准考证号：100214101370    姓名：倪帅彪  院校：河南科技大学

专业名称：080302机械制造及自动化（独立本科段）

《传感器与检测技术》

实验报告

实验一

常用传感器（电感式、电阻式或电容式）静态性能测试

一、实验目的:

1．进一步认识电阻式、电感式、电容式传感器的工作原理、基本结构、性能与应用。

2．以差动变压器式位移传感器（属于互感型电感传感器）的测量电路为典型，了解调幅-调解电路的基本构成与特点。

3．掌握测试差动变压器式位移传感器变换特性的基本方法，比较电感式传感器的交流输出特性和解调后的直流输出特性。

4. 了解差动变压器式位移传感器与电路的灵敏度、线性度数据处理的方法。

二、实验原理与装置

1．实验装置与仪器

（1）WJ-1型小位移特性实验仪一套。

①   差动变压器式位移传感器实验装置一台。

②   电感检测线路板一台。

③   频率400—5KHz可调，电压1—5V可调，电感实验激励振荡源一台。

（2）数字电压表一只。

（3）双踪电子示波器一台。

2．实验原理

    实验装置的龙门框架上固定精密螺旋测微仪，精度达0.01mm。框架下固定差动变压器组件。调螺旋测微仪，可使其端部联接的差动变压器的可动铁心发生位移，从而使互感发生变化。铁心的位移量由螺旋千分尺读出。电感量的变化通过检测线路（见图1-1）转化为电压的变化输出。

由于差动变压器式传感器直接输出的信号为调幅波，虽然含有位移量大小和方向的信息，但不易读出。所以应经过相敏检波电路（由四个二极管组成的环形相敏解调器）处理后，方可输出与输入位移信号波形相同的电压波形。变压器的激磁电源由电感振荡源提供。数字电压表用于测量输出电压。示波器用于观察传感器的交流输出信号（调幅波）与输入位移量大小、方向的对应关系。

a)

b)

图1-1 差动变压器式传感器及其测量电路

a)差动变压器原理  b)测量电路

三、实验内容

1．测量差动变压器式位移传感器的直流输出特性，即静态特性曲线。计算灵敏度与线性度。

2． 用双踪示波器观察传感器的交流输出信号，即调幅波与位移大小、方向的对应关系和与激磁电源频率、电压大小的关系。

四、实验步骤

1． 在实验装置框架下，固定差动变压器组件，螺旋测微仪端部固定差动变压器铁心，面板上固定电感检测线路板。

2． 在转换机箱上插入电感实验用激励振荡源插件。图1-1B为电感检测线路板，振荡源的输出与检测线路板上的孔7联接。

3． 差动变压器的1、4、5、8（图1-1A）与线路板上的1、2、3、4联接。差动变压器的9、10与线路板的5、6联接。

4． 用双踪示波器观察交流输出波形时，检测线路板上的1与9、3与10联接，从孔16输出的调幅波接入双踪示波器，以观察输出波形。双踪示波器的另一输入口可接入差动变压器的激励电厂作为参考信号，以观察调幅波的相位与铁心位移方向的对应关系。

5． 做直流输出特性实验时，将检测线路板的1与14、3、与13、9与15、10与12联接，从孔17输出直流电压（mV），接入检测仪器指示单元的插入插孔usr。若用数字表指示输出时，可将插孔17与数字表联接。

6． 打开转换器电源预热15分钟左右，将指示单元测量选择开关拨向V处，电感振荡源频率调节到1KHz左右，输出电压为5V。再将测量选择开关拨向A处，准备测量。

7． 调节螺旋测微仪到中间位置约12（mm）处，再以此为零点。再调节龙门框架上下滚花螺母，使铁心调节到差动变压器的中间位置，毫安表指示为零；否则，调节零电位器使之为零。之后，调节螺旋测微器向上或向下位移10（mm），毫安表指示应为10（mA）；否则，调节调满电位器。

8． 以螺旋测微仪12(mm)刻度为零点，在±10（mm）范围内每变化2毫米为一点，逐点测量差动变压器的输出，并重复三次，记入表1-1。

表1-1  差动变压器位移传感器的输出特性数据

9． 取三次各测量点的平均值，以铁心位移为横坐标，输出值为纵坐标，绘图。

10．用平均法求线性拟合直线，并以此为理论值，求该差动变压器的非线性。

五、实验报告要求

1． 绘出实验系统框图，并加以说明。

2． 用平均法确定由实验数据所得平均值的拟合方程，计算传感器的非线性度，并填入表1-1中。

3． 根据实验数据绘制传感器的输出电压yi与铁心位移x的对应关系曲线，即输出特性曲线。

4． 根据双踪示波器的波形（调幅波），定性绘制传感器输出交流波形与输入位移大小、方向的对应关系图。

5． 思考题

（1）差动电感式传感器与差动变压器在结构、原理上有何异同？

.差动电感是基于电桥工作原理；差动变压器直接输出信号。

（2）对电感式传感器的激励振荡源应有哪些要求？

1、检测距离的衰减性；2、现场抗干扰能力；3、安装方面；4、稳定运行的保障。

实验二

滤波器的频率特性实验

一、实验目的

1.了解无源和有源滤波器的类型、电路构成、工作原理、特性和应用，比较其性能的不同点。

2.通过对滤波器频率响应特性的测试，掌握对元件或系统做频率特性测试的方法。

二、实验原理、装置和仪器

实验装置及仪器见图2-1，其中滤波器实验板上可根据实验内容的不同接插组成不同滤波器。信号发生器输出幅值恒定、频率可调的正弦波电压作为滤波器的输入信号ui,由双踪示波器监测其幅值。在每一给定频率下，从双踪示波器读出输出电压u0及u0与ui的相位差 。直流稳压电源为有源滤波器的运算放大器提供±12V电源。

三、实验内容及步骤

图2-1滤波器频率特性测试系统框图

1． 实验内容

（1）  RC无源一阶低通滤波器的频率特性测试 RC无源低通滤波器如图2-2A所示。如果负载电阻RL=∞，其幅频特性 和相频特性 为

 

式中

此为一阶低通滤波器，其选择性较差，截止频率 。无源滤波器的优点是结构简单，缺点是带负载能力差。

     

a)                                   b)

c)

图2-1  滤波器电路图

a) RC无源低通          b) 有源低通RC             c) 多路有源反馈带通

（2）RC有源一阶低通滤波器频率特性测试  RC有源一阶低通滤波器如图2-2B所示，其幅频特性和相频特性为

式中        

由式可见，RC有源一阶低通滤波器的频率特性和RC无源一阶低通滤波器相似，但增益不同，所以带负载能力强。

（3）多路负反馈有源带通滤波器频率特性测试  电路原理如图2-2C所示。其幅频特性和相频特性为

 

式中 ： 

中心频率  ：

品质因素  ：

可取参数为R₁=7.5(kW),R₂=20(kW),R₃=16(kW),C₁=C₂=C=0.01mF

2.实验步骤

三个实验对象虽然不同，但均是测试滤波器的幅频、相频特性。因而，实验方法及步骤相同。其实验结果可填入表2-1中。

（1）    按图S-3A选择R、C元件，测试参数R=1(kW)，C=0.02mF，R_L=1(kW)，计算截止频率。在滤波器实验板上，按图S-3A接线，插入R、C元件，但先不接入R_L（即R_L=∞）

（2）    按图S-2联接测试系统，由信号发生器输出幅值恒定的正弦信号（约1（V）），用双踪示波器监测波形，不断改变信号频率f，使，0.1,0.2,…,并从示波器上读出滤波器输出正弦电压的幅值，记入表2-1中。

将信号源电压及滤波器输出电压同时送入双踪示波器（或其它测试相位差的仪器），观察并计算相位差，记入表S-2中。

表2-1

（4）在滤波器的输出端并联接入负载R_L=1(kW)，重复上述实验，记录有关数据。

（5）按图2-2B选择运算放大器，取R=R₁=1(kW)，C=0.027mF，(kW)，R_L=1(kW)，计算截止频率及增益K，在滤波器实验板上按图2-2B接线，并插入相应元件。重复（2），（3），（4）操作，记录数据，填入表2-1中。

（6）按图2-2C选择运算放大器（如）、阻容元件值，在实验板上联接。计算中心频率及品质因数Q，此时，。

（7）按（2），（3），（4）顺序测试、记录数据，填入表2-1中。

四、实验报告要求（除一般要求外）

1．根据实验数据表绘制RC无源一阶低通、RC有源一阶低通滤波器的幅频特性。从中找出实际曲线上的截止频率，与理论计算值相比较，并分析误差。

2．根据实验数据表绘制多路负反馈有源带通滤波器的幅频特性、相频特性，与理论计算值相比较，并分析误差。

3．思考题

1滤波器的阶数与其性能有什么关系？

阶数越高,滤波反应越灵敏,延迟小 但不是越高越好

2阶数对滤波器的那些性能有影响?

阶数,通俗的理解,就是谐波过滤的次数,阶数越高,谐波滤除率就会越高,但是,成本增加也会越厉害,所以,不能一味的追求阶数,还要考虑成本要求

实验三  

 压力传感器的静态标定

一、实验目的

1． 通过实验，掌握传感器的静态标定方法及标定数据的处理方法。

2． 学会根据静态标定曲线，计算传感器的静态性能指标。

3． 掌握传感器静态标定系统的组成。

4． 进一步认识应变式力传感器的工作原理、结构及相匹配的测量电路。

5．了解动态电阻应变仪的使用方法。

二、实验装置及仪器

1.应变电阻式压力传感器一台PBR-2型，0.1～7．5(MPa)。

2．活塞式压力计一台 量程0．1～10(MPa)。

3．标准压力表一只  量程0．1～10(MPa)，精度0．5级以上。

4．Y6D-3A型动态应变仪。

5．数字万用表(电压表)。

6．温度计  0～50(℃)。

三、实验原理

1．静态标定系统

静态塞标定是给传感器输入已知不变的标准非电量(本实验为标准压力)，测出其输出，给定标定曲线、标定方程，从而计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标。对传感器进行静态标定时，首先，要建立静态标定系统。图3-1为压力传感器静态标定系统的框图，其系统的关键是标准压力发生器及标准测试系统，即图中的活塞式压力计及标准压力表。

活塞式压力计人为地对被标的压力传感器施加标准压力，其值由弹簧管式标准压力表显示。应变电阻式压力传感器将压力转换为电桥桥臂的电阻变化，再经动态应变仪处理、放大后，输出的电压由数字万用表读出。活塞式压力计每产生一个标准压力值，系统相应输出电压值。在传感器量程范围内，至少要标定5～10个点。通过由零上升到最大量程值，再由最大值逐渐下降到零的工作循环，可得到一条标定曲线。

图3-1 压力传感器的静态标定系统图

活塞式压力计是一种较精密的测量仪器，工作时应水平放在无振动的工作台上。由于

介质(实验中为液压传动油)的粘度与温度有关，实验应在环境温度，t=20±3(℃)、相对湿

度不大于80％的条件下工作。

2．PBR-2型应变电阻式压力传感器及测量电桥

图3-2所示为PBR-2型应变电阻式压力传感器的结构原理图。活塞式压力计产生的标准压力作用在感压膜片4上，膜片变形推压感测薄壁圆筒 (或称应变管)3，在壁筒沿轴线方向贴一应变片R1，沿圆周方向贴一相同阻值的应变片R2。受压时，轴向压缩，横向膨胀，而使R1阻值降低、R2阻值增加。如此布片不仅提高了灵敏度，也实现了温度补偿的功能。测量电桥如图3-3所示。R1、R2为电桥的两相邻臂，另外两臂是阻值与Rl、R2相同的固定电阻R3、R4由动态电阻应变仪的电桥盒提供。

图3-2 PBR-2 型压力传感器

1-引线  2-应变片  3-应变管  4-感压膜片

图3-3  测量电桥及应变仪框图

1-电桥盒  2-调幅波放大器  3-相敏检波器  4-滤波器

5-振荡器  6-缓冲器（放大器）  7-电源

3．动态电阻应变仪的工作原理

该仪器是与应变式传感器配套的测量仪器，主要由测量电桥、交流放大器、相敏检波器、滤波器和电源供给器组成。

交流测量电桥的电源由振荡器供给10(kHz)的正弦波电压。应变仪将电桥输出的调幅波经过交流放大一相敏检波一低通滤波后输出电压(或电流)，由数字电压表显示电压值。在应变仪的主机中装有电桥的微调平衡装置(包括电阻、电容微调)和电标定装置。当活塞压力计给出的标准压力为零时，理论上电桥平衡，无信号输出。但实际上由于各种原因(如桥臂电阻阻值误差、放大器零漂等)，可能有信号输出，此时应微调应变仪的平衡装置，使输出信号为零。

四、实验步骤

1．将被标定的压力传感器和标准压力表安装在活塞式压力计上。

2．给活塞式压力计充油、排气，并排除标定压力下的漏油现象。

3．通过传输电缆将传感器的R1、R2联接到动态应变仪电桥上。应变仪由自配的电源箱

供电。将应变仪电压输出口接到数字万用表上。 

4．检查接线无误后即可接通应变仪电源，预热10～20(min)过机箱上配置的电阻调

零、电容调零，调节应变仪零点。

5．旋转活塞式压力计手柄，给出标准压力。由传感器的零负荷到满量程逐级给传感器加压，每级为20％满量程；再逐级按20％满量程降压直至零。同时，从数字电压表记录各加压、降压点的传感器输出值(指应变仪输出的电压值)，：应包括零压力输出值。实验时要特别注意：加压时，不得超过预定值再降下来；降压时，不得超过预定值再向上加。  

 6.步骤5重复三次，共加压、降压三个循环，所有输出电压值填入表3-1中。记录实验环境的温度和相对湿度；

表3-1 标定数据与处理数据表

7．实验完毕，经指导教师审阅实验记录后，方可结束实验。

五、实验报告要求 

   1．根据上述三个加压、降压所得标定数据，计算正行程输出平均值、反行程输出平均值及总输出平均值，计算结果填入表3-1中。

   2．用端值法求拟合直线，并求线性度、灵敏度、重复性及滞差。

   3．回答下列问题 

  (1)从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器？

  考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。

(2)为什么测量电桥具有温度补偿作用?

    因为对应检测桥臂的旁支桥臂上有温度补偿的线圈,也就是温度补偿元件,使  检测的温度被补偿到标准的0℃。

第二篇：南昌大学传感器与检测技术实验报告上交版

《传感器与检测技术》

实验报告

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实验一 差动变压器的应用——电子秤

一、实验目的：了解差动变压器的实际应用

二、所需单元及部件：

音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、V/F表、电桥、砝码、

振动平台。

有关旋钮初始位置：

音频振荡器调至4KHZ，V/F表打到2V档。

三、 实验步骤：

（1）按图1接线，组成一个电感电桥测量系统，开启主、副电源，利用示波器观察调节 音频振荡器的幅度旋钮，使音频振荡器的输出为VP-P值为lV。

（2） 将测量系统调零，将V/F表的切换开关置20V档，示波器X轴扫描时间切换到0.1～0.5ms（以合适为宜），Y轴CHl或CH2切换开关置5V/div，音频振荡器的频率旋钮置5KHz，幅度旋钮置中间位置。开启主、副电源，调节电桥网络中的W1，W2，使V/F表和示波器显示最小，再把V/F表和示波器Y轴的切换开关分别置2V和50mv/div，细条W1和W2旋钮，使V/F表显示值最小。再用手按住双孔悬臂梁称重传感器托盘的中间产生一个位移，调节移相器的移相旋钮，使示波器显示全波检波的图形。放手后，粱复原。

（3）适当调整差动放大器的放大倍数，使在称重平台上放上一定数量的砝码时电压表指

示不溢出。

（4）去掉砝码，必要的话将系统重新调零。然后逐个加上砝码，读出表头读数，记下实

验数据，填入下表；

（5）去掉砝码，在平台上放一重量未知的重物，记下电压表读数，关闭主副电源。

V(置物)=0.47

（6）利用所得数据，求得系统灵敏度及重物重量。

四：数据记录与处理

灵敏度=△V/△E=0.125/20=0.00625（V/g）

W（置物）=75.33（g）

五、 注意事项：

（1）砝码不宜太重，以免粱端位移过大。

（2）砝码应放在平台中间部位，为使操作方便，可将测微头卸掉。

六、心得体会

第一次实验，相对来说了解比较少，做起来相对困难，尤其是电桥的连接。实验中我们得到电压正比于力的关系。总体来说，通过了实验加深自己对理论知识的学习和理解。

实验二 热电偶的原理及分度表的应用

一、实验目的：了解热电偶的原理及现象。

二、 所需单元和部件：

三、实验数据

室温：28摄氏度。加热后温度计测量出来的结果是43度，电压示数：0.056V

Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)

Eab(t,tn)=(f/v显示表E)/150x2

通过计算得出：

Eab(t,tn)=0.7467mv

查表得：Eab(tn,to)=1.114mv

所以t=46摄氏度

误差分析：绝对误差=|46-43|=3摄氏度

相对误差=3/43x100%=6.98%

四、思考题

（1）为什么差动放大器接入热电偶后需再调差 放零点？

差动放大器的最显著特点就是电路的对称性，在没有接入热电偶的时候，电路有可能已经调到零输出。接入热电偶，恐怕就破坏了电路的对称性，所以需要再调差放零点。

（2）即使采用标准热电偶，按本实验方法测量温度也会有很大的误差。为什么？

实验中有一个横梁来传热，这里会有热损失。在测量的时候测量不到。还有就是温度计与被测点之间隔了一层膜，也会导致温度测量的不准。

五、实验心得

通过本次实验得知通过热电偶测量温度的方法受着环境的限制，要排除外界的干扰。通过对线路的分析，对实验原理也有所掌握。

实验三 热敏电阻测温演示实验

一、实验目的：了解NTC热敏电阻现象。

二、热敏电阻特性：

热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类；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，也用于彩电中做自动消磁元件。有些功率PTC也做发热元件用。PTC缓变型热敏电阻可用做温度补偿或温度测量。

一般的NTC热敏电阻测温范围为：-50℃～+300℃。热敏电阻具有体积小、重量轻、热惯性小、工作寿命长、价格便宜，并且本身阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差，适用于远距离传输等优点。但热敏电阻也有：非线形大、稳定性差、有老化现象、误差较大、一致性差等缺点。一般只适用于低精度的温度测量．

三、所需单元：加热器、热敏电阻、可调直流稳压电源、-15V稳压电源、V/F表、主副电源。

四、实验步骤：

（1）了解热敏电阻在实验仪上的位置和符号，它是一个黑色或棕色元件，封装在双平行振动梁上片梁的表面。

（2）将V/F表切换开关置2V档，直流稳压电源切换开关置±2V，按图1接线，开启主、副电源，调整W1电位器，使V/F表指示为1V左右，这时为室温时的Vi。

（3）将-15V电源接入加热器，观察电压表读数的变化，电压表的输出电压：

（4）由此可见，当温度 升高 时，RT阻值 减小 ，Vi 增大

五、实验数据处理

分析：温度升高时电压大，而由公式 知电压增大时电阻减小，

由此可见：当温度升高时，RT阻值减小，Vi 增大

六、思考题：

如果你手中有这样一个热敏电阻，想把它作为一个0～50℃的温度测量电路，你认为该怎样实现？

答：让热敏电阻和某一定值电阻Rv串联，采用三线制接法。在低温时，由于热敏电阻Rt趋近于无穷，使电路总电阻近似等于Rt，而在高温是，Rt趋近于0，电路的总电阻等于Rv，热电特性曲线是非线性的，单笔单个热敏元件要平坦。

七、心得体会：

本实验是为了观察电阻与温度之间的关系，在不能直接测量电阻时，可以转换为相关联变量（电压电流等），使实验更加简便。

实验四 霍尔式传感器的静态位移特性—直流激励

一：实验目的：了解霍尔式传感器的原理与特性。

二： 所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、V/F表、直流稳压电源，测微头、振动平台。

有关旋钮的初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置2V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。

三、 实验步骤：

（1）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号，霍尔片安装在实验仪的振动圃盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔式传感器。

（2）开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置接近最小，使得霍尔片在磁场中位移时V/F表读数明显变化，关闭主，副电源，根据图1接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。

（3）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。

（4）开启主、副电源，调整W1使电压表指示为零。

（5）上下旋动测微头，记下电压表读数，建议每隔0.2mm读一个数，将读数填入下表：

作出V—X曲线，指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。

灵敏度：K =()／6（）

=（）

可见，本实验测出的实际上是磁场情况，它的线性越好，位移测量的线性度也越好，它的变化越陡，位移测量的灵敏度也越大。

（6）实验完毕，关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。

四、 注意事项：

（1）由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。

（2）一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。

（3）激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。（±4V就有可能损坏霍尔片）

五、心得体会

通过实验，更一步加深了对最小二乘法、线性度、灵敏度等概念的理解。实验中实际磁场不是很理想，所以线性部分比较小。通过实验，处理数据的能力有了进一步的提升。