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《传感器原理实验》可作为各高等院校理工科及高职、中职电子信息科学与技术专业、电气工程及其自动化专业、计算机科学与技术专业等开设的“传感器技术”课程的配套实验教材或参考用书.
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| 內容簡介： |
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《传感器原理实验》是针对电子信息科学技术和电气工程专业开设的传感器类课程编写的一本实验教材，其主要实验项目包括:金属箔式应变片；压阻式传感器；移相器和相敏检波器；互感式传感器；磁电式传感器；光电式传感器等实验.《传感器原理实验》通过对传感器的基本工作原理的简要概述，给出了实验内容及要求和步骤.实验不涉及太多的先进测量技术，而是着眼于理解最基本的测量原理，通过学习使学生建立扎实的学科基础.为培养学生的独立思考和工作能力，实验中还包含部分综合设计性实验，且每个实验的最后都有思考题让同学讨论.
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| 目錄：
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第一章 传感器实验的操作规程及相关要求
第二章 SETG998型传感器系统综合实验仪简介
第三章 基础性实验项目
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验
实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验
实验四 交流全桥性能测试实验
实验五 扩散硅压阻式压力传感器实验
实验六 差动变面积式电容传感器的静态及动态特性实验
实验七 差动变压器互感式的性能实验
实验八 差动螺管式自感式传感器的静态位移性能实验
实验九 电涡流传感器位移实验
实验十 被测体材料对电涡流传感器特性的影响实验
实验十一 压电式传感器的动态响应实验
实验十二 热电偶实验
实验十三 霍尔式传感器实验
实验十四 磁电式传感器实验
实验十五 光纤传感器位移特性实验
实验十六 光纤传感器测量振动实验
第四章 综合设计性实验项目
实验一 直流全桥的应用——电子秤的设计
实验二 交流全桥的应用——电子秤的设计
实验三 差动螺管式自感式传感器的应用——振幅测量的设计
实验四 差动变压器互感式的应用——振幅测量实验
实验五 差动变压器互感式的应用——电子秤的设计
实验六 电涡流传感器的应用——振幅测量的设计
实验七 电涡流传感器的应用——电子秤的设计
实验八 霍尔传感器的应用——电子秤的设计
实验九 光敏电阻基本特性实验的设计
实验十 光电开关的转速测量设计
实验十一 力平衡式传感器的设计
第五章 趣味性实验项目
实验一 移相器实验
实验二 相敏检波器实验
实验三 差动变压器互感式零点残余电压的补偿
实验四 差动变压器互感式的标定
实验五 电涡流式传感器的静态标定
实验六 PN结温度传感器测温实验
实验七 热敏电阻实验
实验八 硅光电池实验
实验九 湿敏电阻实验
实验十 热释电传感器实验
实验十一 气敏传感器实验
附录
附录一 电路原理图
附录二 传感器安装示意图
附录三 微机数据采集系统软件使用说明
部分思考题答案
参考文献
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| 內容試閱：
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第一章 传感器实验的操作规程及相关要求
传感器实验的过程是理论联系实际的过程.在实验中，首先要明确应用已学理论知识来指导实验，即从理论上掌握实验项目的工作原理、电路结构和电路的基本特性；用理论知识来指导实验操作，预测实验的现象和结果，并和实际现象及数据进行比较得出结论，找出实验现象和结果与理论的差别，分析这些差别产生的主要原因，找出减少或消除这些差别的方法，从而提高分析问题和解决问题的能力.
传感器实验的完整过程一般包括实验前预习、实验室实验、实验数据分析及实验报告处理
这3个阶段，每个阶段的要求具体如下.
1.实验前预习
每次实验前学生都要预习.预习包括认真阅读实验指导书，明确实验目的及重点难点，了解实验原理，设计实验步骤，思考实验思考题等，并在预习过程中写出预习报告.通过课前预习可避免实验时的盲目性，提高实验效率，更好地理解和掌握理论知识.
2.实验室实验
进入实验室后，要自觉遵守实验室的各项规章制度，保证实验室有良好的实验秩序和卫生，要注意人身安全和设备的安全使用.
严禁带电接、拆线或改接电路.在实验操作时，应该先按实验方案接好电路，检查无误后再通电.要认真操作，仔细观察实验现象，准确记录实验现象和实验数据包括波形.在操作过程中，当发现有接线错误或改接电路时，应先断电，再进行改接.拆线时，也应先断电，再进行拆线.如果发现实验有异常现象，要分析原因，排除故障应记录现象、原因和排除故障的方式.如果发生安全事故，则应立即切断电源，并报告实验辅导教师或实验管理员进行处理.做完实验后，将实验记录送实验辅导教师审阅，在实验辅导教师允许后再拆除线路，整理好实验台后方可离开实验室.
3.实验数据分析及实验报告处理
处理实验报告是对实验进行总结和提高的过程，通过处理实验报告可以加深对实验现象和内容的理解，更好地将理论和实际结合起来，达到实验的目的.实验报告包含以下内容.
1实验基本信息，如实验名称、实验项目、实验日期、使用仪器及编号.
2实验数据的整理，画出测试波形，列出数据表格或测试曲线.
3分析实验所得数据或波形，作出简要的结论，对实验误差进行简单分析.
4分析实验中出现的故障或问题，总结排除故障或解决问题的方法，可提出改进实验的意见与建议.
5回答思考题.
实验报告要求层次分明，书写整洁，简明扼要，所画表格、曲线要符合规范.
第二章 SETG998型传感器系统综合实验仪简介
一、实验仪的组成
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.
1传感器安装台: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、霍尔传感器的两个半圆磁钢、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、半导体扩散硅压阻式差压传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，热释电传感器、光电开关、硅光电池、光敏电阻元件安装盒，
具体安装部位参看附录二.
2显示与激励源:电机控制单元、主电源、直流稳压电源±2~±10V，分5挡调节、FV 数字显示表可作为电压表和频率表、5~500mV、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源.
3传感器符号及引线单元: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振线圈引入低频激振器信号按符号从这个单元插孔引线.
4处理电路单元:由电桥单元、差动放大器、电容变换放大器、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.
SETG998实验仪上配置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
1.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均装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈，接入低频激振器Vo可进行静态或动态测量.
应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移或采用标准双孔悬臂梁传感器应变梁.
1差动变压器电感式:量程大于等于5mm，直流电阻为5~10Ω，由一个初级、两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:量程大于等于1mm，直流电阻为1~2Ω，由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:量程大于等于±2mm，激励源端口直流电阻为800~1500Ω，输出端口直流电阻为300~500Ω，采用日本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:直流电阻为10Ω左右，由两个铜G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:量程大于等于±2mm，是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: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，直流电阻为500~2500Ω，2×60股Y形、半圆分布.
8半导体扩散硅压阻式压力传感器:最大量程为10kPa差压，供电压小于等于6V，美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器.
9压电加速度计:由PZTG5压电晶片和铜质量块构成，谐振频率大于等于10kHz，电荷灵敏度q≥20pCg.
10应变式传感器:箔式应变片电阻值为350Ω，应变系数为2，平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有4片应变片，受力工作片分别用符号“↑”和“↓”表示.在910、998B型仪器中，横向所贴的两片为温度补偿片，用符号“←”、“→”表示.
11PN 结温度传感器:利用半导体PN 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，灵敏度为-2.1mV℃.
12磁电式传感器:0.21φ×1000，直流电阻30~40Ω，由线圈和动铁永久磁钢组成，灵敏度达到0.5Vm??s-1.
13气敏传感器:MQ3酒精，测量范围为50~200ppm.
14湿敏电阻:高分子薄膜电阻型RH，阻值为几千欧到几兆欧，响应时间为吸湿、脱湿小于10s，温度系数是0.5RH%℃，测量范围为10%~95%，工作温度为0~50℃.
15光电开关反射型.
16光敏电阻:CdS材料，阻值为几欧到几兆欧.
17硅光电池:Si日光型.
18热释电红外传感器:远红外式.
2.信号及变换
1电桥:用于组成直流电桥，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10VpGp，移相范围≥±20°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10VpGp，极性反转整形电路与电子开关构成检波电路.
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，转折频率为35Hz左右.
9涡流变换器:输出电压≥8V探头离开被测物，变频调幅式变换电路，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、接收管组成.
3.两套显示仪表
1数字式电压频率表:3位半显示，电压范围为0~2V、0~20V，频率范围分别为3~2000Hz、10~20000Hz，灵敏度≤50mV.
2指针式毫伏表:85C1表，分500mV、50mV、5mV 三挡，精度达到2.5%.
4.两种振荡器
1音频振荡器:0.4~10kHz输出连续可调，VpGp值为20V，输出连续可调，180°、0°反相输出，LV 端最大功率输出电流为0.5A.
2低频振荡器:1~30Hz输出连续可调，VpGp值为20V，输出连续可调，最大输出电流达到0.5A，Vi端可用做电流放大器.
5.两套悬臂梁、测微头
双平行式悬臂梁两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，可进行位移与振动实验右边圆盘式工作台由激振带动，左边平行式悬臂梁由激振II带动.
6.电加热器两组
由电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温.
7.测速电机一组
由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电开关、光纤传感器配合进行测速.
8.两组稳压电源
直流±15V，主要作为实验时的加热电源提供适宜的温度，最大激励1.5A.±2~±10V 分五挡输出，最大输出电流为1.5A，提供直流激励源.
9.计算机连接与处理
数据采集卡:12位AD转换，采样速度10000点s，采样速度可控制，采样形式多样.采用标准RSG232接口，与计算机串行工作.
提供良好的计算机显示界面与方便实用的处理软件，以便进行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.
使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常.仪器下部面板左下角处的开关为控制处理电路±15V 的工作电源，进行实验时请勿关掉，为保证仪器正常工作，严禁±15V 电源间的相互短路，建议平时将这两个输出插口封住.
指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试.
请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的主要实验目的是对各传感器测试电路作定性验证，而非工业应用型的传感器定量测试.
三、各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常
1应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻挡在应变片两端测量.各接线图两个节点间即一实验接插线，接插线可多根叠插.
2热电偶，接入差动放大器，打开“加热”开关，观察随温度升高热电势的变化.
3热敏式，进行热敏传感器实验，电热器加热升温，观察随温度升高电阻两端的阻值变化情况，注意热敏电阻是负温度系数.
4PN 结温度传感器，进行PN 结温度传感器测温实验，注意电压表2V 挡显示值为绝对温度T.
5进行移相器实验，用双踪示波器观察两通道波形.
6进行相敏检波器实验，相敏检波器端口序数规律为从左至右，从上到下，其中5端为参考电压输入端.
7进行电容式传感器特性实验，当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器Vo端电压应正负过零变化.
8进行光纤传感器G位移测量，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微仪带动反射片位置变化，从差动放大器输出端读出电压变化值.
9进行光纤光电式传感器测速实验，从FV 表Fo 端读出频率信号.FV 表置2K挡.
10将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端，输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小.
11进行差动变压器性能实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态.
12进行霍尔式传感器直流激励特性实验，直流激励信号不能大于2V.
13进行磁电式传感器实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形.
14进行电压加速度传感器实验，此实验与上述第11项内容均无定量要求.
15进行电涡流传感器的静态标定实验，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压.
16进行扩散硅压力传感器实验，注意MPX压力传感器为差压输出，故输出信号有正、负两种.
17进行气敏传感器特性实验，观察输出电压变化.
18进行湿敏传
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