传感器技术实验指导书

《传感器技术》 实验指导书

广东工业大学物理与光电工程学院

二０一四年三月

前 言

《传感器技术》课程配套开设的实践性环节为8学时实验，目的在于检验学生对传感器理论知识的掌握程度，引导学生将理论知识应用到实践中，并将电子技术、测试技术、计算机技术与传感器技术融合在一起，拓宽传感技术的应用领域，逐步建立工程应用的概念。通过实验，帮助广大学生加强对书本知识的理解，培养学生实际动手能力,增强学生对各种不同的传感器及测量原理如何组成测量系统有直观而具体的感性认识；培养学生对材料力学、电工学、物理学、计算技术等知识的综合运用能力；同时在实验的进行过程中通过信号的获取、转换、分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。

传感器实验全部安排在“CSY型传感器系统综合实验仪”上进行。

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目 录

实验一半导体应变片性能及应用??????????3.

实验二 霍尔式传感器的直流和交流激励特性?????????.8

实验三

实验四

附录一 CYS

差动变压器性能及标定??????????????.12 电容式传感器的特性????????????????15 型传感器系统综合实验仪使用指南 ???????18

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实验一 半导体应变片性能及应用

实验项目性质：普通实验 所属课程名称：传感器技术 实验计划学时：2学时 一、 实验目的

1、了解应变片的测试原理与应用领域； 2、掌握应变片测试方法及典型转换电路原理；

3、通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态特性性能指标的过程和方法。

二、 实验内容和要求

1、观察半导体应变片的结构、贴片方式以及接桥方式； 2、测试应变梁变形时的应变输出；

3、比较应变片不同接桥方式对电桥输出结果的影响。

4、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。

三、 实验主要仪器设备和材料

1、CYS型传感器系统综合实验仪

本次实验所用模块包括：①悬臂梁及半导体应变片；②电桥模块；③差动放大器；④直流稳压电源（±4Ｖ档）；⑤测微头；⑥毫伏表。

2、若干接插连接实验导线。 3、万用表（非必需）。

四、 实验原理及步骤

一）实验原理

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应变片是最常用的测力传感元件。当使用应变片进行测试时，首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当测件受力发生变形，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值也随之发生相应变化。之后，再通过测量转换电路，将电阻值变化转换成电压信号输出显示。

直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂电阻阻值乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。若设电桥桥臂的四个电阻初始值分别为：R1＝R2＝R3＝R4＝R，当测试体表面产生变形，则其电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3和△R4/R4。当使用一个应变片时，可组成半桥单臂电桥，在电阻变化量△R较小的情况下，电桥输出电压为U0＝则有U0＝

UU?R；当使用二个应变片差动联接，组成半桥双臂电桥，4RU?R；而用四个应变片组成全桥形式，则输出电压为U0＝2R?R。由此可见，半桥单臂、半桥双臂和全桥电路的灵敏度是依次增大R的。

通过本实验，可以验证说明半导体应变片组成半桥单臂、半桥双臂电桥原理及工作性能。 二）实验步骤

1、仪表及电路调零

任何测试仪器或仪表，在使用前均需调零。本实验需要调零的部件是毫伏表、直流电桥和差动放大器。

①毫伏表调零。将综合实验仪上的毫伏表输入端对地短接，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短接线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。

②差动放大器调零。开启仪器电源，将差动放大器增益调至适中位置（调节旋钮旋到中位附近），差动放大器的“＋、－”输入端用实验线对

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地短路，放大器输出端接毫伏表或数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压至零。然后拔掉短接实验线。

注意：调零后，放大器增益调节旋钮和“调零”电位器的位置不要改变。若两者任一旋钮位置有变，需重新进行调零。

2、半桥单臂接桥方式测试

2．1、按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R’是半导体应变计，另一臂电阻是电桥上固定电阻R。

－2V 图 （1）

WD R R ‘ － ＋ V ＋2V R′ 2．2、确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。在装有半导体应变片悬臂梁基本处于平衡的状态下调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。

2．3、在悬臂梁上方的园盘上逐个加(减)法码（20g），带动悬臂梁分别作向上和向下的运动。以悬臂梁加重4个砝码的状态调系统电路使输出电压为零，逐步减少（或增加）砝码，记录差动放大器输出电压值并填入表1－1中。 表1－1 重量 20g 电压 V 80g 0 根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝△V／△g，并在坐标图上做出V－g关系曲线。

2．４、在悬臂梁载重4个砝码的情况下重新调整测试系统使输出为

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零。用温度计记录加温前的工作温度T。

2．5、 打开“加热”开关，观察系统在升温过程中输出电压的变化情况。求出系统的温漂△V/△T．

3．半桥电路

3．1、在完成第2步实验的基础上，不变动差动放大器增益，将图（1）中电桥固定电阻R改为另一半导体应变片，接成半桥测试电路，调节电位器WD使系统重新回零。

3．2、重复2.3步骤，测出半桥电路输出电压并填入表1－2中，计算灵敏度。

在同一坐标上描出V－g曲线，比较二种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。

3.3、重新调整测试系统输出为零。用温度计记录加温前的工作温度T。

3.4、打开“加热”开关，观察系统在升温过程中输出电压的变化情况。求出系统的温漂△V/△T．

表1－2 重量 g 电压 V 实验报告要求

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求执行。 2、在同一坐标纸上，绘出以上每种测试条件下的测量数据(输入－输出)g－Ｖ曲线，绘出数据表格要标明物理量和单位。

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3、分析实验数据，依此计算传感器的灵敏度和线性度？并认真绘制出传感器性能曲线。 4、比较二种接桥方法的灵敏度。

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实验二 霍尔式传感器的直流和交流激励特性

实验项目性质：普通实验 所属课程名称：传感器技术 实验计划学时：2学时

一、实验目的：

1、了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。

2、了解霍尔传感器在交流信号激励下的特性。 二、实验原理：

霍尔式传感器是由工作在两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，即U0＝kx，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。 三、实验所需部件：

直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头。音频振荡器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、示波器。

2V 差放 电压表 WD － ＋ R 图（2）

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四、实验步骤： （一）、直流激励特性

1、霍尔传感器静态位移测试

1．1、按图（2）接线，装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置。差动放大器增益适度。开启电源，调节电桥WD，使差放输出为零。上、下移动振动台，使差放正负电压输出对称。

1．2、上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值。并记入下表1－1中，作出V－X曲线，求出灵敏度及线性。

表1－1 X(mm) V(v) 2、直流激励下霍尔传感器振动测试

①仍按图3直流激励接线，使系统调零。并松开测微头，使其脱离振动台。

②将低频振荡器接“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。

③进一步提高低频振荡器振幅，用示波器观察差动放大器输出波形，当波形出现顶部消峰时，说明霍尔元件已进入非均匀磁场，霍尔电压已不再随位移量的增加而线性增加。

④改变激振器I频率，进行观测，注意波形的变化。 ⑤记录输出波形。 五、注意事项：

直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔

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元件。

（二）交流激励特性

WA

180° 180° 1KHZ WD R 移相器 Φ1 Φ2 差放 － ＋ 低通 电压表

相敏检波 图（3）

2．1、按图（3）接线组成测试系统，差动放大器增益适度。装上测微头，调整霍尔元件至梯度磁场中部。音频振荡器从180°端口输出1KHZ，幅度严格限定在Vρ-ρ值5V以下，以免损坏霍尔元件。 2．2、用示波器观察相敏检波器输出端波形,调整电桥WD、WA使系统输出最小。上、下移动振动台，并调节“移相旋扭”使输出最大。

2．3、调节测微头使霍尔元件回到磁路中间位置，此时输出电压应为0。调节测微头±3.5mm，每隔0.5mm读出相应电压值填入表2－１中。作出V－X曲线，求出灵敏度和线性度，并将其结果与直流激励系统相比较。

表2－１ X(mm) V(v) 五、注意事项：

交流激励信号应从音频电压180°端口输出，幅度严格限定VP-P5V以下，以免损坏霍尔片。

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六、 实验报告要求

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求； 2、在理解基础上扼要书写实验原理、实验方法和步骤；

3、根据直流激励下静态位移测试数据，在坐标纸上绘出霍尔位移传感器实验曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度。

4、在交流激励下的振动测试中，观察记录到了各环节输出波形变化规律，给出相应合理的解释。

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实验三 差动变压器性能及标定

实验项目性质：普通实验 所属课程名称：传感器技术及应用 实验计划学时：2学时

一、实验目的：

1、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。

2、了解差动变压器的实际应用。 二、实验原理：

差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，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，相当于变压器的副边。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（9）

图（9）

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R1 LKMa Lo Lo Mb R2 Lv 5KHZ 示波器 第一通道 第二通道

R3 图（10）

三、实验所需部件：

差动变压器、音频振荡器、测微头、示波器。电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表。 四、实验步骤：

（一）差动变压器的性能测量

1．按图（10）接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出，双踪示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv／格。

2．音频振荡器输出频率5KHZ，输出值VP－P = 2V。

3．用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。

4．仔细调节测微头使次级线圈的输出波形至不能再小，这就是零点残余电压。可以看出它与输入电压的相位差约为π／2，是基频分量。

5．以输出最小时测微头所在刻度为基准点，旋动测微头带动差动变压器衔铁在线圈中向上5mm，向5mm位移，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并填入表格3-1。

从示波器中读出次级输出电压VP－P值，读数过程中应注意初、次级波形的相位关系。 表3-1： 位 移mm 电 压V 五、注意事项：

示波器第二通道为悬浮工作状态。 （二）差动变压器的标定

1．按图（12）接线，差动放大器增益适度，音频振荡器LV端输出5KHZ，VP-P值2V。

2．调节电桥WD、WA电位器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。

3．旋动测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压

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表和示波器观察系统输出是否正负对称(如有削波现象则应减小差动放大器增益)。如不对称则需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。

4．旋动测微头，带动衔铁向上5mm，向下5mm位移，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并填入表格3-2。

图（12）

表3-2 位移mm 电压V 移相器 音频振荡器 LV WD WA R － ＋ Φ1 Φ2 相敏 低通 电压表 差放 五、实验报告要求

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；

2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤； 3、根据表格3-1、3-2所列结果，画出Vop-p－X曲线，指出线性工作范围。

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实验四 电容式传感器的特性

实验项目性质：普通实验 所属课程名称：传感器技术 实验计划学时：2学时 一、 实验目的

1、掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。 2、掌握电容传感器特性的实验测试方法。 3、了解电容式传感器的工程应用。 二、 实验内容和要求

1、观察传感器综合实验仪上电容式传感器的结构型式。 2、了解电容变换器的转换原理（参见附录二）。 3、电容式传感器静特性测试。 4、电容式传感器动态测试。 三、 实验主要仪器设备和材料 1、CYS型传感器系统综合实验仪

本次实验所用模块包括：①电容式传感器；②电容变换器；③差动放大器；④低通滤波器；⑤低频振荡器；⑥测微头。⑦毫伏表或数字电压表。 2、双线示波器及实验连接导线若干。 四、 实验原理及步骤 一）实验原理

根据两金属极板间电容的计算式C＝εS／δ，可知电容式传感器有三种型式。本实验仪器中为差动变面积型，电容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，与两组定片之间的

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重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为两差动式电容。若将上层定片与动片形成的电容设为CX1，下层定片与动片形成的电容设为CX2，当将CX1和CX2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容接入其它转换电路）时，则电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。

电容式传感器的实验原理框图如下： 电容变换器低 通Cx1Cx2差放电压表 图2 电容传感器实验原理框图 二）实验步骤 1、相关仪表和电路调零

差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。 2、电容传感器静态特性测试

①按图2原理接线。将电容变换器的增益调至适中。电容变换器的转换原理图详见附录二。

②旋动测微头，使测微头与振动台接触，并带动振动台移动。当电容动片位于两电容定片对称位置时，此时差动放大器输出应为零。

③以此为起点，向上或向下每次0.5mm（测微头旋转一圈）移动动片，直至动片与一组定片全部重合为止。记录数据于表4-1。

表4-1 位移x(mm) 电压V (mv)

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④以相反方向逐步旋转测微头至初始位置，用与③相同方法，记下x (mm)及V (mv)于表4-2。 表4-2 位移x(mm) 电压V (mv) 3、电容传感器动态特性观测

①将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线；

②接通激振器I（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低通和差放输出波形，并记录波形。

③改变激振器I频率，重复观测，注意波形的变化。 注意事项

? 电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍作调整。位移

和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。

? 如果用示波器观察到差动放大器输出端波形中有杂波，请将电容变换

器增益进一步减少。 五、 实验报告要求

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；

2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤； 3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等特性指标。

4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。

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1、 附录一 CYS型传感器系统综合实验仪使用指南

CYS型传感器系统综合实验仪，是用于测控技术与仪器、机械电子工程、电子技术应用等相关专业课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、信号处理电路和显示仪表于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书提供的数种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本实验仪器上举一反三开发出新的实验内容。

综合实验仪外型结构参见下图图片，主要由传感器实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。

附图1-1 CYS型传感器系统综合实验仪外形

一、 传感器实验工作台－－位于仪器顶部

工作台左边是一副平衡式悬臂梁，梁上装有应变片、热敏式、P－N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。

平衡梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号↑和↓表示。其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号→和←表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。

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压电加速度计：位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装载透明塑料外壳中。

实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈所安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。

电感式传感器（差动变压器）：由初级线圈Li和两个次级线圈L0绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>10mm。

电容传感器：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。

磁电式传感器：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/(m/s)。

霍尔式传感器：HZ-1半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。

电涡流式传感器：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围≥１mm。

两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。

以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。

实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。 两只测微头分别装在左右两边的支架上。

二、 信号及显示部分――位于仪器上部面板

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，Li端插口可提供用作电流放大器。

音频振荡器：0.4KHZ~10KHz输出连续可调，VP-P值为20V，180°，0°为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。

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直流稳压电源：±15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A。±2V～±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。

数字式电压／频率表：3位半显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度≥50mv，频率显示5HZ~20KHz。

指针式直流毫伏表：测量范围500mv、50mv、5mv三档，精度2.5%。

三、 处理电路――位于仪器下部面板

电桥：用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WＡ为交流调节电位器。

差动放大器：增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1~100倍。

光电变换器：提供红外发射、接收、稳辐、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。

电容变换器：由高频振荡、放大和双Ｔ电桥组成。

移相器：允许输入电压20VP-P，移相范围±40°（随频率有所变化）。 相敏检波器：极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5VP-P，允许最大输入电压20VP-P。

电荷放大器：电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。

电压放大器：增益5倍的高阻放大器。

涡流变换器：变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。

温度变换器：根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。

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低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。

四、 使用仪器注意事项

1、本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路作定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。 2、使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下脚处的开关控制处理电路的±15V工作电源，进行实验时请勿关掉。

3、指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响实验测试。

4、仪器工作时需良好的接地，以减少干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。

5、实验时请非常注意各实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，加热是时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。实验工作台上各传感器部分如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。 6、本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度0℃～40℃。

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