波形幅值为最小。用“紧定旋钮”固定。

5．仔细调节RW1和RW2使相敏检波器输出波形幅值更小，基本为零点。用手按住振动平

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台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使上位机显示的波形为一个接近全波整流波形。松手，整流波形消失变为一条接近零点线。（否则再调节RW1和RW2）

6．振动源“低频输入”接振荡器“低频输出”，调节低频输出幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。分别用上位机软件观察放大器Uo1、相敏检波器的Uo2及低通滤波器的Uo3的波形。

7．保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验八相同）用上位机软件观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表10－1

表10－1

f(Hz) Vp-p(V) 五、实验报告

1．根据实验结果作出梁的振幅――频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。

2．保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Up-p曲线（定性）。 六、注意事项

1．低频激振电压幅值不要过大，以免梁在共振频率附近振幅过大。

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实验十一 电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解电容传感器的结构及特点 二、实验仪器：

电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源 三、实验原理：

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理： C??Sd??0??r?Sd （11-1）

式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε可以看出当被测物理量使S、d或ε

0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由此

r发生变化时，电容量

C随之发生改变，如果保持其中两个

参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。

图11-1 四、实验内容与步骤

1．按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。

图11-2

20

2．将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。

3．接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。（Rw确定后不能改动）

4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表11-1 X(mm) V(mV) 五、实验报告：

1．根据表11-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

21

实验十二 电容传感器动态特性实验

一、实验目的：

了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。 二、实验仪器：

电容传感器、电容传感器模块、相敏检波模块、振荡器频率/转速表、直流稳压电源、振动源、通信接口（含上位机软件）。 三、实验原理：

与电容传感器位移特性实验原理相同 四、实验内容与步骤：

1．传感器的安装如图10-1，传感器引线接入传感器模块，输出端Uo接相敏检波模块低通滤波器的输入Ui端，低通滤波器输出Uo接通信接口CH1。调节Rw到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮”使电容传感器的动极板处于中间位置，Uo输出为0。

2．主控台振荡器“低频输出”接到振动台的“激励源”，振动频率选“5-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。

3．将主控台±15V的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开主控台总电源，调节振动源激励信号的幅度，用通信接口CH1观察实验模块输出波形。

4．保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变，改变振动频率（用数显频率计监测），从上位机测出Uo输出的峰-峰值。保持频率不变，改变振荡器“低频输出”的幅度，测量Uo输出的峰-峰值。 五、实验报告：

1．分析差动电容传感器测量振动的波形。

22

实验十三 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解霍尔传感器的原理与应用。 二、实验仪器：

霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。 三、实验原理：

根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为灵敏度系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。 四、实验内容与步骤

1．将霍尔传感器按图13-1安装，传感器引线接到霍尔传感器模块9芯航空插座。按图13-2接线。

2．开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“1cm”处，手动调节测微头的位置，先使霍尔片大概在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw1使数显表显示为零。

3．分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表 X（mm） U(mV) 表13-1

图13-2 霍尔传感器直流激励接线图 五、实验报告

作出U－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

23

实验十四 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解交流激励时霍尔传感器的特性 二、实验仪器：

霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。 三、实验原理：

交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。 四、实验内容与步骤：

1．传感器的安装如图13-1，接线如下图。

图14-1

2．调节振荡器的音频调频和音频调幅旋钮，使音频振荡器的“00”输出端输出频率为1K，Vp-p=4V的正弦波（注意：峰峰值不应过大，否则烧毁霍尔组件）。

3．开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“10mm”处，手动调节测微头的位置，使霍尔片大概在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw1使数显表为零。

4．分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表。 X（mm） U(mV) 表14-1 五、实验报告

作出U－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

24

实验十五 霍尔测速实验

一、实验目的：

了解霍尔组件的应用—测量转速。 二、实验仪器：

霍尔传感器、+5V、2～24V直流电源、转动源、频率/转速表。 三、实验原理；

利用霍尔效应表达式：UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。 四、实验内容与步骤

1．安装根据图15-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。

图15-1

2．将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。“2～24V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。

3．合上主控台电源，调节2～24V输出，可以观察到转动源转速的变化。也可通过通信接口的第一通道CH1，用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。 五、实验报告

1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。

25

实验十六 霍尔式传感器振动测量实验

一、实验目的：

了解霍尔组件的应用—测量振动 二、实验仪器：

霍尔传感器模块、霍尔传感器、振动源、直流稳压电源、通信接口 三、实验原理：

这里采用直流电源激励霍尔组件，原理参照实验十三 四、实验内容与步骤

1．将霍尔传感器按图10-1安装在振动台上。传感器引线接到霍尔传感器模块的9芯航空插座。按下图接线。打开主控台电源。

图16-1

2．先将传感器固定在传感器支架的连桥板上，调节“紧定旋钮”和“微动升降旋钮”使霍尔传感器大致处于磁芯的中间位置，调节Rw1使输出Uo为0；调节“低频调幅”旋钮到中间位置，调节“低频调频”旋钮使低频输出为5Hz，将实验台上的“低频输出”接到三源板的“激振源输入”，使振动梁振动。

3．通过通信接口的CH1通道用上位机软件观测其输出波形。可调节“低频调幅”和“低频调频”旋钮，观测振动源在不同振幅和频率的波形。（避免在“低频调幅”最大的时候使振动台达到共振，共振频率13Hz左右，以免损坏传感器） 五、实验报告

1．选择不同的中心点测量振动，比较霍尔输出波形的变化，并分析其原因 2．考虑用交流激励霍尔组件，输出应是什么波形。

26

实验十七 磁电式传感器的测速实验

一、实验目的：

了解磁电式传感器的原理及应用。 二、实验仪器：

转动源、磁电感应传感器、2～24V直流电源、频率/转速表、通信接口（含上位机软件） 三、实验原理：

磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即e??d?d???W 其中W是线圈匝数，Φ线dtdt圈所包围的磁通量。若线圈相对磁场运动速度为v或角速度?，则上式可改为e=-WBlv或者

e=-WBS?，l为每匝线圈的平均长度；B线圈所在磁场的磁感应强度；S每匝线圈的平均截面积。

四、实验内容与步骤

1．按下图安装磁电感应式传感器。传感器底部距离转动源4～5mm（目测），“转动电源”接到2～24V直流电源输出（注意正负极，否则烧坏电机）。磁电式传感器的两根输出线接到频率/转速表。

2．调节2～24V电压调节旋钮，改变转动源的转速，通过通信接口的CH1通道用上位机软件观测其输出波形。

图17-1

五、实验报告

1．分析磁电式传感器测量转速原理。

27

实验十八 压电式传感器振动实验

一、实验目的：

了解压电式传感器测量振动的原理和方法。 二、实验仪器：

振动源、低频振荡器、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块 三、实验原理：

压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。 四、实验内容与步骤

1．压电传感器已安装在振动梁的圆盘上。

2．将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按下图18-1接线，合上主控台电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅逐渐增大（直到共振）。

3．将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端Ui1，Uo1接Ui2，Uo2接移相检波低通模块低通滤波器输入Ui，输出Uo接通信接口CH1，用上位机观察压电传感器的输出波形Uo。

图18-1

五、实验报告

1．改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值。

28

实验十九 电涡流传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、实验仪器：

电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表、测微头。 三、实验原理：

通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 四、实验内容与步骤

1．按下图19-1安装电涡流传感器。

图19-1

2．在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。

图19-2

3．传感器连接按图19-2，将电涡流传感器连接线接到模块上标有“用连接导线从主控台接入+15V电源。

29

”的两端，实

验范本输出端Uo与数显单元输入端Ui相接。数显表量程切换开关选择电压20V档，模块电源

4．合上主控台电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表19-1。 X（mm） UO(V) 表19-1

五、实验报告

1．根据表19-1数据，画出U－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，并计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端点法或其它拟合直线）。

30

实验二十 被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特性影响实验

一、实验目的：

了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。 二、实验仪器：

除实验十九所需仪器外，另加铜和铝的被测体圆盘。 三、实验原理：

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。在实际应用中，由于被测体的材料、形状和大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。 四、实验内容与步骤：

1．安装图及接线图与实验十九相同。

2．重复实验十九的步骤，将铁质金属圆盘分别换成铜质金属圆盘和铝质金属圆盘。将实验资料分别记入下面表20-1、20-2。

表20-1 铜质被测体 X（mm） V(V) 表20-2 铝质被测体 X（mm） V(V) 3．重复实验二十的步骤，将被测体换成比上述金属圆片面积更小的被测体，将实验资料记入下表20-3。

表20-3 小直径的铝质被测体 X（mm） V(V) 五、实验报告

1．根据表20-1、表20-2和表20-3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

31

实验二十一 电涡流传感器测量振动实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。 二、实验仪器：

电涡流传感器、振动源、低频振荡器、直流稳压电源、电涡流传感器模块、通信接口（含上位机软件）、铁质圆片。 三、实验原理：

根据电涡流传感器动态特性和位移特性，选择合适的工作点即可测量振幅。 四、实验内容与步骤

1．将铁质被测体平放到振动台面的中心位置，根据图21-1安装电涡流传感器，注意传感器端面与被测体振动台面（铁材料）之间的安装距离即为线形区域（可利用实验二十中铁材料的特性曲线找出）。

2．将电涡流传感器的连接线接到模块上标有“

”的两端，模块电源用连接导线从

主控台接入+15V电源。实验模板输出端与通信接口的CH1相连。将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”端，“低频调频”调到最小位置、“低频调幅”调到最大位置，合上主控台电源开关。

3．调节“低频调频”旋钮，使振动台有微小振动（不要达到共振状态）。从上位机观察电涡流实验模块的输出波形。（注意不要达到共振，共振时，幅度过大，振动面可能会面传感器接触，容易损坏传感器）

图21-1

五、思考题：

1．有一个振动频率为10KHz的被测体需要测其振动参数，你是选用压电式传感器还是电涡流传感器或认为两者均可？

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实验二十二 光纤传感器位移特性实验

一、实验目的：

了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。 二、实验仪器：

光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。 三、实验原理：

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图22-1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

图22-1 反射式光纤位移传感器原理 图22-2 光纤位移传感器安装示意图 四、实验内容与步骤

1．光纤传感器的安装如图22-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。接通电源预热数分钟。

2．将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。 3．实验模块从主控台接入±15V电源，合上主控台电源。

4．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。 5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值， 填入下表22-1 X（mm） Uo(V) 五、实验报告

1．根据所得的实验数据，确定光纤位移传感器大致的线性范围，并给出其灵敏度和非线性

33

误差。

实验二十三 光纤传感器的测速实验

一、实验目的：

了解光纤位移传感器用于测转速的方法。 二、实验仪器：

光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、直流稳压电源、数显直流电压表、频率/转速表、转动源、通信接口（含上位机软件）。 三、实验原理：

利用光纤位移传感器探头对旋转被测物反射光的明显变化产生电脉冲，经电路处理即可测量转速。

四、实验内容与步骤

1．将光纤传感器按图17-1安装在传感器支架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头距离反射点1mm左右（在光纤传感器的线性区域内）。

2．用手拨动一下转盘，使探头避开反射面（避免产生暗电流），接好实验模块±15V电源，模块输出Uo接到直流电压表输入。调节Rw使直流电压表显示为零。（Rw确定后不能改动）

3．将模块输出Uo接到频率/转速表的输入“fin”。

4．将2~24V直流电源先调到最小，接到三源板的“转动电源”输入端，合上主控台电源开关，逐步增大2~24V输出，用直流电压表监测转动源的驱动电压，并记下相应的频率/转速表读数。

五、思考题

1．光纤位移传感器测转速时，对转动源的表面有些什么要求？

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实验二十四 光纤传感器测量振动实验

一、实验目的：

了解光纤传感器动态位移性能。 二、实验仪器：

光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、 实验原理：

利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实验内容与步骤

1．光纤位移传感器安装如图24-1所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。

图24-1

2．根据实验二十三的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动

台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。

3．将光纤传感器的另一端的两根光纤插到光纤位移传感器实验模块上（参考图22-2），接好模块±15V电源，模块输出接到通信接口CH1通道。振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”端，并把低频调幅旋钮打到最大位置，低频调频旋钮打到最小位置。

4．合上主控台电源开关，逐步调大低频输出的频率，使振动平台发生振动，注意不要调到共振频率，以免振动梁发生共振，碰坏光纤探头，通过通信接口CH1用上位机软件观察输出波形，并记下幅值和频率。

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实验二十五 光电转速传感器的转速测量实验

一、实验目的：

了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。 二、实验仪器：

转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、通信接口（含上位机软件）。 三、实验原理：

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。

四、实验内容与步骤

1．光电传感器已安装在转动源上，如下图所示。2~24V电压输出接到三源板的“转动电源”输入，并将2～24V输出调节到最小，+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“fin”。

2．合上主控制台电源开关，逐渐增大2～24V输出，使转动源转速加快，观测频率/转速表的显示，同时可通过通信接口的CH1用上位机软件观察光电传感器的输出波形。

图25-1 五、思考题

已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较那种方法最简单、方便。

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实验二十六 PT100温度控制实验

一、实验目的：

了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理。 二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、温度源。 三、实验原理：

位式调节

位式调节（ON/OFF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。

PID智能模糊调节

PID智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（AT）功能使得无需设置控制参数。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。

温度控制基本原理

由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。本实验仪采用PID智能模糊+位式双重调节控制温度。用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可节约实验时间。

当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Pt100的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。PID智能温度控制原理框图如图26-1所示。

图26-1 PID智能温度控制原理框图

四、 实验内容与步骤

1．在控制台上的“智能调节仪”单元中“控制对象”选择“温度”，并按图26-2接线。 2．将2～24V输出调节调到最大位置，打开调节仪电源。

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3．按住位置，按

或

3秒以下，进入智能调节仪A菜单，仪表靠上的窗口显示“键可修改靠下窗口的设定值。否则提示“

”，靠下窗口显”可改变小数点

3秒以

示待设置的设定值。当LOCK等于0或1时使能，设置温度的设定值，按“下，回到初始状态。

4．按住

3秒以上，进入智能调节仪B菜单，靠上窗口显示“

”可改变小数点位置，按

或

”表示已加锁。再按

”，靠下窗口显示待

设置的上限偏差报警值。按“

5．继续按按按“

、6．继续按7．继续按8．继续按9．继续按10、继续按按“

11、继续按正参数值，按“

12、继续按值，按“或

13、继续按数值。（参考值0）

键可修改靠下窗口的上限报

警值。上限报警时仪表右上“AL1”指示灯亮。（参考值0.5）

键3秒以下，靠上窗口显示“

”，靠下窗口显示待设置的自整定开关，

设置，“0”自整定关，“1”自整定开，开时仪表右上“AT”指示灯亮。

键3秒以下，靠上窗口显示“dP”，靠下窗口显示待设置的仪表小数点位数，

或

键可修改靠下窗口的比例参数值。（参考值1）

”””

键3秒以下，靠上窗口显示“P”，靠下窗口显示待设置的比例参数值，按“

或或或

键可修改靠下窗口的比例参数值。 键可修改靠下窗口的积分参数值。 键可修改靠下窗口的微分参数值。

或

键可修改靠下窗口的输出周期参数值。

或

键可修改靠下窗口的测量显示误差休正参

键3秒以下，靠上窗口显示“I”，靠下窗口显示待设置的积分参数值，按“键3秒以下，靠上窗口显示“d”，靠下窗口显示待设置的微分参数值，按“

”可改变小数点位置，按

可改变小数点位置，按可改变小数点位置，按可改变小数点位置，按

键3秒以下，靠上窗口显示“T”，靠下窗口显示待设置的输出周期参数值，键3秒以下，靠上窗口显示“SC”，靠下窗口显示待设置的测量显示误差休”可改变小数点位置，按

”可改变小数点位置，按

键3秒以下，靠上窗口显示“UP”，靠下窗口显示待设置的功率限制参数

或

键可修改靠下窗口的功率限制参数值。（参考值100%）

键3秒以下，靠上窗口显示“LCK”，靠下窗口显示待设置的锁定开关，按

键3秒以下，回到初始状态。

”可改变小数点位置，按

键可修改靠下窗口的锁定开关状态值，“0”允许A、B菜单，“1”只允许A菜单，“2”

禁止所有菜单。继续按控制的效果。 五、实验报告

14、设置不同的温度设定值，并根据控制理论来修改不同的P、1、D、T参数，观察温度

1．简述温度控制原理并画出其原理框图。

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图26-2

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实验二十七 集成温度传感器的温度特性实验

一、实验目的：

了解常用的集成温度传感器（AD590）基本原理、性能与应用。 二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、AD590、温度源、温度传感器实验模块。 三、实验原理：

集成温度传感器AD590是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量。温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极-发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。本实验仪采用电流输出型集成温度传感器AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性。AD590的灵敏度（标定系数）为1?A/K，只需要一种＋4V～＋30V电源（本实验仪用+5V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2=100Ω）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。电流输出型比电压输出型的测量精度更高。 四、实验内容与步骤

1．重复实验二十六，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入集成温度传感器AD590。

2．将±15V直流稳压电源接至温度传感器实验模块。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。

3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。

4．拿掉短路线，按图27-1接线，并将AD590两端引线按插头颜色（一端红色，一端蓝色）插入温度传感器实验模块中（红色对应a、蓝色对应b）。

5．将R6两端接到差动放大器的输入Ui，记下模块输出Uo2的电压值。

6．改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表。 T（℃） Uo2（V） 五、实验报告

1．由表27-1记录的数据数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。

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表27-1

图27-1

41

实验二十八 铂电阻温度特性实验

一、实验目的：

了解铂热电阻的特性与应用。 二、实验仪器：

智能调节仪、PT100（2只）、温度源、温度传感器实验模块。 三、实验原理：

利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值通过测量电路转换电信号，即可得到被测温度。 四、实验内容与步骤

1．重复实验二十六，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入另一只铂热电阻温度传感器PT100。

2．将±15V直流稳压 电源接至温度传感器实验 模块。温度传感器实验模 块的输出Uo2接主控台直 流电压表。

3．将温度传感器模块 上差动放大器的输入端Ui 短接，调节电位器Rw4使 直流电压表显示为零。

4．按图28-1接线，

并将PT100的3根引线 图28-1

插入温度传感器实验模块中Rt两端（其中颜色相同的两个接线端是短路的）。

5．拿掉短路线，将R6两端接到差动放大器的输入Ui，记下模块输出Uo2的电压值。 6．改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表。 T（℃） Uo2（V） 五、 实验报告

1．根据表28-1的实验数据，作出UO2-T曲线，分析PT100的温度特性曲线，计算其非线性误差。

42

表28-1

实验二十九 K型热电偶测温实验

一、实验目的：

了解K型热电偶的特性与应用 二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、K型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。 三、实验原理：

热电偶传感器的工作原理

热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图30-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。

图29-1（a） 图29-1（b）

两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。

当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图29-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即

ET=SAB（T-T0） （1）

SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。

热电偶的基本定律： （1）均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 （2）中间导体定律

用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。

（3）中间温度定律

如图29-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度

43

为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为

EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） （2） 式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T1=100℃，T2=40℃，T3=0℃，则

EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） （3）

图29-2

热电偶的分度号

热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0℃的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。 四、实验内容与步骤

1．重复实验二十六，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入K型热电偶温度传感器。

2．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。

3．将温度传感器模 块上差动放大器的输入 端Ui短接，调节Rw3 到最大位置，再调节电 位器Rw4使直流电压 表显示为零。

4．拿掉短路线，按 图29-3接线，并将K型 热电偶的两根引线，热 端（红色）接a，冷端

（绿色）接b；记下模块输出Uo2的电压值。 图29-3

5．改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表 T（℃） Uo2（V） 五、实验报告

表29-1

1．根据表29-1的实验数据，作出UO2-T曲线，分析K型热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差。

44

2．根据中间温度定律和E型热电偶分度表，用平均值计算出差动放大器的放大倍数A。

实验三十 E型热电偶测温实验

一、实验目的：

了解E型热电偶的特性与应用 二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、E型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。 三、实验原理：

E型热电偶传感器的工作原理同实验二十九。 四、实验内容与步骤：

1．重复实验二十六，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入E型热电偶温度传感器。

2．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。

3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。

4．拿掉短路线，按图29-3接线，并将E型热电偶的两跟引线，热端（红色）接a，冷端（绿色）接b，并记下模块输出Uo2的电压值。

5．改变温度源温度每隔50C记下Uo2输出值。直到温度升至1200C。将实验结果填入下表。 T（℃） Uo2（V） 五、实验报告

1．根据表30-1实验数据，作出UO2-T曲线，分析K型热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差。

2．根据中间温度定律和E型热电偶分度表，用平均值计算出差动放大器的放大倍数A。 附 表30-2 E型热电偶分度表（分度号：E，单位：mV） 温度（℃） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0 0.000 0.591 1.192 1.801 2.419 3.047 3.683 4.329 4.983 5.646 6.317 6.996 7.683 8.377 1 0.059 0.651 1.252 1.862 2.482 3.110 3.748 4.394 5.047 5.713 6.385 7.064 7.752 8.447 2 0.118 0.711 1.313 1.924 2.544 3.173 3.812 4.459 5.115 5.780 6.452 7.133 7.821 8.517 3 0.176 0.770 1.373 1.985 2.057 3.237 3.876 4.524 5.181 5.846 6.520 7.201 7.890 8.587 热电动势（mV） 4 0.235 0.830 1.434 2.047 2.669 3.300 3.941 4.590 5.247 5.913 6.588 7.270 7.960 8.657 45

5 0.295 0.890 1.495 2.109 2.732 3.364 4.005 4.655 5.314 5.981 6.656 7.339 8.029 8.827 6 0.354 0.950 1.556 2.171 2.795 3.428 4.070 4.720 5.380 6.048 6.724 7.407 8.099 8.842 7 0.413 1.011 1.617 2.233 2.858 3.491 4.134 4.786 5.446 6.115 6.792 7.476 8.168 8.867 8 0.472 1.071 1.678 2.295 2.921 3.555 4.199 4.852 5.513 6.182 6.860 7.545 8.238 8.938 9 0.532 1.131 1.739 2.357 2.984 3.619 4.264 4.917 5.579 6.250 6.928 7.614 8.307 9.008

140 150 9.078 9.787 9.149 9.858 9.220 9.929 9.290 10.000 9.361 10.072 9.432 10.143 9.503 10.215 9.573 10.286 9.614 10.358 9.715 4.429 实验三十一 热电偶冷端温度补偿实验＊ 一、实验目的：

了解热电偶冷端温度补偿的原理和方法 二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、K型热电偶、E型热电偶、温度源、温度传感器实验模块 三、实验原理：

热电偶冷端温度补偿的方法有：冰水法、恒温 槽法和电桥自动补偿法（图31－1），电桥自动补偿 法常用，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直 流电桥，称冷端温度补偿器，补偿器电桥在0℃时 达到平衡（亦有20℃平衡）。当热电偶自由端温度 升高时(＞0℃)热电偶回路电势Uab下降，由于补偿 器中，PN呈负温度系数，其正向压降随温度升高 而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自

由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。 图31-1 四、实验内容与步骤

1．选择智能调节仪的控制对象为温度，将温度传感器PT100接入“PT100输入”（同色的两根接线端接兰色，另一根接黑色插座），打开实验台总电源。并记下此时的实验室温度T2。

2．重复实验二十六，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入K型热电偶温度传感器。

3．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。

4．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。

5．拿掉短路导线，按图31-2接线，并将K型热电偶的两个引线分别接入模块大倍数、E2为K型热电偶500C时对应输出电势）

6．变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表 T（℃） Uo2（V） 五、实验报告

1．根据表31-1的实验数据，作出（UO2/A）-T曲线。并与分度表进行比较，分析电桥自

46

两

端（红接a，蓝接b）；调节Rw1使温度传感器输出UO2电压值为AE2。（A为差动放大器的放

表31-1

动补偿法的补偿效果。

2．换另一只热电偶E型热电偶做冷端补偿实验。分度表见30-2。

图31-2

附 表31-2 K型热电偶分度表（分度号：K，单位：mV） 温度（℃） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

47

0 0 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 1 0.039 0.437 0.858 1.244 1.652 2.064 2.477 2.892 3.307 3.722 4.137 4.549 4.960 5.368 5.774 6.177 2 0.079 0.477 0.879 1.285 1.693 2.105 2.519 2.933 3.349 3.764 4.178 4.600 5.001 5.409 5.814 6.218 3 0.119 0.517 0.919 1.325 1.734 2.146 2.560 2.975 3.390 3.805 4.219 4.632 5.042 5.450 5.855 6.258 4 0.158 0.557 0.960 1.366 1.776 2.188 2.601 3.016 3.432 3.847 4.261 4.673 5.083 5.190 5.895 6.298 5 0.198 0.597 1.000 10407 1.817 2.229 2.643 3.058 3.473 3.888 4.302 4.714 5.124 5.531 5.936 6.338 6 0.238 0.637 1.041 1.4487 1.858 2.270 2.684 30100 3.515 3.930 4.343 4.755 5.161 5.571 5.976 6.378 7 0.277 0.677 1.081 1.480 1.899 2.312 2.726 3.141 3.556 3.971 4.384 4.796 5.205 5.612 6.016 6.419 8 0.317 0.718 1.122 1.529 1.940 2.353 2.767 3.183 3.598 4.012 4.426 4.837 5.2340 5.652 6.057 6.459 9 0.357 0.758 1.162 1.570 1.981 2.394 2.809 3.224 3.639 4.054 4.467 4.878 5.287 5.693 6.097 6.499

实验三十二 气敏传感器实验

一、实验目的：

了解气敏传感器原理及应用。 二、实验仪器：

气敏传感器、酒精、棉球（自备）、差动变压器实验模块 三、实验原理：

本实验所采用的SnO2（氧化锡）半导体气敏传感器属电阻型气敏元件；它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化：若气浓度发生，则阻值发生变化，根据这一特性，可以从阻值的变化得知，吸附气体的种类和浓度。 四、实验内容与步骤：

1．将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板上传感器固定支架上。

2．按图32-1接线，将气敏传感器，接线端红色接＋5V加热电压，黑色接地；电压输出选择±10V，黄色线接+10V电压、蓝色线接Rw1上端。

3．将±15V直流稳压电源接入差动变压器实验模块中。差动变压器实验模块的输出Uo接主控台直流电压表。打开主控台总电源，预热5分钟。

4．用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化。

图32-1 五、实验报告

1．酒精检测报警，常用于交通片警检查有否酒后开车，若要这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素？

48

实验三十三 湿敏传感器实验

一、实验目的：

了解湿敏传感器的原理及应用范围。 二、实验仪器：

湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球（自备）。 三、实验原理：

湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位窨体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。实验使用中多用相对湿度概念。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物，例如，乙酸－丁酸纤维素和乙酸－丙酸比纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力，感湿薄膜覆在金箔电极（下电极）上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜（上电极），这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。 四、实验内容与步骤

1．湿敏传感器实验装置如图33-1所示，红色接线端接+5V电源，黑色接线端接地，蓝色接线端和黑色接线端分别接频率/转速表输入端。频率/转速表选择频率档。记下此时频率/转速表的读数。

2．将湿棉球放入湿敏腔内。并插上湿敏传感器探头，观察频率/转速表的变化。 3．取出湿纱布，待数显表示值下降回复到原示值时，在干湿腔内被放入部分干燥剂，同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上，观察数显表头读数变化。 五、实验报告

1．输出频率f与相对湿度RH值对应如下，参考下表，计算以上三中状态下空气相对湿度。 RH（%） 0

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10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fre（Hz） 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033

图33-1

实验三十四 转速控制实验*

一、实验目的：

了解霍尔传感器的应用以及计算机检测系统的组成。 二、实验仪器：

智能调节仪、转动源。 三、实验原理：

利用霍尔传感器检测到的转速频率信号经F/V转换后作为转速的反馈信号，该反馈信号与智能调节仪的转速设定比较后进行数字PID运算，调节电压驱动器改变直流电机电枢电压，使电机的转速逐渐趋近设定转速（设定值1500转/分—2500转/分）。转速控制原理框图如下图34-1所示。

图34-1 四、实验内容与步骤

1．选择智能调节仪的控制对象为转速，并按图34-2接线。开启控制台总电源，打开智能 调节仪电源开关。调节2～24V输出调节到最大位置。

2．按住位置，按加锁。再按

4．按住

或

3秒以下，进入智能调节仪A菜单，仪表靠上的窗口显示“

”，靠下窗口显”可改变小数点

”表示已

示待设置的设定值。当LOCK等于0或1时使能，设置转速的设定值，按“

3秒以下，回到初始状态。

3秒以上，进入智能调节仪B菜单，靠上窗口显示“

”可改变小数点位置，按

或

”，靠下窗口显示待

键可修改靠下窗口的上限报警值。

键可修改靠下窗口的设定值（参考值1500~2500）。否则提示“

设置的上限报警值。按“

5．继续按控制转速时无效。

6．继续按7．继续按8．继续按

上限报警时仪表右上“AL1”指示灯亮。（参考值5000）。

键3秒以下，靠上窗口显示“

”，靠下窗口显示待设置的自整定开关，

””

键3秒以下，靠上窗口显示“P”，靠下窗口显示待设置的比例参数值，按“

或或

键可修改靠下窗口的比例参数值。 键可修改靠下窗口的积分参数值。

键3秒以下，靠上窗口显示“I”，靠下窗口显示待设置的积分参数值，按“键3秒以下，靠上窗口显示“LCK”，靠下窗口显示待设置的锁定开关，按

50

可改变小数点位置，按可改变小数点位置，按

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