自动检测技术
实验指导书
计算机科学与技术系
目 录
潜龙传感器实训台结构说明............................................ 3
实验台结构 ...................................................... 3 实验一、金属箔式应变片实验.......................................... 6
1.1实验原理 ................................................. 6 1.2实验内容 ................................................. 6
实验二、热电偶测温实验............................................. 10 实验三、霍尔式传感器实验........................................... 13 实验四、热释电红外传感器实验....................................... 17
潜龙传感器实训台结构说明
潜龙传感器实训台由实训桌、电脑桌、电源模块、信号源、采集卡模块和实验小模块组成。22种不同类型传感器组成了16块独立的实验模块。下面分别对该产品的结构、性能、使用作详细介绍。
实验台结构
潜龙传感器实训台排列结构外形见图1 ，结构、各部分功能、使用方法说明如下。
配置未含电脑与示波器
图1
图2
1．电源模块（见图2）
（1）直流稳压电源输出+5V、+12V各一组。 （2）2~30V、-2~-30Vl连续可调稳压电源各一组
（3）恒流源输出。可调恒流源电流表为三位半显示，单位为mA。电流调节电位器可调节电流输出为1mA至10mA。直流输出端子I+、I-分别为输出正端、负端。
（4）双组DC电压，表量程为0~200V，共设3个档位。 2．信号源、采集卡模块（见图3）
（1）本信号源提供2Hz~20KHz频率、幅值均可调信号，输出波形有方波、正弦波、三角波。
（2）采集卡模块采用C8051F020芯片。输入模拟量范围为0~5V(注：如超过电压范围
有可能损坏采集卡，所以被采集信号应调节在允许的范围)
图3
3.音频功率放大器与振动源
按图4连接是整体的振动源。用示波器观察调节函数波形发生器使输出正弦波的频率在1~30Hz之间。具体的调节范围以每个实验的要求而定。
图4
实验一、金属箔式应变片实验
1号金属箔式应变片实验模块
1.1实验原理
金属箔式应变片传感器是利用金属丝在外力作用下产生应变效应的原理制成的一种传感器。我们知道电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化，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（Δι/ι）为电阻丝长度相对变化量，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元件，通过它转换被测部位受力状态的变化、电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。 1.2实验内容
一、单臂电桥性能实验 1、实验目的
了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作状况。
2、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块（K1、K2、K3的状态分别为OFF、ON、ON）、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码200g（100g一只，50g两只）、±12V电源、±5V电源、2V档数显表。
图1-1
3、实验步骤
1) 将电源模块上直流稳压源部分的+5V、-5V输出孔接至1号应变片模块的+4V、-4V孔。 2) 将14号模块接入±12电源（从电源模块接入），检查无误后，合上实验台电源开关，
实验模块±15V指示灯应亮.否则断开电源。
3) 3、1号模块的+VIN、-VIN分别和14模块的VIN+、VIN-相连，14号模块的 VO2、GND分别与电源模块数显表的V+、V-相连（数显表打在2V档）。W3和W4为增益调节旋钮，W5和W6为调零旋钮，调节电位器W5和W6，使数显表显示为零（若调不到零，请微量调节W3、W4），W3、W4、W5、W6的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验为止。具体连线见图1-1。
4) 在秤盘上放一只50g砝码，读取数显表数值，按表1-1依次增加砝码，读取相应的值，
直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
表1-1
重量（g） 电压（mv）
50 19 100 38 150 57 200 76 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)。
4、思考题
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。
二、半桥性能实验
1、实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 2、实验原理
不同受力方向的两只应变片如图1 -1中R1和R2或R3和R4接入电桥作为邻边。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02＝EKε/2。 3、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码200g、±12V电源、±5V电源、2V数显表。
4、实验步骤
实验步骤同单臂电桥实验（应变片为受力状态不同的两只，内部已连好），K1、K2、K3、的状态分别为ON、ON、OFF。具体接线见图1-3。
将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S2＝ΔU/ΔW。
表1-2
重量（g） 电压（mv）
5、思考题
1）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。
2）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。
50 38 100 75 150 113 200 151
三、全桥性能实验
1、实验目的
了解全桥测量电路的优点。 2、实验原理
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边当作应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 3、所需器件及模块
1号金属箔式应变片传感器实验模块、14号交直流、全桥、测量、差动放大实验模块、砝码200g、±12V电源、±5V电源、2V数显表。 4、实验步骤
实验步骤同单臂电桥实验，K1、K2、K3的状态分别为ON、OFF、OFF。具体接线见图1-3。将实验数据填入表1-3，最后进行灵敏度计算。
表1-3
重量（g） 电压（mv）
5、思考题
1）全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1
≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。
2）某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
50 75 100 151 150 227 200 303
实验二、热电偶测温实验
外形见图
一、K型热电偶测温实验 1、实验目的
了解K型热电偶测量温度的性能与应用范围。
2、实验原理
当镍铬—镍硅（镍铝）两种不同的金属组成回路，产生的二个接点有温度差、会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点就是工作端，也称为热端，将其置于被测温度场合配以相应的电路就可以间接测量温度值。
9.2.6.3所需器件及模块
9号温度传感器特性实验模块、实验台、0-2V数显单元、±12V电源。
K型热电偶测温实验 图2-1
4、实验步骤
1）9号温度传感器特性实验模块接上K型热电偶见图2-1。
2）接入±12V电源，打开实验台电源开关，将仪器放大器输出端OUT与数显表输入端相
接。A1、A2短路，读仪器放大器输出端的初始值。
3）K型热电偶传感器分别接A1（红）和A2（蓝），将K型热电偶接口直接与仪器放大器相接，仪器放大器的放大倍数在50左右，热电偶的实际值=OUT-初始值/50倍。
4）在40℃到100℃之间设定Δt=5℃。读出热电偶的实际值，并记入表2-1。
表2-1 K型热电偶热势与温度数据 t（℃） 40 V02（mv） 19 5、思考题
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？ 二、E型热电偶测温实验 1、实验目的
了解E型热电偶测量温度的性能与应用范围。 2、实验原理
当镍铬—康铜两种不同的金属组成回路，产生的二个接点有温度差，会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场合配以相应电路就可以间接测量温度值。 3、所需器件及模块
45 40 50 65 55 85 60 108 65 131 70 150 75 160 80 180 85 200 5）、根据表2-1计算非线性误差
K型热电偶（单独的）、K、E型复合热电偶、加热源、温度控制仪、数显单元、温度传感器实验模块。
E型热电偶测温实验 图2-2
4、实验步骤
1）09号温度传感器特性实验模块接上E型热电偶见图2-2。
2、接入±12V电源，打开实验台电源开关，将仪器放大器输出端OUT与数显表输入端相接。A1、A2短路，读仪器放大器输出端的初始值。
3、E型热电偶传感器分别接A1（红）和A2（蓝），将E型热电偶接口直接与仪器放大器相接，仪器放大器的放大倍数在50左右，热电偶的实际值=OUT-初始值/50倍。
4、在40℃到100℃之间设定Δt=5℃。读出热电偶的实际值，并记入表2-2中。
表2-2 E型热电偶热势与温度数据 t（℃） 40 V02（mv） 47 45 75 50 109 55 146 60 183 65 214 70 250 75 280 80 308 85 347
实验三、霍尔式传感器实验
外形见图
一、实验原理
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，磁场强度的变化引起霍耳电势它就可以进行位移测量。 二、实验内容
（一） 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 1、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用 2、所需器件及模块
5号霍尔式传感器实验模块、直流源±5V、测微头、0-2V数显单元。
图3-1
3、实验步骤
1、将霍尔式传感器安装在6号位移测量实验模块上。
2、将5号霍尔式传感器实验模块接上±12V电源。霍尔元件1、3为电源±5V，2、4为输出。（见图3-1）K1、K2选择在直流位置。
3、开启电源，调节测微头使磁钢在离霍尔元件10mm处，再调节W3、W4使数显表指示为零。
4、测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3-1。
表3-1
X（mm） V01（mv） 225 136 116 70 9．8 8 -75 -89 -128 -179 -187 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。 4、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？
（二） 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 1、实验目的
了解交流激励时霍尔式传感器的特性。 2、实验原理
交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。 3 、所需器件及模块
5号霍尔式传感器实验模块、直流源±15V、测微头、0-2V数显单元、13号移相、相敏、低通滤波实验模块、双线示波器（自备）。
交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 图3-2
4、实验步骤
1）将霍尔式传感器安装在位移测量实验模块上。
2）5号霍尔式传感器实验模块接±12V电源。（见图3-2）
3）调节音频振荡器频率和幅度旋钮，从0°输出频率为1KHz，用示波器测量，电压峰一峰值为4Vp-p，接入电路中，（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。
4）将0°音频电源接入5号霍尔式传感器实验模块的+A端，-B端接地，5号模块V01输出接13号模块相敏检波器的P3端，K1、K2选择开关在交流位置。
5）移相器OUT1接相敏P1端，移相器输入接O°相敏输出OUT2接低通滤波输入IN，低通
输出OUT3接0-2V数显表。
6）调节测微头（测微头前带有磁钢）使霍尔传感器处于离霍尔元件10mm处，先用示波器观察，调节5号模块W1、W2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W3、W4使数显表为零。
7）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，（注意移相单元电位器RP1和相敏检波电位器RP1均已调好（也能自己调节），使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。
8）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3-2。
表3-2
X0.2 （mm） OUT3（mv）
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
实验四、热释电红外传感器实验
外形见图
一、实验原理
若使某些强介电质物质的表面温度发生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，本实验模块是一种检测人体红外线的传感器，其波长为9～10μm（属远红外线）。通过热释电效应产生电量，经放大、逻辑电路判断后可触发发光二极管、蜂鸣器等器件动作。广泛应用自动门、自动照明、防盗报警或防止人误入危险区报警等地方。 二、实验内容
1、实验目的
了解热释电红外传感器结构、工作原理及应用。 2、所需单元及模块
12号热释电红外传感器实验模块、±12V电源。
热释电红外传感器实验 图4-1
3、实验步骤
1）电红外传感器实验电路如图4-1 所示，R1为传感器负载电阻，传感器输出信号经过
C2耦合到运算放大器IC1，其增益取决R2和R3的比值，这里约27倍。经IC1放大的信号经过电容C4耦合到放大器IC2，其增益为110～10倍之间可变。IC3为电压比较器，平时输出低电平故D1灯不亮，FM1蜂鸣器不响，当有人走动时，红外传感器信号增大，比较器翻转输出为高电平D1灯亮，FM1蜂鸣器响起来。
2）接通12号模块±12V电源，手逐渐靠近热释电红外传感器，D1灯会亮起来，同时蜂鸣器会响起来。
3）调节W1可改变IC2放大器的倍数，W2可调整比较器动作的阀值电压，这样可改变热
释电红外传感器的灵敏度，故改变了动作距离。
4、思考题
如何在这个电路基础上制作一个防盗报警器。
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