传感信号检测与转换实验箱使用说明书“传感信号检测与转换实验箱”研制项目组2013年1月传感信号检测与转换实验箱使用说明书1、实验箱的组成系统硬件主要由三部分构成：电源模块、传感信号检测转换调理模块、传感信号数字化处理模块。

三个模块各自分立，相互间通过信号线连接。

上位机为PC机。

2、系统电源模块系统电源模块具体由传感信号检测转换调理模块供电电路和传感信号数字化处理模块供电电路两部分构成。

工作原理为交流变直流。

为确保系统用电安全和模拟电路与数字电路两区域的完全的电气隔离，提高系统电路本身的抗电气干扰性能，采用了双绕组输出的单相隔离变压器。

模拟电路模块供电直流稳压电源：±15V，±5V。

数字电路模块供电直流稳压电源；+5V，+3.3V3、传感信号检测转换调理模块传感信号检测转换调理模块电气部分具体包括：霍尔传感器实验模板、电容传感器实验模板、温度传感器实验模板、电涡流传感器实验模板、应变片实验模板、以及三种不同性能与增益信号调理电路模板。

具体布局见图3.1所示。

图3.1传感信号检测转换调理模块布局图3.1应变片实验模板应变片式传感器实验模板如图3.2所示。

图3.2应变片式传感器实验模板实验模板中的R1、R2、R3、R4为金属箔式电阻应变片，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，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。

具体包括：应变片式单臂电桥连接电路、应变片式半桥连接电路、应变片式全桥连接电路。

图中的实线表示电路连接线。

本实验系统中4片金属箔式电阻应变片已安装在平行式悬臂梁上，如图3.3所示。

左上角应变片为R1；右下角为R3；左下角为R4；右上角为R2。

当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，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。

加热电阻也已安装在悬臂梁下面，加热丝电阻值为50Ω左右。

此4片应变片已连接在应变片式传感器实验模板上方的R1、R2、R3、R4上。

图3.3金属箔式电阻应变片安装示意图3.2电容传感器实验模板电容传感器实验模板如图3.4所示。

电路由三部分构成：555多谐振荡电路、环形二极管充放电法测量电容电路、L型高低通滤波电路。

电路后续输出端VO1接一级差动放大电路。

图3.4电容传感器实验模板（1）环形二极管充放电法测量电容电路工作原理本实验系统中的电容传感器测量电路选用环形二极管充放电法测量电容电路。

工作原理图如图3.5所示。

555时基芯片构成多谐振荡电路，作为环形二极管充放电法测量电容电路的脉冲激励源。

C3与L1构成无源L型高通滤波器； L2与C5构成无源L型低通滤波器。

图3.5环形二极管充放电法测量电容电路工作原理示意图环形二极管充放电法测量电容电路工作原理：e为正半周时，方波由E1跃变到E2时，电容Cx1和C X2两端的电压皆由E1充电到E2。

对电容Cx1充电的电流i1，对C X2充电的电流i3.。

VD2、 VD4一直处于截止状态。

在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为q1=C X2(E2-E1)；。

e为负半周时，方波由E2返回到E1时，Cx1、C X2放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流i2、 i4。

在放电过程中(T2时间内)，VD1、VD3截止。

在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx1(E2-E1)。

流过A、C支路的瞬时电流的平均值I 为 ：ΔE 为方波的幅值，ΔE=E2-E1。

I 正比于ΔCx 。

（2）电容传感器结构原理本实验系统的电容传感器可以测量0~±2.5mm 的距离，传感器由两组定片盒一组动片组成。

结构示意图如图3.6所示：当动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。

将上层定片与动片形成的电容定位Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当Cx1 和Cx2接入桥路作为相邻臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与动片的位移有关。

图3.6 圆筒式变面积差动结构电容传感器结构示意图（3）测微头的组成和读数方法电容传感器测试位移实验需要正确安装与使用测微头。

测微头的结构组成和读数方法如图3.7所示：图3.7 测微头结构组成与读数方法示意图测微头组成： 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XX x X x C E f C C E f E E f C E E f C I ∆∆=-∆=---=)()()(21122121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3.7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3.7乙已过零则读２.５１４ｍｍ；如图3.7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。

3.3霍尔传感器实验模板霍尔传感器实验模板如图3.8所示。

图3.8霍尔传感器实验模板本实验系统中霍尔传感器安装位置与方法如图3.9所示：图3.9霍尔传感器安装示意图霍尔传感器是利用霍尔效应，把相关测试量转换为电动势的变化。

霍尔效应把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍尔元件或霍尔片。

霍尔效应原理示意图如图3.10所示。

图3.10 霍尔效应原理示意图一块N 型半导体，长为l ，宽为 b ，厚度为h 的，在半导体长度方向通以电流I ，将其置于的磁感应强度为B 的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作用，根据物理学知识: 式中 q 0 —电子的电荷量；v —半导体中电子的运动速度； B —磁场的磁感应强度 F L 方向如图3.10所示。

在力F L 的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内场E H ,即霍尔电场。

此时霍尔电场E H 两端之间的电位差U H 霍尔电势）为：霍尔常数 R H ：霍尔元件灵敏度（灵敏系数）K H ：所以霍尔电势与磁感应强度B 和激励电流I 成正比，与霍尔片厚度长反比。

因而在实际应用中为了提高灵敏系数，霍尔元件常常制成薄片形状。

霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成，如图3.11(a)所示。

霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或vBq F L 0=H H bE U =BIK U H H =ned d R K H H 1==ne R H 1=d IB ne U H ⋅=1d IBR U H H ⋅=电流引线，称为激励电极。

引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。

其等效电路和电路符号如图3.11(b)所示。

霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。

图3.11 霍尔元件结构外形、图形符号、基本测量电路示意图3.4电涡流传感器实验模板电涡流传感器实验模板如图3.12所示：图3.12电涡流传感器实验模板本实验的电涡流传感器测量电路为变频调幅式测量电路，电路组成：（1）T1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。

电涡流传感器接在振荡回路中，即传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。

振荡器的作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。

（2）D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。

检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。

（3）T2组成射极跟随器。

射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。

电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。

当无被测导体时，振荡器回路谐振于f0，传感器端部线圈Q0为定值且最高，对应的检波输出电压Vo 最大。

当被测导体接近传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值Vo变小。

Vo变化反映了位移ｘ的变化。

Q值测试法谐振曲线如图3.13所示。

图3.13 Q值测试法谐振曲线本实验的电涡流传感器是一个平绕线圈。

电涡流传感器与测微头的安装方法与位置见图3.14所示。

图3.14电涡流传感器安装示意图电涡流传感器工作原理是依据电涡流效应，如图3.15所示：当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈J1时，将产生高频磁场H1。

如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。

电涡流也将产生一个新的磁场H2。

H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。

i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。

集肤效应与激励源频率f、工件的电导率σ、磁导率μ等有关。

频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。

电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jωL=f（i1、f、μ、σ、r、x）如果控制上式中的i1、f、μ、σ、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。

图3.15电涡流传感器工作原理示意图3.5温度传感器实验模板温度传感器实验模板如图3.16所示。

具体包括：Pt100铂电阻测温、K热电偶（镍铬-镍硅热电偶）：集成电流型温度传感器AD590测温、数字温度传感器DS18B20测温电路。