电子传感器实验指导

《传感器》实验指导书应用电子技术教研室郝娜2009．9实验一应变式传感器特性测试一、实验目的1、掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能；2、了解学习全桥测量电路的构成及其特点、优点；3、比较单臂电桥与全桥的不同性能、了解其特点；二、实验用器件与设备1、传感器实验箱；2、直流稳压电源、箔式应变片、螺旋测微仪、数字电压表三、实验原理电阻应变（即电阻应变片）是一种能将被测试件的应变变化转换成电阻变化的传感元件，工作原理基于应变——电阻效应（即当电阻敏感栅感受应变时，其电阻发生相应变化的物理现象）。应变片分类：金属式应变计、箔式应变计、半导体应变计、金属薄膜应变计等。使用应变片测量应变或应力时，将应变片牢固地粘贴在被测弹性试件上，当试件受力变形时，应变片的金属栅随之产生相应变形，从而引起应变片电阻的变化。副电源电桥平衡网络开差动放大器直流电压表图1、电桥电路四、实验步骤1、了解所需元件、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。2、将差动放大器调零：将差动放大器的正（+）、负（—）输入端与地短接。将差动放大器的输出端与F/V表（即电压/频率表）的输入插口Vi相连；差动放大器的地与F/V表的地相连；调节差动放大器的增益到最大位置（右旋到底），然后调整差动放大器的调零旋扭使F/V表显示为零。3、根据图1接线，R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；R4=Rx为应变片。测微仪使得悬臂梁基本处于水平位置。将稳压电源的切换开关置±4V档。将F/V表置20V档，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1,使F/V表显示为零，然后将F/V表置2V档，再调电桥W1，使F/V表显示为零。5、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下各唯一5mm，每位移1mm记录一个输出电压值，并记录。位移（mm）电压（v）根据表中所测数据在坐标图上作出V-X曲线，计算灵敏度S=XV6、依次将图1中的固定电阻R1换接成板桥、全桥。用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下各唯一5mm，每位移1mm记录一个输出电压值，并记录。位移（mm）电压（v）位移（mm）电压（v）7、在同一坐标图上作出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，作出结论实验二电容式传感器一、实验目的1、验证差动平行变面积式电容传感器的工作原理；2、掌握差动平行变面积式电容传感器的位移实验技术；3、观察和了解差动平行变面积式电容传感器的动态实验；二、实验用器件与设备1、传感器实验箱；2、电容传感器、测微仪三、实验原理变面积型电容传感器测量位移有3种方式：平面直线位移型，角位移型，圆柱（或圆角）形线位移型。四、实验步骤1、观察电容传感器的机构：传感器由一组动片和两组动片组成，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，将差放增益调至一半。2、打开主机电源，涌测微仪带动传感器动片位移至两组动片之间，此时模块电路输出为零。3、向上和向下转动测微头，每次0.5mm，记下此时测微头读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止，记录数据，作出V-XX（mm）V（V）4、计算系统灵敏度S，给出实验结论。实验三电感式传感器一、实验目的1、了解差动变压器原理及工作情况；二、实验用器件与设备1、传感器实验箱；2、电感传感器、测微仪、音频振荡器、示波器；三、实验原理根据变压器原理：次级线圈感应电势分别：12221121IjwMEIjwmE输出电势：12122212)(IMMjwEEE当衔铁在中间位置时若两次线圈及参数磁路尺寸相等则M1=M2=M，所以E2=0当衔铁偏离中间位置时M1≠M2，由于差动工作，所以M1=M+ΔM1，M2=M-ΔM2，在一定的范围内M1=M+ΔM1其差值（M1-M2）与衔铁位移成正比例，在负载开路情况下输出电势为：E2=-jw(M1-M2)I1当没有信号输入时，铁心处于中间位置，输出电压为零点残余电压。当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大，相敏检波滤波后得到直流输出，可以指示输入位移量的大小和方向。本试验用示波器读取零点残余电压值和位移量的大小。四、实验步骤1、观察试验台上差动变压器式传感器的结构。装上测微头调整，使差动变压器铁芯处于线圈中段位置。2、开启主副电源，调整音频振荡器幅度旋扭，利用示波器观察，使音频振荡器输出激励电压峰峰值为2V。按图接线。利用示波器观察，调整测微头，使示波器指示电压逐渐减小至近似为零。3、旋转测微头（使示波器读数减小的方向），每隔0.1mm读数（即转过10个小格），记录示波器读数，填入下表。反复测量三次，求出平均值。作V—X曲线，并求出灵敏度。X（mm）V（mv）思考：用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？大小是多少？由于什么原因造成？实验四电涡流式传感器一、实验目的1、了解电涡流式传感器测量振动的原理和方法。二、实验用器件与设备1、传感器实验箱；2、电涡流传感器、涡流变换器、差动放大器、电桥、铁测片、直流稳压电源、低频振荡器、激振线圈、F／V表、示波器、主副电源。三、实验原理一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交流电时，线圈的周围产生正弦交变磁场H，此磁场中的金属导体产生电涡流，而电涡流也产生交变磁场H2，H3与H1方向相反，由于磁场H2的反使用使通电线圈的有效阻抗发生变化，这种线圈阻抗的变化完整地反映涡流效应。显然，线圈阻抗的变化与金属导体的电导率磁导率几何形状，线圈几何参数，激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关，线圈金属导体系统的物理性质通常可由磁导率u，电导率δ尺寸因子γλx激励电流强度I和频率W等参数来描述线圈的阻抗Z可用如下函数表示：Z=F（uδγλxIW）若uδγλxIW恒定不变时，阻抗Z就成为距离X的单调函数即Z=f(x)四、实验步骤1、转动测微器，将振动平台中间的磁铁与测微头分离，使梁振动时不至于再被吸住（这时振动台处于自由静止状态），适当调节涡流传感器头的高低位置（目测），以线性范围的中点附近为参考点。2、根据下图的电路结构接线，将涡流传感器探头、涡流变换器、电桥平衡网络、差动放大器、F／V表、直流稳压电源连接起来，组成一个测量线路（这时直流稳压电源应置于±4V档），F／V表置20V档,开启主、副电源。3、调节电桥网络，使电压表读数为零。去除差动放大器与电压表连线，将差动放大器的输出与示波器连起来，将F／V表置2V档，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。4、固定低频振荡器的幅度旋钮至某一位置（以振动台振动时不碰撞其他部件为好），调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表，关闭主、副电源。f（Hz）325V（p-p）五、思考根据实验结果，振动台的自振频率大致为多少？为什么？实验五气敏电阻的应用实验——酒精探测仪一、实验目的1、了解气敏传感器的工作原理及应用。2、利用气敏传感器MQ-3型传感器进行电路设计，要求进行检测酒精中气体的浓度。二、实验用器件MQ-3气敏传感器、15K、180K滑动变阻器、2.4K电阻、发光二极管、10UF/25V电容、LM3914三、实验原理本探测仪采用酒精气体敏感元件作为探头，由一块集成电路对信号进行比较放大，并驱动一排发光二极管按信号电压高低依次显示。对刚饮过酒的人，只要向探头吹一口气，探测仪就能显示出酒精气体的浓度高低。若把探头靠近酒瓶口，它也能轻而易举地识别出瓶内盛的是白酒还是黄酒，能相对地区分出酒精含量的高低。电路原理如下图所示：气敏传感器的输出信号送至IC2的输入端(5脚)，通过比较放大，驱动发光二极管依次发光。10个发光二极管按IC2的引脚按(10—18、1)次序排成一条，对输入电压作线性10级显示。输入灵敏度可以通过电位器RP调节，即对“地”电阻调小时灵敏度下降；反之，灵敏度增加。IC2的6脚与7脚互为短接，且串联电阻R1接地。改变R1阻值可以调整发光二极管的显示亮度，当阻值增加时亮度减弱，反之更亮。IC2的2脚、4脚、8脚均接地。3脚、9脚接电源+5V(集成稳压器ICl的输出端)。分别并联在ICl输入与输出端的电容C1、C2防止杂波干扰，使IC1输出的直流电压保持平稳。五、思考1，MQ-3型气敏传感器是如何工作的？主要对哪些气体敏感？2，环境不同时传感器的使用会出现什么情况？实验六光控开关一、实验目的1、了解光敏电阻的特性及应用二、实验用器件光敏电阻，NPN三极管，电阻，发光二极管三、实验内容根据所给元件，自行设计电路，要求通过光线明暗的变化，控制发光二极管的亮灭，绘制电路图，焊接，并调试。四、实验原理实验七光纤传感器测位移和转速实验一、实验目的1、了解光纤传感器的结构、原理和性能。2、了解光纤传感器测转速的原理及运用。二、实验用器件与设备电机控制单元、小电机、F/V表、光纤传感器、＋5V电源、可调±2V－±10V直流稳压电源、主副电源、示波器三、实验原理反射式光纤传感器工作原理如图1所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源反射，由红外发射二极管发出的红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。四、实验步骤1、观察光纤位移传感器结构，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，一端为光源光纤，一端为接收光纤，探头固定在Z型安装架上，外表为螺丝的端面为半圆分布。连接主机和实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上通用支架（原装电涡流探头），探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪带动反射镜片位移。2、如下图接线：因光/电转换器内部已按装好，所以可将电信号直接经差动放大器放大。F/V显示表的切换开关置2V档，开启主、副电源。3、开启主机电源，光电变换器V0端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片，此时V0为0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值。XmmV4、了解电机控制，小电机（小电机端面上贴有两张反射纸）在实验仪上所在的位置，小电机在振动台的左边。按下图接线，将差动放大器的增益置最大，F/V表的切换开关置2V，开启主、副电源。5、将光纤探头移至电机上方对准电机上的反光纸，调节光纤传感器的高度，使F/V表显示最大。再用手稍微转动电机，让反光面避开光纤探头。调节差动放大器的调零，使F/V表显示接近零。将直流稳压电源置±10V档，在电机控制单元的V+处接入+10V电压，调节转速旋钮使电机运转。6、F/V表置2K档显示频率，用示波器观察F。输出端的转速脉冲信号。(Vp-p=4V)；根据脉冲信号的频率及电机上反光片的数目换算出此时的电机转速。实验八霍尔传感器直流激励特性一、实验目的1、了解霍尔传感器的结构、原理和性能。2、了解霍尔传感器测静态位移的方法，分析其特性。二、实验用器件与设备霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F／V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主副电源。三、实验原理霍尔片在磁路中有位移,改变了霍尔元件所感受到的磁场大小和方向,引起霍尔电势的大小和极性的变化.保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿X方向移动，输出霍尔电动势为UH=kx，霍尔电动势极性表示位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高，磁场梯度越均匀输出线性度越好。四、实验步骤1、实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。开启主、副电源，将差动放大器调零后，关闭主电源，根据上图接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。2、装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。开启主、副电源，调整W1使电压表指示为零。差动放大器增益调至较小位置，然后不再改变。3、上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每1mm读一个数，将读数填入下表：位移（mm）电压（V）作出V－X曲线，指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。可见，本实验