1、检测与转换技术综合实验指导书最新版检测与转换技术综合实验实验指导书合肥工业大学电气与自动化学院电气自动化专业实验中心2006年9月学生实验手册一、学生应按照课程教学计划，准时上实验课，不得迟到早退。二、实验前应认真阅读实验指导书，明确实验目的、步骤、原理，预习有关理论知识，并接受实验教师的提问和检查。三、进入实验室必须遵守实验室规章制度，不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢纸屑杂物。四、做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，服从实验教师和技术人员的指导。未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其他物品。五、实验中要细心观察，认真记录各种实验数据。不准敷衍，不准抄袭别组数
2、据，不得擅自离开操作岗位。六、实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。若出现事故，应立即切断电源，及时向实验教师报告，并保护现场，不得自行处理。七、实验完毕，应清理实验现场。经实验教师检查仪器设备、工具、材料和实验数据后，方可离开。八、实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。在规定的时间内交实验教师批改。九、在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、器皿、工具损坏者。应写出损坏情况汇报，并接受检查，由领导根据情况进行处理。十、凡违反操作规程、擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按章予以赔偿。编写
3、说明检测与转换技术综合实验是结合课程教学开设的必要的实践环节，属于课程教学的重要组成部分。目的是让学生通过实践，较好地掌握和运用所学的基本原理、基本理论和基本技能，并在实验过程中熟悉和掌握各类实验仪器、工具和器材等的选用和使用技能。培养学生正确理解实验方案和要求，科学构建实验电路或系统，分析和解决实验中出现的现象和问题。检测与转换技术综合实验面向本学院自动化、电气工程与自动化、生物医学工程等专业。本实验指导书根据教学大纲规定的各项实验任务，介绍了CSY系列传感器系统实验仪的结构原理及配套软件的使用。并根据各类传感器的特性，安排了十二个综合性实验，供各专业选用。本实验指导书由王海欣、朱淳、方海泉
4、编写，徐科军教授审核。本科生裴金力同学参加了修订工作。 目 录第一部分 CSY998B+传感器实验仪简介 5第二部分 传感器与转换技术实验内容 9实验一 电阻应变（金属箔式应变计）传感器实验 9一、金属箔式应变计性能-单臂、半桥、全桥比较 9二、金属箔式应变计的温度效应及补偿 10三、移相器实验 12 四、相敏检波器实验 13五、金属箔式应变计交流全桥及激励频率对交流全桥的影响 15六、交流全桥的应用 16实验二 差动变压器（互感式）传感器实验 18一、差动变压器（互感式）传感器的性能 18二、差动变压器（互感式）零残余电压的补偿 19三、差动变压器（互感式）的标定 20四、差动变压器（互感式
5、）的应用 21实验三 差动螺管式（自感式）传感器实验 23一、差动螺管式（自感式）传感器的静态位移性能 23二、差动螺管式（自感式）传感器的振幅测量 24三、激励频率对差动螺管式传感器的影响 25实验四 差动变面积电容传感器实验 27实验五 霍尔式传感器实验 28一、霍尔式传感器的直流激励特性 28二、霍尔式传感器的交流激励特性 29三、霍尔式传感器的应用 30实验六 电涡流式传感器实验 32一、电涡流式传感器的静态标定 32二、被测体材料对电涡流传感器特性的影响 33三、电涡流式传感器的应用 33实验七 磁电式传感器实验 35实验八 光纤、光电传感器实验 36一、光纤位移传感器静态实验 36
6、二、光纤位移传感器的动态实验 37三、光电开关的转速测量实验 38四、光敏电阻传感器实验 39五、硅光电池实验 40实验九 热电阻、热电耦传感器实验 41一、热电偶的原理及分度表的应用 41二、热敏电阻实验 42三、PN结温度传感器测温实验 43四、湿敏电阻（RH）实验 44五、热释电传感器 45实验十 压电传感器及半导体扩散硅压阻式压力传感器实验 47一、压电传感器的动态响应 47二、 压电传感器引线电容对电压放大器的影响、电荷放大器 47三、半导体扩散硅压阻式压力传感器实验 48四、气敏传感器（MQ3）实验 50实验十一 双平行梁的动态特性正弦稳态响应 53实验十二 综合传感器力平衡式传感
7、器 54第一部分 CSY998B+传感器实验仪简介一、CSY-998B+传感器实验仪简介实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。1、传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头、小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感的可动芯子）、半导体扩散硅压阻式差压
8、传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，热释电传感器、光电开关、硅光电池、光敏电阻元件安装盒，具体安装部位参看附录三。2、显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（2V - 10V分5档调节）、F/V数字显示表（可作为电压表和频率表）、（5mV-500mV)、音频振荡器、低频振荡器、15V不可调稳压电源。3、实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激振线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。4、处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容变换放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通
9、滤波器、涡流变换器等单元组成。二、主要技术参数、性能及说明（一）传感器安装台部分：双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈,接入低频激振器V0可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。(或采用标准双孔悬臂梁传感器应变梁)1、差动变压器（电感式）量程：5mm 直流电阻：5-10由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。2、电涡流位移传感器量程：1mm 直流电阻：1-2 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。3、霍尔式传感器量程：2mm直流电阻：激励源端口800-1.5K；输出端口300-500日本JVC
10、公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。4、热电偶直流电阻：10左右 由两个铜-康铜热电偶串接而成，分度号为T，冷端温度为环境温度。5、电容式传感器量程：2mm 由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。 6、热敏电阻半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25时为10K。7、光纤传感器由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围2mm。红外线发射、接收、直流电阻：500-2.5k 260股Y形、半圆分布。8、半导体扩散硅压阻式压力传感器量程：10Kpa（差压） 供电：6V 美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器。9、压电加速度计PZT-5压电晶片和铜质量块
11、构成。 谐振频率：10KHZ， 电荷灵敏度：q20pc/g。10、应变式传感器箔式应变片电阻值：350、应变系数：2，平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有4片应变片，受力工作片分别用符号 和 表示。在998B型仪器中，横向所贴的两片为温度补偿片，用符号 表示。11、PN结温度传感器 利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：-2.1mV/。 12、磁电式传感器 0.211000 直流电阻：30-40由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s 13、气敏传感器MQ3（酒精）：测量范围：50-200ppm。14、湿敏电阻高分子薄膜电阻型
12、（RH）：几兆-K响应时间：吸湿、脱湿小于10秒。温度系数：0.5RH%/ 测量范围：10%-95% 工作温度：0-5015、光电开关：（反射型）16、光敏电阻：cds材料：几-几M17、硅光电池：Si日光型18、热释电红外传感器：远红外式（二）信号及变换1、电桥：用于组成直流电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。2、差动放大器 通频带010kHz 可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。3、电容变换器 由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。4、电压放大器 增益约为5倍，同相输入，通频带010KHz5、移相器 允许最大输入电压10Vp-p 移相范围20（5K
13、Hz时）6、相敏检波器 可检波电压频率0-10KHz允许最大输入电压10Vp-p 极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路7、电荷放大器 电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。8、低通滤波器 由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。9、涡流变换器 输出电压|8|V（探头离开被测物） 变频调幅式变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件10、光电变换座 由红外发射、接收管组成。（三）二套显示仪表1、数字式电压/频率表：3位半显示，电压范围02V、020V，频率范围3Hz2KHz、10Hz20KHz，灵敏度50mV。2、指针式毫伏表：85C1表，分500mV、50mV、5
14、mV三档，精度2.5%（四）二种振荡器1、音频振荡器：0.4KHz10KHz输出连续可调，Vp-p值20V输出连续可调，180、0反相输出，LV端最大功率输出电流0.5A。2、低频振荡器：1-30Hz输出连续可调，Vp-p值20V输出连续可调，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。（五）二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行位移与振动实验（右边圆盘式工作台由“激振I带动，左边平行式悬臂梁由带动）。 （六）电加热器二组电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30左右的升温。（七）测速电
15、机一组由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电开关、光纤传感器配合进行测速（八）二组稳压电源直流15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。2V10V分五档输出，最大输出电流1.5A。提供直流激励源。（九）计算机联接与处理数据采集卡：十二位A/D转换，采样速度10000点/秒，采样速度可控制，采样形式多样。标准RS-232接口，与计算机串行工作。良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。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。仪器下部面板左下角处的开关为控制处理电路15V的工作电源，进行实验时
16、请勿关掉，为保证仪器正常工作，严禁15V电源间的相互短路，建议平时将此两输出插口封住。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，不影响测试。 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做定性的验证，而非工业应用型的传感器定量测试。 三、各电路和传感器性能的检查 1、应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。各接线图两个节点间即一实验接插线，接插线可多根迭插。 2、热电偶，接入差动放大器，打开“加热”开关，观察随温度升高热电势的变化。 3、热敏式，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温
17、度升高，电阻两端的阻值变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。 4、P-N结温度传感器，进行P-N结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T。 5、进行“移相器实验”用双踪示波器观察两通道波形。 6、进行“相敏检波器实验”，相敏检波器端口序数规律为从左至右，从上到下，其中5端为参考电压输入端。7、进行“电容式传感器特性”实验，当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器Vo端电压应正负过零变化。 8、进行“光纤传感器位移测量，”光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微仪带动反射片位置变化，从差动放大器输出端读出电压变化值。 9、进行光纤（光电）式传感器测
18、速实验，从F/V表Fo端读出频率信号。F/V表置2K档。 10.低通滤波器：将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端，输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。 11、进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。 12、进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，直流激励信号不能大于2V。 13、进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形，参见图13。 14、进行“电压加速度传感器”实验，此实验与上述第十一项内容均无定量要求。 15、进行“电涡流传感器的静态标定”实验，接线参照图19
19、，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。 16、进行“扩散硅压力传感器”实验，注意MPX压力传感器为差压输出，故输出信号有正、负两种。 17、进行“气敏传感器特性”实验，观察输出电压变化。 18、进行“湿敏传感器特性演示”实验。 19、进行“光敏电阻”实验。 20、进行“硅光电池”实验。 21、进行“光电开关（反射）”实验。 22、进行“热释电传感器”实验。以上17项起实验均为演示性质，无定量要求。 23、如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅微机数据采集系统软件使用说明。数据采集卡已装入仪器中，其中A/D转换是12位转换器。 仪
20、器后部的RS232接口与计算机串行口相接，信号采集前请正确设置串口，否则计算机将收不到信号。 仪器工作时需要良好的接地，以减小干扰信号，关尽量远离电磁干扰源。 上述检查及实验能够完成，则整台仪器各部分均为正常。 实验时请注意实验指导书中的实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下再开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，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，用手按下振动梁再松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。本实验仪器需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度0-40第二部分 传感器与转换技术实验内容实验一 电阻应变（金属箔式应变计）传感器实验一、金属箔式
21、应变计性能-单臂、半桥、全桥比较实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。实验原理：说明实际使用的应变电桥的性能和原理。已知单臂、半桥和全桥电路的R分别为R/R、2R/R、4R/R。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4.E.R， 电桥灵敏度Ku=V/R/R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E.。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。所需单元和部件：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。有关旋钮的初始位置：直流稳压电源打到2V档，F/V表打到2V档，差动放大器
22、增益打到最大。实验步骤：（1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。（2）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭主、副电源。（3）根据图1接线：A、单臂R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻，R4为应变片。B、半桥R1、R2为电桥单元的固定电阻，R3、R
23、4为应变片。C、全桥R1、R2、R3、R4均为应变片。 图 1 （4）将稳压电源的切换开关置4V档，F/V表置20V档。将测微头安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调整测微头使梁处于一个水平位置（目测），固定好测微头。调节W1，使F/V表显示为零。若不能调为零，再细调测微头，使F/V表显示为零。然后将F/V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。（5）旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表：（单臂）位移（mm）电压（mv）然后关闭主、副电源。（6）保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，
24、形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：（半桥）位移（mm）电压（mv）然后关闭主、副电源。（7）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成 ，R2换成 ，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使F/V表显示零。重复（4）过程将读出数据填入下表：（全桥）位移（mm）电压（mv）然后关闭主、副电源。（8）据所得结果计算灵敏度S=V/X（式中X为梁的自由端位移变化，V为相应
25、F/V表显示的电压相应变化）。在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。注意事项：（1）在更换应变片时应将电源关闭。（2）在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。（4）直流稳压电源4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。 二、金属箔式应变计的温度效应及补偿实验目的：了解温度对应变测试系统的影响。实验原理：温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压发生变化。用补偿片法是应变电桥温度
26、补偿方法中的一种，如图2所示。 图 2在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1=R2。当温度变化时两应变片的电阻变化，R1与 R2相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1R4=R2R3电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片90所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。所需单元和部件：可调直流稳压电源、-15V不可调直流稳压电源、电桥、差动放大器、F/V表、测微头、加热器、双平行梁、水银温度计（准备）、主、副电源。有关旋钮的初始位置：主、副电源关闭、直流稳压电源置4V档，F/V表置20V档，差动放大器增益旋钮置最大。 实验步骤： （1）了解加热器在实验仪所在的位置及加
27、热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。 （2）将差动放大器的（+）（-）输入端与地短接，输出端口与F/V表的输入插口 V i 相连。 （3）调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使F/V表显示零，再把F/V表的切换开关置2V档，细调差放零点，使F/V表显示为零。关闭主、副电源，F/V表的切换开关置20V档，拆去差动放大器输入端的连线。 （4）按图1接线，开启主副电源，调电桥平衡网络的W1电位器，使F/V显示零，然后将F/V表的切换开关置2V档，调W1电位器，使F/V表显示零。 （5）在双平行梁的自由端（可动端）装上测微头，并调节测微头。使F/V表显示
28、零。 （6）将-15V电源连到加热器的一端插口，加热器另一端插口接地；F/V表的显示在变化，待F/V表显示稳定后，记下显示数值，并用温度计（自备）测出温度，记下温度值。（注意：温度计控头不要触在应变片上，只要触及应变片附近的梁体即可）。关闭主、副电源，等待数分钟使梁体冷却到室温。 （7）将F/V表的切换开关置20V档，把图中的R3换应变片（补偿片），重复4-6过程。 （8）比较二种情况的F/V表数值：在相同温度下，补偿后的输出变化小很多。 （9）实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转至初始位置。 思考：为什么不能完全补偿。提示：从补偿应变片和受力应变片所贴的位置点，梁的温度梯度考虑。三、移相器实
29、验 实验目的：了解运算放大器构成的移相电路和的原理及工作情况 实验原理： 图5为移相电路示意图，由移相器原理图可求得该电路的闭环增益G（s）由正切三角函数半角公式可得从上式可看出，调节电位器W2将产生相应的相位变化 。 所需单元及部件： 移相器、音频振荡器、示波器、主、副电源 实验步骤： （1）了解移相器在实验仪所在位置及电路原理（见图5，电路原理见附录）。 图 5 （2）将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0、180插口输出均可），开启主、副电源。 （3）将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。 （4）调节移相器上的电位器，观察两个波形间相位的变
30、化。 （5）改变音频振荡器的频率，观察不同频率的最大移相范围。 问题： （1）根据电路原理图，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。 （2）如果将两路信号分别从Y轴和X轴送入，根据李沙育图形是否可完成此实验？ 注意事项：本仪器中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障。 正确选择示波器中的“触发”形式，以保证示波器能看到波形的变化。四、相敏检波器实验 实验目的：了解相每检波器的原理和工作情况。 实验原理：相敏检波电路如图（6A）（及所附原理图）所示，图中为输入信号端，为输出端，为交流参考电压输入端，为直流参考电压输入。 当端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用场效应晶体管处于开关状态。从而把输入的正弦信号转换成半波整流信号。 所需单元和部件：相敏检波器、移相器、音频振荡器、示波器、直流稳压电源、低通滤波器、F/V表、主、副电源。 有关旋钮的初始位置：F/V表置20K档。音频振荡器频率为4KHz,幅度置最小（逆时针到
