传感器技术·检测技术实践教程东南大学仪器科学与工程学院2007年10月
1 传感器技术·检测技术 实 践 教 程 东南大学仪器科学与工程学院 2007 年 10 月
前 言本实践教程用于为高等院校开设的“传感器原理与应用（技术）”“自动检测技术”、“工业自动化控制”、“非电量电测技术”、“光电检测技术”等课程的实验教学。本实践教程是在原有基础上征求了许多师生的意见后改编的，在编写上我们力求有较大的适应面，同时注意培养学生的应用能力和创新能力，便于学生独立操作并深入思考。CSY一3000型传感器技术/检测技术实验系统采用最新推出的模块化结构，使用的传感器虽然是教学型传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础。希望通过实验帮助学生加深理解课本知识，并在实验的过程中通过信号的拾取、转换、检测和分析，掌握作为一个科技工作者应具有的动手技能与设计能力。当然，由于编写者时间、水平、精力所限，难免有蔬漏误之处，热切期望您的赐教。本实践教程中每个实验都有注意事项，希望学生认真阅读，谨慎操作，否则容易引起器件损坏。祝学云董雷2007年10月2
2 前 言 本实践教程用于为高等院校开设的“传感器原理与应用（技术）”、 “自动检测技术”、“工业自动化控制”、“非电量电测技术”、“光电检测 技术”等课程的实验教学。 本实践教程是在原有基础上征求了许多师生的意见后改编的，在编 写上我们力求有较大的适应面，同时注意培养学生的应用能力和创新能 力，便于学生独立操作并深入思考。 CSY－3000型传感器技术/检测技术实验系统采用最新推出的模块 化结构，使用的传感器虽然是教学型传感器（透明结构便于教学），但 其结构与线路是工业应用的基础。希望通过实验帮助学生加深理解课本 知识，并在实验的过程中通过信号的拾取、转换、检测和分析，掌握作 为一个科技工作者应具有的动手技能与设计能力。当然，由于编写者时 间、水平、精力所限，难免有疏漏谬误之处，热切期望您的赐教。 本实践教程中每个实验都有注意事项，希望学生认真阅读，谨慎操 作，否则容易引起器件损坏。 祝学云 董 雷 2007 年 10 月
目录第一章硬件设备与应用软件介绍第一节硬件设备A第二节软件使用与实验操作...A20第三节虚拟仪器使用方法第二章箔式电阻应变片实验实验一金属箔式应变片一—单臂电桥性能实验.28实验二金属箔式应变片一一半桥性能实验.31实验三金属箔式应变片一一全桥性能实验...33实验四交流应变全桥的应用一振动测量实验.37第三章变压器、电容式传感器实验..40实验五差动变压器的性能实验..43实验六激励频率对差动变压器特性的影响实验七差动变压器零点残余电压补偿实验，...44实验八差动变压器的应用一振动测量实验..45实验九电容式传感器的位移实验.47第四章压电、压阻、电涡流式传感器实验.49实验十压阻式压力传感器的压力测量实验.51实验十一压电式传感器振动测量实验...53实验十二电涡流传感器位移实验实验十三被测体材质、面积对电涡流传感器的特性影响实验..55实验十四电涡流传感器振动测量实验，.57第五章霍尔、磁电式传感器实验实验十五直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验59实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移实验...61...63实验十七霍尔转速传感器测电机转速实验，..65实验十八磁电式转速传感器测电机转速实验3
3 目 录 第一章 硬件设备与应用软件介绍 5 第一节 硬件设备 .5 第二节 软件使用与实验操作.7 第三节 虚拟仪器使用方法 .20 第二章 箔式电阻应变片实验 28 实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验.28 实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验.31 实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验.33 实验四 交流应变全桥的应用——振动测量实验.37 第三章 变压器、电容式传感器实验 40 实验五 差动变压器的性能实验.40 实验六 激励频率对差动变压器特性的影响.43 实验七 差动变压器零点残余电压补偿实验.44 实验八 差动变压器的应用—振动测量实验.45 实验九 电容式传感器的位移实验.47 第四章 压电、压阻、电涡流式传感器实验 49 实验十 压阻式压力传感器的压力测量实验.49 实验十一 压电式传感器振动测量实验.51 实验十二 电涡流传感器位移实验.53 实验十三 被测体材质、面积对电涡流传感器的特性影响实验.55 实验十四 电涡流传感器振动测量实验.57 第五章 霍尔、磁电式传感器实验 59 实验十五 直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验.59 实验十六 交流激励时霍尔式传感器的位移实验.61 实验十七 霍尔转速传感器测电机转速实验.63 实验十八 磁电式转速传感器测电机转速实验.65
第六章温度、气敏、湿度传感器实验实验十九温度源的温度控制、调节实验.66实验二十Pt100铂电阻测温特性实验...75..77实验二十一集成温度传感器（AD590)的温度特性实验...79实验二十二K热电偶测温特性实验...82实验二十三K热电偶冷端温度补偿实验...85实验二十四E热电偶测温性能实验...87实验二十五气敏传感器实验..实验二十六湿度传感器实验...89第七章、光敏、光电、光纤传感器实验实验二十七发光二极管（光源）的照度标定实验.91.94实验二十八光敏电阻特性实验.96实验二十九光敏二极管特性实验.98实验三十光敏三极管特性实验..99实验三十一硅光电池实验实验三十二光纤传感器的位移特性实验...101实验三十三光电开关实验..103..106实验三十四光电转速传感器的转速测量实验实验三十五光电传感器控制电机转速实验，..108附录（热电偶分度表）
4 第六章 温度、气敏、湿度传感器实验 66 实验十九 温度源的温度控制、调节实验.66 实验二十 Pt100 铂电阻测温特性实验.75 实验二十一 集成温度传感器(AD590)的温度特性实验.77 实验二十二 K 热电偶测温特性实验.79 实验二十三 K 热电偶冷端温度补偿实验.82 实验二十四 E 热电偶测温性能实验.85 实验二十五 气敏传感器实验.87 实验二十六 湿度传感器实验.89 第七章 光敏、光电、光纤传感器实验 91 实验二十七 发光二极管（光源）的照度标定实验.91 实验二十八 光敏电阻特性实验.94 实验二十九 光敏二极管特性实验.96 实验三十 光敏三极管特性实验.98 实验三十一 硅光电池实验.99 实验三十二 光纤传感器的位移特性实验.101 实验三十三 光电开关实验.103 实验三十四 光电转速传感器的转速测量实验.106 实验三十五 光电传感器控制电机转速实验.108 附录（热电偶分度表） 117
第一章硬件设备与应用软件介绍第一节硬件设备一、实验台的组成CSY一3000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等组成。1、主机箱直流稳压电源：高稳定的土15V、土5V、十5V、土2V～土10V（步进可调）、十2V～十24V（连续可调）。直流恒流源：0.6mA～20mA可调。音频信号源（音频振荡器）：1KHz10KHz（连续可调）。低频信号源（低频振荡器）：1Hz～30Hz（连续可调）。气压源：0～20KPa（可调）。智能调节仪：温度调节、转速调节。与计算机通信接口：RS-232、USB接口（内含数据采集卡）。数字表：电压、电流、频率/转速、气压、光照度数显表。过载切断保护功能：在排除接线错误后重新开机才能恢复正常工作（直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器）。2、振动源振动台振动频率1Hz～30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。3、转动源手动控制02400转/分：自动控制300～2400转/分。4、温度源常温150℃。5、传感器共二十六个传感器（其中二个光源）：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器、光照度探头、纯白高亮发光二极管、红外发光二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、反射式光电开关。6、实验（调理电路）模板共十二块实验（调理电路）模板：应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/低通滤波模板、光电器件（一）、光开关。7、数据采集卡及处理软件。二、实验台使用方法1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档：电流表显示选择旋钮打到200mA档：步进可n
5 第一章 硬件设备与应用软件介绍 第一节 硬件设备 一、实验台的组成 CSY－3000 系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、 相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等组成。 1、主机箱 直流稳压电源：高稳定的±15V、±5V、＋5V、±2V～±10V（步进可调）、＋2V～＋24V（连 续可调）。 直流恒流源：0．6mA～20mA 可调。 音频信号源（音频振荡器）：1KHz～10KHz（连续可调）。 低频信号源（低频振荡器）：1Hz～30Hz（连续可调）。 气压源：0～20KPa（可调）。 智能调节仪：温度调节、转速调节。 与计算机通信接口：RS-232、USB 接口（内含数据采集卡）。 数字表：电压、电流、频率/转速、气压、光照度数显表。 过载切断保护功能：在排除接线错误后重新开机才能恢复正常工作（直流稳压电源、音频 振荡器、低频振荡器）。 2、振动源 振动台振动频率 1Hz～30Hz 可调（谐振频率 9Hz 左右）。 3、转动源 手动控制 0～2400 转／分；自动控制 300～2400 转／分。 4、温度源 常温～150℃。 5、传感器 共二十六个传感器（其中二个光源）：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压 器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传 感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度传感器、K 型热 电偶、E 型热电偶、Pt100 铂电阻、Cu50 铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器、光照度探头、纯 白高亮发光二极管、红外发光二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、反射 式光电开关。 6、实验（调理电路）模板 共十二块实验（调理电路）模板：应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、 电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波模板、光电器件(一)、光开关。 7、数据采集卡及处理软件。 二、实验台使用方法 1、开机前将电压表显示选择旋钮打到 2V 档；电流表显示选择旋钮打到 200mA 档；步进可
调直流稳压电源旋钮打到土2V档：其余旋钮都打到中间位置。2、将AC220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。3、做每个实验前应先阅读实验指导，每个实验均应在断开电源的状态下接线（实验中用到可调直流电源时，应先将该电源调到设定值并关闭后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。4、如实验需要，合上调节仪电源开关。调节仪的PV显示测量值：SV显示设定值。5、如实验需要，合上气源开关。气泵有声响，说明气泵工作正常。三、实验台故障排除1、开机后数显表都无显示，应查AC220V电源有否接通：主机箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。如都正常，则更换主机箱中主机电源。2、转动源不工作，则手动输入十12V电压，如不工作，更换转动源：如工作正常，应查调节仪设置是否准确：控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。3、振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。4、温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开：温度源的保险丝是否烧断：调节仪设置是否准确。如都正常，则更换温度源。四、学生注意事项1、在实验前务必详细阅读实验指导。2、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（工）短接，如果短接时间长易造成电路故障。3、请勿将主机箱的电源（土）接入实验模板时接错。4、在连接、更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。5、插拨实验接线时，要握住手柄，不能拉扯实验接线。6、实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好并放回原处。7、防止硬物撞击、划伤实验台面：防止传感器及实验模板跌落地面
6 调直流稳压电源旋钮打到±2V 档；其余旋钮都打到中间位置。 2、将 AC 220V 电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示 0000，表示实验 台已接通电源。 3、做每个实验前应先阅读实验指导，每个实验均应在断开电源的状态下接线（实验中用 到可调直流电源时，应先将该电源调到设定值并关闭后再接到实验线路中），检查无误后方可 接通电源。 4、如实验需要，合上调节仪电源开关。调节仪的 PV 显示测量值；SV 显示设定值。 5、如实验需要，合上气源开关。气泵有声响，说明气泵工作正常。 三、实验台故障排除 1、开机后数显表都无显示，应查 AC 220V 电源有否接通；主机箱侧面 AC 220V 插座中的 保险丝是否烧断。如都正常，则更换主机箱中主机电源。 2、转动源不工作，则手动输入＋12V 电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调 节仪设置是否准确；控制输出 Vo 有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。 3、振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板； 如有输出，更换振动源的振荡线圈。 4、温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设 置是否准确。如都正常，则更换温度源。 四、学生注意事项 1、在实验前务必详细阅读实验指导。 2、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，如果短接时间长易造成电路故 障。 3、请勿将主机箱的电源（±）接入实验模板时接错。 4、在连接、更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。 5、插拔实验接线时，要握住手柄，不能拉扯实验接线。 6、实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好并放回原处。 7、防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面
第二节软件使用与实验操作一、主要功能1、双通道虚拟示波器；2、实验数据的实时采集、波形显示、数据处理、实验报告生成及输出；3、历史实验数据的回放、处理及相关输出：4、失真度仪；5、频谱分析。二、软件使用及实验操作1、软件窗口说明DA鼠标点击“CSY一V9.0”图标（如右图所示），进入软件启动界面，CSy-V9.0.exe此界面是软件静态采样时的界面。如下图1-1所示：LOXV9.0-静套实验操作（O）分析动态实验虚拟仪器帮助（H）退出（Q）实验：未选择200+10+15-61800#B51口实验正向反向X停止开始00复位刷新18002000打印预览A通道口实验模式单步采样量程灵敏度测量通道最大值值浙江大学最小值a值最大丰线性误差量程选择±2v日定时间隔1通道日高联b值量程灵敏度最大值GO-LINK最小值a值录大丰线性误差系统状态正常当前时刻当前操作者2005-1-610:59浙江高联公司图1-1软件启动界面
7 第二节 软件使用与实验操作 一、主要功能 1、双通道虚拟示波器； 2、实验数据的实时采集、波形显示、数据处理、实验报告生成及输出； 3、历史实验数据的回放、处理及相关输出； 4、失真度仪； 5、频谱分析。 二、软件使用及实验操作 1、软件窗口说明 鼠标点击“CSY—V9.0”图标（如右图所示），进入软件启动界面， 此界面是软件静态采样时的界面。如下图 1-1 所示： 图 1-1 软件启动界面
左上角是菜单栏，如下图1-2所示：操作）分析动态实验虚拟仪器帮助）退出Q）图1-2菜单栏?“操作”菜单，如图1-3：实验设置软件标定实验记录提取实验曲线图1-3“操作”菜单“实验设置”窗口：如下图1-4。.X实验设置用户姓名实验模式摩四单步采样用户编号采样频率50K1实验编号实验量纲位移mmX轴增量实验通道0.1A通道实验选择998型2000型金属箔式应变片单臂电桥佰式应变片单臂电桥单含全桥比载效应及补套片的温度原理及现象客相实验全桥全桥的应角振幅测量桥的应角电子称之景感式?的性能动压动酒R宜感武）零点余电压的补偿A宜需式）的粽定确定取消图1-4“实验设置”窗口在实验前，要进行实验设置。首先在各自的空格中如实填写好用户姓名及用户编号：其次选择实验台型号（本实验台选择2000型）；8
8 左上角是菜单栏，如下图 1-2 所示： 图 1-2 菜单栏 ① “操作”菜单，如图 1-3： 图 1-3 “操作”菜单 “实验设置”窗口：如下图 1-4。 图 1-4 “实验设置”窗口 在实验前，要进行实验设置。 首先在各自的空格中如实填写好用户姓名及用户编号； 其次选择实验台型号（本实验台选择 2000 型）；
最后进行实验选择，选择实验时用鼠标点击实验栏里的实验名称，选择好实验名称也就确定了实验编号、实验模式、采样频率、实验量纲和实验通道的初始值。在进行实验的时候，也可以对这些值中的实验模式、采样频率（限动态采样）、每格数值、实验通道和实验量纲另行设置。在实验设置时，也考虑到用户自行设置的实验。在实验设置中有一项“自定义”项目，选择“自定义”时，如下图1-5所示。实验设置X用户姓名实验模式李四单步采样用户编号采样频率50K1实验编号实验量纲自定义39X轴增量实验通道0.1A通道实验选择998型2000型自定义差动面程式电容传感器的静态及动态特性一特性动兹稳态影响力情盛器英验阻式5静态实验传感传国R威宗卖验实验验专速实验确定取消图1-5“自定义”示意图在图1-5中，用户可以将实验名称“自定义”改成实际实验名称，将“实验量纲”改成实验中实际的量纲。“软件标定”窗口：点击此项如下图1-6所示。标定密码X请输入标定密码确定取消图1-6“标定密码”示意图
9 最后进行实验选择，选择实验时用鼠标点击实验栏里的实验名称，选择好实验名称也 就确定了实验编号、实验模式、采样频率、实验量纲和实验通道的初始值。 在进行实验的时候，也可以对这些值中的实验模式、采样频率（限动态采样）、每格数 值、实验通道和实验量纲另行设置。 在实验设置时，也考虑到用户自行设置的实验。在实验设置中有一项“自定义”项目, 选择“自定义”时，如下图 1-5 所示。 图 1-5 “自定义”示意图 在图 1-5 中，用户可以将实验名称“自定义”改成实际实验名称，将“实验量纲”改 成实验中实际的量纲。 “软件标定”窗口：点击此项如下图 1-6 所示。 图 1-6 “标定密码”示意图
“实验记录”窗口：点击“实验记录”会弹出实验记录表格。如下图1-7所示。R此实验记录表格中，共记录了12项实验数据。分别是：用户姓名、用户编号、实验名称、实验编号、实验日期、实验时间、X轴点数、实验量纲、实验量程、实验通道、采样频率和采样模式。下面有4个按钮，分别是“保存”、“打开”“删除”和“关闭”。实验记录X用户用品系验保茶有您，婴购导空##全保图K2500率M±10V4i保存打开班除关闭图1-7“实验记录”示意图各键功能如下：保存：用户进行实验后，若要保留此实验曲线以及实验数据，则在上面表格中选取你要保存的一行，然后按“保存”按钮就保存了实验数据。打开：用户若要打开某一保存着的实验记录，则在上面表格中选取某一保存着的实验记录，并按“打开”按钮，就打开此实验记录，把此实验的实验曲线和实验数据在软件中显示出来。删除：用户若要删除某一保存着的实验记录，则在上面表格中选取将要删除的实验记录，按下“删除”按钮，就删除此实验记录，以后不能再打开此记录。关闭：返回主界面。“提取实验曲线”窗口：点击“提取实验曲线”出现如下图1-8对话框。输入文件名，按“确定”用来保存实验曲线，按“取消”不保存。另存为?区008[实验保享名保存典型）[Bitnap_In图1-8保存实验曲线10
10 “实验记录”窗口：点击“实验记录”会弹出实验记录表格。如下图 1-7 所示。 此实验记录表格中，共记录了 12 项实验数据。分别是：用户姓名、用户编号、实验名 称、实验编号、实验日期、实验时间、X 轴点数、实验量纲、实验量程、实验通道、采样频 率和采样模式。 下面有 4 个按钮，分别是“保存”、“打开”、“删除”和“关闭”。 图 1-7 “实验记录”示意图 各键功能如下： 保存：用户进行实验后，若要保留此实验曲线以及实验数据，则在上面表格中选取你 要保存的一行，然后按“保存”按钮就保存了实验数据。 打开：用户若要打开某一保存着的实验记录，则在上面表格中选取某一保存着的实验 记录，并按“打开”按钮，就打开此实验记录，把此实验的实验曲线和实验数据在软件中 显示出来。 删除：用户若要删除某一保存着的实验记录，则在上面表格中选取将要删除的实验记 录，按下“删除”按钮，就删除此实验记录，以后不能再打开此记录。 关闭：返回主界面。 “提取实验曲线”窗口：点击“提取实验曲线”，出现如下图 1-8 对话框。 输入文件名，按“确定”用来保存实验曲线，按“取消”不保存。 图 1-8 保存实验曲线