常用传感器使用实验

常用传感器使用实验

一、实验目的
1． 掌握常用传感器结构、使用方法及其测量系统的组成。
2． 了解传感器及其测量系统的标定方法。
3． 熟悉CSY10型传感器实验仪的使用方法。
二、实验仪器及设备
1． CSY10型传感器实验仪
2． 双踪示波器
三、实验装置
1． CSY10传感器实验仪
CSY10 传感器是集被测体、各种传感器、激励源、显示仪表和处理电路为一体的一个完整的测量系统，它主要由信号源及显示部分、传感器试验台部分和处理变换部分三者组成。信号源由±15V 稳压电源和±2V—±10V 稳压电源、音频振荡器和低频振荡器所组成。显示仪表由21 3位电压/频率表和指针式毫伏表组成，可以在实验中配合使用。试验台配有应变、温度、热电、压电、电容、光纤、霍尔、电感、电涡流、磁电等十种传感器。两只测微头可以在做静态实验时对传感器进行标定。而悬臂梁的结构和激振器又可以产生低频振动，使仪器具有进行动态测量实验的功能。处理、变换电路则包含了电桥、差动放大器、电荷放大器、低通滤波器、移相器、相敏检波器、温度变换器、光电变换器、电容变换器、涡流变换器等。利用这些部件，可以方便地组成数十种不同的实验，这些实验分为三类：静态实验、动态实验和系统实验。如对应变片就至少可以进行这些实验：单臂、半桥及全桥应变电桥实验。
四、实验内容
本实验内容较多，各专业根据具体情况选做其中几个。

（一）金属箔式应变片：单臂、半桥和全桥的比较
1、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，当测件受力发生形变，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，ΣＲ＝△R／Ｒ；当二个应变片组成差动状态工作，则ΣＲ
＝２△Ｒ／Ｒ；用四个应变片组成二个差动对工作，且Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝
Ｒ，ΣＲ＝４△Ｒ／Ｒ。
２、实验所需部件
直流稳压电源（±４Ｖ）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压
表。
３、实验步骤
(1)差动放大器调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100 倍（顺时针方
向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表（数字电
压表拨到2V档），用“调零”电位器调整使差动放大器输出电压为零，然后拨掉
实验线。调零后“调零”电位器位置不要改变。
(2)按图(１)将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３
和ＷＤ为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，Ｒ为应变片（可任选上、下梁
中的一片工作片）。直流激励电源为±４Ｖ。
(3)确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥ＷＤ电位器，使
测试系统输出为零。
将测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使悬臂梁处于基本水平状
态。
(4)旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动。
在水平状态下调节测微头，使输出电压为零，记下测微头的刻度。
旋动测微头，每往下移动1mm，记录一个差动放大器输出电压值,并记录表
中，共测量7-8mm。
将测微头移到水平位置，并使测试系统输出电压为零，记下测微头刻度，使
测微头往上移动，并记录数据。
(5)依次将图（１）中的电桥固定电阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３换成箔式应变片，分
别接成半桥和全桥测试系统。
(6)重复步骤（３）―（４），测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。
(7)在同一坐标上描出Ｖ－Ｘ曲线，比较三种桥路的灵敏度S，并做出定性的结论。

4、注意事项
㈠在本实验中放大器只能接成差动形式，否则系统不能正常工作。
㈡流激励电压不能过大，以免应变片造成损坏。

图（1）箔式应变片性能实验

（二）差动螺管式电感传感器（位移和振幅测量）
1、实验原理
利用差动变压器的两个次级线圈和软磁铁氧体组成了差动螺管式电感传感
器，衔铁和线圈的相对位置的变化将引起螺管线圈电感值的变化。当用恒流激励
传感器，线圈的输出电压就与衔铁的位移有关。
2、所需部件：音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、电压表、
示波器、测微头、电压表、低通滤波器。振幅测量时用低频振荡器。
3、实验步骤
（１） 静态测量（位移测量）
①变压器的二个次级线圈组成差动状态，按图（2）接线，音频
振荡器LV 端做为恒流源供电，差动放大器增益适度，差动变压器的两
个线圈和电桥上的两个固定电阻R 组成电桥的四臂 ，电桥的作用是将电感变化转换成电桥电压输出。
②旋动测微头使衔铁在线圈中位置居中，此时L0′=L0″，系统
输出为零。
③当衔铁上、下移动时，L0′≠L0″，电桥失衡系统就有输出，
大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁移动方向有关，衔铁向上移动和向下移动时输出波形相位相差约180º，由于电桥输出是一个调幅波，因此必须经过相敏检波器后才能判断电压极性，以衔铁移动位置居中为起点，分别向上、向下各位移5mm，测微头每旋一周（0.5mm）记录V，X 值并填入表格，做出V-X 曲线，求出灵敏度。

（２） 动态测量（振幅测量）
①移开测微头，微调衔铁在支架上的位置，调节电桥电路，使系统输出为零。
② 将低频振荡器输出接到“激振Ⅱ”上，给振动台加一交变力，使振动台
能上下振动，用示波器观察系统输出是否对称，如不对称则需对电桥、移相器作
些调整。
③保持低频振荡器输出幅值不变，改变激振频率f，便可得到它的动态测试
结果Vp-p—f 曲线如图（3）。

图（3）
（3）注意事项
静态位移测量时以衔铁中心位置为基准，振动台上下移动±5mm 左右，调节
移相器，使电压为最大。如双向不对称，可调WA、WD及移相旋钮直到基本对称。
振幅测试时低通的输出应接示波器。

（三）涡流式传感器的静态标定
1、实验原理
电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高颇交变电
流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阴抗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）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z
只与X 距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V 输出，则输出电压是距
离X 的单值函数。
2、实验所需部件
电涡流线圈、金属涡流片、电涡流式变换器、示波器、电压表。
3、实验步骤
①安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。安装好测微头，
将电涡流线圈接入涡流变换器输入端（图4）。涡流变换器输出端接电压表20V
档。
②开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出
端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波
形，信号频率约为1MHZ。
③用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器
输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。
④旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起，每位移
0.25mm 记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。将V、X 数据填
入下表，作出V-X 曲线，指出线性范围，求出灵敏度。

电蜗流实验连接图

（四）被测材料对电涡流传感器特性的影响
1、实验目的：
通过实验说明不同的材料对电涡流传感器特性的影响。
2、实验所需部件：
电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、电压表、铜、铝、铁涡
流片。
3、实验步骤：
①按上一实验方法安装好传感器，开启电源。更换不同的被测材料，分别对
铁、铜、铝被测体进行测量，记录数据，在同一坐标上做出V—X曲线。
②分别找出各被测体的线性范围、灵敏度、最佳工作点，并进行比较。

③从实验得出结论：被测材料不同时灵敏度和线性范围都不同，必须分别进
行标定。

（五） 电容式传感器的特性
1、 实验目的
掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
2、实验原理
电容式传感器有多种形式。本仪器中是差动变面积式。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，与两组静片之间的重
叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动
片形成的电容为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1与CX2接入桥
路作为相邻两臂时，桥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。
3、实验所需部件
电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微头。

4、实验步骤
①按图（5）接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。
②装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器
输出应为零。
③以此为起点，向上或向下位移动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部
重合为止。记录数据，并做出V—X 曲线，求得灵敏度。

④低频振荡器输出接“激振Ⅱ”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差
放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。
5、注意事项

①电容动片与两定片之间的片间距离必须相等，必要时可稍做调整。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。
②如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益
进一步减小。

（六）光纤位移传感器----位移测量
1、 实验原理
反射式光纤位移传感器的工作原理如图（6）所示，光纤采用Y 型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤传至光电转换元件，光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。

2、 实验所需部件
光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、示波器、电压表、支架、反射片、测微头。
3、 实验步骤
①观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半园型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
②将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬片反射片（即电涡流片）。
③振动台上装上测头，开启电源，光电变换器V0端接电压表。旋动测微头，
带动振动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时V0 输出为最小。然后旋动
测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.50mm 取一V0电压值填入下表做出V—X曲线。

得出输出电压特性曲线如图（6）所示，分前坡和后坡，通常测量是采用线性较
好的前坡。
4、 注意事项
㈠光电变换器工作时V0 最大输出电压以2V 左右为好，可通过调节增益电位
器控制。
㈡实验时请保持反射镜片的洁净与光纤端面的垂直度。
㈢工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。
㈣注意背景光对实验的影响。
㈤光纤勿成锐角曲折。

（七）霍尔传感器的应用----电子秤
1、 实验目的
了解霍尔式传感器的结构，工作原理，学会霍尔传感器的实际应用。
2、实验原理
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度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，所测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
3、实验所需部件
直流稳压电源（2V），电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、振动圆盘、环形砝码。
5、 实验步骤
①按图（7）接线，开启电源，调节测微头和电桥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。系统灵敏度尽量大。
②以振动圆盘作为称重平台，逐步放上砝码，依次记下表头读数，填入下表，并做出V—W曲线。
③移走称重砝码，在平台上另放置一未知重量之物品，根据表头读数从V—W曲线中求得其重量。

6、 注意事项
㈠霍尔式传感器在做称重时只能工作在梯度磁场中，所以砝码和被称重物都不应
太重。
㈡环形砝码应置于平台的中间部分，避免平台倾斜。

（八）磁电式传感器
1、实验目的
通过实验说明磁电式传感器的结构、原理、应用。
2、 实验原理
磁电式传感器是一种能将非电量的变化转为感应电动势的传感器，所以也称
为感应式传感器。根据电磁感应定律，ω匝线圈中的感应电动势E 的大小决定于
穿过线圈的磁通φ 的变化率： e=-ω dt df
。仪器中的磁电式传感器由动铁与感
应线圈组成，永久磁钢做成的动铁产生恒定的直流磁场，当动铁与线圈有相对运
动时，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势，e 与磁通变化率成正比，是一种
动态传感器。
3、 实验所需部件
磁电式传感器、低频振荡器、激振器、涡流式传感器、涡流变换器、双线示
波器、差动放大器。
4、 实验步骤
① 低频振荡器接“激振I”，磁电式端口接差动放大器两输入端，差
动放大器输出端接示波器。开启电源，调节振荡频率和幅度，观察输出波形。
② 安装好电涡流式传感器，因为不要求进行位置测量，所以平面线圈
与金属涡流片的相对位置可以高些，以振动时不相碰为宜。
③ 双线示波器的通道1和通道2分别接差动放大器输出端和涡流变换
器的输出端，调节低频振荡器的振动频率和振幅，观察比较两波形。通过观
察，可以得出结论：磁电式传感器对速度敏感，电涡流式传感器则对位置敏感，速度的变化对它的影响不大。
④ 将“激振I”与“磁电”端接线互换，接通低频振荡器，观察差动
放大器的输出波形。与原磁电式传感器波形比较。可以得出结论，磁电式传
感器是一种磁→电、电→磁转换的双向式传感器。

（九）压电加速度式传感器
1、实验目的
了解压电加速度计的结构、原理和应用。
2、 实验原理
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。压电传感元
件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质表面产生
电荷，从而实现非电量的电测。
3、 实验所需部件
压电式传感器、电荷放大器（电压放大器）、低频振荡器、激振器、电压/频
率表、示波器。
4、 实验步骤
① 观察了解压电式加速度传感器的结构：由双压电陶瓷晶片、惯性质量
块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。
② 按图8 接线，低频振荡器输出接“激振II”端，开启电源，调节振
动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。
③ 当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形VP-P
也最大，由此可以得出结论：压电加速度器是一种对外力作用敏感的传感器。
5、 注意事项
做此实验时，悬臂梁振动频率不能过低，否则电荷放大器将无输出。