《电气测量技术与传感器》实验指导书

《电气测量技术与传感器》

实 验 指 导 书

电子信息工程学院

目录

实验须知

实验一 电涡流传感器测量位移实验 ..................... 6 实验二 霍尔传感器测量电机转速实验 ................... 8 实验三 实验四 实验五 差动变压器传感器位移测量实验 ................ 10 电容式传感器的位移和振动实验 ................ 13 霍尔式传感器位移特性实验 ................... 15

实验须知

1.1 实验的基本态度

进行任何科学实验，实验人员均应具备一种最基本的态度——实事求是的态

度。

我们这里所说的“实事求是”，就是说要把实验中所得到的现象、数据及其规律性忠实地记录下来，记录下来的是实际观测的情况，而不能以任何理由进行编造、修改或歪曲。

实验中直接观察到的现象和数字，也可能不够准确，或是错误的，此时就需要反复多次测量，并加以核对，或通过数据处理，或改进实验方法来改善其准确性。

只有遵循“实事求是”的态度，才能从实验中获得知识，并提高科学实验的能力。

1.2 实验的基本知识

1.实验准备

（1）实验前必须认真预习实验内容，明确实验的目的和要求。 （2）根据实验的要求，拟定实验方案并熟悉实验线路及其原理。 （3）熟悉实验中所使用的仪器、设备的基本原理及使用方法。

（4）根据实验的具体任务及理论根据，研究实验的方法，并估计实验数据的变化规律。

2.实验组织

一般实验可能由几个人合作进行，因此实验时必须做好组织工作，实验方案的拟定应在组内讨论，实验时应明确分工，并且做到既分工又合作，这样既能保证实验质量，又能使实验人员受到全面训练。

3.实验数据的记录

（1）事先拟好实验数据记录表格，在表格中应记下有关物理量的名称、符号和单位，并要保证数据完整。实验数据位数的取值是以实验仪器所能达到的精度为依据的，同一条件下至少读取两次数据(研究不稳定过程或动态过程的实验除外)，而且只有当两次读数比较接近时，才能改变操作条件，在另一条件下进行观测。

（2）记录实验中使用的仪器、设备等的型号、规格及使用的条件等。

（3）凡影响实验效果或数据整理过程中必须的数据都需测取并记录。如天气条件、环境温度、湿度等。

（4）实验中的记录数据应以实际读数为准，但因客观条件的原因，如由于测量条件的意外改变（如电源电压及环境温度的突然变化、机械冲击、外界振动等），数据出现不正常的情况或有粗大误差时，应在备注栏中加以说明。

4.实验过程的注意事项

（1）在进行实验线路的接线、改接线或拆线之前，必须断开电源，严禁带电操作，避免在接线或拆线过程中，造成电源设备或部分实验线路短路，进而损坏设备或实验线路中的元器件。

（2）密切注意整个实验系统的变化，应使整个操作过程均在规定条件下进行。

（3）实验过程中应观察现象，特别是发现不正常现象时更应抓紧时机进行处理，并分析、研究产生不正常现象的原因。

5.整理实验数据

（1）同一条件下测得一组数据时，应舍去含有粗大误差的数据，然后进行数据处理。

（2）整理数据时应根据有效数字的运算法则，确定测量结果的数据位数。 （3）数据整理时可采用列表法、图解法，这视其具体情况而定，以尽可能准确描述实验结果或实验结论为最终目的。

6.实验报告的内容及要求

一份好的实验报告，必须写得简单、明了，数据完整，交待清楚，结论明确，有讨论，有分析，得出的公式或图线有明确的使用条件。实验报告的格式虽不必强求一致，但一般应包括下列各项：

（1）实验题目，实验者及共同实验人员、班级、日期；

（2）实验目的及要求；

（3）实验设备及环境条件；

（4）实验的基本原理、实验线路、接线图或流程图； （5）实验内容及主要操作简述；

（6）整理原始实验数据，作出便于处理和分析的表格、曲线或波形； （7）根据实验数据，对传感器的原理、性能特性、技术指标、实验现象等进行分析，对实验中发现的问题进行讨论，提出新的设想及研究的方法。

实验一 电涡流传感器测量位移实验

一 实验目的

掌握电涡流式传感器的工作原理、性能及基本组成；掌握电涡流式传感器测量位移的方法；掌握电涡流式传感器的基本应用；了解电涡流式传感器测量电路的组成及原理。 二 实验原理

通过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。

电涡流式传感器是由传感器线圈和被测导体组成的线圈—导体系统。电涡流式传感器实验的基本原理是通过调节螺旋测微器改变被测导体板与传感器线圈之间的距离，从而改变电涡流式传感器的电感量，通过调幅式测量电路（变换器）转换成交变电压输出，该交变信号的幅值反映出导体与线圈之间的距离。当被测导体材料不同时，电涡流变换器的输出信号幅值不同。电涡流式传感器的静态实验原理框图如图1－1所示。图1－2为电涡流式传感器实验系统的安装示意图。 三 实验设备

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 实验设备为2000型综合传感器实验仪。

图1－1 实验原理框图

图1－2 实验系统的安装示意图

图1－3 电涡流传感器位移实验接线图

四 实验内容

1、根据图1－2安装电涡流传感器。 2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。 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、将实验板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。 6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋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1-1。 表1－1电涡流传感器位移X与输出电压数据 X（mm） V(v)

8、根据表1－1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、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

一、 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，如何根据量程使用选用传感器。

实验二 霍尔传感器测量电机转速实验

一、实验目的：了解霍尔、光电传感器测量转速的原理及方法。 二、基本原理：

1、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。

2、光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光

管和光电池，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信号，由于转盘上有相间的6个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。 三、需用器件与单元：

1、 霍尔转速传感器、直流源＋5V、转动源2－24V直流源、转动源单元、数显单元的转速

显示部分。

2、光电转速传感器、直流电源＋5V、转动源2－24V直流源、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

四、 实验步骤：

I、霍尔转速传感器

1、根据图5－4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。

图2－1 霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图 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转速电源输出与数显表的Vin相连。

5、将转速调节中的＋2V－24V转速电源旋到最小，接入三源板的转动电源插孔中。 6、合上主控箱电源开关。

7、慢慢用旋扭调节电压（如下表）使转动速度变化。观察数显表分别读出频率(脉冲数/s)和电机转速(转/min)。 电压（v） 2 频率 转速

II、光电转速传感器 1、关掉主控箱电源开关。

2、光电转速传感器已安装在三源板上，把三源板上的＋5V、接地V0与主控箱上的＋5V、地、数显表的Vin相连。数显表转换开关打到转速档。

3、将转速调节中的＋2V－24V转速电源旋到最小，接入三源板的转动电源插孔中。 4、合上主控箱电源开关。

5、慢慢用旋扭调节电压（如下表）使转动速度变化。观察数显表分别读出频率(脉冲数/s)和电机转速(转/min)。

电压（v） 2 频率 转速

4

6

8

10

12

14

16

18

20

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

五、 思考题：

1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否？装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？ 2、本实验圆盘上的磁钢数和小孔数为6个，说明记录的脉冲数和电机转速数的关系。

实验三 差动变压器传感器位移测量实验

一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性，了解差动变压器测量位移的方法。

了解移相器、相敏检波器、低通滤波器的功能。

二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，本实验采

用三段式结构。当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。

利用相敏检波可以将差动变压器输出的交流信号转换为直流信号，直流电压的

正负反映了位移的不同方向。

三、需用器件与单元：音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模

板、测微头、数显单元、低频振荡器、振动源单元（台面上）、示波器、直流稳压电源。 四、实验步骤：

1、将差动变压器按图3－1（先不安装测微头）。

图3-1 差动变压器位移测量安装图

2、在模块上按图3－2接线，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，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测）。图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：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3－2接线。 3、调整好有关部分，调整如下：

分别左移、右移、中点，记录下各点波形。

左、右位移时，用示波器观察初、次级波形、相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形；记录左移、右移和在中点时的波形。

在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。 4、安装测微头，定好中点；

图3－2差动变压器测量实验接线图

5、安装测微头，旋动测微头，使示波器显示的波形峰－峰值Vp-p为最小（定中点），这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔1mm从示波器上读出输出电压Vp-p值、相敏检波器的输出、低通滤波器的输出，记下实验数据，填入下表3－3；

6、 同理，再从Vp-p最小处反向位移做实验，从示波器上读出输出电压Vp-p值、相敏检

波器的输出、低通滤波器的输出，记下实验数据，填入下表3－3；在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。 表3－3 x (mm) Vp-p（V） Vp相敏 V低通滤波

五、思考题：

1、如果用交流电压表来读数，测量线路该如何连接？，有何不足？ 2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

3、移相器的作用是什么？相敏检波器的作用是什么？低通滤波器的作用是什么？

实验四 电容式传感器的位移和振动实验

一、实验目的：掌握差动变面积式电容传感器的工作原理、结构及基本组成；掌握

电容式传感器的静态和动态性能及测试的基本方法；掌握电容式传感器的基本应用；了解电容式传感器测量电路的工作原理及组成。

二、基本原理：利用平板电容C＝εA／d和其它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中三个参数中，保持二个参数不变，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（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。

固定在基座上的两组静片和可以移动的一组动片构成平板差动变面积式电容传感器。通过螺旋测微仪或振动平台的使动片产生左右（或上下）位置移动，从而可改变差动电容的大小。实验中由差动电容测量电路将差动电容的变化转换成电压输出。

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、

滤波模板、数显单元、直流稳压源。

四、实验步骤：

一）.电容式传感器的静态位移性能测试

1、 按图4－1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1

和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线：二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。

2、 将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、

Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图4－1）。

图4－1电容传感器位移实验接线图

3、 将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi

孔），Rw调节到中间位置。

4、 接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.5mm

记下位移X与输出电压值，填入表4－1。 表4－1 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) V(mv)

5、 根据表4－1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。 二）、电容式传感器的幅频特性研究

1、电容传感器按图4－2，安装在台面三源板的振动源单元上，此时差动变面积式电容器的动极板一般处于两定极板的中间位置。差动放大器增益旋钮处于中间位置，对差动放大器调零，调节电位器RW1，使差动放大器输出为零。

2、电容式传感器幅频特性实验线路如图4－1所示，但输出端连接示波器。 3、调节振动平台激振线圈的控制信号的幅度于一适当值，在3～30Hz范围不断改变 其频率，并用频率表测量各频率值，记录激振线圈控制信号为不同频率时示波器显示

电压波形Vp-p的峰峰值。

图3-5 电容传感器振动测量安装图

表4－2 f (Hz) Vp-p（V）

4、 根据实验结果作出差动电容传感器振动测量的幅频特性曲线。

五、思考题：

1、 常见电容式传感器的测量电路有哪几种？说说各自特点及应用场合。 2、 试分析本实验中的电容式传感器测量电路的工作原理，并写出测量电路输出电

压U与差动电容 (Cx2-Cx1) 的关系式。

六、实验报告要求

实验报告应包含下列几项内容： ① 实验目的及实验内容。

② 实验原理图、主要操作方法及实验步骤。

③ 列出数据表格，作出U－x曲线，求出传感器的静态灵敏度和线性范围。

④ 列出数据表格，作出Up-p－f幅频曲线，求出传感器振动系统的共振频率。 ⑤ 实验遇到的问题及解决办法，并对实验结果进行分析

实验五 霍尔式传感器位移特性实验

一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，

它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、直流源、音频振荡源、测微

头、相敏检波、移相、滤波器、数显单元、示波器。 四、实验步骤：

一）、直流激励测量

1、将霍尔传感器按图5－1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图5－2进行。1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。

图5－1 霍尔传感器安装示意图

图5－2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图

3、微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数

填入表5－1。

表5－1 X（mm） V(mv)

作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

二）、交流激励测量

1、传感器安装同图5-1 ，实验模板上连线见图5-3。

图5－3交流激励时霍尔传感器位移实验接线图

2、调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv输出，用示波器测量使电压输出频率为1KHz，电压峰－峰值为接上交流电源，激励电压从音频输出端LV输出频率1KHZ，幅值为4V峰－峰值（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。

3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最

小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。

4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。

5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表5－2。

表5－2交流激励时输出电压和位移数据 X（mm） V(mv)

6、根据表5－2作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。

五、 思考题：

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？