常用傳感器使用實驗

常用傳感器使用實驗

一、實驗目的
1． 掌握常用傳感器結構、使用方法及其測量系統的組成。
2． 了解傳感器及其測量系統的標定方法。
3． 熟悉CSY10型傳感器實驗儀的使用方法。
二、實驗儀器及設備
1． CSY10型傳感器實驗儀
2． 雙蹤示波器
三、實驗裝置
1． CSY10傳感器實驗儀
CSY10 傳感器是集被測體、各種傳感器、激勵源、顯示儀表和處理電路為一體的一個完整的測量系統，它主要由信號源及顯示部分、傳感器試驗臺部分和處理變換部分三者組成。信號源由±15V 穩壓電源和±2V—±10V 穩壓電源、音頻振蕩器和低頻振蕩器所組成。顯示儀表由21 3位電壓/頻率表和指針式毫伏表組成，可以在實驗中配合使用。試驗臺配有應變、溫度、熱電、壓電、電容、光纖、霍爾、電感、電渦流、磁電等十種傳感器。兩只測微頭可以在做靜態實驗時對傳感器進行標定。而懸臂梁的結構和激振器又可以產生低頻振動，使儀器具有進行動態測量實驗的功能。處理、變換電路則包含了電橋、差動放大器、電荷放大器、低通濾波器、移相器、相敏檢波器、溫度變換器、光電變換器、電容變換器、渦流變換器等。利用這些部件，可以方便地組成數十種不同的實驗，這些實驗分為三類：靜態實驗、動態實驗和系統實驗。如對應變片就至少可以進行這些實驗：單臂、半橋及全橋應變電橋實驗。
四、實驗內容
本實驗內容較多，各專業根據具體情況選做其中幾個。

（一）金屬箔式應變片：單臂、半橋和全橋的比較
1、實驗原理
本實驗說明箔式應變片及直流電橋的原理和工作情況。
應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼
在測試體表面，當測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨
之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。
電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂
電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４中，電阻
的相對變化率分別為△Ｒ１／Ｒ１、△Ｒ２／Ｒ２、△Ｒ３／Ｒ３、△Ｒ４／Ｒ４，當
使用一個應變片時，ΣＲ＝△R／Ｒ；當二個應變片組成差動狀態工作，則ΣＲ
＝２△Ｒ／Ｒ；用四個應變片組成二個差動對工作，且Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝
Ｒ，ΣＲ＝４△Ｒ／Ｒ。
２、實驗所需部件
直流穩壓電源（±４Ｖ）、電橋、差動放大器、箔式應變片、測微頭、電壓
表。
３、實驗步驟
(1)差動放大器調零。開啟儀器電源，差動放大器增益置100 倍（順時針方
向旋到底），“＋、－”輸入端用實驗線對地短路。輸出端接數字電壓表（數字電
壓表撥到2V檔），用“調零”電位器調整使差動放大器輸出電壓為零，然后撥掉
實驗線。調零后“調零”電位器位置不要改變。
(2)按圖(１)將實驗部件用實驗線連接成測試橋路。橋路中Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３
和ＷＤ為電橋中的固定電阻和直流調平衡電位器，Ｒ為應變片（可任選上、下梁
中的一片工作片）。直流激勵電源為±４Ｖ。
(3)確認接線無誤后開啟儀器電源，并預熱數分鐘。調整電橋ＷＤ電位器，使
測試系統輸出為零。
將測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調節使懸臂梁處于基本水平狀
態。
(4)旋動測微頭，帶動懸臂梁分別作向上和向下的運動。
在水平狀態下調節測微頭，使輸出電壓為零，記下測微頭的刻度。
旋動測微頭，每往下移動1mm，記錄一個差動放大器輸出電壓值,并記錄表
中，共測量7-8mm。
將測微頭移到水平位置，并使測試系統輸出電壓為零，記下測微頭刻度，使
測微頭往上移動，并記錄數據。
(5)依次將圖（１）中的電橋固定電阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３換成箔式應變片，分
別接成半橋和全橋測試系統。
(6)重復步驟（３）―（４），測出半橋和全橋輸出電壓并列表，計算靈敏度。
(7)在同一坐標上描出Ｖ－Ｘ曲線，比較三種橋路的靈敏度S，并做出定性的結論。

4、注意事項
㈠在本實驗中放大器只能接成差動形式，否則系統不能正常工作。
㈡流激勵電壓不能過大，以免應變片造成損壞。

圖（1）箔式應變片性能實驗

（二）差動螺管式電感傳感器（位移和振幅測量）
1、實驗原理
利用差動變壓器的兩個次級線圈和軟磁鐵氧體組成了差動螺管式電感傳感
器，銜鐵和線圈的相對位置的變化將引起螺管線圈電感值的變化。當用恒流激勵
傳感器，線圈的輸出電壓就與銜鐵的位移有關。
2、所需部件：音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、電壓表、
示波器、測微頭、電壓表、低通濾波器。振幅測量時用低頻振蕩器。
3、實驗步驟
（１） 靜態測量（位移測量）
①變壓器的二個次級線圈組成差動狀態，按圖（2）接線，音頻
振蕩器LV 端做為恒流源供電，差動放大器增益適度，差動變壓器的兩
個線圈和電橋上的兩個固定電阻R 組成電橋的四臂 ，電橋的作用是將電感變化轉換成電橋電壓輸出。
②旋動測微頭使銜鐵在線圈中位置居中，此時L0′=L0″，系統
輸出為零。
③當銜鐵上、下移動時，L0′≠L0″，電橋失衡系統就有輸出，
大小與銜鐵位移量成比例，相位則與銜鐵移動方向有關，銜鐵向上移動和向下移動時輸出波形相位相差約180o，由于電橋輸出是一個調幅波，因此必須經過相敏檢波器后才能判斷電壓極性，以銜鐵移動位置居中為起點，分別向上、向下各位移5mm，測微頭每旋一周（0.5mm）記錄V，X 值并填入表格，做出V-X 曲線，求出靈敏度。

（２） 動態測量（振幅測量）
①移開測微頭，微調銜鐵在支架上的位置，調節電橋電路，使系統輸出為零。
② 將低頻振蕩器輸出接到“激振Ⅱ”上，給振動臺加一交變力，使振動臺
能上下振動，用示波器觀察系統輸出是否對稱，如不對稱則需對電橋、移相器作
些調整。
③保持低頻振蕩器輸出幅值不變，改變激振頻率f，便可得到它的動態測試
結果Vp-p—f 曲線如圖（3）。

圖（3）
（3）注意事項
靜態位移測量時以銜鐵中心位置為基準，振動臺上下移動±5mm 左右，調節
移相器，使電壓為最大。如雙向不對稱，可調WA、WD及移相旋鈕直到基本對稱。
振幅測試時低通的輸出應接示波器。

（三）渦流式傳感器的靜態標定
1、實驗原理
電渦流式傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成，當線圈中通以高頗交變電
流后，與其平行的金屬片上產生電渦流，電渦流的大小影響線圈的陰抗Z，而渦
流的大小與金屬渦流片的電阻率、導磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離X有關。
當平面線圈、被測體（渦流片）、激勵源已確定，并保持環境溫度不變，阻抗Z
只與X 距離有關。將阻抗變化經渦流變換器變換成電壓V 輸出，則輸出電壓是距
離X 的單值函數。
2、實驗所需部件
電渦流線圈、金屬渦流片、電渦流式變換器、示波器、電壓表。
3、實驗步驟
①安裝好電渦流線圈和金屬渦流片，注意兩者必須保持平行。安裝好測微頭，
將電渦流線圈接入渦流變換器輸入端（圖4）。渦流變換器輸出端接電壓表20V
檔。
②開啟儀器電源，用測微頭將電渦流線圈與渦流片分開一定距離，此時輸出
端有一電壓值輸出。用示波器接渦流變換器輸入端觀察電渦流傳感器的高頻波
形，信號頻率約為1MHZ。
③用測微頭帶動振動平臺使平面線圈完全貼緊金屬渦流片，此時渦流變換器
輸出電壓為零。渦流變換器中的振蕩電路停振。
④旋動測微頭使平面線圈離開金屬渦流片，從電壓表開始有讀數起，每位移
0.25mm 記錄一個讀數，并用示波器觀察變換器的高頻振蕩波形。將V、X 數據填
入下表，作出V-X 曲線，指出線性范圍，求出靈敏度。

電蝸流實驗連接圖

（四）被測材料對電渦流傳感器特性的影響
1、實驗目的：
通過實驗說明不同的材料對電渦流傳感器特性的影響。
2、實驗所需部件：
電渦流線圈、金屬渦流片、電渦流變換器、測微頭、電壓表、銅、鋁、鐵渦
流片。
3、實驗步驟：
①按上一實驗方法安裝好傳感器，開啟電源。更換不同的被測材料，分別對
鐵、銅、鋁被測體進行測量，記錄數據，在同一坐標上做出V—X曲線。
②分別找出各被測體的線性范圍、靈敏度、最佳工作點，并進行比較。

③從實驗得出結論：被測材料不同時靈敏度和線性范圍都不同，必須分別進
行標定。

（五） 電容式傳感器的特性
1、 實驗目的
掌握電容式傳感器的工作原理和測量方法。
2、實驗原理
電容式傳感器有多種形式。本儀器中是差動變面積式。傳感器由兩組定片和
一組動片組成。當安裝于振動臺上的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重
疊面積發生變化，極間電容也發生相應變化，成為差動電容。如將上層定片與動
片形成的電容為CX1，下層定片與動片形成的電容定為CX2，當將CX1與CX2接入橋
路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關，即與振動臺的位移有關。
3、實驗所需部件
電容傳感器、電容變換器、差動放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測微頭。

4、實驗步驟
①按圖（5）接線，電容變換器和差動放大器的增益適中。
②裝上測微頭，帶動振動臺位移，使電容動片位于兩靜片中，此時差動放大器
輸出應為零。
③以此為起點，向上或向下位移動片，每次0.5mm，直至動片與一組靜片全部
重合為止。記錄數據，并做出V—X 曲線，求得靈敏度。

④低頻振蕩器輸出接“激振Ⅱ”端，移開測微頭，適當調節頻率和振幅，使差
放輸出波形較大但不失真，用示波器觀察波形。
5、注意事項

①電容動片與兩定片之間的片間距離必須相等，必要時可稍做調整。位移和振
動時均不可有擦片現象，否則會造成輸出信號突變。
②如果差動放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波，請將電容變換器增益
進一步減小。

（六）光纖位移傳感器----位移測量
1、 實驗原理
反射式光纖位移傳感器的工作原理如圖（6）所示，光纖采用Y 型結構，兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當光發射器發生的紅外光，經光源光纖照射至反射體，被反射的光經接收光纖傳至光電轉換元件，光電轉換元件將接收到的光信號轉換為電信號。其輸出的光強決定于反射體距光纖探頭的距離，通過對光強的檢測而得到位移量。

2、 實驗所需部件
光纖、光電轉換器、光電變換器、低頻振蕩器、示波器、電壓表、支架、反射片、測微頭。
3、 實驗步驟
①觀察光纖結構：本儀器中光纖探頭為半園型結構，由數百根光導纖維組成，一半為光源光纖，一半為接收光纖。
②將原裝電渦流線圈支架上的電渦流線圈取下，裝上光纖探頭，探頭對準鍍鉻片反射片（即電渦流片）。
③振動臺上裝上測頭，開啟電源，光電變換器V0端接電壓表。旋動測微頭，
帶動振動平臺，使光纖探頭端面緊貼反射鏡面，此時V0 輸出為最小。然后旋動
測微頭，使反射鏡面離開探頭，每隔0.50mm 取一V0電壓值填入下表做出V—X曲線。

得出輸出電壓特性曲線如圖（6）所示，分前坡和后坡，通常測量是采用線性較
好的前坡。
4、 注意事項
㈠光電變換器工作時V0 最大輸出電壓以2V 左右為好，可通過調節增益電位
器控制。
㈡實驗時請保持反射鏡片的潔凈與光纖端面的垂直度。
㈢工作時光纖端面不宜長時間直照強光，以免內部電路受損。
㈣注意背景光對實驗的影響。
㈤光纖勿成銳角曲折。

（七）霍爾傳感器的應用----電子秤
1、 實驗目的
了解霍爾式傳感器的結構，工作原理，學會霍爾傳感器的實際應用。
2、實驗原理
霍爾式傳感器是由兩個環形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。當霍爾元件通以恒定電流時，霍爾元件就有電勢輸出?；魻栐谔荻却艌鲋猩?、下移動時，輸出的霍爾電勢V 取決于其在磁場中的位移量X，所測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾元件的靜位移。
3、實驗所需部件
直流穩壓電源（2V），電橋、霍爾傳感器、差動放大器、電壓表、振動圓盤、環形砝碼。
5、 實驗步驟
①按圖（7）接線，開啟電源，調節測微頭和電橋WD，使差放輸出為零。上、下移動振動臺，使差放正負電壓輸出對稱。系統靈敏度盡量大。
②以振動圓盤作為稱重平臺，逐步放上砝碼，依次記下表頭讀數，填入下表，并做出V—W曲線。
③移走稱重砝碼，在平臺上另放置一未知重量之物品，根據表頭讀數從V—W曲線中求得其重量。

6、 注意事項
㈠霍爾式傳感器在做稱重時只能工作在梯度磁場中，所以砝碼和被稱重物都不應
太重。
㈡環形砝碼應置于平臺的中間部分，避免平臺傾斜。

（八）磁電式傳感器
1、實驗目的
通過實驗說明磁電式傳感器的結構、原理、應用。
2、 實驗原理
磁電式傳感器是一種能將非電量的變化轉為感應電動勢的傳感器，所以也稱
為感應式傳感器。根據電磁感應定律，ω匝線圈中的感應電動勢E 的大小決定于
穿過線圈的磁通φ 的變化率： e=-ω dt df
。儀器中的磁電式傳感器由動鐵與感
應線圈組成，永久磁鋼做成的動鐵產生恒定的直流磁場，當動鐵與線圈有相對運
動時，線圈與磁場中的磁通交鏈產生感應電勢，e 與磁通變化率成正比，是一種
動態傳感器。
3、 實驗所需部件
磁電式傳感器、低頻振蕩器、激振器、渦流式傳感器、渦流變換器、雙線示
波器、差動放大器。
4、 實驗步驟
① 低頻振蕩器接“激振I”，磁電式端口接差動放大器兩輸入端，差
動放大器輸出端接示波器。開啟電源，調節振蕩頻率和幅度，觀察輸出波形。
② 安裝好電渦流式傳感器，因為不要求進行位置測量，所以平面線圈
與金屬渦流片的相對位置可以高些，以振動時不相碰為宜。
③ 雙線示波器的通道1和通道2分別接差動放大器輸出端和渦流變換
器的輸出端，調節低頻振蕩器的振動頻率和振幅，觀察比較兩波形。通過觀
察，可以得出結論：磁電式傳感器對速度敏感，電渦流式傳感器則對位置敏感，速度的變化對它的影響不大。
④ 將“激振I”與“磁電”端接線互換，接通低頻振蕩器，觀察差動
放大器的輸出波形。與原磁電式傳感器波形比較?？梢缘贸鼋Y論，磁電式傳
感器是一種磁→電、電→磁轉換的雙向式傳感器。

（九）壓電加速度式傳感器
1、實驗目的
了解壓電加速度計的結構、原理和應用。
2、 實驗原理
壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（發電型傳感器）。壓電傳感元
件是力敏感元件，在壓力、應力、加速度等外力作用下，在電介質表面產生
電荷，從而實現非電量的電測。
3、 實驗所需部件
壓電式傳感器、電荷放大器（電壓放大器）、低頻振蕩器、激振器、電壓/頻
率表、示波器。
4、 實驗步驟
① 觀察了解壓電式加速度傳感器的結構：由雙壓電陶瓷晶片、慣性質量
塊、壓簧、引出電極組裝于塑料外殼中。
② 按圖8 接線，低頻振蕩器輸出接“激振II”端，開啟電源，調節振
動頻率與振幅，用示波器觀察低通濾波器輸出波形。
③ 當懸臂梁處于諧振狀態時振幅最大，此時示波器所觀察到的波形VP-P
也最大，由此可以得出結論：壓電加速度器是一種對外力作用敏感的傳感器。
5、 注意事項
做此實驗時，懸臂梁振動頻率不能過低，否則電荷放大器將無輸出。