传感器与检测技术实验报告分解

西华大学实验报告

西华大学实验报告（理工类）

开课学院及实验室：自动检测及自动化仪表实验室 实验时间 ： 年 月 日

学 生 姓 名 学生所在学院 课 程 名 称 实验项目名称 桥性能比较与半导体应变片性能比较实验 指 导 教 师 林艳、陈高燕 项 目 学 分 学 号 电气信息学院 传感器与检测技术 实验一：箔式应变片性能及单臂、半桥、全项 目 代 码 成 绩 年级/专业/班 课 程 代 码 106088009 一、实验目的

1．观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式； 2．测试应变梁变形的应变输出； 3．比较各桥路间的输出关系；

4．比较金属应变片与半导体应变片的各种的特点。

二、实验原理

应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。

三、实验设备、仪器及材料

直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。

四、实验步骤（按照实际操作过程）

1．调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化，调零后关闭仪器电源。

2．按图1.1将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为金属箔式应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V。

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＋4V R R2 ＋ WD －4V R3 R1 图1.1 单臂电桥测试原理图

－ V 3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。

4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电压为零为起点，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。

5．直流半桥：保持差动放大器增益不变，将R2换成与应变片R工作状态相反的另一金属箔式应变片，（若R拉伸，换上去的应为压缩片）形成半桥。重复单臂电桥的步骤；

6．直流全桥：保持差动放大器增益不变，将R1换成与应变片R工作状态相反的另一金属箔式应变片，（若R拉伸，换上去的应为压缩片），将 R3换成与应变片R工作状态相同的另一金属箔式应变片，形成全桥。重复单臂电桥的步骤。

五、实验过程记录(数据、图表、计算等)

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六、实验结果分析及问题讨论

指导教师签字：

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开课学院及实验室：自动检测及自动化仪表实验室 实验时间 ： 年 月 日

学 生 姓 名 学生所在学院 课 程 名 称 实验项目名称 阻测温试验 指 导 教 师 林艳、陈高燕 项 目 学 分 学 号 电气信息学院 传感器技与检测技术 实验二：热电式传感器——热电偶、热敏电项 目 代 码 成 绩 年级/专业/班 课 程 代 码 106088009 一、实验目的

1、观察了解热电偶的结构； 2、熟悉热电偶的工作特性； 3、学会查阅热电偶分度表； 4、了解热敏电阻的特性；

5、比较热电偶和热敏电阻的特性。

二、实验原理

1．热电偶测温：热电偶是热电式传感器的一种，它可将温度变化转化成电势的变化，其工作原理是建立在热电效应的基础上的。即将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料的性质和结点的温度有关。因此只要保持冷端温度t0不变，当加热结点时，热电偶的输出电势E会随温度t变化，通过测量此电势即可知道两端温差，从而实现温度的测量。本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶（K型）。

2．热敏电阻测温：热敏电阻是热电式传感器的一种，它可将温度变化转化为电阻变化以达到测量温度的目的。热敏电阻是利用半导体材料制成的热敏元件，它具有灵敏度高，可以应用于各领域的优点。热电偶一般测高温线性较好，热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便。

本实验中所用热敏电阻为负温度系数。其定义为热敏电阻在其自身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量，可用下式表示为：

?T?1dRTB ??RTdTT2式中B为热敏电阻常数。本实验所用的热敏电阻B=3200K。

负温度系数的热敏电阻其特性可以表示为： RT?RT0式中RT、RT0分别为温度T和T0时的电阻值。

因此当温度变化时，热敏电阻阻值的变化将导致由运放组成的压/阻变换电路的输出电压变化，其关系

11B(?)eTT0

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可表示为：

U0UTR? U0?T0 RT0RTUTRT式中UT、U T0分别为温度T和T0时的压/阻变换电路的输出电压值。 根据上面两式：

11RT1?ln? TBRT0T0

11UT1?ln? TBUT0T0三、实验设备、仪器及材料

热电偶、热敏电阻RT、温度变换器、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）。

四、实验步骤（按照实际操作过程）

1．热电偶的测温试验步骤

（1）调节差动放大器输出为零。开启仪器总电源并将仪器左下角的±15V电源开关置于“开”的位置。差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底） “+、-”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后，差动放大器的两个电位器的位置不要变化；

（2）将热电偶接入差动放大器的双端输入，记录数字表显示的电压值Ut；

（3）打开加热开关，观察差动放大器输出电压的变化，每隔1-2分钟记录一次电压值，待温度不再上升时（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数，并求出温度值；

（4）本仪器上热电偶是由两支铜－康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1； E（t , to） = E（t , t1） + E（t1 , to） 实际电动势 测量所得电势 温度修止电动势

式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，to为热电偶参考端温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度。查阅铜－康铜热电偶分度表，求出加热端温度t；

2.热敏电阻的测温试验步骤

（1）观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入温度变换器RT端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出U0端的输出电压值尽可能大但不超量程，记录U RT0值；

（2）用温度计测出环境温度，记录T0值。（用国际温标）；

（3）打开加热器，观察温度变换器输出电压的变化情况。每隔1分钟，尽可能同时测出热电偶、热敏电阻传感器的输出电压，记入数据表。直至电压稳定；

（4）根据计算热电偶的稳定温度值T, 计算第5点的温度值T1。

11U1?lnRT1? T1BURTT

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五、实验过程记录(数据、图表、计算等)

六、实验结果分析及问题讨论

指导教师签字： 6

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开课学院及实验室：自动检测及自动化仪表实验室 实验时间 ： 年 月 日

学 生 姓 名 学生所在学院 课 程 名 称 实验项目名称 率综合实验 指 导 教 师 林艳、陈高燕 项 目 学 分 学 号 电气信息学院 传感器与检测技术 实验三：基于上位机检测的光电测速、测频项 目 代 码 成 绩 年级/专业/班 课 程 代 码 106088009 一、实验目的

在工业生产和科学实验中，转速测量是一个很重要的问题。通过该试验，达到以下综合目的： 1．了解光电转速传感器的工作原理； 2．掌握光电测速的系统结构； 3．学会通过测量脉冲计算转速； 4．了解计算机测速的基本环节；

5．了解光电转速中环境光对测速的影响。

二、实验原理

1. 采用光电转速传感器进行测速；

2. 采用频率计通过测量光电转速传感器的脉冲计算转速； 3. 采用示波器通过测量光电转速传感器的脉冲计算转速；

4. 通过数据采集板，经过RS232与计算机通信进行速度的测量与显示。 5. 采用人为干扰的方法，观察环境光对光电测速的影响。

三、实验设备、仪器及材料

光电传感器、光电变换器、测速电机及转盘、电压 / 频率表2KHZ档、示波器、数据采集卡、计算机。

四、实验步骤（按照实际操作过程）

光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成，通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。

信号结构盘是反射式结构，将信号盘与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支架上，垂直于转速盘，当转速盘旋转时，光电传感器就输出矩形脉冲信号，每6个脉冲对应电动机1转。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。采用频率计通过测量光电转速传感器的脉冲计算转速；采用示波器测转速。

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五、实验过程记录(数据、图表、计算等)

六、实验结果分析及问题讨论

指导教师签字： 8

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开课学院及实验室：自动检测及自动化仪表实验室 实验时间 ： 年 月 日

学 生 姓 名 学生所在学院 课 程 名 称 实验项目名称 激励特性综合实验 指 导 教 师 林艳、陈高燕 项 目 学 分 学 号 电气信息学院 传感器与检测技术 实验四：基LABVIEW的霍尔式传感器的直流项 目 代 码 成 绩 年级/专业/班 课 程 代 码 106088009 一、实验目的

1.了解霍尔式传感器的工作原理； 2.熟悉霍尔式传感器的结构； 3.学会用霍尔传感器做静态位移测试； 4.了解基于LABVIEW的测试系统构成。

二、实验原理

在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压VH，这种现象就是霍尔效应，VH称为霍尔电压：

VH ＝ KHIB

霍尔元件一旦制成，KH为常数。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成，当霍尔元件通以恒定的电流时，霍尔元件就有电势输出。如图4.1 (a)所示的两块永久磁铁相同极性相对放置，将霍尔元件置于中间，其磁感应强度为零，这个位置可以作为位移的零点。当霍尔器件在Z轴方向位移?Z时，霍尔器件有一电压UH输出，其输出特性如图9-20(b)所示。

图4.1 霍尔位移测量

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2V 差放 电压表 WD － ＋ R 图4.2 测量原理图

只要测出UH值，即可得到位移的数值。位移传感器的灵敏度与两块磁钢间距离有关，距离越小，灵敏度越高。一般要求其磁场梯度大于0.03T／mm，这种位移传感器的分辨率优于10?6m。如果浮力、压力等参数的变化能转化为位移的变化，便可测出液位、压力等参数。本设计中通过调节测微头来调节霍尔器件在磁场中的位移。其测量推导如下：

VH ＝ KHIB

B = k B x VH ＝ KHI k B x K= KH I k B VH = K x

三、实验设备、仪器及材料

直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头。

四、实验步骤（按照实际操作过程）

1.调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。

如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源；

2.按图4.2接线；装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置； 3.将差动放大器增益放在适度的位置（认真理解“适度”的含义）； 4.开启电源，调节电桥WD，使差放输出为零；

5.上、下移动振动台，使差放正负电压输出对称；

6.上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值。 7.如所测的数据不对称，应重新调整零点再测；

8.最后将测微头的移动范围超过3.5mm，观察将出现什么现象；

9.观察老师做基于LABVIEW的测试的演示实验：将CSY实验仪器的通信电缆与PC机的COM口相连接，在PC机上打开LABVIEW的测试界面，调出如图4.4所示虚拟电压表进行测试。

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五、实验过程记录(数据、图表、计算等)

六、实验结果分析及问题讨论

指导教师签字： 11

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开课学院及实验室：自动检测及自动化仪表实验室 实验时间 ： 年 月 日

学 生 姓 名 学生所在学院 课 程 名 称 学 号 电气信息学院 传感器与检测技术 成 绩 年级/专业/班 课 程 代 码 项 目 代 码 项 目 学 分 106088009 实验项目名称 实验五：电子计数器测频和测周实验 指 导 教 师 林艳、陈高燕 一、实验目的

1. 了解频率测量的基本原理。

2. 了解电子计数器测频/测周的基本功能。频率测量，并了解测频方式下：闸门时间与测量分辨率关系。周期测量，并了解测周方式下：时标、周期倍增与测量分辨率关系。

3. 熟悉电子计数器的使用方法。

二、实验原理

1.测频原理 所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照f＝N/T的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图5-1 所示。从图中可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为fx，在闸门时间Ｔ内计数器计数值为N，则待测频率为

fx = N/T (5-1)

若假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz，此时，测频分辨力为1Hz。

图5-1 测频原理框图和时间波形

2.测周原理

由于周期和频率互为倒数，因此在测频的原理中对换一下待测信号和时基信号的输入通道就能完成周期的测量。其原理如图5-2所示。

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图5-2 测周原理图

待测信号Tx通过脉冲形成电路取出一个周期方波信号加到门控电路，若时基信号(亦称为时标信号)周期为To，电子计数器读数为N，则待测信号周期的表达式为

TX?N?TO （5-2）

例如：fx = 50Hz，则主门打开1/50Hz（= 20ms）。若选择时基频率为fo = 10MHz，时基To＝0.1us，计数器计得的脉冲个数为N?时，测周分辨力为0.1us。

TXTO = 200000 个，如以ms为单位，则计数器可读得20.0000(ms) ，此

三、实验设备、仪器及材料

1. 计算机 １台 2. SJ-8002B电子测量实验箱 １台 3. Q9连接线 １根

四、实验步骤（按照实际操作过程）

1．实验准备

（1）按照图5-3所示的方法连线，S602接“no”端。

（2）先打开实验箱电源，电源指示灯“亮”。然后在PC机上运行主界面程序，如图5－8所示，再从主界面进入“电子测量实验室”，其界面如图5－4所示，最后选择实验二，软件则自动打开了电子计数器测频和测周的界面。

电源信号发生器Ain1EPP计算机示波器Aout1S602电子测量实验箱图5－3 实验连接框图

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图5－4 主程序界面

2. 按如图5-6所示,连接实验系统。

电源信号发生器示波器监测②Aout1EPP①Fx计算机电子测量实验箱

图5-6 实验平台及实验器材连接图

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说明：被测输入信号有两种接法，一种是如图5-6所示的①，由外接信号发生器连接实验箱测频输入fx的BNC插座；一种是如图5-6所示的②，由实验箱上的信号源Aout1(或Aout2)连接实验箱测频输入fx的BNC接头，并用示波器监测输入信号的幅度和频率大小。然后按照电子计数器测频/测周实验运行电子计数器程序进行测量。

4.电子计数器的面板如图5-7所示。

图5-7 虚拟电子计数器面板

使用说明：

（1）当选择测频/测周按钮置“测频”时，可选“闸门时间”分别为：1ms,10ms,100ms,1s,10s，时标选择旋钮不使能；

（2） 当选择测频/测周按钮置“测周”时，可选“周期倍乘”分别为：×1，×10，×100，×1000，×10000。时标选择旋钮可选10MHz,1MHz,100KHz,10KHz,1KHz。

（3）当选择“自动”按钮时，测频/测周按钮、时标选择旋钮和测频/测周按钮不使能，将自动根据被测信号与中界频率的大小关系来确定采用测频或测周方式，并显示相关内容。

注意：在“测周”模式下，若选择大的周期倍乘系数，测量低频信号时，测量时间回很长。

5.电子计数器测频/测周实验

（1） 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，波形可分别为方波、正弦波、三角波，幅度为1V～5V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”，选择不同的闸门时间，对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值，并填入表5-1：

表5-1

信号频率 闸门时间 1ms 10ms 0.1s 1s 10s 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz （2） 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，选择不同的周期

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倍乘，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值，并填入表5-2：

表5-2

0.1s 信号周期 周期倍乘 (10Hz) 1 10 100 1000 10000 可不做 可不做 10ms (100Hz) 可不做 1ms (1kHz) 0. 1ms (10kHz) 10us (100kHz) 1us (1MHz) （3）利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行测量，选择“自动方式”，观察仪器自动选择的“测频或测周”模式，记录测量的频率值和周期值选择不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析，并填入表5-3：

表5-3

信号频率 测频/测周模式 实测频率 实测周期 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz 五、实验过程记录(数据、图表、计算等)

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六、实验结果分析及问题讨论

1、分析以上测量数据，在电子计数器测频过程中，闸门时间对测量分辨力有何影响？ 2、时标选择对电子计数器测周分辨力有何影响？

指导教师签字：

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