电子科技大学传感器实验报告.docx

电子科技大学传感器实验报告.docx

《电子科技大学传感器实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子科技大学传感器实验报告.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电子科技大学传感器实验报告

电子科技大学

实

验

报

告

学生姓名：

***

学号：

2011079080003

课程名称：

传感器原理及应用

指导教师：

彭杰刚

实验地点：

主楼c2-108

实验日期：

2013年6月21日

实验评分：

电子科技大学

实验报告

学生姓名：

***学号：

2011079080003指导教师：

彭杰刚

实验地点：

主楼c2-108

实验室名称：

传感器实验室

实验项目名称：

实验一应变片单臂电桥性能实验

实验学时：

2

实验目的：

了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

实验原理：

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应

　　所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：

设其长为：

L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得

（1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：

（1—2）

式中：

dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr 

由材料力学得：

                εL=-μεr         （1—3）

式中：

μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度

   它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

（1）、金属导体的应变灵敏度K：

主要取决于其几何效应；可取

（1—5）

其灵敏度系数为：

K=

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

（2）、半导体的应变灵敏度：

主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。

在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

   半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

3、贴片式应变片应用

在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右

的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。

（a）丝式应变片                                       （b）箔式应变片

图1—1应变片结构图

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，与丝式应变片工作原理相同。

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。

5、测量电路

  为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图1—2应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1—3应变片单臂电桥性能实验原理图

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。

桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。

差动放大器输出为Vo。

实验器材（设备、元器件）：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；4

位数显万用表（自备）。

实验步骤及内容：

应变传感器实验模板说明：

应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。

实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。

加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。

多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。

1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。

图1—4传感器托盘安装示意图

2、测量应变片的阻值（不要求）：

当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4

的阻值。

在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：

阻值变大，受压的应变片：

阻值变小。

）。

图1—5测量应变片的阻值示意图

3、实验模板中的差动放大器调零：

按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换

开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

图1—6差动放大器调零接线示意图

4、应变片单臂电桥实验：

关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码（尽量靠近托盘的中心点放置），读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。

图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图

5、实验完毕，关闭电源。

实验数据及结果分析：

实验数据如下：

表1-1：

第一次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.004

-0.008

-0.013

-0.017

-0.022

-0.026

-0.030

-0.035

-0.039

-0.044

对应的实验曲线如下图1-1：

图1-1实验曲线图

表1-2第一次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-0.001

-0.005

-0.009

-0.013

-0.018

-0.022

-0.026

-0.031

-0.035

-0.039

-0.044

对应的实验曲线如下图1-2：

图1-2实验曲线图

表1-3第二次实验数据（砝码增加）

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.004

-0.009

-0.014

-0.018

-0.022

-0.027

-0.031

-0.035

-0.040

-0.044

对应的实验曲线如下图1-3：

图1-3实验曲线图

表1-4第二次实验数据（砝码减少）

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-0.001

-0.005

-0.009

-0.014

-0.018

-0.022

-0.027

-0.031

-0.035

-0.040

-0.044

对应的实验曲线如下图1-4：

图1-4实验曲线图

表1-5第三次实验数据（砝码增加）

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.005

-0.009

-0.013

-0.018

-0.022

-0.027

-0.031

-0.035

-0.040

-0.044

对应的实验曲线如下图1-5：

图1-5实验曲线图

表1-6第三次实验数据（砝码减少）

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-0.001

-0.005

-0.009

-0.014

-0.018

-0.022

-0.027

-0.031

-0.035

-0.040

-0.044

对应的实验曲线如下图1-6：

图1-6实验曲线图

实验结论：

由曲线图可知，电压与所放重物的质量成正比基本符合理论推导的Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE规律

总结及心得体会：

在实验中要熟悉电路，我们组在实验过程中由于对电路的不了解，在连接电路过程中犯了一些错误，但经过及时的改正，仍旧在第三个按照要求完成任务。

本实验难度不大，电路也不复杂，关键是耐心调整、认真记录数据和后期处理。

由于是两个人的实验，感谢同组同学的帮助，以及助教老师的悉心指导。

对本实验过程及方法、手段的改进建议：

报告评分：

指导教师签字：

电子科技大学

实验报告

学生姓名：

***学号：

2011079080003指导教师：

彭杰刚

实验地点：

主楼c2-108

实验室名称：

传感器实验室

实验项目名称：

实验二应变片半桥性能实验

实验目的：

了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。

掌握测量方法。

实验学时：

2

实验原理及内容：

应变片基本原理参阅实验一。

应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。

不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。

其桥路输出电压Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE。

图2—1应变片半桥特性实验原理图

实验器材（设备、元器件）：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

实验步骤：

1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。

2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。

读取相应的数显表电压值，填入表2中。

图2—2应变片半桥实验接线示意图

3、根据表2实验数据作出实验曲线。

实验完毕，关闭电源。

实验数据及结果分析：

实验数据如下：

表2-1：

第一次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

0.008

0.017

0.026

0.035

0.044

0.053

0.062

0.071

0.080

0.089

对应的实验曲线如图2-1：

图2-1实验曲线图

表2-2第一次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

0.008

0.017

0.026

0.035

0.044

0.053

0.062

0.071

0.080

0.089

对应的实验曲线如图2-2：

图2-2实验曲线图

表2-3：

第二次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

0.008

0.017

0.026

0.035

0.044

0.052

0.061

0.070

0.079

0.088

对应的实验曲线如图2-3：

图2-3实验曲线图

表2-4第二次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

0.008

0.017

0.026

0.035

0.043

0.052

0.061

0.070

0.079

0.088

对应的实验曲线如图2-4：

图2-4实验曲线图

表2-5：

第三次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

0.008

0.017

0.026

0.035

0.043

0.052

0.061

0.070

0.079

0.088

对应的实验曲线如图2-5：

图2-5实验曲线图

表2-6第三次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

0.008

0.017

0.026

0.035

0.044

0.052

0.061

0.070

0.079

0.088

对应的实验曲线如图2-6：

图2-6实验曲线图

实验结论：

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，应按图2—1应变片半桥特性实验原理图所示，放在邻边。

2.由曲线图可知，电压与所放重物的质量成正比基本符合理论推导的Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE规律

总结及心得体会：

通过实验，培养了我们的实际应用能力和动手能力。

在老师的指导和大家的相互讨论学习下，我顺利完成实验的每个任务，记录了相关数据，绘制了相关表格。

传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

对本实验过程及方法、手段的改进建议：

报告评分：

指导教师签字：

电子科技大学

实验报告

学生姓名：

***学号：

2011079080003指导教师：

彭杰刚

实验地点：

主楼c2-108

实验室名称：

传感器实验室

实验项目名称：

实验三应变片全桥性能实验

实验学时：

2

实验目的：

了解应变片全桥工作特点及性能。

掌握测量方法。

实验原理及内容：

应变片基本原理参阅实验一。

应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。

应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。

当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈（△R／R）E＝KεE。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。

图3—1应变片全桥性能实验接线示意图

需用器件和单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

实验步骤：

实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。

实验完毕，关闭电源。

图3—2应变片全桥性能实验接线示意图

实验数据及结果分析：

实验数据如下：

表3-1：

第一次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.020

-0.037

-0.054

-0.071

-0.089

-0.106

-0.124

-0.142

-0.159

-0.177

对应的实验曲线如图3-1：

图3-1实验曲线图

表3-2第一次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-0.003

-0.021

-0.038

-0.056

-0.073

-0.090

-0.108

-0.125

-0.142

-0.160

-0.177

对应的实验曲线如图3-2：

图3-2实验曲线图

表3-3：

第二次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.016

-0.034

-0.051

-0.068

-0.086

-0.103

-0.121

-0.138

-0.156

-0.173

对应的实验曲线如图3-3：

图3-3实验曲线图

表3-4第二次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.001

-0.016

-0.033

-0.051

-0.068

-0.086

-0.103

-0.121

-0.138

-0.156

-0.173

对应的实验曲线如图3-4：

图3-4实验曲线图

表3-5：

第三次实验数据（砝码增加）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.017

-0.035

-0.052

-0.070

-0.087

-0.105

-0.122

-0.140

-0.158

-0.175

对应的实验曲线如图3-5：

图3-5实验曲线图

表3-6第三次实验数据（砝码减少）：

重量（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

0.000

-0.017

-0.035

-0.052

-0.070

-0.087

-0.105

-0.122

-0.140

-0.158

-0.175

对应的实验曲线如图3-6：

图3-6实验曲线图

实验结论：

1.根据实验数据可求得：

非线性误差=（0.1／200）×100%=0.05%

2.由曲线图可知，电压与所放重物的质量成正比基本符合理论推导的Uo≈（△R／R）E＝KεE规律

总结及心得体会：

通过实验，培养了我们的实际应用能力和动手能力。

在老师的指导和大家的相互讨论学习下，我顺利完成实验的每个任务，记录了相关数据，绘制了相关表格。

传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

对本实验过程及方法、手段的改进建议：

报告评分：

指导教师签字：

电子科技大学

实验报告

学生姓名：

***学号：

2011079080003指导教师：

彭杰刚

实验地点：

主楼c2-108

实验室名称：

传感器实验室

实验项目名称：

实验七电容式传感器的位移实验

实验学时：

2

实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

实验原理：

1、原理简述：

电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。

电容传感器的输出是电容的变化量。

利用电容C＝εA／d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，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。

电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱（圆筒）形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组（单边）式的传感器。

它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。

如图7—1所示：

它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。

设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln（R／r）。

图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆