《检测技术》实验指导书
编辑：姜克君 汤秀芹
审核：汤秀芹 姜克君
辽宁科技大学电信学院
二〇##年三月
前 言
本实验指导书是在原CSY传感器系统实验仪说明书的基础上改编的。在编写上我们力求有较大的适应面便于学生独立操作而深入思考。
CSY传感器系统实验仪上采用的大部分传感器虽是教学传感器（透明结构便于教学）但其结构与线路是工业应用的基础。希望通过实验帮助广大学生加深理解课本知识，从实验得到的结果、现象分析中学会作为一个科技工作者应具有的动手能力与操作技能，加强动手能力培养。
当然，由于编写者时间、水平、精力所限，难免有疏漏谬误之处，热切期望您的赐教！
目 录
第一章 产品说明书 （3）
第二章 实验指导 （6）
一、 应变片性能研究 （6）
二、 差动变压器性能研究 （7）
三、 热电偶的原理及现象 （8）
四、 霍尔传感器的直流激励静态位移特性 （10）
五、 扩散硅压阻式压力传感器实验 （11）
六、 热敏电阻测温演示实验 （13）
第一章 产品说明书
一、 CSY传感器实验仪简介
实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。
传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，具体安装部位参看附录三。
备注：CSY系列传感器实验仪的传感器具体配置根据需方的合同安装。
显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V－±10V档位调节）、F／V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。
实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。
处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。
二、主要技术参数、性能及说明
<一>传感器安装台部分：
双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。
应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。
传感器：
1、差动变压器
量程:≥5mm 直流电阻：5Ω－10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体.
2、电涡流位移传感器
量程:≥1mm直流电阻：1Ω－2Ω 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
3、霍尔式传感器
量程: ±≥2mm直流电阻：激励源端口：800Ω－1.5KΩ 输出端口：300Ω－500Ω
日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。
4、热电偶
直流电阻：10Ω左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。
5、电容式传感器
量程：±≥2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。
6、热敏电阻
由半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25℃时为10KΩ。
7、光纤传感器
由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。
红外线发射、接收、直流电阻：500Ω－1.5kΩ2×60股丫形、半圆分布。
8、压阻式压力传感器
量程：10Kpa(差压) 供电：≤6V 直流电阻：Vs+---Vs- ：350Ω－450Ω Vo+---Vo- ：3KΩ－3.5KΩ
美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。
9、压电加速度计
PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：≥10KHZ，电荷灵敏度：q≥20pc/g。
10、应变式传感器
箔式应变片阻值：350Ω、应变系数：2
11、PN结温度传感器：
利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：-2.1mV/℃。
12、磁电式传感器
0 .21×1000直流电阻：30Ω－40Ω 由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s
13、气敏传感器
MQ3：酒精：测量范围：50－2000ppm。
14、湿敏电阻
高分子薄膜电阻型：RH：几兆Ω－几KΩ 响应时间：吸湿、脱湿小于10秒。
湿度系数：0.5RH%/℃ 测量范围：10％－95％ 工作温度：0℃－50℃
〈二〉、信号及变换：
1、电桥： 用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。
2、差动放大器 通频带0～10kHz可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。
3、电容变换器 由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。
4、电压放大器增益约为5倍 同相输入 通频带0~10KHz
5、移相器 允许最大输入电压10Vp-p移相范围≥±20º(5kHz时)
6、相敏检波器 可检波电压频率0－10kHz允许最大输入电压10Vp-p
极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路
7、电荷放大器 电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。
8、低通滤波器 由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右
9、涡流变换器 输出电压≥|8|V(探头离开被测物
变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件
10、光电变换座 由红外发射、接收组成。
〈三〉、二套显示仪表
1、 数字式电压/频率表：3位半显示，电压范围0—2V、0—20V，频率范围3Hz—2KHz、10Hz—20KHz，灵敏度≥50mV。
2、 指针式毫伏表：85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。
〈四〉、二种振荡器
音频振荡器：0.4KHz—10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，180°、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。
低频振荡器：1—30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。
〈五〉、二套悬臂梁、测微头
双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。
〈六〉电加热器二组
电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。
〈七〉测速电机一组
由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。
〈八〉二组稳压电稳
直流±15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。
±2V—10V分五档输出，最大输出电流1.5A。提供直流激励源。
〈九〉计算机联接与处理
数据采集卡：十二位A/D转换，采样频率20—25000次/秒，采样速度可控制，分单次采样与连续采样。标准RS-232接口，与计算机串行工作。
良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。
第二章 实验指导
实验一 金属箔式应变片性能研究
实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
所需单元和部件：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F／V表、双孔悬臂梁称重传感器、应变片、砝码、主、副电源。
有关旋钮的初始位置：直流稳压电源打到±2V档，F／V表打到2V档，差动放大器增益打到最大。
实验步骤：
(1) 按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。
(2) 根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，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，等待数分钟后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。
(1) 在传感器托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度S=ΔV／ΔW，并作出V-W关系曲线，ΔV为电压变化率，ΔW为相应的重量变化率。
(4)保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（3）过程同样测得读数，填入下表：
（5）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，，调节电桥W1同样使F／V表显示零。重复（3）过程将读出数据填入下表：
(6) 在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。
注意事项：
(1) 在更换应变片时应将电源关闭。
(2) 在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。
(3) 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。
(4) 直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。
(5) 接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验二 差动变压器性能研究
实验目的：了解差动变压器原理及工作情况。
所需单元及部件：
音频振荡器、测微头、示波器、主、副电源、差动变压器、振动平台。
有关旋钮初始位置：
音频振荡器４ＫＨＺ－８ＫＨＺ之间，双线示波器第一通道灵敏度500mv/div ,第二通道灵敏度10mv/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭。
实验步骤：
（１）根据图1０接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。
图1０
（２）转动测微头使测微头与振动平台吸合。再向上转动测微头５mm，使振动平台往上位移。
（３）往下旋动测微头，使振动平台产生位移。每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度Ｓ。Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ（式中ΔＶ为电压变化，ΔＸ为相应振动平台的位移变化），作出Ｖ－Ｘ关系曲线。
思考：
（１）根据实验结果，指出线性范围。
（２）当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？
（３）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？由于什么原因造成？
实验三 热电偶原理及现象
实验目的：了解热电偶的原理及现象
所需单元及附件：
－15V不可调直流稳压电源、差动放大器、F／V表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源
旋钮初始位置：F／V表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。
实验步骤：
（１） 解热电偶原理：二种不同的金属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。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。具体热电偶原理参考教课书。
（２） 了解热电偶在实验仪上的位置及符号，（参见附录）实验仪所配的热电偶是由铜＿康铜组成的简易热电偶，分度号为T。它封装在双孔悬臂梁的下片梁的加热器里面（不可见）。
（３） 按图４接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F／V表显示零，记录下自备温度计的室温。
（４） 将－15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F／V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F／V表显示的读数E。
（５） 用自备的温度计测出下梁表面加热器处的温度t并记录下来。（注意：温度计的测温探头要触及热电偶处附近的梁体即可）。
（６） 根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)
其中：t ------热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。
tn------热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。
to------0℃
1． 热端温度为t,冷端温度为室温时热电势：Eab(t,tn)=(f/v显示表E)/100，100为差动放大器的放大倍数。
2． 热端温度为室温，冷端温度为0℃，铜－康铜的热电势：Eab(tn,to):查以下所附的热电偶自由端为0℃时的热电势和温度的关系即铜－康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。
3． 计算：热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势：Eab(t,to),根据计算结果，查分度表得到温度t。
铜－康铜热电偶分度表 （自由端温度0℃）
（７）热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。（注意：本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。
（8）实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器－15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去－15V电源连接线）其它旋钮置原始位置。
思考：
（1）为什么差动放器接入热电偶后需再调差放零点？
（2）即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也了会有很大误差，为什么？
实验四 霍尔式传感器的直流激励静态位移特性
实验目的： 了解霍尔式传感器的原理与特性。
所需单元及部件：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。
有关旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置２０Ｖ档，直流稳压电源置２Ｖ档，主、副电源关闭。
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。
（２）开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图2１接线，Ｗ１、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
图2１
（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，记下电压表的读数，建议每0.1mm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。
可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。
（6）实验完毕关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。
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。
实验五 扩散硅压阻式压力传感器实验
一、基本原理：
扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片上用 扩散工艺(或离子注入及溅射工艺)制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时，应变元 件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。
实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。
所需单元及部件：主、副电源、直流稳压电源、差动放大器、F/V显示表、压阻式传感器(差压)、“U”形管 及其加压配件或压力计。
旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档，F/V表切换开关置于2V档，差放增益适中或最大，主、副电源关闭。
实验步骤：
（1）了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。（见附录三）
(2) 如图３０A将传感器及电路连好，注意接线正确，否则易损坏元器件，差放接成同相反 相均可；
图３０A
(3) 将清洁的自来水小心地倒入“U”形管内，直至20cm度处(少一点也可)；
(4) 如图３０B接好传感器供压回路，传感器具有两个气咀、一个高压咀一个低压咀，当高压咀接入正压力时(相对于低压咀)输出为正，反之为负；
图３０B
(5) 将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松。将“U”形管直立于观察方便的地方，尽量保持“U”形 管平直；
（６）开启主、副电源-，调整差放零位旋钮，使电压表指示尽可能为零，记下此时电压表读数
(7) 拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，注意不要用力太大，否则水会从“U”形管中冲出，当“U”形管中的液面刻度差≤4cm(0.4kp)，且电压表有压力指示时，记下此时的读数 ，然后每隔这一刻度差。记下读数，并将数据填入下表：
注：1kpa=10cm水柱高。根据所得的结果计算系统灵敏度S= ΔV／ΔP，并作出V-P关系曲线，找出线性区域。作为液面计时使用，进行标定。
标定方法：拧松皮囊上的锁紧螺丝，调差放调零旋钮使电压表的读数为零，拧紧锁紧螺丝，手压皮囊使U型管的液位差较大，调差动放大器的增益使电压表的指示与U型管的液位差读数一致，这样重复操作零位、增益调试几次到满意为止。
注意事项：
（1） 如在实验中“U”形管内液面刻度不稳定，应检查加压气体回路是否有漏气现象。气囊上单向调节阀的锁紧螺丝是否拧紧。
（2）如读数误差较大，应检查气管是否有折压现象，造成传感器与“U”管之间的供气压力 不均匀。
（3）如觉得差动放大器增益不理想，可调整其“增益”旋钮，不过此时应重新调整零位。调 好以后在整个实验过程中不得再改变其位置。
（4）实验完毕必须关闭主、副电源后再拆去实验连接线。（拆去实验连接线时要注意手要拿住连接线头部拉起，以免拉断实验连接线。）
问题：
差压传感器是否可用作真空度以及负压测试?
实验六 热敏电阻演示实验
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。
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：非线性大、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。
实验目的：了解NTC热敏电阻现象。
所需单元及部件：加热器、热敏电阻、可调直流稳压电源、－15V稳压电源、F／V表、主副电源。
实验步骤：
(1) 了解热敏电阻在实验仪的所在位置及符号，它是一个兰色或棕色元件，封装在双平行振动梁上片梁的表面。
(2) 将F／V表切换开关置2V档，直流稳压电源切换开关置±2V档，按图３５接线，开启主．副电源，调整W1(RD)电位器，使F／V表指示为100mV左右。这时为室温时的Vi。
(1) 将-15V电源接入加热器，观察电压表的读数变化，电压表的输入电压：
(4) 由此可见，当温度 时，RT阻值 ，Vi 。
思考题：
如果你手上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，你认为该怎样来实现？
图３５