《传感器与检测技术》技术实验指导书2009.doc

《传感器与检测技术》

实验指导书

主编：高先和

刘伟

合肥学院电子信息与电气工程系

2011年7 月

前言

“传感器与检测技术”属于自动化专业（本科）的重要专业基础课程,也是一门理论与实践相结合的课程，传感器具有检测某种变量并把检测结果传送出去的功能,它们广泛应用于各类生产和科学研究中,是获取处理、传送各种信息的基本装置。本课程安排的实验旨在培养学生软硬件开发能力，熟悉工业生产过程中常用的各种传感器。

3C传感器综合实验系统由传感器的实物和辅助电路模块、信号调理板模块、测控主机（单片机处理系统模块）、I/O控制RS-485总线模块（系统RS-485总线组网时使用），图形控制软件模块（PC机上的上位机软件可以与测控主机上的下位机通讯）组成。可以完成验证性、开放性实验及满足课程设计和毕业设计需要。

通过本实验的学习,可以增大学生的知识面,强化训练学生的动手能力,培养学生软硬件开发能力,进一步加深对常用传感器的了解和应用，提高学生解决实际问题的能力。

目录

目录 (1)

检测与仪表实验室及实验设备简介 (2)

实验一、热电偶传感器(BDX-3CS-SB17) (5)

实验二、半导体温度感测器(BDX-3CS_SB09) (8)

实验三、光敏电阻(BDX-3CS_SB14) (10)

实验四、光遮断器(BDX-3CS-SB5) (12)

实验五、红外人体感测器(BDX-3CS_SB13) (14)

实验六、超音波传感器(BDX-3CS-SB1) (16)

实验七、接近开关(BDX-3CS-SB3) (18)

实验八、压力传感器(BDX-3CS-SB19) (20)

实验九、湿度传感器(BDX-3CS-SB18) (22)

实验十、磁簧开关(BDX-3CS-SB8) (23)

综合性实验RS485总线组网的集散控制系统 (25)

附录1:图控软件与监控主机及I/O控制板通讯协议 (28)

附录2:测控主机使用方法 (32)

附录3:分散式I/O控制板的使用 (43)

附录4:分散式I/O控制板各模块编程 (45)

附录5 各信号处理板接线表及J5（与主控板相连）的管脚定义 (48)

合肥学院电子信息与电气工程系

实验室实验守则

为了培养严肃认真、实事求是的科学实验态度和善于思考、勤于动手的学习作风以及保证实验教学的正常进行，电子信息与电气工程系实验室特制定以下规则，望遵照执行：

1、禁止一切无关人员随意进入实验室和动用实验仪器设备和实验室内物品，确需进入实

验室工作学习的的一切人员要必须严格遵守实验室的规章制度，服从实验室管理人员的安排。

2、学生应认真预习实验内容，预习不合格者不得参加实验，认真完成指定的实验内容或

实验作业，并交指导教师审阅。

3、学生不得迟到、早退、无故缺席，进入实验室后应按指定位置就座，迟到超过五分钟

不得参加实验，实验未完成早退者均按旷课论处。严禁代替他人做实验，缺实验者，课程结束后，考试前主动来补做实验，否则不得参加考试。

4、进入实验室请自带鞋套。书包、水杯等个人物品应放到指定处，且衣冠整齐，保持安

静，严禁吸烟、吃食物、随地吐痰和乱丢杂物等不文明行为,否则实验工作人员有权停止其实验。

5、实验前应先检查实验所需的工具、仪器、材料等是否齐全完好。如有缺漏、损坏应及

时报告请老师处理。

6、听从指导教师的指导，带硬件的实验接好线路后，应先认真检查，关键处确保无误。

如无把握时，须请指导教师审核后方可通电；进行大型仪器和强电实验务必经指导教师检查同意后，才可按操作规程通电实验。

7、实验时必须持严谨的科学态度，励行节约，严格按照实验步骤和正确的方法进行操作，

要细心观察记录实验结果，碰到疑难故障，应冷静分析原因，积极排除，如发生意外及时报告；独立完成实验任务，不得抄袭他人实验结果。

8、欲增加或改变实验内容，须征得指导教师同意。

9、注意人身安全，爱护仪器和设备，实验时仪器、设备、工具、材料不得乱放、乱抛；

不做与实验无关的事情，不动与本次实验无关的仪器设备，不进入与实验无关的场所，不随便串组，有以上表现而又不服从管理教育者，不得参加实验；

10、完成实验后主动整理放好相关设备，搞好卫生，实验中的废弃固体物品、腐蚀性液体

必须倒入指定的容器中，不许倒入水池中，经实验室工作人员、指导教师同意后方可

离去。

11、实验室的任何物资不可擅自带走，在实验室中损坏仪器、工具等，应及时向工作人员报

告，主动说明原因，并按实验室仪器设备损坏、丢失赔偿制度处理。

检测与仪表实验室及实验设备简介

我院检测与仪表实验室现有西安北斗星数码科技公司生产的3C传感器实验系统22套，及配套PC机，示波器；另有杭州新亚传感器实验设备六台。前者是将传感器和信号调理部分、单片机、键盘、显示器、PC机、图控软件结合起来的测量控制系统。后者属台式结构传感器实验系统，将固定的十几种传感器、共用的信号调理电路置于箱体内部，结合PC机进行传感器应用的验证性实验。我实验室可提供传统的结构型传感器实验，24种工业上常用的半导体传感器实验，及光纤传感器实验，并可提供RS485总线组网实验。可以完成验证性、开放性实验及满足课程设计和毕业设计需要。

3C传感器实验系统简介

一、3C实验系统原理及构成

传感器综合实验系统由传感器的实物和辅助电路模块、信号调理板模块、测控主机（单片机处理系统模块）、I/O控制RS-485总线模块（系统RS-485总线组网时使用），图形控制软件模块（PC机上的上位机软件可以与测控主机上的下位机通讯）组成。可以完成以下传感器应用教学实验：

1.传感器和信号调理电路实验。

2.传感器和信号调理与单片机、键盘、显示器结合起来的测量控制系统实验。

3.传感器和信号调理板、PC机、图控软件结合起来的测量控制系统实验。

4.通过RS-485总线、联网的测量控制系统实实验。完成贴近实际的工业控制系统。

二、本系统提供的24种传感器模块及对应的信号处理电路

（1）各类传感器：24种基本传感器基础电路板及连接部件。其中有热敏电阻、霍尔传感器、感烟传感器、半导体温度传感器、人体红外传感器、红外线传感器、

压力传感器、微动开关、光电晶体传感器、光遮断传感器、光电池传感器、瓦

斯传感器、酒精传感器、红外线TGS100传感器、光敏电阻传感器、湿度传感器、

磁簧开关传感器、直流马达、温度开关、超音波传感器、接近开关、白金温度

传感器、热电偶传感器、称重传感器

（2）传感器模块电路板：传感器模块电路板，用于固定传感器电路和基本处理电路。

和信号处理电路的接口。

（3）传感器信号处理电路板：

传感器信号外理电路板上有四路不同传感器处理电路，针对四路不同的传感器进行信号测控处理，测控信号通过总线和测控主机相连。

（4）外壳：

传感器信号处理模块电路箱壳上印有信号处理电路原理图，关键部位信号测试点。

三、测控主机部分

(1)信号处理电路：

信号处理电路中有12位A/D转换器，8位D/A转换器，24路I/O接口（其中4路输入口带光电隔离）。

(2)通讯部分：

通讯部分有一路RS232口，一路RS485口，一个可以和传感器信号处理电路板相连接的一个总线接口。

(3)键盘显示部分

1个标准4*4键盘，1个128*64图形LCD显示器。

(4)下位机软件：

下位机软件包括：

A通讯程序模块：主要用于接受上位机的命令、与上位机之间转送数据。

B数据处理模块：主要用于处理传感器信号处理电路板送来的信号。

C控制模块：根据控制需要向传感器信号处理电路或外部I/O口送出控制信号。

D键盘显示器模块：键盘显示器的处理子程序模块。

四、工业图控软件:

工业图软件可以和下位机通讯，对下位机送来的数据进行处理显示，并可向下位机发送命令，通过下位机对某些对象进行控制。

五、分散式I/O控制板

（1）信号处理电路：信号处理电路中有12位A/D转换器，8位D/A转换器，24路

I/O接口。

（2）通讯部分：通讯部分有一路RS232口，一路RS485口，一个可以和传感器信号

处理电路板相连接的一个总线接口。

（3）下位机软件：

下位机软件包括：

通讯程序模块：主要用于接受上位机的命令、与上位机之间转送数据。

数据处理模块：主要用于处理传感器信号处理电路板送来的信号。

控制模块：根据控制需要向传感器信号处理电路或外部I/O口送出控制信号。

六、传感器整合实验系统整体结构图

1.传感器和信号调理电路实验。

2.传感器和信号调理与单片机、键盘、显示器结合起来的测量控制系统实验。

信号调理板传感器模块感测监控主机

电源线 连接排线 串口线

J45连接线 排线突起部分 调理板插槽缺口

3. 传感器和信号调理板、PC 机、图控软件结合起来的测量控制系统实验。

4连接方法及注意事项

1）PC 机通过串口与监控主机相连，如果PC 机显示找不到请检查串口线是否连接好

2）监控主机通过连接排线与信号调理板相连，注意排线的方向要与调理板上插槽缺口相对，不能接反，否则容易烧坏主机上的芯片！

3）传感器模块与信号调理板用J45相连，注意一个传感器对应一个J45接口，不能接错

感测监控主信号调理板 传感器模块

PC 机

5.通过RS-485总线、联网的测量控制系统实实验。完成贴近实际的工业控制系统

控制板信号调理板传感器模

块

PC

I/O控制信号调理传感器模

块

I/O控制板信号调理板传感器模块

实验一、热电偶传感器(BDX-3CS-SB17)

一、预习要求

1．学习热电偶传感器的工作原理及常用信号处理过程。

2．熟悉BDX-3CS整合实验系统。

二、实验目的

熟悉热电偶传感器的工作原理、常用信号调理电路原理、信号处理过程。

三、实验内容及步骤

1．在测控主机电源关闭的情况下，用八芯扁平电缆把热电偶和信号处理板连接好（注意，传感器板上的编号与信号处理板上J45接头编号要对应，才是选中正确的处理电路），用50芯数据总线把信号处理板和测控主机相连,RS-232总线把PC机与测控主机相连。2．检查无误后，接通电源。把热电偶放入被测温度场合中（用手抓住，或其它形式的热源），等稳定三分钟后。用万用表测量TS2的值并记录。根据以下公式可以计算出被测的实际温度是多少。（由于无恒温箱，低温端为室温，用温度计测量）

3．被测温度=TS2的电压（v）×158.3℃/v

4．通过调节VR1、VR2可以提高被测温度的精确度,由于热电偶主要用来测量高温（200℃以上），因此用它来测量低温或室温时，误差可能比较大（在±5℃以内）。

四、实验原理

1．传感器说明

热电偶传感器工作的物理基础是热电效应。如图所示，两种不同的导体A和B 串联成一个闭合回路，如果两个结点1和2的温度T与T

不相同，则在回路中就有电流产生，这种不同导体的组合就称为热电偶。接点1通常用焊接的方法连接，测温时置于被测温度场中，称为测温端或工作端；接点2一般要求恒定在某一温度，称为参考端或自由端。热电偶

导体中流过的电流是由热电偶的温差电势E

AB （T，T

）所产生的。温差电势是由两种导体的

接触电势和单一导体的温差电势所组成。本电路设计所选用的热电偶是E分度的。2．原理框图

3．原理图

技术指标：测温范围：0—900℃

最高使用温度：950℃

响应时间：小于2分钟

绝缘电阻：大于1000M

工作温度：0 - +70

用来测量200℃以上的高温

4．实验说明

R1、C1构成RC滤波电路。

U1、VR1、VR2、R2、R3构成反相放大器，其放大倍数AV={1+（VR2+R3）/R2} AV（min）=(1+100)=101

AV (max) ={1+（100K+10k）/1k}

=1+（100+10）=111

VR1用来做零点调整，R4、D1构成保护电路。VR2用来调整放大倍数。

R5、R6、U2A构成一个比较电路，以判断温度高低状态，其比较电压由R5、R6分压电压决定。

R6/（R5+R6）×（+9V）=3.3K/（5.9K+3.3K）×9V=3.2V

LED1用来显示现在的温度状态，高温时LED1亮，低温时LED1灭。

R7、R8构成电平转换电路。将比较后的电压转换成TTL信号。

VD10（min）=0V×{R8/(R7+R8)}=0V

VD10（max）=7V×{1k/(1k+1k)}=3.5V

五、实验仪器、设备

监控主机、信号调理板BDX-3CS-SP5、传感器模块BDX-3CS-SB17、万用表、PC机。

六、实验注意事项

1．注意实验时实验箱中测控主机部分与传感器信号处理板部分的总线连接线的接线方法。2．注意实验箱的安全使用，勿用尖锐物品划伤。

七、实验报告要求

1．填写出多组实验数据

2．写出实验心得

八、思考题目

（1）热电偶的分度号及常用的技术参数的意义。

（2）利用热电偶做一个炉温控制器。

实验二、半导体温度感测器(BDX-3CS_SB09)

一、预习要求

1．学习半导体温度感测器工作原理及常用信号处理过程。

2．熟悉BDX-3CS整合实验系统。

二、实验目的

熟悉半导体温度传感器的工作原理、常用信号调理电路原理工作原理、信号处理过程。

三、实验内容及步骤

1．在测控主机电源关闭的情况下，用八芯扁平电缆把AD590（传感器模块BDX-3CS-SB09）和信号处理板连接好（注意，传感器板上的编号与信号处理板上J45接头编号要对应，才是选中正确的处理电路），用50芯数据总线把信号处理板和测控主机相连,RS-232总线把PC机与测控主机相连。

2．检查无误后，接通电源。

3．将AD590置于室温中，调节VR2使TS4最大，记录各测试点温度。

4．将AD590置于被测温度场合中（用手抓住，或其它形式的热源），等稳定后。记录各测试点温度。

5．多次测量，并观察各测试点电压变化趋势。（温度越高，TS4电压越大的趋势；TS2约为1.2V，TS3在0.233V-0.511V之间。）

6、实验说明

按要求连接好设备，检测电源和地是否短路。然后加电，按以下步骤测试。

①电阻R2用来拾取AD590的电流信号，见电流信号转换成电压信号。由于AD590的特

性，在0℃时输出273uA。所以0℃时TS1处的电压为：

Vi = 273uA × 1K = 0.273V

②U3A、R4、R12、R13、R5、VR2、R11、R3、R6、U3C、U3B构成一个直流差动放大电

路。其增益为：

AV=R13/R12[1+2R4/(R5+VR2)]

增益在56.5—70.6之间。

③R8、R9、D2、R10、VR1构成零点调零电路。电压可调范围为

VR=1.2 × (R10+VR1)/(R10+VR1+R9)

0.233V---0.511V之间。

④ R7、D1构成保护电路。

四、实验原理

1、传感器说明

AD590是一种电流型半导体温度感测器，它的输出电流和温度成正比，具有高阻抗的电流调整器和线性电流输出性能，适于-55℃--100℃的温度感测，供电电源范围+4V--+12V。

电参数表：最大额定值（测试温度25℃）

通

对

出

压

测

到

应温度。可用于工业控制中的温度监测。

2、结构特征及工作原理

(1).原理框图

七、实验报告要求

1．填写出多组实验数据

2．写出实验心得

八、思考题目

（1）AD590常用的技术参数的意义。(2) 利用半导体温度传感器做精确温度计。

实验三、光敏电阻(BDX-3CS_SB14)

一、预习要求

1．学习光敏电阻传感器的工作原理及常用信号处理过程。

2．熟悉BDX-3CS整合实验系统。

二、实验目的

了解光敏电阻传感器的工作原理、常用信号调理电路原理、信号处理过程。

三、实验内容及步骤

1．在测控主机电源关闭的情况下，用八芯扁平电缆把光敏电阻（传感器模块BDX-3CS-SB14）和信号处理板连接好（注意，传感器板上的编号与信号处理板上J45接头编号要对应，才是选中正确的处理电路），用50芯数据总线把信号处理板和测控主机相连,RS-232总线把PC机与测控主机相连。

2．检查无误后，接通电源。

3．用灯直射光敏电阻调节VR1使TS8输出最大,LED3最亮，测量各个测试点，并记录。4．用黑纸遮住光敏电阻调节VR2使TS8输出为零,LED3灭，并测量各个测试点，并记录。5．改变光的照射强度不同亮度进行测量。观察LED3的亮度变化，测量各个测试点，并记录。入射光越强(TS5越大)，TS7越大LED3越亮

实验说明

按要求连接好设备（见上），检测电源和地是否短路。然后加电，按以下步骤测试。

①R4和VR1构成信号拾取电路。VR1可用来调整电路灵敏度

②U4A做成电压跟随器，作阻抗匹配。

③R5、R7、R8、U4B构成第一级信号放大电路，其放大倍数是：

AV1=-R7/R5=-1

④R9、R10、R11、U4C构成第二级信号放大电路，其放大倍数是：

AV2=-R10/R9=-1

⑤电路总增益AV为

AV = AV1 × AV2 =1

⑥VR2和R6构成零点调整电路。

⑦R12和D1组成保护电路。

⑧U5A、U5B将模拟信号AIN0转换成开关量。

⑨R13、LED3为灯信号显示电路。当入射光愈强，LED3亮。当入射光愈弱，LED3灭。

四、实验原理

1．传感器说明

CDS是以硫化铬成分为主的敏感元件，在光照下可以改变自身的电阻。利用这一特性它可以以电阻的方式来用。由于它反应比较慢，故常用于静态照度变化。

检测是否有光照并用指示灯显示。通过对输出电压检测得到相应照度。可直接检测引起光强变化的非电量。广泛应用于光探测和光自控领域，如检测零件的线度、速度，表面探伤等。具体的如：照相机、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷尔小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控动物玩具，光控灯饰灯具等方面。

2、结构特征及工作原理 (1).原理框图

(2).原理图

U4A

LM 324

U4B

LM 324U4C

LM 324

R12300

R93.9

K

R103.9K

R112K

C10

103

+9v

-9v

R86.8K

R510K

R4

2K R710K

R6200K

AGND

AGND

AGND

AIN0

-9v

C11

103AIN0

VR110K VR2100K

TS 7

TS 5

TS 8

TS 6

C22104

C23

104+9V

1

2345678J2

AGND

AGND

AGND

CDS I

C24

104

U5A

74LS 04

U5B

74LS 04

R13

180

LED3LED

D11

D11

U3C

LM 324

R22300

R193.9K

R213.9K

R202K

AGND

AGND

AIN1

C14103AIN1TS 11

U9A

LM 324

IN-

6

IN+

5

OUT 7

V +

4

V -

11

U9B LM 324

R29300

+9v

-9v

R2810K

R2610K

R24100

R2720K

AGND

AGND

VR7

10K

TS 14

TS 13TS 15

TS 12C28104

C27

104+9V 1

2345678J4

AGND

AGND

AGND

TP I

C29

104

U10A 74LS 04U10B

74LS 04

R25180

LED4LED

D12

D12

+9V

AGND

AGND

D10

D10

TS 2

TS 3R2180

LED2LED D25.1V

D4

5.1V

D15.1V

+5V +5V

五、实验仪器、设备

监控主机、信号调理板 BDX-3CS-SP4、传感器模块 BDX-3CS-SB14、万用表 、PC 机、[光强发生仪或调光灯]、[照度仪（可调光强度的日光灯管）]。

六、实验注意事项

1．注意实验时实验箱中测控主机部分与传感器信号处理板部分的总线连接线的接线方法。 2．注意实验箱的安全使用，勿用尖锐物品划伤。 七、实验报告要求

1．填写出多组实验数据 2．写出实验心得

八、思考题

1．光敏电阻的工作原理及技术参数 2．利用光敏电阻做一个光控制开关。

实验四、光遮断器(BDX-3CS-SB5)

一、预习要求

1．学习光遮断器的工作原理及常用信号处理过程。 2．熟悉BDX-3CS 整合实验系统。

二、实验目的

了解光遮断器的工作原理、常用信号调理电路原理、信号处理过程。

三、实验内容及步骤

1、传感器工用原理说明

光遮断器是光电装置的一种，将光的信号转化为电的信号，或将电的信号转化成光的信号互为转换，它组合了发光和受光元件做成一个单体。光遮断器的发光元件要求其有很高的输出能力、可靠性高，受光元件的反应性要好，因此，光遮断器就是整合了红外线发光二极管和光电晶体之优点。用以检查物体为目的的一种装置。本设计采用GK 122型(或FI-23FF 型)光遮断器。

技术指标：消耗功率：100mW

逆向偏压：5V

顺向偏压电流：60mA 集极消耗功率：100mW 集极电流：40mA 集—射极电压：30V

射—集极电压：5V

工作温度：- 20°C ~ + 85°C

2．结构特征及工作原理 (1).原理框图

当D30为“1”时，光遮断器工作；当D30为“0”时，光遮断器不工作。 (2).原理图

调整电路

控制电路

光遮断器

来自主控制器的信号

去往主控制器的信号 LED 指示灯

四、实验内容及步骤

1．实验说明

当D30输出为“H”时，则LED1亮，此时光遮断器可以工作。当没有物体进入光遮断器时，光遮断器的接收端因接收到光线而导通，使测试点TS3=“L”,LED2亮，LED3灭（使测试点TS4=“L”）。当有物体进入光遮断器时，光遮断器的接收端因没有接收到光线而截止，使测试点TS3=“H”,LED2灭，LED3亮（使测试点TS4=“H”）。当D30输出为“L”时，光遮断器不工作。

2．实验内容

(1) 用示波器测量测试点TS3、TS4 输出的信号，拿一物体（纸片等）插入光遮断器时观察对接收波形的影响。

(2) 用示波器测量测试点TS3、TS4作一个多孔型物体以不同的速度遮断光遮断器，再次用示波器测量测试点TS3、TS4、观察波形的变化。

(3) 遮断光遮断器时，图控系统在界面上的变化情况和监控主机LCD上的显示情况。

五、实验仪器、设备

监控主机、信号调理板BDX-3CS-SP2、传感器模块BDX-3CS-SB5、万用表、PC机、[示波器]。

六、实验注意事项

1．注意实验时实验箱中测控主机部分与传感器信号处理板部分的总线连接线的接线方法。2．注意实验箱的安全使用，勿用尖锐物品划伤。

七、实验报告要求

1．填写出多组实验数据

2．写出实验心得

八、思考题目

(1) 利用光遮断器做一个计数器。

(2) 根据监控主机提供的232口通讯协议在PC机上做一个图控软件，实现一个用光遮断器控制的应用项目。

实验五、红外人体感测器(BDX-3CS_SB13)

一、预习要求

1．学习光遮断器的工作原理及常用信号处理过程。

2．熟悉BDX-3CS整合实验系统。

二、实验目的

了解红外人体传感器的工作原理、常用信号调理电路原理、信号处理过程。

三、实验原理

1．传感器说明

由一个红外感测器与透镜组成，可以拾取小到在人手的移动信息。具有低功耗，反应快的优点。