检测与转换技术
实验指导书
目 录
第一章 CSY2001B传感器试验台说明书
第二章 实验指导
一、 应变式电阻传感器：单臂、半桥、全桥比较
二、 差动面积式电容传感器的静态及动态特性
三、 PSD光电位置传感器
四、 温度传感器设计
第一章 CSY2001B传感器实验台说明书
CSY2001B传感器系统综合实验台为完全模块式结构，分主机、实验模块和实验桌三部分。根据用户不同的需求分为基本型和增强性两种配置。主机由实验工作平台，传感器综合系统、高稳定交、直流信号源，温控电加热源，旋转源、位移机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统（RS232接口）、实验软件等组成。全套13个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构（位移装置均由进口精密导轨组成，以确保纯直线性位移），实验时模块可按实验要求灵活组合，仪器性能稳定可靠，方便实用。
传感器包括：（基本型含24种传感器，序号1.1-1.24。增强型含31种传感器，序号1.1-1.31）
1.1 金属箔式应变传感器（箔式应变片 工作片4片；温度补偿片2片,应变系数：2.06，精度2%）
1.2 称重传感器（标准商用双孔悬臂梁结构，量程0~500g，精度2%）
1.3 MPX扩散硅压阻式压力传感器（差压式，量程0~50KP，精度3%）
1.4 半导体应变传感器（BY350，工作片2片，应变系数120）
1.5 标准K分度热电偶，（量程0~800℃，精度3%）
1.6 标准E分度热电偶，（量程0~800℃，精度3%）
1.7 MF型半导体热敏传感器（负温度系数，25℃时电阻值10K）
1.8 Pt100铂热电阻（量程0~800℃，精度5%）
1.9 半导体温敏二极管（精度5%）
1.10 集成温度传感器（电流型，精度2%）
1.11 光敏电阻传感器（cds器件，光电阻≥2MΩ.
1.12 光电转速传感器（近红外发射-接收量程0~2400转/分）
1.13 光纤位移传感器（多模光强型，量程≥2mm,在其线性工作范围内精度5%）
1.14 热释电红外传感器（光谱响应7~15μm，光频响应0.5~10HZ）。
1.15 半导体霍尔传感器(由线性霍尔元件与梯度磁场组成。工作范围：位移±2mm，精度5%)
1.16 磁电式传感器（动铁与线圈）
1.17 湿敏电阻传感器（高分子材料，工作范围5~95%RH，）
1.18 湿敏电容传感器（高分子材料，工作范围5~95%RH）
1.19 MQ3气敏传感器（酒精气敏感，实验演示用）
1.20 电感式传感器（差动变压器，量程±5mm,精度5%）
1.21 压电加速度传感器（PZT压电陶瓷与质量块。工作范围5~30HZ ）
1.22 电涡流传感器（线性工作范围1mm,精度3%）
1.23 电容传感器（同轴式差动变面积电容，工作范围±3mm,精度2%）
1.24 力平衡传感器（综合传感器系统）
1．25 光电池传感器
1．26 光敏二极管传感器
1．27 光敏三极管传感器
1.28 PSD光电位置传感器（PSD器件与激光器组件，采用工业上的三角测量法，量程25mm，精度0.1%）
1.29 激光光栅传感器（光栅衍射及光栅莫尔条纹，莫尔条纹精密位移记数精度0.01mm）
1.30 CCD图象传感器（光敏面尺寸：1/3英寸。采用计算机软件与CCD传感器配合，进行高精度物径及高精度光栅莫尔条纹位移自动测试。）
1.31 超声波测距传感器（量程范围30~600mm，精度10mm）
主机配置：
2.1 直流稳压电源：（传感器工作直流激励源与实验模块工作电源）
±2V~±10V分五档输出，最大输出电流1.5A
±15V（±12V） 、最大输出电流1.5A；激光器电源。
2.2 音频信号源：（传感器工作交流激励源）
0.4KHz-10KHz输出连续可调，最大Vp-p值20V。
00、1800端口反相输出
00、LV端口功率输出，最大输出电流1.5A
1800端口电压输出，最大输出功率300mw
2.3 低频信号源：（供主机位移平台与双平行悬臂梁振动激励，实现传感器动态测试）
1Hz~30Hz输出，连续可调，最大输出电流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（双平行悬臂梁）、激振II（圆形位移平台）的振动源。
转换钮子开关的作用：（请特别注意）当倒向V0侧时，低频信号源正常使用，V0端输出低频信号，倒向Vi侧时，断开低频信号电路，V0 端无低频信号输出，停止激振Ⅰ、Ⅱ的激励。Vi作为电流放大器的信号输入端，输出端仍为V0端。激振不工作时激振选择开关应位于置中位置。
2.4 温控电加热源：（温度传感器加热源）
由E分度热电偶控温的300W电加热炉，最高控制炉温400℃，实验控温≤200℃。交流220V插口提供电炉加热电源，作为温度传感器热源、及热电偶测温、标定和传感器温度效应的温度源等。
2.5 旋转源：（光电、电涡流传感器测转速之用）
低噪声旋转电机，转速0-2400转/分，连续可调。（特别注意：电机不工作时钮子开关应置于“关”，否则直流稳压电源负电源会无输出）。
2.6 气压源：（提供压力传感器气压源）
电动气泵：气压输出应≤40KP，连续可调,使用时请注意控制气压。
手动加压气囊：可加压至满量程40KP，通过减压阀调节气压值。
仪表显示部分：
3.1 电压/频率表：
3 1/2位数字表、电压显示分0~2V、0~20V两档；
频率显示分0~2KHz、0~20KHz两档，灵敏度≤50mv。
3.2 数字式温度表：（E分度）
温度显示：0-800℃（用其他热电偶测温时应查对相应的热电偶分度表）。
3.3 气压表：
0-40KP（0-300mmHg）显示。
计算机通信与数据采集：
4.1 通信接口：标准RS232口，提供实验台与计算机通信接口。
4.2 数据采集卡：12位A/D转换，采集卡信号输入端为电压/频率表的“通道Ⅰ”和“通道Ⅱ”端，采集卡频率输入端为“转速信号入”口。
实验模块包含：
（基本型含9个模块，序号5.1-5.9，增强型含13个模块，序号5.1-5.13，每个模块包含一种或一类传感器，使用方便）
5.1 实验公共电路模块：提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。
5.2 应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿）、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。
5.3 电感式传感器实验模块：差动变压器、螺管式传感器、高精度位移导轨、放大电路。
5.4 电容式传感器实验模块：同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路，精密位移导轨。
5.5 光电传感器实验模块：光纤位移传感器与光电耦合器、光敏电阻及信号变换电路，精密位移导轨、电机旋转装置。
5.6 霍尔传感器实验模块：霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及高精度位移导轨。
5.7 温度传感器实验模块：提供7种温度传感器及变换电路，可控电加热炉。
5.8 电涡流传感器实验模块：电涡流探头、变换电路及精密位移导轨。
5.9 湿敏气敏传感器实验模块：高分子湿敏电阻、湿敏电容、MQ3气敏传感器及变换电路。
5.10 PSD光电位置传感器实验模块：PSD器件及激光器组件、精密位移导轨，高倍放大器。（增强型单元）
5.11 CCD 图象传感器及光栅测试实验模块：CCD传感器、光栅莫尔条纹位移传感器及计机测试软件、精密位移导轨。（增强型单元）
5.12 超声波传感器测距实验模块：超声波发射-接收探头、位移装置及时间-距离变换显示电路，直接显示探测距离（cm）及时间（μs）（增强型单元）
5．13光电器件实验模块：光电器件模板、微安表，实验选配单元。
主机工作台上装置的传感器有:
磁电式、压电加速度、半导体应变（2片）、金属箔式应变（工作片4片，温度补偿片2片）、衍射光栅（增强型）。
双平行悬臂梁旁的支柱安装有螺旋测微仪，可带动悬臂梁上下位移。
圆形位移（振动）平台旁的支架可安装电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器探头，在平台振动时进行动态实验。
实验台主机与实验模块的连接线采用了高可靠性的防脱落插座及插头。实验连接线均用灯笼状的插头及配套的插座，接触可靠，防旋防松脱，并可在使用日久断线后重新修复（特别注意：在本型仪器上请勿同时使用旧型号的可锁紧连接线，以免损坏新型连接线及造成插座松动）。
实验操作须知：
1. 使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。主机面板上的钮子开关都应选择好正确的倒向。
2. 了解测试系统的基本组成：合适的信号激励源→传感器→处理电路（传感器状态调节机构）→仪表显示（数据采集或图象显示）
3. 实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，主机与实验模块的直流电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。
4. 实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转，使用时应避免摇晃。为延长使用寿命，操作时请捏住插头连接叠插。
5. 实验指导中的“注意事项”不可忽略。传感器的激励信号不准随意加大，否则可能会造成传感器永久性的损坏。
6. 本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化。限于实验条件，有些实验只能做为定性演示（如湿敏、气敏传感器），能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。
7. 本仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。
第二章 实验指导
实验一 应变式电阻传感器：单臂、半桥、全桥比较
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、了解箔式应变片在位移测量方面的应用。
4、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
二、实验原理：
本实验说明箔式应变片、直流电桥的原理和工作情况。
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，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。
电桥电路是最常用的非电量检测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/ R1、
△R2/ R2、△R3/ R3、△R4/ R4 ，当使用一个应变片时，
；当二个应变片组成差动状态工作，则有
；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R，
。
已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/ R、△2R/ R、4△R/ R。根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于
·E·∑·∑R，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对于单臂、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，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
三、实验所需部件：
直流稳压电源+4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变片、螺旋测微仪、数字电压表。
四、实验步骤：
（一）单臂电桥位移测量
1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于较大位置（顺时针方向增益变大），差动放大器“+”“—”输入端Vi对地用实验线短路，输出端Vout接电压/频率表2V档。开启主机电源，用差放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，调零后模块上的“差放增益、差放调零”电位器均不应再变动。
2、观察贴于主机悬臂梁根部的应变片的位置与方向，按图1将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻（350Ω），R为应变片（可任选上梁或下梁中的一个工作片，无应变时其电阻均为350Ω），图中每两个节点之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。
图1
将螺旋测微仪螺旋管调至10mm刻度（或其它便于记录的位置），装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节螺旋测微仪支柱高度使悬臂梁基本处于水平位置，拧紧支柱固定螺钉。
3、确认接线无误后开启主机电源开关，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零，此时将螺旋测微仪所在刻度设为原点（0）位置。
4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上移动（设为正位移）和向下移动（设为负位移）各5mm ,每移动0.5mm记录一个输出电压值，并记入下表：
根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线，计算灵敏度S：S=
。
注：上下移动时，也可以从上往下移动（从+5mm到-5mm），或相反方向进行均可。
（二）单臂、半桥、全桥比较
1、在完成单臂电桥的基础上，依次将图（1）中的固定电阻R1，换接应变计组成半桥、将固定电阻R2 、R3，换接应变计组成全桥。
2、重复实验（一）中实验3-4步骤，完成半桥与全桥测试实验。
3、在同一坐标上描出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
注意事项：
应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。
五、思考问答：
1、悬臂梁根端的各应变片随着悬臂梁的上下移动，其电阻值如何相应地发生变化？
2、实验中，如果悬臂梁在较大范围上下移动，应变片能正常工作吗？为什么？
六、注意事项：
1、实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线（直接上下插取，无须旋转扭动连接线插头，否则易使插孔松动），这是顺利完成实验的基本保证。
2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或多次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。
3、做单臂电桥实验时，由于应变片的零漂和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零漂值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路必然会出现输出电压漂移现象，这是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的漂移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性原理就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。
4、因为是小信号测试，所以调零后做实验时电压表应置2V档，实验中要尽量避免外界信号干扰。
5、在金属箔式应变片接口中，从左至右6片金属箔式片分别是：第1、3工作片与第2、4工作片受力方向相反，第5、6片为上、下梁的温度补偿片，请注意应变片接口上所示符号表示的相对位置。
实验二 差动变面积式电容传感的静态及动态特性
一、 实验目的：
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
二、 实验原理
差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。
（图1）
三、 所需单元及部件：
电容传感器、电容传感器实验模块、激振器I、测微仪
四、实验步骤：
1、观察电容传感器结构：传感器由一个动极与两个定级组成，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图（1）接好实验线路，增益适当。
2、打开主机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。
3、前后位移动极，每次0.5mm，直至动静极完全重合为止，记录数据，作出V-X曲线，求出灵敏度。
4、移开测微仪，在主机振动平台旁的安装支架上装上电容传感器，在振动平台上装好传感器动极，用手按动平台，使平台振动时电容动极与定极不碰擦为宜。
5、开启“激振I”开关，振动台带动动极在定极中上下振动，用示波器观察输出波形。
注意事项：
电容动极须位于环型定极中间，安装时须仔细作调整，实验时电容不能发生擦片，否则电压信号会发生突变。
实验三 PSD光电位置传感器实验
一、实验目的：了解PSD光电位置传感器的原理及其特性。
二、实验原理：
PSD（Position sensitive detector）是一种新型的横向光电效应器件，当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生光生电流I，经运算后即可知光点的位置。
（图1）PSD器件工作原理
三、实验所需部件：
PSD传感器、固体激光器、位移装置、PSD光电位置传感器实验模块、电压表、示波器
四、实验步骤：
1、观察PSD器件及安装位置，激光器置于PSD组件中，调节反射体（被测物）与激光管的位置大约为70~80mm ,模块输出V0端接电压表及示波器，连接主机与实验模块的电源线及传感器探头。
2、开启主机电源，连接激光器电源并调节激光光点，激光束射到被测物体后其漫反射光经透镜聚焦入射PSD光敏面（激光器的光点位置可以旋转调整，以提高PSD器件的光电流输出），调节位移装置，使光斑位于PSD光敏面中点（通过观察窗口确认），调节模块“增益”旋钮，用示波器观察，输出波形不应有自激，此时模块电路输出为零。
3、分别向前和向后位移被测体，每位移0.1mm记录一电压值，并记入下表：
作出V-X曲线，计算灵敏度，分析工作线性。
4、用遮挡物盖住观察窗口，使PSD器件不受背景光影响，重新进行位移测试，看结果是否有变化。
注意事项：
本实验仪中的固体激光器只能作为实验光源之用，严禁实验者用激光光束照射人的眼睛，否则将会造成视力不可恢复的伤害。需注意的是由于背景光的影响及变化，可能会使多次实验的结果有所不同。
温度传感器设计
一、实验目的：
了解热电偶、P-N结、热敏电阻的工作特性，测温原理及转换电路。
二、基本原理：
1 热电偶测温原理：两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶。
2 晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降约2.1mV，利用这种特性可作成各种各样的PN结温度传感器。它具有线形好，时间常数小（0.2~2秒），灵敏度高等优点，其不足之处是离散性大互换性较差。
3 热敏电阻的温度系数有正有负，因此分为两类：PTC热敏电阻（正温度系数）与NTC热敏电阻（负温度系数）。一般NTC热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。有些功率PTC也作为发热元件用。PTC缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。
三、设计举例
温度-频率转换电路
上图是一个温度-频率转换电路。该电路利用RC电路充放电过程的指数函数
和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性。
该转换器由温度-电压转换电路（A1，A2，A3）、RC充放电电路、电压比较A4和延时电路组成。其改善热敏电阻RT的非线性原理如下：
温度-电压转换电路由热敏电阻RT和运算放大器A1～A3组成，产生一个与温度相对应的电压U+，加到比较器A4的正端。运算放大器A1为差动放大器A2提供一个低电压
的输入的信号，其目的是减小热敏电阻自身发热所引起的误差。A2输出再由反相放大器A３提高信号幅值。该幅值为
RC电路（见A4反相输入端）中的电容C上充电电压为
该转换器是把RC电路充电过程中电容C上的电压UC与温度-电压转换电路的输出电压U+相比较，当RC>U+时，比较器的输出电压由正变负，此负跳变电压触发延时电路（T1，T2），使延时电路输出窄脉冲，驱动开关电路BG，为电容器C构成放电通路；当UC<U+时，比较器A4输出由负变正，延时电路输出低电位，BG截止，电容器C开始一个新的充电周期。当温度恒定时，输出一个将与该温度相对应的频率信号。当温度改变时，U+改变，使比较器输出电压极性的改变推迟或提前，于是输出信号频率将相应地变化，从而实现温度到脉冲频率的变换，达到测量温度的目的。
下面讨论转换器的输出频率与被测温度的关系。
延时电路T1，T2由一块LM556组成，它们产生宽度为td1(td1=1.1R1C1)和td2(td2=1.1R2C2)的脉冲信号，且使td2<<td1。上如图所示。
在t=0时，晶体管BG关断，比较器A4输出U0=+U1；当t=t1时，UC上升到超过U+，A4输出电压U0=-U1，根据式上式，且令Rf=RT0（温度T0时的电阻值），得到
在t=t1时，比较器A4输出的负跳变电压触发延时电路T1，产生td1=t2-t1的脉冲，在此脉冲的下降沿（t=t2时），触发延时电路T2，产生td2=t3-t2的窄脉冲，该脉冲使晶体管BG导通，使电容C短路，UC下降到零，并使A4输出由-U1变到+U1，开始一个新周期，待t3到来时，BG截止，电源通过R重新对C充电。
不难看出，A4输出方波的周期Tm为
Tm=t1+td1+td2
输出方波频率f为：
注意：上式中的T是绝对温度，且
。由于td2<<td1，若调整td1，可能使
减小到零，则上式可简写为：
(5-31)
从该式可说明，输出频率与绝对温度T成正比。所以，该电路，在
时输出是线性的。即使调不到零，也可使热敏电阻输出的非线性得到改善。
四、调试方法：
调试过程应分块、分步进行
1、 电路装配完毕检查无误后，装入运放（先不装入555芯片），接通电源，测量运放的工作电压是否正常。
2、 拿掉运放，装入555芯片，观察电路是否正常工作。
3、 装入运放和555芯片联调。
五、主要技术指标及实验方法：
1、 测量框图如下：
２、测试内容：
开启电烤箱，测量温度与频率的关系，填入下表
a、 测量线性度；
b、 测量灵敏度；
c、 测量重复性；
d、 静态标定
六、设计任务：
1、 设计温度-频率转换电路中未给定的电阻、电容值；
2、 设计PCB图，制作电路板；
3、 装配、调试，实现温度-频率线性转换。
给定主要器件：热敏电阻、运算放大器、电阻、电容、电烤箱、温度计、电压表，频率计。