实验一 电阻应变片传感器在电桥中的接法、性能检测及应用
——电子秤设计——
本实验为综合性实验，学时数：4
本综合实验涉及的基本内容是金属箔式应变片传感器的基本原理，结构、性能及如何通过金属箔式应变片传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数等知识。重点是金属电阻应变效应，金属应变片的主要特性；半导体材料的压阻效应。压力传感器的应用及测量处理与转换电路，温度误差产生的原因及补偿。要求实验者除应具备传感器基本知识外，还必须具备模拟电子技术，数字电子技术的基本知识，同时要求将所学知识灵活、综合地应用。
一、实验目的：
1. 初步掌握传感器综合实验仪的结构及操作方法；
2. 学习掌握应变片在电桥中的接法及直流电桥与交流电桥的工作原理及特点； 3. 了解金属箔式应变片、单臂电桥、半桥及全桥的工作原理和工作情况； 4. 验证直流、交流单臂、半桥、全桥的性能；
5．通过电子秤设计实验，更好地理解电阻应变式传感器的实际应用；
6．本次设计实验，使同学们在动手能力得到锻炼的同时充分发挥自己的创新潜能，充分调动学习主动性，培养创新能力；
二、实验所需单元及部件：
应变式传感器、应变式传感器实验模板、砝码、托盘、音频振荡器、数显表、±15V 电源、±4V 电源。
三、实验原理与说明
3．1电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部形变转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将形变转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成形变的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。其主要特点是：
① 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；
② 灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量 ③ 环境适应性好，应用领域广泛。
3．2 金属箔应变片的基本结构
金属箔应变片的敏感栅是用0.001～0.01mm 厚的金属箔通过光刻技术制作成，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花。如图1-1所示。
图1－1箔式应变片结构 图1-2 应变片结构
箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小；由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流；同时因栅薄，也便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上；且蠕变和机械滞后较小，应力传递性能好。
实际应用的电阻应变式传感器主要有四个部分组成，如图1-2所示：1：引出线，作为连接测量导线用，对测量精度至关重要。2：电阻丝也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类传感器的核心构件；3：粘结剂，它的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；4 ：基底，基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝和弹性体之间的
绝缘作用和保护作用；5 ：面胶或叫覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用；
3．3 . 测量电路
电阻应变片把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变片的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换的测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。如图1-3所示。
图1-3 直流、交流电桥电路图
直流电桥的优点：高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连线导线的分布参数影响小等。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也比较复杂。因此应变电桥现在多采用交流电桥。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。当电桥平衡时，即Ｒ1*Ｒ3=Ｒ2*Ｒ4，电桥输出为零。在桥臂Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4中，电阻的相对变化分别为ΔＲ1/Ｒ1、ΔＲ2/Ｒ2、ΔＲ3/Ｒ3、
ΔＲ4/Ｒ4，桥路的输出Ｕo 与电桥四个臂的电阻的相对变化的代数和即：
当使用一片应变片时，ΣＲ=ΔＲ/Ｒ；当使用二片应变片时，ΣＲ=ΔＲ1/Ｒ1-ΔＲ2/Ｒ2。如二片应变片工作于差动状态，且Ｒ1=Ｒ2＝Ｒ，则有ΣＲ＝２ΔＲ/R。用四片应变片组成二个差动对工作，且Ｒ1=Ｒ2=Ｒ3=Ｒ4=Ｒ, 于是有ΣＲ1/Ｒ1=-ΔＲ2/Ｒ2=-ΔＲ3/Ｒ3=
Δ
ΣＲ=ΔＲ1/Ｒ1-ΔＲ2/Ｒ2-ΔＲ3/Ｒ3＋ΔＲ4/Ｒ4成正比。
Ｒ4/Ｒ4，因此有ΔＲ=４ΔＲ/Ｒ。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
根据戴维南定理可以得到电桥的输出电压Ｕo 近似等于1/4*E*ΣＲ。电桥的灵敏度:
So=Ｕo / (ΔＲ/R)，
于是，对应于单臂、半桥和全桥的灵敏度分别为(1/4)E，(1/2)E、E 。
四、实验内容与步骤：
1．金属箔式应变片输出性能标定 — 直流单臂电桥
① 首先熟悉实验所需单元和部件在《综合传感器实验仪》与《应变片传感器实验模块》面板上的位置及结构。
金属箔应变片的构成如图1-4所示：
图1-4应变式传感器示意图
应变式传感器实验模板的布局及单臂电桥、测量电路如图1-5所示。
图1-5应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
图中，实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。
② 根据图1-5安装接线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。（传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4）。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加（为正应变），R2、R4阻值减小为负应变），可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。
③ 放大器调零处理：方法是将图1-5实验模板上放大器（IC1、IC2
）的两输入端口引
线暂时脱开，再用导线将两输入端短接后接地，使输入为零(Vi＝0) ；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈半) ；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V 档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
④ 应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图2接线图) 。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g （或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
⑤ 根据表1－1计算系统灵敏度S ＝ΔU/ΔW （ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF ·S 满量程输出平均值，此处为200g （或500g ）。
2．金属箔式应变片输出性能标定 — 直流半桥
此时有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应变、一个负应变，即接R3的桥臂为拉应变，接R2的桥臂为压应变。实验电路连接如图1-6所示
图1-6 应变式传感器半桥接线图
① 保持以上差动放大器增益不变。按图1-6形成半桥。
② 调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g
（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
③ 根据实验测量结果，计算出半桥灵敏度S ，并作出V —X 关系曲线。
3．金属箔式应变片输出性能标定 — 直流全桥
全桥：应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变。
即R1=R2=R3=R4=R ΔR1=ΔR3=ΔR ΔR2=ΔR4=-ΔR
实验电路连接如图1-7 所示 ：
图1-7 全桥性能实验接线图
① 保持以上差动放大器增益不变。按图1-7形成全桥。
② 调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g （或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
③ 根据实验测量结果，计算出全桥灵敏度S ，并作出V —X 关系曲线。
4．金属箔式应变片输出性能标定 — 交流全桥
交流电桥一般采用音频交流作为供桥电压，在特殊情况下也有采用脉冲供电方式的。交流电路远比直流复杂，特别是在高频时，需要考虑分布电容和分布电感的影响。在实际测量中，电桥的桥臂都是由应变计或固定无感式精密电阻组成，但由于两邻近导体、导体与机壳以及应变计连接导线间存在着分布电容，所以应变计桥臂实际是由工作片（或
电阻）和电容并联而成（分布电感的影响很小， 图1-8交流电桥 可以不予考虑），如图1-8所示：
由于供桥电压的频率在测量过程中不变，故可认为分布电容引起的容抗不随工作片的变形而改变其数值。当电桥平衡时，Ｚ1Ｚ4=Ｚ2Ｚ3，电桥输出为零。
若桥臂阻抗的变化率分别为ΔＺ1/Ｚ1、ΔＺ2/Ｚ2、ΔＺ3/Ｚ3、ΔＺ4/Ｚ4，则电桥的输出与桥臂阻抗变化率的代数和成正比，交流电桥输出的信号，经差动放大器放大后，由相敏检波器检波，低通滤波器滤波，最后由电压表指示出来。
金属箔式应变片输出性能标定 — 交流全桥的测量系统组成电路如图1-9所示
图1-9交流全桥性能实验接线图
① 首先熟悉公共电路模块（移相器、相敏检波器和低通滤波器）的位置及结构。 ② 按图1-9，接好实验测量系统电路。模块中，R8、Rw1、C 、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，将音频振荡器的频率调节到5KHz 左右，幅度调节到10Vp-p 。（频率可用数显表Fin 监测，幅度可用示波器监测），电桥激励必须从LV 插口输出。
③ 将Ｖ/F表打到V ±2V （或V ±200mV ）档，差动放大器增益旋钮RW3打到最大(顺时针到底) ，而后，将差动放大器调零(RW4)。调零完毕后再关闭总电源。
④ 将示波器接入相敏检波的输出端，观察示波器的波形，，调节Rw1、Rw2、使示波器显示的波形基本为一条直线，同时观察数字电压表，使指示为零。
⑤ 用手按压应变片托盘，产生一个较大的位移，调节移相器与相敏检波器旋纽，使示波器显示全波整流的波形。放手后，应变梁复原，示波器显示的波形应仍为一条直线。
⑥ 再次微调RW1与RW2，使数字电压表指示为零。
⑦ 在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g （或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。 ⑧ 根据实验测量结果，计算出交流全桥灵敏度S ，并作出V —X 关系曲线。。
5．电子秤设计与制作 5.1设计任务与要求： 5.1.1 设计任务：
设计并制作一个利用应变片可以秤重的电子装置，称重精度0.1g ，称重范围为10g 到1000g ；
5.1.2 设计要求：
1. 首先要充分掌握前面基础验证实验的有关内容，弄清电阻应变式传感器的基本工作原理及性能特点；掌握半桥、全桥和交流全桥这三种基本测量电路的性能特点；
2. 其次要根据设计实验内容提出的测量要求来自主设计测量电路，可以参考本实验指导教程所提供的电路图；也可以采用另外的方法实现，另配元件或自制电路板，只要能达到测量要求就行；
3. 自主设计的实验方案应先由指导教师审查同意后才可实施；
5.1.3 实验原理与说明
本次自主性设计实验所做的称重装置要求达到的称重精度为0.1 克，称重范围为10克—1000克。同学们可根据测量要求自行设计实现方案。方案最好以YL-2100型综合传感实验仪为依托，尽量少采用其它的元器件、电路模块或设备，这样便于更方便地实施。这里给出两种方案供参考：方案一是建立在实验一的基础上，采用一个测量应变片来进行检测；此方案简单易行，所用模块少，但精度较低，不一定能满足测量要求；方案二是建立在实验1-4的基础上，采用交流全桥测量电路，用到四个电阻应变片。可以获得较高的测量精度和足够的测量范围；但所用电路模块较多，结构较复杂，实现起来较困难。
方案一
该电子称重装置如图1-10所示，由称重托盘、电阻应变片、应变梁、0-10伏直流稳压电源、测量电路、差动放大器模块和输出显示模块组成。称重原理是：应变梁在被称重物的重力作用下产生一应变，此应变引起电阻应变片的电阻发生改变，由测量电路把这一电阻变化转换成电压变化，再由显示装置将电压显示出来，根据
电压的不同就可知被称物的重量。当然， 图1-10 方案一电子称重原理图 先必须经过标准砝码测出该装置的线性范围和标定系数（这也是本实验的主要任务），然后就可以称各种重物了，同学们可以试试自己设计的装置精度如何。
方案二
此方案的原理如图1-11所示，基本组成与方案一相似，主要区别在于此处用了四个电阻应变片来组成交流全桥测量电路，对传感器的输出信号进行更为全面的处理，故能达到较好的使用效果。称重原理与方案一类似，不再重复。图1-11中：1为称重托盘，2为四个应变电阻，
3为应变粱，4为音频信号发生器， 图1-11 方案2电子称重原理图
5为应变电桥，6为差动放大器，7为移相器，8为相敏整流器、9为低通滤波器，10为V/F表。
五、实验报告要求与思考题： 实验报告要求：
１．根据实验数据，在坐标纸上分别绘出直流单臂、半桥和全桥和交流全桥的输出特性V 。=Ｆ(x)曲线。
２．计算直流单臂、半桥和全桥和交流全桥的输出灵敏度，并加以比较。得出结论。
实验思考题：
1. 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
2. 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。
3. 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。
4. 全桥测量中，当两组对边（R 1、R 3为对边）电阻值R 相同时，即R 1= R3， R2= R4，而R 1≠R 2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。
5．分析你所采用的称重方法有何特点和优势？ 6. 引起称重误差的因素有哪些？
7. 通过这次设计性实验, 你最深的体会是什么？
实验二 差动变压器性能标定及零点残余电压补偿
一、实验目的
1．了解差动变压器的组成结构、工作原理和工作情况。
2．了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响 3．了解残余电压的补偿及其方法。
4．了解差动变压器测量系统的组成与学会差动变压器的标定方法。
二、实验设备
差动变压器实验模块、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。
三、实验原理与说明 3.1 差动变压器：
差动变压器式电感传感器结构形式较多，主要有变隙式、变面积式及差动螺线管式变压器等，但它们的工作原理基本相同，都是利用两个线圈之间互感的变化引起感应电势的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，实现非电量的测量。应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1－100(mm)范围内的机械位移、150HZ 以下的低频振动、加速度、应变、比重、张力、厚度、称重等一切能引起机械位移变化的非电物理量。
实验中差动变压器采用三段式螺管型差动变压器。如图2-1所示：
图2-1差动变压器原理图
在图2-1（a ）中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，3为线圈绝缘框架，4表示动铁，变量ΔX 表示动铁的位移变化量。
在图2-1（b ）中，R1和L1表示初级线圈1的电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1和M2表示初级线圈分别与两次级线圈间的互感，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。
当初级线圈L1加上一定的交流电压u1时，在次级线圈中，由于电磁感应产生感应电压，其大小与铁芯的位置（铁芯的轴向位移）成比例。把感应电压e21和e22反极性连接便得到输出电压u2。
① 当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1 = Rm2 ， 即互感M1 = M2 ，故此时输出电压U2 = 0 。
② 当动铁上移时，磁阻 Rm1＜ Rm2 ，则 M1 ＞ M2 ，此时输出电压U2＜0 。 ③ 当动铁下移时，磁阻 Rm1＞ Rm2 ，则 M1＜ M2 ，此时输出电压U2＞0 。 因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。
3.2 灵敏度
差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁移动单位距离时所产生的输出电压，以mv/mm表示，一般大于50mv/mm。
四、基本实验内容与步骤 1. 差动变压器的性能实验
① 根据图2-2，将差动变压器传感器与测微头（千分尺）分别装在差动变压器实验模块上。
图2-2 差动变压器传感器安装示意图
② 在差动变压器实验模块上按照图2-3连接实验线路。
图2-3 差动变压器传感器测量连接图
③ 音频振荡器信号必须从主控箱中的LV 端子输出，调节音频振荡器的频率为4~5KHz（可用主控箱的数显表的频率档“Fin ”输入来监测）。调节幅度使输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V（用示波器监测）。
判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线
圈的任一端为同名端，按图2-2接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈信号波形与次级线圈信号波形，当次级信号波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级线圈波形（LV 音频信号Vp-p=2V波形）比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判断直到正确为止。图中（1）、（2）、（3）、（4）为模块中的实验插孔。）
④ 旋动测微头，并将其调整到10mm 处，前后移动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p 为最小，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。（此时即为“0”mm ）
⑤ 从Vo(p-p)最小开始旋动测微头，使传感器产生位移, 每位移0.2mm, 从示波器上读出差动变压器输出端的峰峰值，填入表2-1。再从Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。
表2-1 差动变压器位移ΔX 值与输出电压Vp-p 数据表
⑥ 实验数据分析与思考
1）根据表2-1所得数据计算灵敏度S ，，S =式中：△V 为电压变化，
△X 为相应位移变化。 2）根据实验结果指出线性范围。
∆V ∆X
并画Vo
p -p
-X 出曲线。
3）当差动变压器中的磁芯位置由右向左变化时，输出信号的波形相位会怎样的变化？ 4）当差动变压器传感器处在平衡时，其输出电压的最小值称作什么？可以看出它与输入电压的相位差约为（ ），因此是（ ）正交分量。是由什么原因造成？
2．激励频率对差动变压器特性的影响
差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式：
U O =
ω(M 1-M 2) U i
R p +ωL p
2
2
2
表示，式中LP 、RP 为初级线圈电感和损耗电阻，Ui 、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若222222R P >>ωL P ，ωL P >>R P
则输出电压Uo 受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当时输出Uo 与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
① 差动变压器安装和实验接线图同图2-1和图2-2。
② 选择音频信号输出频率为1KHz 从LV 输出。（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置。
③ 旋动测微头，每间隔0.2mm 在示波器上读取一个Vp-p 数据。
④ 分别改变激励频率为3KHz 、5KHz 、7KHz 、9KHz ，重复实验步骤1、2将测试结果记
作出每一频率时的V-X 曲线，并计算其灵敏度S i ，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。
3．差动变压器零点残余电压的补偿
差动变压器零点残余电压中主要包含两种信号成分：
1）基波分量
这主要是由于差动变压器两个次级绕组材料或工艺差异造成等效参数（M 、L 、R ）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不相同。
2）高次谐波分量
主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
消除或减小零点残余电压的方法主要是：从设计和工艺制作上尽量提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性；引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理；采用外电路补偿。
① 按图2-4接线，音频信号源从L V 插口输出，实验模块中R 1、C 1、Rw 1、Rw 2为电桥单元中调平衡网络。IC 为差分放大器，将差动变压器传感器的双端输出转换为单
端输出。 图2-4 零点残余电压补偿电路接线图
② 用示波器调整音频振荡器输出为2V 峰-峰值。 ③ 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
④ 依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。
⑤ 将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压比较。 ⑥ 从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰-峰值）。（注：这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压，实际零点残余电压应为：
Vo =Vo (p -p ) /K
K 为差分放大器的放大倍数。（实验模快中的K ≈5）。 ⑦ 本实验也可用图2-5所示线路，请分析原理。
图2-5 零点残余电压补偿电路接线图之二
3．差动变压器的标定
差动变压器传感器的标定:就是通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时也确定出不同使用条件下的误差关系。
标定的基本方法是利用一种标准设备产生已知的非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量。然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。
本次实验是利用螺旋测微计做为标准设备，其产生的位移作为输入的标准量。实验电路如图2-6所示：
图2-6差动变压器传感器的标定原理电路 ① 按图2-6连接实验电路。
② 利用示波器，调整音频振器的频率/幅度旋钮，使其输出4KHZ/1.5Vp-p
的标准信号，
并将V/F表打到2V 档。
③ 前后移动测微头，次级输出电压的峰-峰值Vp-p 为最小，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。
④ 调整电桥调零网络的电位器W1、W2，使电压表指零。
⑤ 旋转测微头，给铁芯一个较大的向右的位移（如：3mm 即13mm 处），同时用示波器观察相敏检波器输出端（Vo 处）的输出波形，并记录之。调整移相器电位器，使电压表指示为最大。
⑥ 旋动测微头，使铁芯从右向左产生一个较大位移，（即7mm 处），用示波器观察相敏检波器输出端（Vo 处）的输出波形，并记录之。
⑦ 按表2-3所列数据，每隔0.50mm 读取一组数据，将实验数据填入表2-3中。
⑧ 根据实验结果，画出差动变压器的V-X 曲线，指出其线性工作范围，求出灵敏度。
∆V
灵敏度S =
∆X
五、注意事项
１、差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，因此首先要找出同名端。 ２、差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电源输出插口（Lv 插口）输出。
３、差动变压器示波器的连线应量短一些，以避免引入干扰。 4 、在实验过程中请注意：
⑴从Vp-p 最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。 ⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p 最小处时它的位移读数有变化(没有回到原来起始位置) 是正常的，做实验时位移取相对变化量△Ｘ为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
六．提高型实验内容与步骤
差动变压器式电感传感器的应用——振动测量装置的设计
（1）实验的目的要求 1) 实验目的
1. 通过本次实验加深对差动变压器电感传感器在工程实践中的应用的了解；
2. 掌握用这种传感器组成振动测量系统的原理和方法； 3. 进一步掌握这种传感器的性能特点和工程应用；
2) 实验要求
1. 复习差动变压器电感式传感器工作原理、性能特点及性能测试实验的有关内容； 2. 预习本次实验的有关内容； 3. 根据实验要求设计好实验方案；
4. 通过实际测量验证自己的设计，对存在的问题进行探讨，找出解决问题的方法；
（2）实验的基本原理
本次实验的原理是建立在YL-2100型传感器实验台的基础上的。差动变压器电感传感器具有结构简单、性能优越、测量精度高、灵敏度高和价格合理等优点。因此，在直线位移、加速度、低频机械振动及应变和称重等的检
测中得到了较为广泛的应用。其测量原理如图2-8所示：
由差动变压器线圈L0、L1、L2、动铁芯，1、振动梁， 图2-8 测量原理图 2、振动台，3和低频振荡器，4组成测量系统的传感部分。振动梁在低频振荡器的驱动下产生低频机械振动，带动与之相连的传感器动铁芯，使动铁芯产生位置变化，在此作用下使传感器的互感发生差动变化。再根据测量要求配之以合适的处理电路和显示仪表，组成一个能测量振动的振幅和频率的完整的振动测量系统。
受条件限制，测量电路的变化形式不是很多，但可以根据实验要求提出的测量精度来选择不同的电路模块，组成略有区别的测量处理电路。以其充分发挥每位学生的主观能动性和学习自主性。在此给出一例仅供参考，测量处理电路如图2-9所示：
传感器输出的差动信号经交流电桥转换成电压信号后由
差动放大器进一步放大，然后通 图2-9差动变压器电感传感器振动测量电路图 过相敏检波电路及低通滤波处理，最后分别送频率计和双线示波器 显示。根据标定的传感器灵敏度S ，由电压变化范围可换算出振动的振幅A ，振动的频率Fs 为输出电压波形的频率fv 。
（3）实验的具体内容
本次实验的测量要求为：振幅A 的测量精度达到±0.01(mm)，频率的测量要求为±1HZ 同学们可以按规定的测量要求自行设计检测系统的组成方案，接线完成检查，确认无误才可通电测试。先用已知的标准量对系统进行标定，确定出系统的电压灵敏度S ，而后进行具体测量。测量内容包括每个振动的振幅和频率，反复测量几次，取平均值记在表中作为测量结果。按所测得的标定结果来计算振动的振幅和振动频率。对测量结果进行分析，
与标准值进
行比较，查找存在误差的原因，并设法进行补偿，进一步改进检测系统的组成，以期得到更好的测量效果。
（4）操作步骤
① 根据提出的测量要求，先设计出合理的测量系统组成方案，方可实施； ② 实验方案确定后，检查所需的电路模块及仪器设备是否齐全、有无损坏； ③ 按所定方案的电路图接线，注意接头一定要可靠，不能有松动，接地要正确，以保证测量的准确性；
④ 接好线路经指导老师检查无误后通电，先按3进行系统标定，确定系统电压灵敏度S 后开始振动测量；
⑤ 改变一次振动状态，测得一组数据，反复多次，求出平均值作为测量结果，填入表2-4中，这样可以消除一些粗大误差，使测量结果更为准确；
表2-4 V-A-f表
⑥ 根据对差动变压器式电感传感器的标定结果将测得的电压值换算成相应的振幅大小，振动的频率可从双线示波器上输出信号的频率得到，输出信号的频率也可用频率计显示；
⑦ 将测量结果与低频振荡器的输出指示相比较，如果存在较大误差，应分析测试系统的组成，查找原因，对系统进行改进，重新进行测量，直到达到测量要求为止。
⑧ 完成实验后整理好实验操作台，方可离开实验室；
注意事项
1. 振动的测量是比较困难的，需要同学们有足够的恒心和毅力，且要十分仔细认真地读好每一个数据；
2. 开始测量前要对电桥网络进行仔细地调整，使其在初始状态达到平衡，这样才能保证测量精度；
3. 所用电路模块应在正式测量前进行检查，查看其性能是否正常，如发现异常应及时报告指导老师，便于及时更换；
4. 系统标定后应保持各个电路模块的性能参数不变，如改变差放的放大倍数或某个模块的参数则应重新进行标定；
（5）思考题
1. 差动变压器式电感传感器用于振动测量有何优点？
2. 谈谈所设计的振动测量系统有何特点？通过测量发现存在什么问题？应如何改进？ 3. 双线示波器在使用中应如何进行调整？
附：测微头的组成与使用
测微头组成和读数如图2-7
图2-7测位头组成与读数
测微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1ｍｍ／格) ，另一排是半毫米刻线(０. ５ｍｍ／格) ；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(０. ０１ｍｍ／格) 。
用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０. ０１毫米，这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图1甲读数为３. ６７８ｍｍ，不是３. １７８ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图2-7乙已过零则读２. ５１４ｍｍ；如图2-7丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１. ９８０ｍｍ。
测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量) ，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动) 使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定) 时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
实验三 霍尔传感器的特性测试及应用
一、实验目的：
1．了解霍尔式传感器的原理与特性；
2．了解直流激励与交流激励时霍尔式传感器的特性； 3．了解霍尔式传感器在振动测量与转速测量中的应用。
二、实验原理：
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。
根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB。当霍尔元件通以恒定电流处在梯度磁场中运动时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。利用这一性质可以进行位移测量。
三、实验所需部件：
霍尔传感器、霍尔传感器实验模块、直流稳压电源±4V 和±15V 、数字电压表、音频信号源、螺旋测微仪、共用电路模块（移相器、相敏检波器、低通滤波器）、霍尔转速传感器、数显单元的转速显示部分、示波器。
四、实验内容与步骤 （1）直流激励特性测试
① 将霍尔传感器、引线电缆与测微头按图3-1分别装在霍尔传感器的实验模块上。
图3-1 霍尔传感器安装示意图
② 按图3-2连接霍尔传感器检测测量电路，将差动放大器接±15V 电源，增益旋钮（RW3）打到中间位置，数字电压表置2V 档，直流稳压电源置±4V 档。
图3-2霍尔传感器直流激励实验电路连接图
③ 旋动测微头，将其调整到10mm 处，并与霍尔传感器连接（即吸合），前后移动测微头，使霍尔元件置于梯度磁场中间，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。
④ 检查电路无误后，通电，调节电桥直流电位器RW1，使输出为零。
⑤ 从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各5 mm，每变化0.5 mm读取相
⑥ 根据测量数据，作出V-X 曲线，求得灵敏度S , (S =∆V /∆X ) 和线性工作范围。如出现非线性情况，请查找原因。
（2）交流激励特性测试
① 用实验导线将实验所需部件按图3-3 连接成测试系统。差动放大器增益（RW3）置最大（顺时针到底）。
图 3-3 霍尔传感器交流激励实验电路连接图
② 旋动测微头，将其调整到10mm 处，并与霍尔传感器连接（即吸合），前后移动测微头，使霍尔元件置于梯度磁场中间，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。
③ 调音频振荡器“LV ”端口输出频率2KH Z ，幅值4Vp-p 信号（严格限定在5V 以下，以免损坏霍尔元件）。
④ 通电后，调整电桥电位器RW1 和RW2，使系统输出电压为0（或为最小）。
⑤ 旋动测微头，给传感器产生一个大位移5mm ，仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。然后，再旋动测微头使之回到座标轴“0”点，整流波形消失，变为一条接近零点线（否则再调节Rw 1和Rw 2），使系统输出电压为0。
⑥ 调节测微头左右分别移动5mm ，每移动0.5mm 记录相应的电压值，填入表2 中， ⑦ 根据测量数据，作出V-X 曲线，求得灵敏度
和线性工作范围。并
与直流激励测试系统进行比较。
（3）霍尔传感器振动测量实验
1、将霍尔传感器按图3-4，安装在振动源实验模块的振动源上。 2、按图3-3接线，并调整好有关部分。调整如下：
① 检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV 峰-峰值，调整音频振荡器输频率为2KHZ ，幅度为Vop-p=4V。
② 利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
③ 仔细调节Rw1和Rw2使输出电压基本为零
点。 图3-4霍尔传感器与振动源模块安装示意图
④ 旋转测微头，给传感器产生一个大位移约5mm ，仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。
⑤ 调整测微头，使之回到座标轴“0”点，整流波形消失，变为一条接近零点线（否则再调节Rw1和Rw2）。
⑥ 将低频振荡器输出引入振动源的低频输入端，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动台振荡较为明显。用示波器观察差分放大器的Vo 、相敏检波器的Vo 及低通滤波器的Vo 波形。
⑦ 保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据，填入下表3
表3
⑧ 根据实验结果作出梁的f —Vp-p 特性曲线，指出自振频率的大致值。
⑨ 保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验，可得到振幅—Vp-p 曲线（定性）。
注意事项：低频振荡器电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。
（4） 霍尔传感器速度测量实验
利用霍尔效应表达式：UH ＝KHIB ，当被测圆盘上装上N 只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。
① 根据图3-5，将霍尔转速传感器装于转动源模块的支架上，霍尔转速传感器探头对准转动源模块的反射面内的磁钢。
② 将5V 直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。
③ 将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin 端，3号接线端接地。
④ 将转速调节中的＋2V －24V 转速电源
接入转动源板的转动电源插孔中。 图3-5 霍尔转速传感顺安装示意图
⑤ 将数显单元上的开关拨到转速档。
⑥ 调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。
五、思考题：
1、 什么是霍尔效应？霍尔元件常用什么材料？为什么？
2、 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？ 3、 交直流激励时，霍尔式传感器测量位移有什么区别？
4、 在振幅测量中，移相器、相敏检波器、低通滤波器各起什么作用？ 5、 利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？
6、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？
附：实验用霍尔传感器构造
实验用霍尔传感器，它的核心是一片三端线性霍尔集成电路，在并固定不动。在它的左右两侧的活动连竿上，分别放置一块圆形磁铁，两磁铁的S 极相对，如图3-6所示。旋转测微器时，磁铁随之接近或远离霍尔器件，从而改变了磁场的大小及方向，霍尔器件就输出与位移相应的电压。
图3-6霍尔式位移传感器示意图
实验四 移相器实验
一．实验目的：
1．熟悉由运算放大器构成移相电路的组成与工作原理。 2．观测移相电路的功能及其使用方法。
二．实验所需部件：
音频振荡器、移向器、示波器。
三．移相器电路图及面板布局图
移相器电路原理如图4-1所示。面板布局图如图4-2所示
图4-1
图4-2
四、实验项目与方法步骤： 1、 移相器的功能检测
（1） （2） （3） （4） （5）
音频振荡器输出标准信号2KHZ/1Vp-p，用示波器观测。 按图4-3接线。
开启实验仪电源，用示波器Ya 、Yb 、观察输入/输出信号波形。 旋转移相器旋钮，用示波器检测移相器电路的最小与最大相移。 绘出最大移相时两信号的波形图。
图4-3
五、思考：
（1） 分析说明移相器的工作原理。 （2） 根据实验结果，说明移相器在检测技术中的作用是什么。
实验五 相敏检波器
一．实验目的：
1、 熟悉相敏检波器的工作原理及其使用方法。 2、 熟悉相敏检波器在检测技术中的运用。
二．实验所需部件：
音频振荡器、直流稳压源、直流毫伏表、相敏检波器、移相器、低通滤波器、示波器。
三．实验原理
相敏检波电路功能是能够鉴别被测信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。
相敏检波电路的工作原理、电路结构与调幅电路相似, 即将调制信号U Ω 乘以幅值为1的载波信号Vc 就可以得到双边带调幅信号U AB ，将双边带调幅信号U AB 再乘以载波信号Vc ，经低通滤波后就可以得到调制信号U Ω。这是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。
二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。
实验仪中
相敏检波器原理电路与面板布局如图5-1所示。
图5-1相敏检波器原理电路与面板布局图
从电路原理图中可以看出此相敏检波器模块主要由三部分组成：一是由运算放大器A1构成的整形电路部分，用于对参考信号的处理；二是由场效应管构成的电子开关电路部分，控制相敏检波器；三是由运算放大器A2构成的相敏检波器部分。当（2）端的控制电压为高电平时，二极管D 截止，开关管栅极G 为低电平，BG 截止，相当开关断开。此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。当（2）端的控制电压为低电平时，二极管
D 导通，开关管栅极G 为高电平，BG 导通，相当开关接通。此时，相敏检波器为同相运算放大器，输入与输出信号同相。
从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。
四．实验内容与方法步骤：
1、相敏检波器的直流控制功能检测。
① 按图5-2所示的实验电路接线。 ② 将音频信号4KHZ/2V p-p（0或180）信号，模拟待检测信号，加入相敏检波器的输入端Vi 。
③ 将直流电压+2V加入相敏检波器的参考(控制) 电压输入端DC 。
④ 开启实验仪、相敏检波器电源，用示波器的“CH1、CH2”通道，同时观测相敏检波器输入/输出信号的相位与幅值关系。绘出波
形图。 图5-2
⑤ 改变直流参考端DC 的电压为－2V 时，用示波器的“CH1、CH2”通道，同时观测相敏检波器输入/输出信号的相位与幅值关系，绘出波形图。 ⑥ 通过以上实验结果，分析并得出你的结论。 2．相敏检波器的交流控制功能检测
① 按图5-3连接实验电路
将音频信号0 /4KHz/2V p-p信号分别加入相敏检波器的输入端Vi 和交流参考电压控制端AC 。
开启实验仪电源，用示波器的“CH1、CH2”通道同时观测相敏检波器输入信号、输出信号的相位与幅值关系，绘出波形图。
用示波器的“CH2”通道观测附加窗口 端 图5-3 与
端的信号波形，绘出波形图。
再将音频信号180 /4KHz/2V p-p信号加入相敏检波器的交流控制端AC 。用示波器的“CH1、CH2”通道，同时观测相敏检波器输入信号、输出信号的相位与幅值关系，绘出波形图。
用示波器的“CH2”通道观测附加窗口端的信号波形，绘出波形图。 通过以上实验结果，分析得出你的结论。 3．相敏检波器检幅特性
①
按图
5-4连接实验电路
② 将音频信号0/4KHz信号分别加入相敏检波器的输入端（4）和交流参考电压控制端（5）即两信号同相。
③ 按表所给数据，改变音频信号的输入幅值Vp-p ，分别读出电压表显示的输出电压数值，填入下表5-1。
④ 改变交流参考电压控制端（5）为180，即使两信号反相。按表所给数据，改变音频信号的输入幅值Vp-p ，分别读出电压表显示的输出电压数值，填入表5-2。
4．相敏检波器的鉴相特性
① 按图5-5连接实验电路
图5-5
② 将音频振荡器的“激励信号”调到4KHz/幅度2VP-P ，不要过大，并保持音频振荡器输出幅值不变。
③ 旋转移相器RW 旋钮，使直流毫伏表电压指示为零，用示波器分别测量相敏检波器交流参考端（AC ）与相敏检波器输入端（Vi ），观察此时两信号的相位差，记录波形并计算出相位差为多少度？
④ 旋转移相器RW 旋钮，使直流毫伏表电压指示为最大，用示波器分别测量相敏检波器交流参考端（AC ）与相敏检波器输入端（Vi ），观察此时两信号的相位差，记录波形并计算出相位差为多少度？
五、思考题
1．根据实验结果，分析相敏检波器的作用是什么。移相器在实验线路中的作用是什么。 2．观察2、3端电子开关波形后，请对相敏检波器中的整形电路进行分析，波形是如何转换的。
3．什么是相敏检波? 为什么要采用相敏检波?. 什么是相敏检波器的鉴相特性?
六、实验报告要求
1．画出该相敏检波器的电路图，并说明该电路的工作原理。
2．分别画出参考电压（AC ）与相敏检波器的输入信号同相、反相时(2) 、（3）与(6)点的波形图及低通滤波器的输出波形。
4．画出参考电压通过移相器后（差900）时，相敏检波器(2) 、3与 (6)点及低通滤波器的输出波形。
附：自主类实验
学生在完成课程计划实验后，可进入传感器自主类实验的学习。自主类实验要求学生自主选题、自主设计方案、自主实践完成。给学生最大的自主空间，充分激发和调动学生的潜在能力和积极性。 本部分的实验仅给出基本指导，自主类实验的实验项目均是在基础类实验的基础上扩展产生，并尽量结合本专业的相关课程的学习。同时，自主类实验项目的设计紧跟测控领域的实际应用。
实验一 电容式传感器的位移特性实验 实验二 电容传感器动态特性实验 实验三 磁电式转速传感器测速实验 实验四 压电式传感器测量振动实验 实验五 电涡流传感器位移特性实验
实验六 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验 实验七 光纤传感器的位移特性实验 实验八 光纤传感器的位移特性实验 实验九 光纤传感器测速实验
实验十Cu50温度传感器的温度特性实验 实验十一P t 100热电阻测温特性实验 实验十二 热电偶测温性能实验 实验十三 气体流量的测定实验* 实验十四 气敏（酒精）传感器实验
实验十五 湿敏传感器实验
实验一 电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理：
利用平板电容C =εA /d 和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测微小位移（d 变）和测量也为（A 变）等多种电容传感器。
三、需用器件与单元：
电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、相敏检波、滤波模块、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤：
1、按图1-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
图1-1
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模块，实验线路见图1-2。
3、将电容传感器实验模块的输出端Vo1与数显表单元Vi 相接（插入主控箱Vi 孔），Rw
接主控箱电源输出
V i 接
主
控箱数地 显
表
图1-2 电容传感器位移实验接线图
调节到中间位置。
4、接入±15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.2mm 记下位移X 与输出电压值，填入表1-1。
表1-1 电容传感器位移与输出电压值
5、根据表1-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差δf 。
五、思考题：
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
实验二 电容传感器动态特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的动态性能的测量原理和方法。
二、基本原理：
利用电容传感器动态响应好，可以非接触测量等特点，进行动态位移测量。
三、需用器件与单元：
电容传感器、电容传感器实验模块、低通滤波器模块、数显单元、直流稳压电源、双线示波器、振动源模块。
四、实验步骤：
1、传感器安装图同实验一图1-1，按图1-2接线。实验模块输出端Vo1接滤波器输入端，滤波器输出端Vo 接示波器一个通道（示波器X 轴为20ms/div、Y 轴视输出大小而变）。调节传感器连接支架高度，使Vo1输出在零点附近。
2、主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选6~12Hz之间，幅度旋钮初始置0。
3、输入±15V 电源到实验模块，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。
4、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin 输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。从示波器测出传感器输出的Vo1峰-峰值。保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Vo1峰-峰值。
五、思考题：
1、为了进一步提高电容传感器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计？如何设计成所谓的容栅传感器？
2、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量Co 和移动0.5mm 时的变化量，（本实验外圆半径R=8mm，内圆柱外半径r =7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l =16mm。
* 电容传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨力高（可达0.01mm 甚至更高）、动态响应好、可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移、高频振动幅度，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测量低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水分）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。
实验三 磁电式转速传感器测速实验
一、实验目的：
了解磁电式传感器测量转速的原理。
二、基本原理：
e =-N
d φdt 发
基于电磁感应原理，N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：
生变化，因此当转盘上嵌入N 个磁钢时，每转一周线圈感应电势产生N 次变化，通过放大、整形和计数等电路即可测量转速。
三、需用器件与单元：
磁电传感器、数显单元测转速档、转速调节2-24V ，转动源模块。
四、实验步骤：
1、磁电式转速传感器按图3-1安装，传感器端面离转动盘面2mm 左右，并且对准反射面内的磁钢。将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin 孔。（磁电式传感器两输出插头插入面板上的两个插孔）
图3-1 霍尔、光电、磁电转速传感器安装
2、将波段开关选择转速测量档。
3、将转速调节电源2-24V 用引线引入到面板上转动源单元中转动电源2-24V 插孔，合上主控箱电源开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压，观察转速变化情况。
五、思考题：
为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？
实验四 压电式传感器测量振动实验
一、实验目的：
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元：
振动源模块、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模块、压电式传感器实验模块、双线示波器。
四、实验步骤：
1、首先将压电传感器装在振动源模块上。
2、将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入源插孔。
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模块两输入端，见图4-1，屏蔽线接地。将压电传感器实验模块电路输出端V o1（如增益不够大，则Vo1接入IC2，V o2接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi ，低通滤波器输出V o 与示波器相连。
接主控箱电源输出
接
V i 主
控箱数地 显
表
图4-1 压电式传感器性能实验接线图
4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
5、改变低频振荡器频率，观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
实验五 电涡流传感器位移特性实验
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：
通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：
电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤：
1、根据图5-1安装电涡流传感器。再按图5-2连接实验电路
图5-1电涡流传感器安装示意图
接主控箱电源输出
接主控V i 箱
数地 显
表
图5-2 电涡流传感器位移实验接线图
2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有L 的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模块输出端V o 与数显单元输入端V i 相接。数显表量程切换开关选择电压20V 档。
6、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表5-1。 表5-1 电涡流传感器位移X 与输出电压数据
8、根据表5-1数据，画出V-X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm 、3mm 、5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
五、思考题：
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm 的量程应如何设计传感器？
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据使用量程选用传感器？
实验六 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验
一、实验目的：
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、基本原理：
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
三、需用器件与单元：
除与实验五相同外，另加铜和铝的被测体小圆片。
四、实验步骤：
1、传感器安装与实验五相同。 2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。
3、重复实验二十四步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表6-1和表6-2。
表6-1 被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
表6-2 被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
4、根据表6-1和表6-2分别计算量程为1mm 和3mm 时的灵敏度和非线性误差（线性度）。 5、比较实验二十四和本实验所得的结果，并进行小结。
五、思考题：
当被测体为非金属材料时，如何利用电涡流传感器进行测试？
实验七 光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理：
本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤混合组成Y 型光纤，探头为半圆分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端，即探头，它与被测体相距X ，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量，而光电转换器转换的电压量大小与间距X 有关，因此可用于测量位移。
三、需用器件与单元：
光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元、测微头、±15V 直流源、反射面。
四、实验步骤：
1、根据图7-1安装光纤位移传感器，两束光纤插入实验板上的光电变换座孔上。其内部已和发光管D 及光电转换管T 相接。
传感器图7-1 光纤传感器安装示意图
2、将光纤实验模块输出端Vo1与数显单元相连，见图7-2。
接主控箱电源输出
接V i 主
控箱地 数
显表
图7-2 光纤传感器位移实验模块
3、调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。
4、实验模块接入±15V 电源，合上主控箱电源开关，调Rw 使数显表显示为零。 5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm 读出数显表值，将其填入表7-1。
表7-1 光纤位移传感器输出电压与位移数据
6、根据表9-1的数据，分析光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm 时的灵敏度和非线性误差。
五、思考题：
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
实验八 光纤传感器测量振动实验
一、实验目的：
了解光纤位移传感器动态特性。
二、基本原理：
利用光纤位移传感器的位移特性和其高的频率响应，配以合适的测量电路即可测量振动。
三、需用器件与单元：
光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源模块、低频振荡器、动态测量支架、检波、滤波实验模块、数显表。
四、实验步骤：
1、光纤传感器安装见图8-1，光纤探头对准振动台的反射面。
图8-1 光纤传感器振动测量安装示意图
2、根据实验七的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度，将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。
3、在图7-2中，Vo1与低通滤波器模块Vi 相接，低通输出Vo 接到示波器。 4、将低频振荡器幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。 5、将频率档选择在6-10Hz 左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察示波器波形及峰-峰值；保持振动频率不变，改变振动幅度（但不能碰撞光纤探头）观察示波器波形及峰-峰值
五、思考题：
试分析电容式、电涡流、光纤三种传感器测量振动时的应用及特点。
实验九 光纤传感器测速实验
一、实验目的：
了解光纤位移传感器用于测量转速的方法。
二、基本原理：
利用光纤位移传感器探头对旋转体被测物反射光的明显变化产生的电脉冲，经电路处理即可测量转速。
三、需用器件与单元：
光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元测转速档、直流源±15V 、转速调节2~24V，转动源模块。
四、实验步骤：
1、将光纤传感器按图8-1装于传感器支架上，使光纤探头与电机转盘平台中反射点对准。
2、按图7-2，将光纤传感器实验模块输出V o1与数显电压表Vi 端相接，接上实验模块上±15V 电源，数显表的切换开关选择开关拨到2V 档。①用手转动圆盘，使探头避开反射面（暗电流），合上主控箱电源开关，调节Rw 使数显表显示接近零（≥0）。②再用手转动圆盘，使光纤探头对准反射点，调节升降支架高低，使数显表指示最大，重复①、②步骤，直至两者的电压差值最大，再将V o1与转速/频率数显表Fin 输入端相接，数显表的波段开关拨到转速档。
3、将转速调节2-24V ，接入转动电源24V 插孔上，使电机转动，逐渐加大转速源电压。使电机转速盘加快转动，固定某一转速，观察并记下数显表上的读数n1。
4、固定转速电压不变，将选择开关拨到频率测量档，测量频率，记下频率读数，根据转盘上的测速点数折算成转速值n2。
5、将实验步骤4与实验步骤3比较，以转速n1作为真值计算两种方法的测速误差（相对误差），相对误差r=((n1-n2)/n1)×100%。
五、思考题：
测量转速时转盘上反射（或吸收点）的多少与测速精度有否影响，你可以用实验来验证比较转盘上是一个黑点的情况。
实验十 Cu50温度传感器的温度特性实验
一、实验目的：
了解Cu50温度传感器的特性与应用。
基本原理：
二、在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，一般采用铜电阻，可用来测量
-50ºC~+150ºC 的温度。铜电阻有下列优点： 1） 在上述温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系 Rt = R0(1+at)
2） 电阻温度系数高，a = 4.25~4.28×10-3/ ºC 3） 容易提纯，价格便宜
三、需用器件与单元：
加热源、K 型热电偶、Cu50热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。
四、实验步骤：
1、将温度源模块上的220V 电源插头插入主控箱两侧配备的220V 控制电源插座上。 2、注意：首先根据温控仪表型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，（见附录一）学会基本参数设定（出厂时已设定完毕）。
3、选择控制方式为内控方式，将热电偶插入模块加热源的一个传感器安置孔中。将K （或E 型）热电偶自由端引线插入温度源模块上的传感器插孔中，红线为正极，它们的热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别K 性和E 型（E 型热电势大）热电偶。
4、将Cu50热电阻加热端插入加热源的另一个插孔中，尾部红色线为正端，插入实验模块的a 端，见图10-1，另一端插入b 孔上，a 端接电源+4V，b 端与差动运算放大器的一端相接，桥路的另一端和差动运算放大器的另一端相接。
接主控箱电源输出
2V Cu50
接
V i 主
控箱数显地 表
5、合上内控选择开关，设定温度控制值为50ºC ，当温度控制在50ºC 时开始记录电压表读数，重新设定温度值为50ºC+n·Δt ，建议Δt=5ºC ，n=1„„10，每隔1n 读出数显表输出电压与温度值。记下数显表上的读数，填入表10-1。
表10-1：
五、思考题：
大家知道在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间具有较好的线性关系，因此就有温敏二极管，你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极管在50ºC~100ºC 之间，作温度特性，然后与集成温度传感器相同区间的温度特性进行比较，从线性看温度传感器线性优于温敏二极管，请阐述理由。
实验十一 Pt100热电阻测温特性实验
一、实验目的：
了解热电阻的特性与应用。
二、基本原理：
利用导体电阻随温度变化的特性。热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0-630.74ºC 以内，电阻Rt 与温度t 的关系为：
Rt = R0(1+At+Bt2)
R0系温度为0ºC 时的铂热电阻的电阻值。本实验R0=100ºC ，A=3.90802×10-3 ºC-1 B=-5.080195×10-7 ºC-2, 铂电阻现是三线连接，其中一端接两根引线主要是为了消除引线电阻对测量的影响。
三、需用器件与单元：
加热源、K 型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。
四、实验步骤：
1、同实验十 ①、②、③、④步操作。
2、将Pt100铂电阻三根引线引入“Rt ”输入的a 、b 上：用万用表欧姆档测出Pt100三根引线中短接的两根线接b 端。这样Rt 与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。Rw1中心活动点与R6相接，见图11-1。
接主控箱电源输出
2V
接V i 主
控箱数显地 表
图11-1 热电阻测温特性实验
3、在端点a 与地之间加直流源2V ，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b 和中心活动点之间在室温下输出为零。
4、加±15V 模块电源，调Rw3使Vo2=0，接上数显单元，拨2V 电压显示档，使数显为零。
5、设定温度值50ºC ，将Pt100探头插入温控模块的一个插孔中，开启加热开关，待温度控制在50ºC 时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50ºC+n·Δt ，建议Δt=5ºC ，n=1„„10，每隔1n 读出数显表输出电压与温度值。将结果填入表11-2。
表11-2
6、根据表11-2值计算其非线性误差。
五、思考题：
如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？
实验十二 热电偶测温性能实验
一、实验目的：
了解热电偶测量温度的性能与应用范围。
二、基本原理：
当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0ºC 、25ºC 。
三、需用器件与单元：
热电偶K 型、E 型、温度控制源、数显单元。
四、实验步骤：
1、选择控制方式为内控方式，将热电偶插到温度模块插孔中，K 型的自由端接到温控模块上的传感器插孔。
2、将E 型热电偶自由端接入温控模块上标有热电偶符号的a 、b 孔上，参见图11-5，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端。
3、将R 5、R 6端接地，打开主控箱电源开关，将V o2与数显表单元上的V i 相接。调Rw 3使数显表显示零位，设定温控模块仪表控制温度值T=50ºC 。
4、去掉R 5、R 6接地线，将a 、b 端与放大器R 5、R 6相接，并把b 端与地相接，观察温控仪指示的温度值，当温度控制在50ºC 时，调Rw 2，对照分度表将信号放大到比分度值大10
倍的指示值以便读数，并记录下读数。
5、重新设定温度值为50ºC+n·Δt ，建议Δt=5ºC ，n=1„„10，每隔1n 读出数显表输出电压与温度值，并记入表12-1。
表12-1 E型热电偶电势（经放大）与温度数据
6、根据表12-1计算非线性误差。
五、思考题：
1、通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？
2、能否用Pt100设计一个直接显示摄氏温度-50ºC-50ºC 的数字式温度计，并利用本实验台进行实验。
附：分度表
实验十三 气体流量的测定实验*
一、实验目的：
了解最基本的气体流量测定方法。
二、基本原理：
本实验采用的转子流量计的主要测量元件为一根小端向下、大端向上垂起安装的透明锥形管和一个在锥形管中能
自由移动的转子。当具有一定流动速度（动能）的流束由小端向大端通过锥形时，转子由于流束向上的动能作用而浮起。这时，由锥形管内壁和转子最大外径处构成的环隙面积也相应增加，从而使流束的流速（动能）亦随之下降，直到流束由于流动产生的向上作用力和转子
在流束中的重量产生的向下作用力相等时，转子就稳定在一定的位置高度上，所以，转子的位置高度和流束的流动速度（即流量）间具有一定关系，因此，转子的位置高度可作为流量量度。转子直径最大处的锐边是读数边。
三、需用器件与单元：
气动源与流量计
四、实验步骤：
1、观察转子流量计基本结构。 2、启动压力源开关让气泵工作。
3、缓慢开启流量计下端调节阀，让转子停留在玻璃管中间位置，读取示值。 4、示值修正：流量计测量时的流体和状态，往往与流量计分度时的流体和状态不同，因此，测量时读取的流量计示值，并不是被测流体的真实值，必须对示值按实际的流体和状态进行修正，具体修正有：（1）测量液体时的修正；（2）测量气体时的修正；（3）粘度修正。本实验被测气体为干燥气体，若流量计上读取示值为QN=
50Nm3/h，浮子材料为1Cr18NiTi 在流量计入口处测得温度为10ºC ，绝对压力Ps=0.5Mpa(5kgf/cm2) , 此时流经流量计的流量计算如下：从有关手册查得干空气在标准状态时，密度Pn=PSN=1.2046kg/m3压缩系数Zn=0.999，在10ºC 时的压缩系数ZS=0.992,根据被测气体为干燥气体时的示值修正公式：
Q S =Q N
ρN P N T S Z S ρSN P S T N Z SN
式中PN 为标定介质在标准状态下绝对压力1.013×105Pa(760mmHg), 则得
QS=22.34m3/h。可见示值与实际值相差较大。举此例之目的在于让参与实验的学生对流量测量有一个初步认识。
5、示值修正，根据读取示值和查取有关手册进行示值修正。
实验十四 气敏（酒精）传感器实验
一、实验目的：
了解气敏传感器的工作原理及特性。
二、基本原理：
气敏传感器是由微型AL2O3陶瓷管SnO2敏感层，测量电极和加热器构成。在正常情况下，SnO2敏感层在一定的加热温度下具有一定的表面电阻值（10µΩ左右）当遇有一定含量的酒精成分气体时，其表面电阻可迅速下降，通过检测回路可将这一变化的电阻值转化成电信号输出。
三、需用器件与单元：
气敏传感器、酒精容器、相应的电阴处理模块、直流稳压电源±10V 输出档。
四、实验步骤：
1、将+15V电源接入“气敏传感器模块”。
2、打开电源开关，给气敏传感器预热数分钟，（按正常的工作标准应为24小时）若时间较短可能产生较大的测试误差。
3、将模块上Vo 连接到主控箱的数显表，在酒精容器中放入一酒精棉球，观察电压表的变化，随着容器空间酒精浓度的升高，数字指示将越来越大，同时模块上发光管点亮的数目成上升趋势，越来越多。
4、在已知所测酒精浓度的情况下，调整Rw 可进行实验模块的输出标定。
实验十五 湿敏传感器实验
一、实验目的：
了解湿度传感器的工作原理及特性。
二、基本原理：
本实验采用的是高分子薄膜湿敏电阻。感测机理是：在绝缘基板上溅射了一层高分子电解质湿敏膜，其阻值的对数与相对湿度成近似的线性关系，通过电路予以修正后，可得出与相对温度成线性关系的电信号。
三、需用器件与单元：
直流电源、湿敏模块、数字电压表。
四、实验步骤：
注：本实验的湿度传感器已由内部放大器进行放大、校正、输出的电压信号与相对湿度成近似线性关系，标定在：
1、将主控箱+15V接入传感器输入端，输出端与数字电压表相接。 2、在容器中，倒入少许温水，使水分能够蒸发。 3、将传感器置于容器上方，观察数字电压表的变化。
4、待数字稍稳定后，记录下读数，根据传感器标定值，得出容器中的相对湿度。
实验一 电阻应变片传感器在电桥中的接法、性能检测及应用
——电子秤设计——
本实验为综合性实验，学时数：4
本综合实验涉及的基本内容是金属箔式应变片传感器的基本原理，结构、性能及如何通过金属箔式应变片传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数等知识。重点是金属电阻应变效应，金属应变片的主要特性；半导体材料的压阻效应。压力传感器的应用及测量处理与转换电路，温度误差产生的原因及补偿。要求实验者除应具备传感器基本知识外，还必须具备模拟电子技术，数字电子技术的基本知识，同时要求将所学知识灵活、综合地应用。
一、实验目的：
1. 初步掌握传感器综合实验仪的结构及操作方法；
2. 学习掌握应变片在电桥中的接法及直流电桥与交流电桥的工作原理及特点； 3. 了解金属箔式应变片、单臂电桥、半桥及全桥的工作原理和工作情况； 4. 验证直流、交流单臂、半桥、全桥的性能；
5．通过电子秤设计实验，更好地理解电阻应变式传感器的实际应用；
6．本次设计实验，使同学们在动手能力得到锻炼的同时充分发挥自己的创新潜能，充分调动学习主动性，培养创新能力；
二、实验所需单元及部件：
应变式传感器、应变式传感器实验模板、砝码、托盘、音频振荡器、数显表、±15V 电源、±4V 电源。
三、实验原理与说明
3．1电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部形变转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将形变转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成形变的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。其主要特点是：
① 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；
② 灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量 ③ 环境适应性好，应用领域广泛。
3．2 金属箔应变片的基本结构
金属箔应变片的敏感栅是用0.001～0.01mm 厚的金属箔通过光刻技术制作成，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花。如图1-1所示。
图1－1箔式应变片结构 图1-2 应变片结构
箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小；由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流；同时因栅薄，也便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上；且蠕变和机械滞后较小，应力传递性能好。
实际应用的电阻应变式传感器主要有四个部分组成，如图1-2所示：1：引出线，作为连接测量导线用，对测量精度至关重要。2：电阻丝也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类传感器的核心构件；3：粘结剂，它的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；4 ：基底，基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝和弹性体之间的
绝缘作用和保护作用；5 ：面胶或叫覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用；
3．3 . 测量电路
电阻应变片把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变片的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换的测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。如图1-3所示。
图1-3 直流、交流电桥电路图
直流电桥的优点：高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连线导线的分布参数影响小等。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也比较复杂。因此应变电桥现在多采用交流电桥。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。当电桥平衡时，即Ｒ1*Ｒ3=Ｒ2*Ｒ4，电桥输出为零。在桥臂Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4中，电阻的相对变化分别为ΔＲ1/Ｒ1、ΔＲ2/Ｒ2、ΔＲ3/Ｒ3、
ΔＲ4/Ｒ4，桥路的输出Ｕo 与电桥四个臂的电阻的相对变化的代数和即：
当使用一片应变片时，ΣＲ=ΔＲ/Ｒ；当使用二片应变片时，ΣＲ=ΔＲ1/Ｒ1-ΔＲ2/Ｒ2。如二片应变片工作于差动状态，且Ｒ1=Ｒ2＝Ｒ，则有ΣＲ＝２ΔＲ/R。用四片应变片组成二个差动对工作，且Ｒ1=Ｒ2=Ｒ3=Ｒ4=Ｒ, 于是有ΣＲ1/Ｒ1=-ΔＲ2/Ｒ2=-ΔＲ3/Ｒ3=
Δ
ΣＲ=ΔＲ1/Ｒ1-ΔＲ2/Ｒ2-ΔＲ3/Ｒ3＋ΔＲ4/Ｒ4成正比。
Ｒ4/Ｒ4，因此有ΔＲ=４ΔＲ/Ｒ。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
根据戴维南定理可以得到电桥的输出电压Ｕo 近似等于1/4*E*ΣＲ。电桥的灵敏度:
So=Ｕo / (ΔＲ/R)，
于是，对应于单臂、半桥和全桥的灵敏度分别为(1/4)E，(1/2)E、E 。
四、实验内容与步骤：
1．金属箔式应变片输出性能标定 — 直流单臂电桥
① 首先熟悉实验所需单元和部件在《综合传感器实验仪》与《应变片传感器实验模块》面板上的位置及结构。
金属箔应变片的构成如图1-4所示：
图1-4应变式传感器示意图
应变式传感器实验模板的布局及单臂电桥、测量电路如图1-5所示。
图1-5应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
图中，实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。
② 根据图1-5安装接线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。（传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4）。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加（为正应变），R2、R4阻值减小为负应变），可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。
③ 放大器调零处理：方法是将图1-5实验模板上放大器（IC1、IC2
）的两输入端口引
线暂时脱开，再用导线将两输入端短接后接地，使输入为零(Vi＝0) ；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈半) ；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V 档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
④ 应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图2接线图) 。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g （或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
⑤ 根据表1－1计算系统灵敏度S ＝ΔU/ΔW （ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF ·S 满量程输出平均值，此处为200g （或500g ）。
2．金属箔式应变片输出性能标定 — 直流半桥
此时有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应变、一个负应变，即接R3的桥臂为拉应变，接R2的桥臂为压应变。实验电路连接如图1-6所示
图1-6 应变式传感器半桥接线图
① 保持以上差动放大器增益不变。按图1-6形成半桥。
② 调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g
（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
③ 根据实验测量结果，计算出半桥灵敏度S ，并作出V —X 关系曲线。
3．金属箔式应变片输出性能标定 — 直流全桥
全桥：应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变。
即R1=R2=R3=R4=R ΔR1=ΔR3=ΔR ΔR2=ΔR4=-ΔR
实验电路连接如图1-7 所示 ：
图1-7 全桥性能实验接线图
① 保持以上差动放大器增益不变。按图1-7形成全桥。
② 调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g （或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
③ 根据实验测量结果，计算出全桥灵敏度S ，并作出V —X 关系曲线。
4．金属箔式应变片输出性能标定 — 交流全桥
交流电桥一般采用音频交流作为供桥电压，在特殊情况下也有采用脉冲供电方式的。交流电路远比直流复杂，特别是在高频时，需要考虑分布电容和分布电感的影响。在实际测量中，电桥的桥臂都是由应变计或固定无感式精密电阻组成，但由于两邻近导体、导体与机壳以及应变计连接导线间存在着分布电容，所以应变计桥臂实际是由工作片（或
电阻）和电容并联而成（分布电感的影响很小， 图1-8交流电桥 可以不予考虑），如图1-8所示：
由于供桥电压的频率在测量过程中不变，故可认为分布电容引起的容抗不随工作片的变形而改变其数值。当电桥平衡时，Ｚ1Ｚ4=Ｚ2Ｚ3，电桥输出为零。
若桥臂阻抗的变化率分别为ΔＺ1/Ｚ1、ΔＺ2/Ｚ2、ΔＺ3/Ｚ3、ΔＺ4/Ｚ4，则电桥的输出与桥臂阻抗变化率的代数和成正比，交流电桥输出的信号，经差动放大器放大后，由相敏检波器检波，低通滤波器滤波，最后由电压表指示出来。
金属箔式应变片输出性能标定 — 交流全桥的测量系统组成电路如图1-9所示
图1-9交流全桥性能实验接线图
① 首先熟悉公共电路模块（移相器、相敏检波器和低通滤波器）的位置及结构。 ② 按图1-9，接好实验测量系统电路。模块中，R8、Rw1、C 、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，将音频振荡器的频率调节到5KHz 左右，幅度调节到10Vp-p 。（频率可用数显表Fin 监测，幅度可用示波器监测），电桥激励必须从LV 插口输出。
③ 将Ｖ/F表打到V ±2V （或V ±200mV ）档，差动放大器增益旋钮RW3打到最大(顺时针到底) ，而后，将差动放大器调零(RW4)。调零完毕后再关闭总电源。
④ 将示波器接入相敏检波的输出端，观察示波器的波形，，调节Rw1、Rw2、使示波器显示的波形基本为一条直线，同时观察数字电压表，使指示为零。
⑤ 用手按压应变片托盘，产生一个较大的位移，调节移相器与相敏检波器旋纽，使示波器显示全波整流的波形。放手后，应变梁复原，示波器显示的波形应仍为一条直线。
⑥ 再次微调RW1与RW2，使数字电压表指示为零。
⑦ 在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g （或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。 ⑧ 根据实验测量结果，计算出交流全桥灵敏度S ，并作出V —X 关系曲线。。
5．电子秤设计与制作 5.1设计任务与要求： 5.1.1 设计任务：
设计并制作一个利用应变片可以秤重的电子装置，称重精度0.1g ，称重范围为10g 到1000g ；
5.1.2 设计要求：
1. 首先要充分掌握前面基础验证实验的有关内容，弄清电阻应变式传感器的基本工作原理及性能特点；掌握半桥、全桥和交流全桥这三种基本测量电路的性能特点；
2. 其次要根据设计实验内容提出的测量要求来自主设计测量电路，可以参考本实验指导教程所提供的电路图；也可以采用另外的方法实现，另配元件或自制电路板，只要能达到测量要求就行；
3. 自主设计的实验方案应先由指导教师审查同意后才可实施；
5.1.3 实验原理与说明
本次自主性设计实验所做的称重装置要求达到的称重精度为0.1 克，称重范围为10克—1000克。同学们可根据测量要求自行设计实现方案。方案最好以YL-2100型综合传感实验仪为依托，尽量少采用其它的元器件、电路模块或设备，这样便于更方便地实施。这里给出两种方案供参考：方案一是建立在实验一的基础上，采用一个测量应变片来进行检测；此方案简单易行，所用模块少，但精度较低，不一定能满足测量要求；方案二是建立在实验1-4的基础上，采用交流全桥测量电路，用到四个电阻应变片。可以获得较高的测量精度和足够的测量范围；但所用电路模块较多，结构较复杂，实现起来较困难。
方案一
该电子称重装置如图1-10所示，由称重托盘、电阻应变片、应变梁、0-10伏直流稳压电源、测量电路、差动放大器模块和输出显示模块组成。称重原理是：应变梁在被称重物的重力作用下产生一应变，此应变引起电阻应变片的电阻发生改变，由测量电路把这一电阻变化转换成电压变化，再由显示装置将电压显示出来，根据
电压的不同就可知被称物的重量。当然， 图1-10 方案一电子称重原理图 先必须经过标准砝码测出该装置的线性范围和标定系数（这也是本实验的主要任务），然后就可以称各种重物了，同学们可以试试自己设计的装置精度如何。
方案二
此方案的原理如图1-11所示，基本组成与方案一相似，主要区别在于此处用了四个电阻应变片来组成交流全桥测量电路，对传感器的输出信号进行更为全面的处理，故能达到较好的使用效果。称重原理与方案一类似，不再重复。图1-11中：1为称重托盘，2为四个应变电阻，
3为应变粱，4为音频信号发生器， 图1-11 方案2电子称重原理图
5为应变电桥，6为差动放大器，7为移相器，8为相敏整流器、9为低通滤波器，10为V/F表。
五、实验报告要求与思考题： 实验报告要求：
１．根据实验数据，在坐标纸上分别绘出直流单臂、半桥和全桥和交流全桥的输出特性V 。=Ｆ(x)曲线。
２．计算直流单臂、半桥和全桥和交流全桥的输出灵敏度，并加以比较。得出结论。
实验思考题：
1. 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
2. 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。
3. 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。
4. 全桥测量中，当两组对边（R 1、R 3为对边）电阻值R 相同时，即R 1= R3， R2= R4，而R 1≠R 2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。
5．分析你所采用的称重方法有何特点和优势？ 6. 引起称重误差的因素有哪些？
7. 通过这次设计性实验, 你最深的体会是什么？
实验二 差动变压器性能标定及零点残余电压补偿
一、实验目的
1．了解差动变压器的组成结构、工作原理和工作情况。
2．了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响 3．了解残余电压的补偿及其方法。
4．了解差动变压器测量系统的组成与学会差动变压器的标定方法。
二、实验设备
差动变压器实验模块、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。
三、实验原理与说明 3.1 差动变压器：
差动变压器式电感传感器结构形式较多，主要有变隙式、变面积式及差动螺线管式变压器等，但它们的工作原理基本相同，都是利用两个线圈之间互感的变化引起感应电势的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，实现非电量的测量。应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1－100(mm)范围内的机械位移、150HZ 以下的低频振动、加速度、应变、比重、张力、厚度、称重等一切能引起机械位移变化的非电物理量。
实验中差动变压器采用三段式螺管型差动变压器。如图2-1所示：
图2-1差动变压器原理图
在图2-1（a ）中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，3为线圈绝缘框架，4表示动铁，变量ΔX 表示动铁的位移变化量。
在图2-1（b ）中，R1和L1表示初级线圈1的电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1和M2表示初级线圈分别与两次级线圈间的互感，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。
当初级线圈L1加上一定的交流电压u1时，在次级线圈中，由于电磁感应产生感应电压，其大小与铁芯的位置（铁芯的轴向位移）成比例。把感应电压e21和e22反极性连接便得到输出电压u2。
① 当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1 = Rm2 ， 即互感M1 = M2 ，故此时输出电压U2 = 0 。
② 当动铁上移时，磁阻 Rm1＜ Rm2 ，则 M1 ＞ M2 ，此时输出电压U2＜0 。 ③ 当动铁下移时，磁阻 Rm1＞ Rm2 ，则 M1＜ M2 ，此时输出电压U2＞0 。 因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。
3.2 灵敏度
差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁移动单位距离时所产生的输出电压，以mv/mm表示，一般大于50mv/mm。
四、基本实验内容与步骤 1. 差动变压器的性能实验
① 根据图2-2，将差动变压器传感器与测微头（千分尺）分别装在差动变压器实验模块上。
图2-2 差动变压器传感器安装示意图
② 在差动变压器实验模块上按照图2-3连接实验线路。
图2-3 差动变压器传感器测量连接图
③ 音频振荡器信号必须从主控箱中的LV 端子输出，调节音频振荡器的频率为4~5KHz（可用主控箱的数显表的频率档“Fin ”输入来监测）。调节幅度使输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V（用示波器监测）。
判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线
圈的任一端为同名端，按图2-2接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈信号波形与次级线圈信号波形，当次级信号波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级线圈波形（LV 音频信号Vp-p=2V波形）比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判断直到正确为止。图中（1）、（2）、（3）、（4）为模块中的实验插孔。）
④ 旋动测微头，并将其调整到10mm 处，前后移动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p 为最小，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。（此时即为“0”mm ）
⑤ 从Vo(p-p)最小开始旋动测微头，使传感器产生位移, 每位移0.2mm, 从示波器上读出差动变压器输出端的峰峰值，填入表2-1。再从Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。
表2-1 差动变压器位移ΔX 值与输出电压Vp-p 数据表
⑥ 实验数据分析与思考
1）根据表2-1所得数据计算灵敏度S ，，S =式中：△V 为电压变化，
△X 为相应位移变化。 2）根据实验结果指出线性范围。
∆V ∆X
并画Vo
p -p
-X 出曲线。
3）当差动变压器中的磁芯位置由右向左变化时，输出信号的波形相位会怎样的变化？ 4）当差动变压器传感器处在平衡时，其输出电压的最小值称作什么？可以看出它与输入电压的相位差约为（ ），因此是（ ）正交分量。是由什么原因造成？
2．激励频率对差动变压器特性的影响
差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式：
U O =
ω(M 1-M 2) U i
R p +ωL p
2
2
2
表示，式中LP 、RP 为初级线圈电感和损耗电阻，Ui 、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若222222R P >>ωL P ，ωL P >>R P
则输出电压Uo 受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当时输出Uo 与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
① 差动变压器安装和实验接线图同图2-1和图2-2。
② 选择音频信号输出频率为1KHz 从LV 输出。（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置。
③ 旋动测微头，每间隔0.2mm 在示波器上读取一个Vp-p 数据。
④ 分别改变激励频率为3KHz 、5KHz 、7KHz 、9KHz ，重复实验步骤1、2将测试结果记
作出每一频率时的V-X 曲线，并计算其灵敏度S i ，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。
3．差动变压器零点残余电压的补偿
差动变压器零点残余电压中主要包含两种信号成分：
1）基波分量
这主要是由于差动变压器两个次级绕组材料或工艺差异造成等效参数（M 、L 、R ）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不相同。
2）高次谐波分量
主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
消除或减小零点残余电压的方法主要是：从设计和工艺制作上尽量提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性；引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理；采用外电路补偿。
① 按图2-4接线，音频信号源从L V 插口输出，实验模块中R 1、C 1、Rw 1、Rw 2为电桥单元中调平衡网络。IC 为差分放大器，将差动变压器传感器的双端输出转换为单
端输出。 图2-4 零点残余电压补偿电路接线图
② 用示波器调整音频振荡器输出为2V 峰-峰值。 ③ 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
④ 依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。
⑤ 将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压比较。 ⑥ 从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰-峰值）。（注：这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压，实际零点残余电压应为：
Vo =Vo (p -p ) /K
K 为差分放大器的放大倍数。（实验模快中的K ≈5）。 ⑦ 本实验也可用图2-5所示线路，请分析原理。
图2-5 零点残余电压补偿电路接线图之二
3．差动变压器的标定
差动变压器传感器的标定:就是通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时也确定出不同使用条件下的误差关系。
标定的基本方法是利用一种标准设备产生已知的非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量。然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。
本次实验是利用螺旋测微计做为标准设备，其产生的位移作为输入的标准量。实验电路如图2-6所示：
图2-6差动变压器传感器的标定原理电路 ① 按图2-6连接实验电路。
② 利用示波器，调整音频振器的频率/幅度旋钮，使其输出4KHZ/1.5Vp-p
的标准信号，
并将V/F表打到2V 档。
③ 前后移动测微头，次级输出电压的峰-峰值Vp-p 为最小，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。
④ 调整电桥调零网络的电位器W1、W2，使电压表指零。
⑤ 旋转测微头，给铁芯一个较大的向右的位移（如：3mm 即13mm 处），同时用示波器观察相敏检波器输出端（Vo 处）的输出波形，并记录之。调整移相器电位器，使电压表指示为最大。
⑥ 旋动测微头，使铁芯从右向左产生一个较大位移，（即7mm 处），用示波器观察相敏检波器输出端（Vo 处）的输出波形，并记录之。
⑦ 按表2-3所列数据，每隔0.50mm 读取一组数据，将实验数据填入表2-3中。
⑧ 根据实验结果，画出差动变压器的V-X 曲线，指出其线性工作范围，求出灵敏度。
∆V
灵敏度S =
∆X
五、注意事项
１、差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，因此首先要找出同名端。 ２、差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电源输出插口（Lv 插口）输出。
３、差动变压器示波器的连线应量短一些，以避免引入干扰。 4 、在实验过程中请注意：
⑴从Vp-p 最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。 ⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p 最小处时它的位移读数有变化(没有回到原来起始位置) 是正常的，做实验时位移取相对变化量△Ｘ为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
六．提高型实验内容与步骤
差动变压器式电感传感器的应用——振动测量装置的设计
（1）实验的目的要求 1) 实验目的
1. 通过本次实验加深对差动变压器电感传感器在工程实践中的应用的了解；
2. 掌握用这种传感器组成振动测量系统的原理和方法； 3. 进一步掌握这种传感器的性能特点和工程应用；
2) 实验要求
1. 复习差动变压器电感式传感器工作原理、性能特点及性能测试实验的有关内容； 2. 预习本次实验的有关内容； 3. 根据实验要求设计好实验方案；
4. 通过实际测量验证自己的设计，对存在的问题进行探讨，找出解决问题的方法；
（2）实验的基本原理
本次实验的原理是建立在YL-2100型传感器实验台的基础上的。差动变压器电感传感器具有结构简单、性能优越、测量精度高、灵敏度高和价格合理等优点。因此，在直线位移、加速度、低频机械振动及应变和称重等的检
测中得到了较为广泛的应用。其测量原理如图2-8所示：
由差动变压器线圈L0、L1、L2、动铁芯，1、振动梁， 图2-8 测量原理图 2、振动台，3和低频振荡器，4组成测量系统的传感部分。振动梁在低频振荡器的驱动下产生低频机械振动，带动与之相连的传感器动铁芯，使动铁芯产生位置变化，在此作用下使传感器的互感发生差动变化。再根据测量要求配之以合适的处理电路和显示仪表，组成一个能测量振动的振幅和频率的完整的振动测量系统。
受条件限制，测量电路的变化形式不是很多，但可以根据实验要求提出的测量精度来选择不同的电路模块，组成略有区别的测量处理电路。以其充分发挥每位学生的主观能动性和学习自主性。在此给出一例仅供参考，测量处理电路如图2-9所示：
传感器输出的差动信号经交流电桥转换成电压信号后由
差动放大器进一步放大，然后通 图2-9差动变压器电感传感器振动测量电路图 过相敏检波电路及低通滤波处理，最后分别送频率计和双线示波器 显示。根据标定的传感器灵敏度S ，由电压变化范围可换算出振动的振幅A ，振动的频率Fs 为输出电压波形的频率fv 。
（3）实验的具体内容
本次实验的测量要求为：振幅A 的测量精度达到±0.01(mm)，频率的测量要求为±1HZ 同学们可以按规定的测量要求自行设计检测系统的组成方案，接线完成检查，确认无误才可通电测试。先用已知的标准量对系统进行标定，确定出系统的电压灵敏度S ，而后进行具体测量。测量内容包括每个振动的振幅和频率，反复测量几次，取平均值记在表中作为测量结果。按所测得的标定结果来计算振动的振幅和振动频率。对测量结果进行分析，
与标准值进
行比较，查找存在误差的原因，并设法进行补偿，进一步改进检测系统的组成，以期得到更好的测量效果。
（4）操作步骤
① 根据提出的测量要求，先设计出合理的测量系统组成方案，方可实施； ② 实验方案确定后，检查所需的电路模块及仪器设备是否齐全、有无损坏； ③ 按所定方案的电路图接线，注意接头一定要可靠，不能有松动，接地要正确，以保证测量的准确性；
④ 接好线路经指导老师检查无误后通电，先按3进行系统标定，确定系统电压灵敏度S 后开始振动测量；
⑤ 改变一次振动状态，测得一组数据，反复多次，求出平均值作为测量结果，填入表2-4中，这样可以消除一些粗大误差，使测量结果更为准确；
表2-4 V-A-f表
⑥ 根据对差动变压器式电感传感器的标定结果将测得的电压值换算成相应的振幅大小，振动的频率可从双线示波器上输出信号的频率得到，输出信号的频率也可用频率计显示；
⑦ 将测量结果与低频振荡器的输出指示相比较，如果存在较大误差，应分析测试系统的组成，查找原因，对系统进行改进，重新进行测量，直到达到测量要求为止。
⑧ 完成实验后整理好实验操作台，方可离开实验室；
注意事项
1. 振动的测量是比较困难的，需要同学们有足够的恒心和毅力，且要十分仔细认真地读好每一个数据；
2. 开始测量前要对电桥网络进行仔细地调整，使其在初始状态达到平衡，这样才能保证测量精度；
3. 所用电路模块应在正式测量前进行检查，查看其性能是否正常，如发现异常应及时报告指导老师，便于及时更换；
4. 系统标定后应保持各个电路模块的性能参数不变，如改变差放的放大倍数或某个模块的参数则应重新进行标定；
（5）思考题
1. 差动变压器式电感传感器用于振动测量有何优点？
2. 谈谈所设计的振动测量系统有何特点？通过测量发现存在什么问题？应如何改进？ 3. 双线示波器在使用中应如何进行调整？
附：测微头的组成与使用
测微头组成和读数如图2-7
图2-7测位头组成与读数
测微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1ｍｍ／格) ，另一排是半毫米刻线(０. ５ｍｍ／格) ；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(０. ０１ｍｍ／格) 。
用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０. ０１毫米，这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图1甲读数为３. ６７８ｍｍ，不是３. １７８ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图2-7乙已过零则读２. ５１４ｍｍ；如图2-7丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１. ９８０ｍｍ。
测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量) ，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动) 使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定) 时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
实验三 霍尔传感器的特性测试及应用
一、实验目的：
1．了解霍尔式传感器的原理与特性；
2．了解直流激励与交流激励时霍尔式传感器的特性； 3．了解霍尔式传感器在振动测量与转速测量中的应用。
二、实验原理：
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。
根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB。当霍尔元件通以恒定电流处在梯度磁场中运动时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。利用这一性质可以进行位移测量。
三、实验所需部件：
霍尔传感器、霍尔传感器实验模块、直流稳压电源±4V 和±15V 、数字电压表、音频信号源、螺旋测微仪、共用电路模块（移相器、相敏检波器、低通滤波器）、霍尔转速传感器、数显单元的转速显示部分、示波器。
四、实验内容与步骤 （1）直流激励特性测试
① 将霍尔传感器、引线电缆与测微头按图3-1分别装在霍尔传感器的实验模块上。
图3-1 霍尔传感器安装示意图
② 按图3-2连接霍尔传感器检测测量电路，将差动放大器接±15V 电源，增益旋钮（RW3）打到中间位置，数字电压表置2V 档，直流稳压电源置±4V 档。
图3-2霍尔传感器直流激励实验电路连接图
③ 旋动测微头，将其调整到10mm 处，并与霍尔传感器连接（即吸合），前后移动测微头，使霍尔元件置于梯度磁场中间，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。
④ 检查电路无误后，通电，调节电桥直流电位器RW1，使输出为零。
⑤ 从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各5 mm，每变化0.5 mm读取相
⑥ 根据测量数据，作出V-X 曲线，求得灵敏度S , (S =∆V /∆X ) 和线性工作范围。如出现非线性情况，请查找原因。
（2）交流激励特性测试
① 用实验导线将实验所需部件按图3-3 连接成测试系统。差动放大器增益（RW3）置最大（顺时针到底）。
图 3-3 霍尔传感器交流激励实验电路连接图
② 旋动测微头，将其调整到10mm 处，并与霍尔传感器连接（即吸合），前后移动测微头，使霍尔元件置于梯度磁场中间，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。
③ 调音频振荡器“LV ”端口输出频率2KH Z ，幅值4Vp-p 信号（严格限定在5V 以下，以免损坏霍尔元件）。
④ 通电后，调整电桥电位器RW1 和RW2，使系统输出电压为0（或为最小）。
⑤ 旋动测微头，给传感器产生一个大位移5mm ，仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。然后，再旋动测微头使之回到座标轴“0”点，整流波形消失，变为一条接近零点线（否则再调节Rw 1和Rw 2），使系统输出电压为0。
⑥ 调节测微头左右分别移动5mm ，每移动0.5mm 记录相应的电压值，填入表2 中， ⑦ 根据测量数据，作出V-X 曲线，求得灵敏度
和线性工作范围。并
与直流激励测试系统进行比较。
（3）霍尔传感器振动测量实验
1、将霍尔传感器按图3-4，安装在振动源实验模块的振动源上。 2、按图3-3接线，并调整好有关部分。调整如下：
① 检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV 峰-峰值，调整音频振荡器输频率为2KHZ ，幅度为Vop-p=4V。
② 利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
③ 仔细调节Rw1和Rw2使输出电压基本为零
点。 图3-4霍尔传感器与振动源模块安装示意图
④ 旋转测微头，给传感器产生一个大位移约5mm ，仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。
⑤ 调整测微头，使之回到座标轴“0”点，整流波形消失，变为一条接近零点线（否则再调节Rw1和Rw2）。
⑥ 将低频振荡器输出引入振动源的低频输入端，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动台振荡较为明显。用示波器观察差分放大器的Vo 、相敏检波器的Vo 及低通滤波器的Vo 波形。
⑦ 保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据，填入下表3
表3
⑧ 根据实验结果作出梁的f —Vp-p 特性曲线，指出自振频率的大致值。
⑨ 保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验，可得到振幅—Vp-p 曲线（定性）。
注意事项：低频振荡器电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。
（4） 霍尔传感器速度测量实验
利用霍尔效应表达式：UH ＝KHIB ，当被测圆盘上装上N 只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。
① 根据图3-5，将霍尔转速传感器装于转动源模块的支架上，霍尔转速传感器探头对准转动源模块的反射面内的磁钢。
② 将5V 直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。
③ 将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin 端，3号接线端接地。
④ 将转速调节中的＋2V －24V 转速电源
接入转动源板的转动电源插孔中。 图3-5 霍尔转速传感顺安装示意图
⑤ 将数显单元上的开关拨到转速档。
⑥ 调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。
五、思考题：
1、 什么是霍尔效应？霍尔元件常用什么材料？为什么？
2、 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？ 3、 交直流激励时，霍尔式传感器测量位移有什么区别？
4、 在振幅测量中，移相器、相敏检波器、低通滤波器各起什么作用？ 5、 利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？
6、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？
附：实验用霍尔传感器构造
实验用霍尔传感器，它的核心是一片三端线性霍尔集成电路，在并固定不动。在它的左右两侧的活动连竿上，分别放置一块圆形磁铁，两磁铁的S 极相对，如图3-6所示。旋转测微器时，磁铁随之接近或远离霍尔器件，从而改变了磁场的大小及方向，霍尔器件就输出与位移相应的电压。
图3-6霍尔式位移传感器示意图
实验四 移相器实验
一．实验目的：
1．熟悉由运算放大器构成移相电路的组成与工作原理。 2．观测移相电路的功能及其使用方法。
二．实验所需部件：
音频振荡器、移向器、示波器。
三．移相器电路图及面板布局图
移相器电路原理如图4-1所示。面板布局图如图4-2所示
图4-1
图4-2
四、实验项目与方法步骤： 1、 移相器的功能检测
（1） （2） （3） （4） （5）
音频振荡器输出标准信号2KHZ/1Vp-p，用示波器观测。 按图4-3接线。
开启实验仪电源，用示波器Ya 、Yb 、观察输入/输出信号波形。 旋转移相器旋钮，用示波器检测移相器电路的最小与最大相移。 绘出最大移相时两信号的波形图。
图4-3
五、思考：
（1） 分析说明移相器的工作原理。 （2） 根据实验结果，说明移相器在检测技术中的作用是什么。
实验五 相敏检波器
一．实验目的：
1、 熟悉相敏检波器的工作原理及其使用方法。 2、 熟悉相敏检波器在检测技术中的运用。
二．实验所需部件：
音频振荡器、直流稳压源、直流毫伏表、相敏检波器、移相器、低通滤波器、示波器。
三．实验原理
相敏检波电路功能是能够鉴别被测信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。
相敏检波电路的工作原理、电路结构与调幅电路相似, 即将调制信号U Ω 乘以幅值为1的载波信号Vc 就可以得到双边带调幅信号U AB ，将双边带调幅信号U AB 再乘以载波信号Vc ，经低通滤波后就可以得到调制信号U Ω。这是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。
二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。
实验仪中
相敏检波器原理电路与面板布局如图5-1所示。
图5-1相敏检波器原理电路与面板布局图
从电路原理图中可以看出此相敏检波器模块主要由三部分组成：一是由运算放大器A1构成的整形电路部分，用于对参考信号的处理；二是由场效应管构成的电子开关电路部分，控制相敏检波器；三是由运算放大器A2构成的相敏检波器部分。当（2）端的控制电压为高电平时，二极管D 截止，开关管栅极G 为低电平，BG 截止，相当开关断开。此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。当（2）端的控制电压为低电平时，二极管
D 导通，开关管栅极G 为高电平，BG 导通，相当开关接通。此时，相敏检波器为同相运算放大器，输入与输出信号同相。
从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。
四．实验内容与方法步骤：
1、相敏检波器的直流控制功能检测。
① 按图5-2所示的实验电路接线。 ② 将音频信号4KHZ/2V p-p（0或180）信号，模拟待检测信号，加入相敏检波器的输入端Vi 。
③ 将直流电压+2V加入相敏检波器的参考(控制) 电压输入端DC 。
④ 开启实验仪、相敏检波器电源，用示波器的“CH1、CH2”通道，同时观测相敏检波器输入/输出信号的相位与幅值关系。绘出波
形图。 图5-2
⑤ 改变直流参考端DC 的电压为－2V 时，用示波器的“CH1、CH2”通道，同时观测相敏检波器输入/输出信号的相位与幅值关系，绘出波形图。 ⑥ 通过以上实验结果，分析并得出你的结论。 2．相敏检波器的交流控制功能检测
① 按图5-3连接实验电路
将音频信号0 /4KHz/2V p-p信号分别加入相敏检波器的输入端Vi 和交流参考电压控制端AC 。
开启实验仪电源，用示波器的“CH1、CH2”通道同时观测相敏检波器输入信号、输出信号的相位与幅值关系，绘出波形图。
用示波器的“CH2”通道观测附加窗口 端 图5-3 与
端的信号波形，绘出波形图。
再将音频信号180 /4KHz/2V p-p信号加入相敏检波器的交流控制端AC 。用示波器的“CH1、CH2”通道，同时观测相敏检波器输入信号、输出信号的相位与幅值关系，绘出波形图。
用示波器的“CH2”通道观测附加窗口端的信号波形，绘出波形图。 通过以上实验结果，分析得出你的结论。 3．相敏检波器检幅特性
①
按图
5-4连接实验电路
② 将音频信号0/4KHz信号分别加入相敏检波器的输入端（4）和交流参考电压控制端（5）即两信号同相。
③ 按表所给数据，改变音频信号的输入幅值Vp-p ，分别读出电压表显示的输出电压数值，填入下表5-1。
④ 改变交流参考电压控制端（5）为180，即使两信号反相。按表所给数据，改变音频信号的输入幅值Vp-p ，分别读出电压表显示的输出电压数值，填入表5-2。
4．相敏检波器的鉴相特性
① 按图5-5连接实验电路
图5-5
② 将音频振荡器的“激励信号”调到4KHz/幅度2VP-P ，不要过大，并保持音频振荡器输出幅值不变。
③ 旋转移相器RW 旋钮，使直流毫伏表电压指示为零，用示波器分别测量相敏检波器交流参考端（AC ）与相敏检波器输入端（Vi ），观察此时两信号的相位差，记录波形并计算出相位差为多少度？
④ 旋转移相器RW 旋钮，使直流毫伏表电压指示为最大，用示波器分别测量相敏检波器交流参考端（AC ）与相敏检波器输入端（Vi ），观察此时两信号的相位差，记录波形并计算出相位差为多少度？
五、思考题
1．根据实验结果，分析相敏检波器的作用是什么。移相器在实验线路中的作用是什么。 2．观察2、3端电子开关波形后，请对相敏检波器中的整形电路进行分析，波形是如何转换的。
3．什么是相敏检波? 为什么要采用相敏检波?. 什么是相敏检波器的鉴相特性?
六、实验报告要求
1．画出该相敏检波器的电路图，并说明该电路的工作原理。
2．分别画出参考电压（AC ）与相敏检波器的输入信号同相、反相时(2) 、（3）与(6)点的波形图及低通滤波器的输出波形。
4．画出参考电压通过移相器后（差900）时，相敏检波器(2) 、3与 (6)点及低通滤波器的输出波形。
附：自主类实验
学生在完成课程计划实验后，可进入传感器自主类实验的学习。自主类实验要求学生自主选题、自主设计方案、自主实践完成。给学生最大的自主空间，充分激发和调动学生的潜在能力和积极性。 本部分的实验仅给出基本指导，自主类实验的实验项目均是在基础类实验的基础上扩展产生，并尽量结合本专业的相关课程的学习。同时，自主类实验项目的设计紧跟测控领域的实际应用。
实验一 电容式传感器的位移特性实验 实验二 电容传感器动态特性实验 实验三 磁电式转速传感器测速实验 实验四 压电式传感器测量振动实验 实验五 电涡流传感器位移特性实验
实验六 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验 实验七 光纤传感器的位移特性实验 实验八 光纤传感器的位移特性实验 实验九 光纤传感器测速实验
实验十Cu50温度传感器的温度特性实验 实验十一P t 100热电阻测温特性实验 实验十二 热电偶测温性能实验 实验十三 气体流量的测定实验* 实验十四 气敏（酒精）传感器实验
实验十五 湿敏传感器实验
实验一 电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理：
利用平板电容C =εA /d 和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测微小位移（d 变）和测量也为（A 变）等多种电容传感器。
三、需用器件与单元：
电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、相敏检波、滤波模块、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤：
1、按图1-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
图1-1
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模块，实验线路见图1-2。
3、将电容传感器实验模块的输出端Vo1与数显表单元Vi 相接（插入主控箱Vi 孔），Rw
接主控箱电源输出
V i 接
主
控箱数地 显
表
图1-2 电容传感器位移实验接线图
调节到中间位置。
4、接入±15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.2mm 记下位移X 与输出电压值，填入表1-1。
表1-1 电容传感器位移与输出电压值
5、根据表1-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差δf 。
五、思考题：
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
实验二 电容传感器动态特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的动态性能的测量原理和方法。
二、基本原理：
利用电容传感器动态响应好，可以非接触测量等特点，进行动态位移测量。
三、需用器件与单元：
电容传感器、电容传感器实验模块、低通滤波器模块、数显单元、直流稳压电源、双线示波器、振动源模块。
四、实验步骤：
1、传感器安装图同实验一图1-1，按图1-2接线。实验模块输出端Vo1接滤波器输入端，滤波器输出端Vo 接示波器一个通道（示波器X 轴为20ms/div、Y 轴视输出大小而变）。调节传感器连接支架高度，使Vo1输出在零点附近。
2、主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选6~12Hz之间，幅度旋钮初始置0。
3、输入±15V 电源到实验模块，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。
4、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin 输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。从示波器测出传感器输出的Vo1峰-峰值。保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Vo1峰-峰值。
五、思考题：
1、为了进一步提高电容传感器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计？如何设计成所谓的容栅传感器？
2、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量Co 和移动0.5mm 时的变化量，（本实验外圆半径R=8mm，内圆柱外半径r =7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l =16mm。
* 电容传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨力高（可达0.01mm 甚至更高）、动态响应好、可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移、高频振动幅度，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测量低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水分）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。
实验三 磁电式转速传感器测速实验
一、实验目的：
了解磁电式传感器测量转速的原理。
二、基本原理：
e =-N
d φdt 发
基于电磁感应原理，N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：
生变化，因此当转盘上嵌入N 个磁钢时，每转一周线圈感应电势产生N 次变化，通过放大、整形和计数等电路即可测量转速。
三、需用器件与单元：
磁电传感器、数显单元测转速档、转速调节2-24V ，转动源模块。
四、实验步骤：
1、磁电式转速传感器按图3-1安装，传感器端面离转动盘面2mm 左右，并且对准反射面内的磁钢。将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin 孔。（磁电式传感器两输出插头插入面板上的两个插孔）
图3-1 霍尔、光电、磁电转速传感器安装
2、将波段开关选择转速测量档。
3、将转速调节电源2-24V 用引线引入到面板上转动源单元中转动电源2-24V 插孔，合上主控箱电源开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压，观察转速变化情况。
五、思考题：
为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？
实验四 压电式传感器测量振动实验
一、实验目的：
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元：
振动源模块、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模块、压电式传感器实验模块、双线示波器。
四、实验步骤：
1、首先将压电传感器装在振动源模块上。
2、将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入源插孔。
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模块两输入端，见图4-1，屏蔽线接地。将压电传感器实验模块电路输出端V o1（如增益不够大，则Vo1接入IC2，V o2接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi ，低通滤波器输出V o 与示波器相连。
接主控箱电源输出
接
V i 主
控箱数地 显
表
图4-1 压电式传感器性能实验接线图
4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
5、改变低频振荡器频率，观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
实验五 电涡流传感器位移特性实验
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：
通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：
电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤：
1、根据图5-1安装电涡流传感器。再按图5-2连接实验电路
图5-1电涡流传感器安装示意图
接主控箱电源输出
接主控V i 箱
数地 显
表
图5-2 电涡流传感器位移实验接线图
2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有L 的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模块输出端V o 与数显单元输入端V i 相接。数显表量程切换开关选择电压20V 档。
6、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表5-1。 表5-1 电涡流传感器位移X 与输出电压数据
8、根据表5-1数据，画出V-X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm 、3mm 、5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
五、思考题：
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm 的量程应如何设计传感器？
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据使用量程选用传感器？
实验六 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验
一、实验目的：
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、基本原理：
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
三、需用器件与单元：
除与实验五相同外，另加铜和铝的被测体小圆片。
四、实验步骤：
1、传感器安装与实验五相同。 2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。
3、重复实验二十四步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表6-1和表6-2。
表6-1 被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
表6-2 被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
4、根据表6-1和表6-2分别计算量程为1mm 和3mm 时的灵敏度和非线性误差（线性度）。 5、比较实验二十四和本实验所得的结果，并进行小结。
五、思考题：
当被测体为非金属材料时，如何利用电涡流传感器进行测试？
实验七 光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理：
本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤混合组成Y 型光纤，探头为半圆分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端，即探头，它与被测体相距X ，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量，而光电转换器转换的电压量大小与间距X 有关，因此可用于测量位移。
三、需用器件与单元：
光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元、测微头、±15V 直流源、反射面。
四、实验步骤：
1、根据图7-1安装光纤位移传感器，两束光纤插入实验板上的光电变换座孔上。其内部已和发光管D 及光电转换管T 相接。
传感器图7-1 光纤传感器安装示意图
2、将光纤实验模块输出端Vo1与数显单元相连，见图7-2。
接主控箱电源输出
接V i 主
控箱地 数
显表
图7-2 光纤传感器位移实验模块
3、调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。
4、实验模块接入±15V 电源，合上主控箱电源开关，调Rw 使数显表显示为零。 5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm 读出数显表值，将其填入表7-1。
表7-1 光纤位移传感器输出电压与位移数据
6、根据表9-1的数据，分析光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm 时的灵敏度和非线性误差。
五、思考题：
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
实验八 光纤传感器测量振动实验
一、实验目的：
了解光纤位移传感器动态特性。
二、基本原理：
利用光纤位移传感器的位移特性和其高的频率响应，配以合适的测量电路即可测量振动。
三、需用器件与单元：
光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源模块、低频振荡器、动态测量支架、检波、滤波实验模块、数显表。
四、实验步骤：
1、光纤传感器安装见图8-1，光纤探头对准振动台的反射面。
图8-1 光纤传感器振动测量安装示意图
2、根据实验七的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度，将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。
3、在图7-2中，Vo1与低通滤波器模块Vi 相接，低通输出Vo 接到示波器。 4、将低频振荡器幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。 5、将频率档选择在6-10Hz 左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察示波器波形及峰-峰值；保持振动频率不变，改变振动幅度（但不能碰撞光纤探头）观察示波器波形及峰-峰值
五、思考题：
试分析电容式、电涡流、光纤三种传感器测量振动时的应用及特点。
实验九 光纤传感器测速实验
一、实验目的：
了解光纤位移传感器用于测量转速的方法。
二、基本原理：
利用光纤位移传感器探头对旋转体被测物反射光的明显变化产生的电脉冲，经电路处理即可测量转速。
三、需用器件与单元：
光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元测转速档、直流源±15V 、转速调节2~24V，转动源模块。
四、实验步骤：
1、将光纤传感器按图8-1装于传感器支架上，使光纤探头与电机转盘平台中反射点对准。
2、按图7-2，将光纤传感器实验模块输出V o1与数显电压表Vi 端相接，接上实验模块上±15V 电源，数显表的切换开关选择开关拨到2V 档。①用手转动圆盘，使探头避开反射面（暗电流），合上主控箱电源开关，调节Rw 使数显表显示接近零（≥0）。②再用手转动圆盘，使光纤探头对准反射点，调节升降支架高低，使数显表指示最大，重复①、②步骤，直至两者的电压差值最大，再将V o1与转速/频率数显表Fin 输入端相接，数显表的波段开关拨到转速档。
3、将转速调节2-24V ，接入转动电源24V 插孔上，使电机转动，逐渐加大转速源电压。使电机转速盘加快转动，固定某一转速，观察并记下数显表上的读数n1。
4、固定转速电压不变，将选择开关拨到频率测量档，测量频率，记下频率读数，根据转盘上的测速点数折算成转速值n2。
5、将实验步骤4与实验步骤3比较，以转速n1作为真值计算两种方法的测速误差（相对误差），相对误差r=((n1-n2)/n1)×100%。
五、思考题：
测量转速时转盘上反射（或吸收点）的多少与测速精度有否影响，你可以用实验来验证比较转盘上是一个黑点的情况。
实验十 Cu50温度传感器的温度特性实验
一、实验目的：
了解Cu50温度传感器的特性与应用。
基本原理：
二、在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，一般采用铜电阻，可用来测量
-50ºC~+150ºC 的温度。铜电阻有下列优点： 1） 在上述温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系 Rt = R0(1+at)
2） 电阻温度系数高，a = 4.25~4.28×10-3/ ºC 3） 容易提纯，价格便宜
三、需用器件与单元：
加热源、K 型热电偶、Cu50热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。
四、实验步骤：
1、将温度源模块上的220V 电源插头插入主控箱两侧配备的220V 控制电源插座上。 2、注意：首先根据温控仪表型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，（见附录一）学会基本参数设定（出厂时已设定完毕）。
3、选择控制方式为内控方式，将热电偶插入模块加热源的一个传感器安置孔中。将K （或E 型）热电偶自由端引线插入温度源模块上的传感器插孔中，红线为正极，它们的热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别K 性和E 型（E 型热电势大）热电偶。
4、将Cu50热电阻加热端插入加热源的另一个插孔中，尾部红色线为正端，插入实验模块的a 端，见图10-1，另一端插入b 孔上，a 端接电源+4V，b 端与差动运算放大器的一端相接，桥路的另一端和差动运算放大器的另一端相接。
接主控箱电源输出
2V Cu50
接
V i 主
控箱数显地 表
5、合上内控选择开关，设定温度控制值为50ºC ，当温度控制在50ºC 时开始记录电压表读数，重新设定温度值为50ºC+n·Δt ，建议Δt=5ºC ，n=1„„10，每隔1n 读出数显表输出电压与温度值。记下数显表上的读数，填入表10-1。
表10-1：
五、思考题：
大家知道在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间具有较好的线性关系，因此就有温敏二极管，你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极管在50ºC~100ºC 之间，作温度特性，然后与集成温度传感器相同区间的温度特性进行比较，从线性看温度传感器线性优于温敏二极管，请阐述理由。
实验十一 Pt100热电阻测温特性实验
一、实验目的：
了解热电阻的特性与应用。
二、基本原理：
利用导体电阻随温度变化的特性。热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0-630.74ºC 以内，电阻Rt 与温度t 的关系为：
Rt = R0(1+At+Bt2)
R0系温度为0ºC 时的铂热电阻的电阻值。本实验R0=100ºC ，A=3.90802×10-3 ºC-1 B=-5.080195×10-7 ºC-2, 铂电阻现是三线连接，其中一端接两根引线主要是为了消除引线电阻对测量的影响。
三、需用器件与单元：
加热源、K 型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。
四、实验步骤：
1、同实验十 ①、②、③、④步操作。
2、将Pt100铂电阻三根引线引入“Rt ”输入的a 、b 上：用万用表欧姆档测出Pt100三根引线中短接的两根线接b 端。这样Rt 与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。Rw1中心活动点与R6相接，见图11-1。
接主控箱电源输出
2V
接V i 主
控箱数显地 表
图11-1 热电阻测温特性实验
3、在端点a 与地之间加直流源2V ，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b 和中心活动点之间在室温下输出为零。
4、加±15V 模块电源，调Rw3使Vo2=0，接上数显单元，拨2V 电压显示档，使数显为零。
5、设定温度值50ºC ，将Pt100探头插入温控模块的一个插孔中，开启加热开关，待温度控制在50ºC 时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50ºC+n·Δt ，建议Δt=5ºC ，n=1„„10，每隔1n 读出数显表输出电压与温度值。将结果填入表11-2。
表11-2
6、根据表11-2值计算其非线性误差。
五、思考题：
如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？
实验十二 热电偶测温性能实验
一、实验目的：
了解热电偶测量温度的性能与应用范围。
二、基本原理：
当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0ºC 、25ºC 。
三、需用器件与单元：
热电偶K 型、E 型、温度控制源、数显单元。
四、实验步骤：
1、选择控制方式为内控方式，将热电偶插到温度模块插孔中，K 型的自由端接到温控模块上的传感器插孔。
2、将E 型热电偶自由端接入温控模块上标有热电偶符号的a 、b 孔上，参见图11-5，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端。
3、将R 5、R 6端接地，打开主控箱电源开关，将V o2与数显表单元上的V i 相接。调Rw 3使数显表显示零位，设定温控模块仪表控制温度值T=50ºC 。
4、去掉R 5、R 6接地线，将a 、b 端与放大器R 5、R 6相接，并把b 端与地相接，观察温控仪指示的温度值，当温度控制在50ºC 时，调Rw 2，对照分度表将信号放大到比分度值大10
倍的指示值以便读数，并记录下读数。
5、重新设定温度值为50ºC+n·Δt ，建议Δt=5ºC ，n=1„„10，每隔1n 读出数显表输出电压与温度值，并记入表12-1。
表12-1 E型热电偶电势（经放大）与温度数据
6、根据表12-1计算非线性误差。
五、思考题：
1、通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？
2、能否用Pt100设计一个直接显示摄氏温度-50ºC-50ºC 的数字式温度计，并利用本实验台进行实验。
附：分度表
实验十三 气体流量的测定实验*
一、实验目的：
了解最基本的气体流量测定方法。
二、基本原理：
本实验采用的转子流量计的主要测量元件为一根小端向下、大端向上垂起安装的透明锥形管和一个在锥形管中能
自由移动的转子。当具有一定流动速度（动能）的流束由小端向大端通过锥形时，转子由于流束向上的动能作用而浮起。这时，由锥形管内壁和转子最大外径处构成的环隙面积也相应增加，从而使流束的流速（动能）亦随之下降，直到流束由于流动产生的向上作用力和转子
在流束中的重量产生的向下作用力相等时，转子就稳定在一定的位置高度上，所以，转子的位置高度和流束的流动速度（即流量）间具有一定关系，因此，转子的位置高度可作为流量量度。转子直径最大处的锐边是读数边。
三、需用器件与单元：
气动源与流量计
四、实验步骤：
1、观察转子流量计基本结构。 2、启动压力源开关让气泵工作。
3、缓慢开启流量计下端调节阀，让转子停留在玻璃管中间位置，读取示值。 4、示值修正：流量计测量时的流体和状态，往往与流量计分度时的流体和状态不同，因此，测量时读取的流量计示值，并不是被测流体的真实值，必须对示值按实际的流体和状态进行修正，具体修正有：（1）测量液体时的修正；（2）测量气体时的修正；（3）粘度修正。本实验被测气体为干燥气体，若流量计上读取示值为QN=
50Nm3/h，浮子材料为1Cr18NiTi 在流量计入口处测得温度为10ºC ，绝对压力Ps=0.5Mpa(5kgf/cm2) , 此时流经流量计的流量计算如下：从有关手册查得干空气在标准状态时，密度Pn=PSN=1.2046kg/m3压缩系数Zn=0.999，在10ºC 时的压缩系数ZS=0.992,根据被测气体为干燥气体时的示值修正公式：
Q S =Q N
ρN P N T S Z S ρSN P S T N Z SN
式中PN 为标定介质在标准状态下绝对压力1.013×105Pa(760mmHg), 则得
QS=22.34m3/h。可见示值与实际值相差较大。举此例之目的在于让参与实验的学生对流量测量有一个初步认识。
5、示值修正，根据读取示值和查取有关手册进行示值修正。
实验十四 气敏（酒精）传感器实验
一、实验目的：
了解气敏传感器的工作原理及特性。
二、基本原理：
气敏传感器是由微型AL2O3陶瓷管SnO2敏感层，测量电极和加热器构成。在正常情况下，SnO2敏感层在一定的加热温度下具有一定的表面电阻值（10µΩ左右）当遇有一定含量的酒精成分气体时，其表面电阻可迅速下降，通过检测回路可将这一变化的电阻值转化成电信号输出。
三、需用器件与单元：
气敏传感器、酒精容器、相应的电阴处理模块、直流稳压电源±10V 输出档。
四、实验步骤：
1、将+15V电源接入“气敏传感器模块”。
2、打开电源开关，给气敏传感器预热数分钟，（按正常的工作标准应为24小时）若时间较短可能产生较大的测试误差。
3、将模块上Vo 连接到主控箱的数显表，在酒精容器中放入一酒精棉球，观察电压表的变化，随着容器空间酒精浓度的升高，数字指示将越来越大，同时模块上发光管点亮的数目成上升趋势，越来越多。
4、在已知所测酒精浓度的情况下，调整Rw 可进行实验模块的输出标定。
实验十五 湿敏传感器实验
一、实验目的：
了解湿度传感器的工作原理及特性。
二、基本原理：
本实验采用的是高分子薄膜湿敏电阻。感测机理是：在绝缘基板上溅射了一层高分子电解质湿敏膜，其阻值的对数与相对湿度成近似的线性关系，通过电路予以修正后，可得出与相对温度成线性关系的电信号。
三、需用器件与单元：
直流电源、湿敏模块、数字电压表。
四、实验步骤：
注：本实验的湿度传感器已由内部放大器进行放大、校正、输出的电压信号与相对湿度成近似线性关系，标定在：
1、将主控箱+15V接入传感器输入端，输出端与数字电压表相接。 2、在容器中，倒入少许温水，使水分能够蒸发。 3、将传感器置于容器上方，观察数字电压表的变化。
4、待数字稍稳定后，记录下读数，根据传感器标定值，得出容器中的相对湿度。