感测技术实验指导书吴爱平?编电子信息学院二00九年五月
感测技术实验指导书 吴爱平 编 电子信息学院 二 00 九 年 五 月
实验目录(必做)实验一转速测量实验实验二重量测量实验4实验三温度测量实验9(选做)实验四13位移测量实验，实验五19振动测量实验。实验六25热电偶冷端温度补偿实验实验七27气敏传感器实验实验八压力测量实验29附录一实验台使用说明.32附录二34调节仪使用说明
实 验 目 录 （必 做） 实验一 转速测量实验. 1 实验二 重量测量实验. 4 实验三 温度测量实验. 9 （选 做） 实验四 位移测量实验. 13 实验五 振动测量实验. 19 实验六 热电偶冷端温度补偿实验. 25 实验七 气敏传感器实验. 27 实验八 压力测量实验. 29 附录一 实验台使用说明. 32 附录二 调节仪使用说明. 34
感测技术实验指导书实验一转速测量实验一、实验目的：1：熟悉和掌握霍尔转速传感器、磁电式、光电转速传感器的工作原理。2.了解转速的测量方法。二、基本原理：1.利用霍尔效应表达式：U=KIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化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量被测旋转物的转速。2.基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：dpe=-N发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈dt感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。3.光电式转速传感器有反射型和直射型二种，本实验装置是反射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信号，由于转盘上有黑白相间的12个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。三、实验所需部件：霍尔转速传感器、磁电传感器、光电转速传感器、直流电源+5V、转动源2一12V、数显单元、导线若干。四、实验步骤：1、根据图1-1，将霍尔转速传感器装于传感器支架上,探头对准反射面内的磁钢。电机转霍尔.光电盘平台支持架工作平台2~3mm电机T图1一1霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图1
感测技术实验指导书 1 实验一 转速测量实验 一、实验目的： 1．熟悉和掌握霍尔转速传感器、磁电式、光电转速传感器的工作原理。 2．了解转速的测量方法。 二、基本原理： 1．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，圆盘每转一 周磁场就变化 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 数电路就可以测量被测旋转物的转速。 2．基于电磁感应原理，N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势： dt d e N f = - 发生变化，因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时，每转一周线圈 感应电势产生 N 次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。 3．光电式转速传感器有反射型和直射型二种，本实验装置是反射型的，传感器端部有 发光管和光电池，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信号，由于转盘 上有黑白相间的 12 个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处 理即可得到转速值。 三、实验所需部件：霍尔转速传感器、磁电传感器、光电转速传感器、直流电源＋5V、 转动源 2－12V、数显单元、导线若干。 四、实验步骤： 1、 根据图 1－1，将霍尔转速传感器装于传感器支架上,探头对准反射面内的磁钢。 图 1－1 霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图
感测技术实验指导书2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。3、将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。4、将转速源+2V-12V输出旋至最小，接入三源板的转速电源孔中。5、将数显单元上的开关拨到转速档，合上主控箱电源开关。6、调节转速电压，可改变电机转速，观察并记录电压每增加1V时数显表转速显示的值，填入表1一1中。7、关闭主控箱电源开关，取下霍尔转速传感器，进行光电转速测量，光电转速传感器已安装在三源板上，把三源板上的+5V、接地、Vo与主控箱上的+5V、地、数显表的Fin相连。8、将转速源2一12V输出旋到最小，接到三源板的转速电源插孔中。9、合上主控箱电源开关，调节转速源2一12V，观察并记录电压每增加1V时数显表转速显示的值，填入表1一2中。10、关闭主控箱电源开关，取下光电传感器的相关连线，进行磁电式转速测量。11、磁电式转速传感器按图1-1安装传感器端面离转动盘面2mm左右，并且将磁电式转速传感器中心对准磁钢中心。将磁电式转速传感器输出端插入数显单元Fin孔。（磁电式转速传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）12、将转速源2一12V输出旋到最小，接到三源板的转速电源插孔中，合上主控箱电源开关，调节转速源2一12V，记录数显表转速显示为0时的电压最大值。继续观察并记录电压每增加1V时数显表转速显示的值，填入表1-3中。表1一1电压与转速（霍尔转速传感器）电压（V)转速(r/min)表1-2电压与转速（光电转速传感器）电压转速(r/min)2
感测技术实验指导书 2 2、 将 5V 直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1 号接线端）。 3、 将霍尔转速传感器输出端（2 号接线端）插入数显单元 Fin 端，3 号接线端接地。 4、 将转速源＋2V－12V 输出旋至最小，接入三源板的转速电源孔中。 5、 将数显单元上的开关拨到转速档，合上主控箱电源开关。 6、 调节转速电压，可改变电机转速，观察并记录电压每增加 1V 时数显表转速显示的值， 填入表 1－1 中。 7、关闭主控箱电源开关，取下霍尔转速传感器，进行光电转速测量，光电转速传感器已 安装在三源板上，把三源板上的+5V、接地、VO 与主控箱上的+5V、地、数显表的 Fin 相 连。 8、将转速源 2－12V 输出旋到最小，接到三源板的转速电源插孔中。 9、合上主控箱电源开关，调节转速源 2—12V，观察并记录电压每增加 1V 时数显表转速 显示的值，填入表 1－2 中。 10、关闭主控箱电源开关，取下光电传感器的相关连线，进行磁电式转速测量。 11、磁电式转速传感器按图 1-1 安装传感器端面离转动盘面 2mm 左右，并且将磁电式转 速传感器中心对准磁钢中心。将磁电式转速传感器输出端插入数显单元 Fin 孔。（磁电式 转速传感器两输出插头插入台面板上二个插孔） 12、将转速源 2－12V 输出旋到最小，接到三源板的转速电源插孔中，合上主控箱电源开 关，调节转速源 2—12V，记录数显表转速显示为 0 时的电压最大值。继续观察并记录电 压每增加 1V 时数显表转速显示的值，填入表 1－3 中。 表 1－1 电压与转速（霍尔转速传感器） 电 压（V） 转 速 (r/min) 表 1－2 电压与转速（光电转速传感器） 电 压 转 速 (r/min)
感测技术实验指导书表1一3电压与转速（磁电转速传感器）电压转速(r/min)五、思考题：1、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？2、本实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便？3、为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？4、如何利用光电传感器和调节仪自动控制电机转速？3
感测技术实验指导书 3 表 1－3 电压与转速（磁电转速传感器） 电 压 转 速 (r/min) 五、思考题： 1、 本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？ 2、 本实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便? 3、 为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？ 4、 如何利用光电传感器和调节仪自动控制电机转速?
感测技术实验指导书实验二重量测量实验一、实验目的：1.．了解金属箔式应变片的应变效应，电桥的工作原理。2．了解单臂电桥、半桥、全桥的性能，并比较其灵敏度和非线性度。3.通过实验后能够设计信号放大电路。二、基本原理：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：△R/R=Ke式中△R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△I/I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元件，通过它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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uo1=EKe/4。对于半桥不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uo2=EK：/2。全桥测量电路中，将受力性相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其变化值△R1=△R2=△R3=△R4时，其桥路输出电压Uo3=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到改善。三、实验所需部件：应变式传感器实验模板、应变式传感器、托盘、码、数显表、土15V电源、土4V电源、万用表、导线若干。四、实验步骤：1、根据图2一1可知应变式传感器已装于应变传感器模板上。各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行判别,R1=R2=R3=R4=350Q，加热丝阻值为50Q左右。2、接入模板电源土15V从主控台引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模4
感测技术实验指导书 4 实验二 重量测量实验 一、实验目的： 1． 了解金属箔式应变片的应变效应，电桥的工作原理。 2． 了解单臂电桥、半桥、全桥的性能，并比较其灵敏度和非线性度。 3． 通过实验后能够设计信号放大电路。 二、基本原理： 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元件，通过它转换被测部位受 力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力 状态。对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。对于半桥不同受力方向的两只应变片接入电 桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其 桥路输出电压 UO2＝EKε／2。全桥测量电路中，将受力性相同的两应变片接入电桥对边， 当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4 时，其桥路 输出电压 U03＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到改善。 三、实验所需部件：应变式传感器实验模板、应变式传感器、托盘、砝码、数显表、 ±15V 电源、±4V 电源、万用表、导线若干。 四、实验步骤： 1、 根据图 2－1 可知应变式传感器已装于应变传感器模板上。各应变片已接入模板的 左上方的 R1、R2、 R3、 R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行判 别,R1=R2=R3=R4=350Ω,加热丝阻值为 50Ω左右。 2、 接入模板电源± 15V(从主控台引入)，检查无误后,合上主控箱电源开关，将实验模
感测技术实验指导书板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端V，相连调节实验模板上的调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的量程切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。应变片托盘引出线弹性体限程螺丝固定垫圈模板888888888882888888588888888888应变片固定螺丝加热丝图2一1应变式传感器安装示意图3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1(即模块左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7、模块内已连接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源土4V,此时应将土4V地与土15V地短接(因为不共地)，如图2一2所示，检查无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，在托盘上不加码时，使桥路输出为零。5
感测技术实验指导书 5 板调节增益电位器 RW3 顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法 为将差放的正负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显表电压输入端 Vi 相连, 调节实验模板上的调零电位器 RW4，使数显表显示为零(数显表的量程切换开关打到 2V 档)。关闭主控箱电源。 图 2－1 应变式传感器安装示意图 3、 将应变式传感器的其中一个电阻应变片 R1(即模块左上方的 R1)接入电桥作为一个 桥臂与 R5、R6、R7 接成直流电桥（R5、R6、R7、模块内已连接好），接好电桥调 零电位器 RW1，接上桥路电源±4V,此时应将±4V 地与±15V 地短接(因为不共地), 如图 2－2 所示,检查无误后,合上主控箱电源开关。调节 Rw1，在托盘上不加砝码时， 使桥路输出为零
感测技术实验指导书接主控箱接数显表C申源输出Vit加热器R++1应变传感器实验模板hRw2RRw33Rw图2-2应变式传器实验模板电原理图4、为便于读取数据，将10只码全部置于传感器秤托盘上，调节电位器RW3使Vo2输出为50的整数倍值。在传感器托盘上放置一只码，读取数显表数值，依次增加码和读取相应的数显表值，直到500g码加完。记下实验结果填入表2一1。计算系统灵敏度S，非线性误差8。表2-1单臂电桥输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)5、将图2一2电桥中的R5改接成R2或R4，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边进行半桥实验，见图2一3，接入桥路电源土4V，进行桥路调零，重复步骤2、3、4，将实验数据记入表2一2，计算灵敏度S，非线性误差8。6
感测技术实验指导书 6 图 2－2 应变式传器实验模板电原理图 4、 为便于读取数据，将 10 只砝码全部置于传感器秤托盘上，调节电位器 RW3 使 VO2 输出为 50 的整数倍值。在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 500g 砝码加完。记下实验结果填入表 2－1。计 算系统灵敏度 S，非线性误差δ。 表 2－1 单臂电桥输出电压与加负载重量值 重量(g) 电压(mv) 5、 将图 2－2 电桥中的 R5 改接成 R2 或 R4，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、 一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边进行半桥实验，见图 2－3，接入桥路电 源±4V，进行桥路调零，重复步骤 2、3、4，将实验数据记入表 2－2，计算灵敏度 S，非线性误差δ
感测技术实验指导书接主控箱拷数显表oC电源输出加热器151VolYo2应变传感器实验模板ORWRRw图2一3应变式传感器半桥实验接线图表2一2半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)将传感器四片应变片接成全桥电路，见图2一4。重复步骤2、3、4，将实验结果填6、入表2一3：进行灵敏度和非线性误差计算。接主控箱接主控箱接数显表OO电源输出电源输出V地加热器R1R2R3R4GEOG国O200GEOR11R13F11t'ICi-15v+15vRR16R18R90AR5IRWRIOLICIC4DGVo1Vo2R5R17OGR15R19R12R14R6RICRRW4C+E-ERwiSRwc应变传感器实验模板RW2RWRWRW4图2一4全桥性能实验接线图7
感测技术实验指导书 7 图 2－3 应变式传感器半桥实验接线图 表 2－2 半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量(g) 电压(mv) 6、 将传感器四片应变片接成全桥电路，见图 2－4。重复步骤 2、3、4，将实验结果填 入表 2－3；进行灵敏度和非线性误差计算。 图 2－4 全桥性能实验接线图
感测技术实验指导书表2一3全桥输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)五、思考题：1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。2、电桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。4、电桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。5、实验中的重量测量与超市的电子称测量有什么区别？试画出超市的电子称实现的原理框图。8
感测技术实验指导书 8 表 2－3 全桥输出电压与加负载重量值 重量(g) 电压(mv) 五、思考题： 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应 变片（3）正、负应变片均可以。 2、电桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。 3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性 （2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。 4、电桥测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）值 R 相同时，即 R1＝R3，R2＝R4，而 R1≠R2 时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。 5、实验中的重量测量与超市的电子称测量有什么区别？试画出超市的电子称实现的原理 框图