目 录
CSY系列传感器系统综合实验台使用说明················································· 1
实验一 金属箔式应变计性能——应变电桥··············································· 5
实验二 温度传感器——铂热电阻··························································· 7
实验三 光电传感器——光电开关（红外发光管与光敏三极管）···················· 8
实验四 电涡流传感器——振幅测量························································ 9
实验五 电容式传感器性能·································································· 10
实验六 超声波距离测量实验······························································· 11
使用说明
CSY系列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。
0°、180°端口反相输出
0°、LV端口功率输出，最大输出电流1.5A
180°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。主机面板上的纽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，不须旋转锁紧，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。
实验一 光电传感器—光电开关（红外发光管与光敏三极管）
实验原理：
光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。
与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图（2）形式，就形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。
实验所需部件：
光电开关、测速电机、示波器、电压/频率表、光纤光电传感器实验模块。
实验步骤：
1、观察光电开关结构：传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3μm左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。
2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，示波器接光电输出端。
3、开启主机电源，用手转动电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。
开启转速电机，调节转速，观察V0端连续方波信号输出，并用电压/频率表2KHz档测转速，转速=频率表显示值÷2
4、如欲用数据采集卡中的转速采集功能，须将V0输出端信号送入整形电路以便得到5VTTL电平输出的信号，整形电路输出端请接实验仪主机面板上的“转速信号入”端口，与内置的数据采集卡中的频率记数端接定。
实验二 温度传感器——铂热电阻
实验原理：
pt100铂热电阻的电阻值在0℃时为100Ω，测温范围一般为-200~650 ℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）
式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值
RO——铂热电阻在0℃时的电阻值
A——系数（=3.96847×10-31/℃）
B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）
铂热电阻测温时只要将其阻值直接与铂热电阻分度表对照即可知道感受到的温度。本实验介绍了铂热电阻实际应用时的一种测温电路。
实验所需部件：
铂热电阻（Pt100）、加热炉、温控器、温度传感器实验模块、数字电压表、水银温度计或半导体点温计（自备）。
实验步骤：
1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于热电阻旁感受相同的温度。
2、开启主机电源，调节铂热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时产生自热其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。
3、开启加热炉，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（实验时主机温度表上显示的温度值是加热炉的炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。并记录数据填入下表：
做出V-T曲线，观察其工作线性范围。
注意事项：
加热器温度一定不能过高，以免损坏传感器的包装。
实验三金属箔式应变计性能——应变电桥
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。
实验原理：
本实验说明箔式应变片及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电测电路中的一种，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，
。
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计、螺旋测微仪、数字电压表
实验步骤：
1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。输出端接电压表2V档。开启主机电源，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，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
（图1）
2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，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，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节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。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
3、确认接线无误后开启主机，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。
4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm ,每位移1mm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，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，此时可一次或几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，由于应变片的零飘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飘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飘移和蠕变特性相近，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。
实验四电涡流传感器—振幅测量
实验所需部件：
电涡流传感器、电涡流传感器实验模块、公共电路实验模块、直流稳压电源、激振器（I）、示波器
1、连接主机与实验模块电源，并在主机上的振动圆盘旁的支架上安装好电涡流传感器，按图（3）接好实验线路，将线圈安装在距涡流片最佳工作位置，直流稳压电源置±10V档（也可选用±6~8V档，原则是接入电路的负电压值一定要高于电涡流变换电路的电压输出值以便调零），差动放大器增益调至最小（增益为1），仅做为一个电平移动电路。
2、开启主机电源，调节电桥WD电位器，使系统输出为零。
3、开启激振I，调节低频振荡频率，使振动平台在15~30Hz范围内变化，用示波器观察输出波形，记下Vp-p值，求出波形变化范围内的X值。
4、降低激振频率，提高振幅范围，用示波器就可以看出输出波形有失真现象，这说明电涡流传感器的振幅测量范围是很小的。
注意事项：
直流稳压电源－10V、接地端接电桥WD电位器两端。
实验五 电容式传感器性能
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。
实验所需部件：
电容传感器、电容传感器实验模块、激振器I、测微仪
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（4）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。
实验六 超声波距离测量实验
测量原理：
人耳所能听闻的声波在20～20000Hz之间。频率超过20000Hz的声波是人耳不能听闻的声波称为超声。声波的频率愈高，其与光波的某些特性也愈相似。
声波的波峰与波峰之间的距离称为一个波长λ。波长与声波的频率成反比，与声波的传播速度成正比，公式如下：
（1）
式中c ——声波传播速度
f ——声波的频率
超声波具有的特点：传播时在不同的介质界面上具有反射的特性。超声波的频率愈高，方向性也愈好。超声波的频率愈高，其传播的能量愈大，同时在介质中的衰减也愈大。同一频率的超声波在不同介质中的衰减是不同的。
超声波在空气中以纵波的方式传播，气体中的纵波声速公式如下：
（2）
ρ——密度
P0——静态压力
y ——热容比
超声波在气体中的传播速度约为344米/秒。
实验原理：
超声测距实验仪见图（5）所示。发射头内部安装有超声发射探头，安装在标尺滑轨一端；另一端的接收头内部安装有接收部探头，两端均可在标尺滑轨上自由滑动；打开测距仪电源开关后，电源指示灯亮，测距仪开始工作；测距仪每隔2秒钟，由发射部件发出一超声脉冲，接收部件接收超声脉冲，如果正确接收到超声脉冲，测距仪将显示测量结果，否则显示“----”。
发射探头和接收探头是两个结构略有差异的电声传感器，其工作频率为40KHz。
实验操作：
打开测距仪的电源开关，电源指示灯亮；超声发射指示灯有规律地闪烁，表示发射部件正间隔性地发射出超声脉冲；移动接收头在道轨上的位置，记录下测距仪的显示结果和发射头和接收头之间的实际距离。
按下“时间/距离/转换开关”，则测距仪显示由距离转换为时间，可根据超声波在空气中的传播速度与仪器显示的发射-接收时间计算出两探头之间的距离，并与仪器直接显示的距离比较。
仪器上的“显示微调”可以调节距离显示值。
仪器的最小测距范围应≥5厘米。
实验数据：
数据分析：（由实验者自行根据实验结果作出）
注意事项：
超声波探头工作时应避免剧烈震动，否则会使数字显示发生。移动探头时请推移螺丝，切不可用力拉扯探头连接线，以免造成仪器故障。
传感器系统实验仪
实 验 指 导 书
北京信息科技大学机电工程学院
20##-4-8