传感器实训指导书

扬州高等职业技术学校
实训指导书
2011—2012学年第二学期
课程名称传感器
课程类别实训
专业模具
授课班级10205
授课教师胡冯仪
《传感器》实训指导书
实验一、YL-CG2003型传感器实验台仪器的使用
一、电源部分
1.总电源空气式带漏电保护开关切换整个实验台的单相220V电源，额定电流最大为3A，安全可靠。

2.指示灯—电源插入电网后即亮，表示实验台已接入电源。

3.AC220输出双路多功能插座可输出220V单相电源，功率不大于300W
二、温度控制部分
1.温度控制仪面板说明
（1）将K型热电偶接入主控箱面板温度中的Ei（+、-）标准值插孔中，合上热源开关。

仪表将首先按A、B、C程序自检
2.通过切换开关可控制直流电压表输入端。

当为内接输入位置可测量指示2V-15V直流稳压输出电压。

外接输入分两档0-2V或0-20V。

A、所有数码管及所有指示灯全部点亮，用来检测发光系统是否正常，此时如发现有不能点亮的发光文件，请停止使用该仪表送修。

B、PV窗口显示“TYPE”，SV窗口显示仪表目前所应配输入类型。

C、显示仪表的控制范围，SV窗口显示下限测量控制值，PV窗口显示上限控制值。

（2）仪表进行完以上三步自检后，即投入正常测控状态，上排PV窗口显示测量值，下排SV 窗口设定值。

（3）要想修改设定值，请在正常显示方式下，按一下SET键，PV窗口显示，“SP”，SV窗口显示已设置的值，此时按▲键向上调节设定值,按键▼向下调节设定值。

2.温控仪电源开关—控制整个温控部分电源开或关。

（1）指示灯一亮表示电源部分总电源开关已打开，实验仪在工作。

（2）温控传感器输入插口一通过JK插头与9号温度实验模块E型热电偶连接用。

（3）加热源电源输出端—可提供20V交流5A功率电源。

与9号实验模块电源输入端进行加热温控。

控制温度精度±1℃。

三、数显单元和2V～15V直流电源部分
1.直流电压显示为
1
3
2
数字电压表读数V。

2.通过切换开关可控制直流电压表输入端。

当为内接输入位置可测量指示2V-15V直流稳压输出电压。

外接输入分两档0-2V或0-20V。

3.外接电压输入V
+、V
-
端子表示输入电压正端和负端。

4.2V-15V稳压源调节电位器可调节输出电压从2V至15V连续可调。

5.2V-15VDC稳压输出端V
+正端输出，V
-
为负端输出。

四、恒流源输出
1.可调恒流源电流表为1
3
2
数字电流表读数mA 。

2.电流调节电位器可从0.5mA 至10mA 连续调节。

3.直流输出端子I +、I -分别为正端、负端。

五、15针输出口
通过排插可快捷将以下电压信号送入实验模块内。

1.本插座内接±2V ～±10V 电压源。

2.400Hz —10KHz 交流振荡电源。

3.±15V 电压。

六、232口
1.将采集信号通讯口接入计算机串口实现上位机数据采集。

七、数据采集部分
1.检测数据显示屏为4位半数字液晶显示，读数mV ，最大输入20000mV ，精度为±0.5％。

2.复位钮为机内复位按钮。

3.采样输入i V +、 i V -分别为正端输入和负端输入。

八、±15V 、±2V ～±10V 电源部分
1.+15V 、-15V 输出端，最大电流0.3A ，误差±3％。

2.电压调节开关将±2V 、±10V 分五档。

分别为±2V 、±4V 、±6V 、±8V 、±10V 五档。

3.可调电压源输出端V +、 V -分别为正端和负端。

电流最大0.2A ，精度0.5％，0.2A 满载时精度不低于±1％。

九、频率部分
1.频率显示屏由五位数码管组成最大显示99999Hz ，精度±3％。

2.选择开关控制频率计输入端，使它分接外频率，低频振荡器1，音频振荡器2，当外接进可作频率表使用时，被测信号最小不低于0.5Vp-p ，最大20Vp-p ，内接低频，则显示1Hz-30Hz ，接音频时，则指示400Hz-10KHz 振荡器频率。

十、低频振荡器部分
1.频率调节电位器可调振荡频率从1Hz-30Hz 。

2.幅度调节一可从0-25Vpp 连续可调。

3.输出端子V0另一端接地。

十一、音频振荡部分
1.频率调节电位器可调振荡频率从400Hz-10KC ，精度±5％。

2.幅度调节一可从0-25Vpp 连续可调。

3.0°输出，正相输出端。

4.180°输出，反相输出端。

实验一评分表
实验二、单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。

二、实验原理
电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。

可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩和重量等，在机械加工、计量和建筑测量等行业应用十分广泛。

提问1：什么是电阻应变效应？
所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变的同时其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：设其长为L 、半径为r 、材料的电阻率为ρ 时其电阻R 为（根据电阻的定义式）
2
L L R A r ρ
ρπ==⋅ （1-1） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L 、截面积A 和电阻率ρ 的变化为d L ，d A ，d ρ相应的电阻
变化为d R 。

提问2：电阻应变式传感器基本结构？
电阻应变式传感器主要由引出线、电阻丝、基底和面胶四个部分组成。

引出线作为连接测量导线用，对测量精度至关重要；
电阻丝也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类传感器的核心构件；黏结剂的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；
基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；
面胶或叫覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用。

提问3：电阻应变式传感器检测原理？
电阻应变片直接感受到的是构件的应变或应力，测量时必须把应变片粘贴在机械的弹性体上，当外力作用到弹性体元件上时，弹性体被压缩或拉伸，即产生微小的机械变形，粘贴在弹性体上的应变片感受到应力σ 的作用，根据材料力学中的虎克定律可知：应变ε 与应力σ 成正比，即：ε＝σΕ。

又由应变效应可知应变片的应变ε 与其电阻值的相对变化率d R/R 成正比，以此实现对微小的机械变量的检测。

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 ＝K ε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= EK ε/4。

提问4：电桥电路？
为将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。

直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。

因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。

三、实验器材
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20克砝码（10个）、±15V电源、±2V电源、快捷插座。

四、实验步骤
1、观察1号实验模块并把开关设置成单臂模式
应变式传感器已装于1号金属箔式应变片传感器实验模块上，传感器中各应变片已接入模板的下方的R1、R2、R3、R4，加热丝也接于1号实验模块上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=1kΩ，加热丝阻值为25Ω左右，开关K1、K2、K3接在1号实验模块的右侧，按照表格中的提示把开关设置成单臂模式。

2、差动运算放大器放大倍数设定及零点的调节
①接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块±15V电源或者（从实验台可快捷插座一次接入），检查无误后，合上电源开关，实验模块±15V指示灯亮。

②将14号实验模块增益电位器调节大致在W3 35左右、W4 100左右，再进行差动放大器调零。

调整方法：将14号实验模块输入端（V in +）与(V in -)与地短接，V o2输出端与实验台面板上的数显表外接输入端量程为0~2V中的V+相连，(注：要把旋钮打到2V档)，调节14号实验模块上调零电位器W5、W6使数显表显示为零，关闭实验台电源。

3、1号实验模块接上9V电源重新调零
1号实验模块9V接实验台+9V，GND与-9V相连，并连接线一端与1号实验模块相连，另一端与14号实验模块输入端JK1相连。

检查无误后，合上实验台电源开关，重新微量调节14号实验模块W5 、W6 ，使数显表显示为零。

4、连接计算机
数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。

将计算机RS232口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

5、放砝码并记录数据
在秤盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完。

记下实验结果填入表中
实验二评分表
实验三、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、实验原理
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。

三、实验器材
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20克砝码（10个）、±15V电源、±2V电源、快捷插座。

四、实验步骤
1、观察1号实验模块并把开关设置成半桥模式
应变式传感器已装于1号金属箔式应变片传感器实验模块上，传感器中各应变片已接入模板的下方的R1、R2、R3、R4，加热丝也接于1号实验模块上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=1kΩ，加热丝阻值为25Ω左右，开关K1、K2、K3，按照表格中的提示把开关设置成半桥模式。

2、差动运算放大器放大倍数设定及零点的调节
①接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块±15V电源或者（从实验台可快捷插座一次接入），检查无误后，合上电源开关，实验模块±15V指示灯亮。

②将14号实验模块增益电位器调节大致在W3 35左右、W4 100左右，再进行差动放大器调零。

调整方法：将14号实验模块输入端（V in +）与(V in -)与地短接，V o2输出端与实验台面板上的数显表外接输入端量程为0~2V中的V+相连，(注：要把旋钮打到2V档)，调节14号实验模块上调零电位器W5、W6使数显表显示为零，关闭实验台电源。

3、1号实验模块接上9V电源重新调零
1号实验模块9V接实验台+9V，GND与-9V相连，并连接线一端与1号实验模块相连，另一端与14号实验模块输入端JK1相连。

检查无误后，合上实验台电源开关，重新微量调节14号实验模块W5 、W6 ，使数显表显示为零。

4、连接计算机
数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。

将计算机RS232口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+
与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

5、放砝码并记录数据
在秤盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完。

记下实验结果填入表中
实验三评分表
实验四、全桥性能实验
一、实验目的
比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

二、实验原理
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。

三、实验器材
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、20克砝码（10个）、±15V电源、±2V电源、快捷插座。

四、实验步骤
1、观察1号实验模块并把开关设置成全桥模式
应变式传感器已装于1号金属箔式应变片传感器实验模块上，传感器中各应变片已接入模板的下方的R1、R2、R3、R4，加热丝也接于1号实验模块上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=1kΩ，加热丝阻值为25Ω左右，开关K1、K2、K3，按照表格中的提示把开关设置成全桥模式。

2、差动运算放大器放大倍数设定及零点的调节
①接入14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块±15V电源或者（从实验台可快捷插座一次接入），检查无误后，合上电源开关，实验模块±15V指示灯亮。

②将14号实验模块增益电位器调节大致在W3 35左右、W4 100左右，再进行差动放大器调零。

调整方法：将14号实验模块输入端（V in +）与(V in -)与地短接，V o2输出端与实验台面板上的数显表外接输入端量程为0~2V中的V+相连，(注：要把旋钮打到2V档)，调节14号实验模块上调零电位器W5、W6使数显表显示为零，关闭实验台电源。

3、1号实验模块接上9V电源重新调零
1号实验模块9V接实验台+9V，GND与-9V相连，并连接线一端与1号实验模块相连，另一端与14号实验模块输入端JK1相连。

检查无误后，合上实验台电源开关，重新微量调节14号实验模块W5 、W6 ，使数显表显示为零。

4、连接计算机
数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。

将计算机RS232口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+
与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

5、放砝码并记录数据
在秤盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完。

记下实验结果填入表中
实验四评分表
实验五、电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的
1.了解电容式传感器的特点及其应用
2.掌握差动变面积式电容传感器的工作原理 二、实验原理
提问1：电容式传感器的种类？
利用平板电容C ＝εA ／d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，可以做成三种类型的电容传感器。

有变面积式、变极距式、变介电常数式 提问2：差动变面积式电容传感器的工作原理？
差动变面积式电容传感器的中间可移动的电容器极板与两边固定的电容器极板形成两个电容器和，当中间极板向一方面移动时，其中一个电容器的电容因极间距增大而减小，而另一个电容因极间距减小而增大，由此可得电容总变化量为
由此可得灵敏度为 提问3：电容式传感器的特点及其应用？
具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等特点。

可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。

三、实验器材
4号电容式传感器模块、测微头、0-20V 数显表、直流稳压源、2号实验模块、连接导线若干 四、实验步骤 步骤1：
接入+12V 、-12V 电源或用快捷插座一次接入。

步骤2：
把测微头安装在2号实验模块支架上，旋测微头使电容基本居中。

步骤3：
将电容传感器实验模板的输出端OUT 与数显表单元V+相接，W1调节数显表近似为零。

步骤4：
数显表0-2V 换成0-20000mV 数据采集输入。

将计算机RS232 口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+
与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

步骤5：
旋动测微头推进向上或向下电容传感器动极板位置，每间隔0.05mm 或0.1记下位移X 与输出电压值，填入表中
2
02δεεδA C
K -=∆∆=δδ
εε∆-=-=∆20212A
C C C
实验五评分表
实验六、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、实验原理
提问1：什么是电涡流效应？
当通过块状金属导体中的磁通发生变化时，根据法拉第电磁感应定律可知，在金属导体中会感应出一圈圈自行封闭的感应电流，此电流称为电涡流，这种物理现象称为电涡流效应。

提问2：电涡流式传感器的结构？
这种传感器一般主要有线圈、铁芯、框架和连接导线及外壳等几部分组成。

提问3：电涡流式传感器的性能特点？
电涡流式传感器不仅具有很高的灵敏度、良好的线性度和极强的抗干扰能力，而且测量范围大和不易受油污等介质的影响，还具有结构简单、安装方便，并能实现不接触测量等诸多优点。

提问4：电涡流式传感器的应用？
不仅在位移、振幅、厚度、表面温度、流体压力、钢水的液位和转速等物理量的检测中得到了越来越广泛的应用，而且在金属探伤检测、远距离监控、动力系统的故障诊断等许多领域都得到了应用。

提问5：电涡流传感器的工作原理？
根据法拉第电磁感应定律，当传感器线圈通以正弦交变电流İ1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体产生电涡流I2，I2 又产生新的交变磁场H2；由愣次定律可知，H2 将反抗原磁场H1 的变化，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。

因此，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。

而电涡流效应既与被测导体的电阻率ρ、磁导率μ及几何形状有关，又与线圈几何参数和励磁电流频率有关，还与线圈与被测金属导体的距离x 有关。

故电涡流传感器的线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z 可用Z=F（ρ，μ，r，f，x）表示其函数关系。

提问6：电涡流传感器的测试原理？
将涡流线圈装在悬臂梁的自由端，被测金属导体固定在2号实验模块上，当旋动螺旋测微头时，线圈与导体之间的距离就发生变化，使导体的电涡流产生相应改变，导致传感器输出电压信号产生变化，经信号处理电路处理后可出一个与位移成正比的电压。

三、实验器材
7号电涡流实验模块、直流电源、0-2V数显单元、测微头、铁圆片、2号实验模块。

四、实验步骤
步骤1：
将电涡流传感器安装在2号实验模块中的位移测量部分。

步骤2：
观察传感器结构，这是一个平绕的线圈。

步骤3：
电涡流传感器输出线已接入实验模板上标有L1输入端的插座，作为振荡器的一个元件。

步骤4：
在测微头端部装上不透钢的金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

步骤5：
将实验模块7Vo2与数显表输入端V+相接，V-端接地，数显表量程切换开关选择电压20V档。

步骤6：
7号模块的±12V接入实验台±12V。

步骤7：
数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。

将计算机RS232
口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+
与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

步骤8：
使测微头与传感器线圈端接触，开启实验台电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读
实验六评分表
实验七、被测体材质对电涡流式传感器的特性影响实验
一、实验目的
了解不同的被测体对电涡流传感器性能的影响
二、实验原理
电涡流效应既与被测导体的电阻率ρ、磁导率μ及几何形状有关，又与线圈几何参数和励磁电流频率有关，还与线圈与被测金属导体的距离x 有关。

故电涡流传感器的线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z 可用Z=F（ρ，μ，r，f，x）表示。

从函数关系可以看出电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。

三、实验器材
7号电涡流实验模块、直流电源、0-2V数显单元、测微头、铁圆片、2号实验模块。

四、实验步骤
步骤1：
将电涡流传感器安装在2号实验模块中的位移测量部分。

步骤2：
观察传感器结构，这是一个平绕的线圈。

步骤3：
电涡流传感器输出线已接入实验模板上标有L1输入端的插座，作为振荡器的一个元件。

步骤4：
在测微头端部装上铝圆片，作为电涡流传感器的被测体。

步骤5：
将实验模块7Vo2与数显表输入红端V+相接，V-端接地，数显表量程切换开关选择电压20V 档。

步骤6：
7号模块的±12V接入实验台±12V。

步骤7：
数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。

将计算机RS232
口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+
与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

步骤8：
使测微头与传感器线圈端接触，开启实验台电源开关，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。

将结果填入表1和表2中。

被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据
被测体为铜圆片时的位移为输出电压数据
步骤9：
比较表1和表2结果，并进行小结。

实验八、直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验一、实验目的
了解霍尔式传感器的原理与应用
二、实验原理
提问1：什么是霍尔效应？
放置在磁场中的静止载流导体，当它的电流方向I 与磁场方向B 不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间将会产生一定的电动势，这主要是由于导电粒子受到洛仑兹力的作用发生沿导体横向运动所致，这种物理现象叫霍尔效应。

提问2：霍尔式传感器的组成？
它主要由半导体芯片（霍尔片）、引线和外壳三部分组成。

提问3：霍尔式传感器的工作原理？
在芯片的两个相互垂直的侧面各引出一对电极，电极用于加激励电压或电流（也叫控制电压或电流），称之为激励电极（控制电极）；另一对电极用于输出霍尔电压，叫霍尔电极。

在使用时当控制电流或磁感应强度改变时输出霍尔电压就会发生变化。

提问4：霍尔式传感器的特点及其应用？
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点。

在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器。

提问5：霍尔式传感器的静态性能测试原理？
本实训的测试原理是建立在该实训台的基础上的，将霍尔传感器固定在梁的自由端，由螺旋测微头来控制梁自由端的位置，以改变霍尔片在磁场中的位置，使它所受到的磁感应强度发生改变，进而改变传感器的输出电压，其输出霍尔电压与元件的位置有关，通过螺旋测微头可对传感器进行电压灵敏度的标定。

三、实验器材
5号霍尔式传感器实验模块、2号实验模块、直流源+5V、测微头、0-2V数显单元
四、实验步骤
步骤1：
将霍尔式传感器安装在2号实验模块上。

步骤2：
将5号霍尔式传感器实验模块接上±12V电源或快捷插座与实验台连接。

A+接+5V，B-接地。

K1、K2选择在直流位置。

步骤3：
开启电源，调节测微头使霍尔片在离霍尔元件10mm处，再调节W3、W4使数显表指示为零。

步骤4：
数显表0-2V换成0-20000mV数据采集输入。

将计算机RS232
口接实验台面板RS232输出口；实验台面板RS232输出口的V+
与数显表V+相连；实验台面板RS232输出口的V-与数显表V-相连。

步骤5：
测微头向轴向方向推进，每转到0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表中。