传感器系统综合实验指导书

简介一、概述传感器系统综合实验装置适应不同类别、不同层次专业教学实验、培训、考核的需求，是一套多功能、全方位、综合性、动手型的实验装置，可以与普教中的“物理”，职教、高教中的“传感器技术”、“工业自动化控制”、“非电测量技术与应用”、“工程检测技术与应用”等课程的教学实验配套。

二、设备构成：实验台主要由实验台部分和数据采集通讯部分组成。

1. 实验台部分这部分有1k～10kHz 音频信号发生器、1～30Hz 低频信号发生器、四组直流稳压电源：±15V、+5V、±2~±10V、24V、数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪。

同时还包括两源板部分和传感器实验模块,分别为:热源：0~220V交流电源加热，温度可控制在室温~120 o C，控制精度±1 o C。

转动源：2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500 rpm。

超声波传感器实验模块:+15V直流电源供电,主要用于测量距离。

红外传感器实验模块：±15V直流电源供电，用于检测人体辐射的红外线，从而控制蜂鸣器和LED灯，起防盗作用。

温度传感器实验模块：±15V直流电源供电，用来检测温度。

光栅传感器实验模块：220V交流电源供电，可用作直线位移或角位移的检测，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。

应变片传感器实验模块：±15V直流电源供电，用于检测压力。

2. 数据采集、分析部分为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了USB数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件）。

14位A/D转换、采样速度达300kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图以及对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务、软件与硬件互动、软件与硬件组成系统的功能。

更注重考虑根据不同数据设定采集的速率。

上位机软件使用说明使用本软件之前先确认安装了USB数据采集以及采集卡的驱动程序。

在桌面上找到如下图标：如果数据采集卡和电脑连接好并且安装好了驱动程序，程序将进入到主程序界面，否则程序将弹出如下所示对话框：在确定安装了驱动和正确连接采集卡的情况下程序将进入如下所示的界面：程序主要包括了工具栏、菜单栏、状态栏、控制栏等。

1、菜单栏菜单栏包括系统、示波器、视图、工具、帮助五大下拉项目。

其中系统中包括开始采集、停止采集、退出三个选项。

当单击开始采集的时候，开始采集按钮将会变灰（不能使用），同时停止采集按钮被激活，工具栏上的采集和关闭按钮也会作出相应的变化。

此时示波器将会显示采集到的波形。

示波器包括暂停显示、波形同步、波形操作、波形复位、基准复位、波形清除、波形复制七个选项。

其中波形操作又包括有XY轴放大、X轴放大、Y轴放大、波形抓取、十字跟踪五个选项。

暂停显示－就是让波形停止在这个时候，但是采集还在继续。

波形同步－同步显示波形。

波形操作：XY轴放大—在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏。

X轴放大—在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。

Y轴放大—在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。

波形抓取－在此操作模式下，可以对波形进行抓取移动。

十字跟踪—在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。

用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。

波形复位－在放大波形的情况下还原到波形的初始状态。

基准复位－复位控制区里的水平，基准按钮到初始状态。

波形清除－清除示波器中的波形。

波形复制－将示波器中的图形复制到剪贴板中，这样可以方便将图形粘贴到其他程序中，比如windows自带的画板程序。

视图包括工具栏、状态栏和控制栏三个项目。

这三个栏目是用来显示工具栏、状态栏＆控制栏的。

入下所示：工具包括实验数据处理和计算器这两个项目。

单击实验数据处理项目将会出现画图工具程序，在程序中手动填入数据然后单击确定将会进入到曲线拟合程序。

如下图所示：根据需要选择不同的拟合方式，然后单击显示曲线将会出现不同的拟合曲线。

拟合方式有线性拟合、曲线拟合，其中曲线拟合又包括双曲线拟合和抛物线拟合。

图形显示如下：线性拟合双曲线拟合抛物线拟合单击计算器将会弹出一个计算器出来，入下图所示：帮助只有一个关于选项。

单击后将出现如下图形：实验一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V 电源、万用表（自备）。

三、实验原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1图1-2通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压Uo=RRRREΔ⋅+Δ⋅211/4 （1-1）E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021⋅Δ⋅−RR。

四、实验内容与步骤1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。

从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。

将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。

关闭主控台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

5．在应变传感器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砝码加完，记下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。

五、实验报告根据表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/y F..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；y F·S为满量程（200g）输出平均值。

六、注意事项加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！实验二金属箔式应变片――半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V 电源、万用表（自备）。

三、实验原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。

电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为Uo=EKε/2 =RREΔ⋅2 （2-1）E为电桥电源电压，式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

四、实验内容与步骤1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

5．在应变传感器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砝码加完，记下实验结果，填入下表，关闭电源。

五、实验报告根据上表的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf2。

六、思考题引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？图2-1实验三金属箔式应变片――全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。

二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V 电源、万用表（自备）。

三、实验原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：Uo=KEε（3-1）E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

四、实验内容与步骤1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

5．在应变传感器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砝码加完，记下实验结果，填入下表3-1，关闭电源。

五、实验报告根据记录表3-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf3。

六、思考题比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

图3-1实验四直流全桥的应用——电子称实验一、实验目的：了解直流全桥的应用及电路的定标二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V 电源、万用表（自备）。

三、实验原理：电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。

四、实验内容与步骤：1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。

2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。

4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。

5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入表4-1。

6．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。

根据实验数据，求出重物的重量。