传感器实验报告.docx
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传感器实验报告
吉林大学珠海学院
《传感器原理及工程应用》课程
实验指导书
主编：
徐杭
主审：
刘向阳王丽
机电工程系
2008年4月、
前言
本书是针对机电工程系机械设计制造及其自动化专业，与《传感器原理及工程应用》这门必修专业基础课相配套，所编写的一本实验指导书。
《传感器原理及工程应用》课程实验是为了使学生更深刻地理解书本上的原理与结论，亲自动手进行验证，提高感性认识和解决实际问题的能力，使学生能更好地掌握理论知识。
所以《传感器原理及工程应用》课程实验指导书是紧密结合理论知识，根据教学大纲要求以实验报告形式所编写的一本实验指导书。
本实验指导书根据课时要求与课程的重点内容，一共编写了三个实验：
金属箔式应变片——全桥性能实验，电容式传感器的位移特性实验，直流激励时霍尔传感器位移特性实验。
实验内容包括实验目的、预习要点、基本原理、实验设备及仪器、实验说明及操作步骤、实验注意事项、思考题、实验报告等。
由于编者水平有限，加之时间仓促，书中错误在所难免，恳请读者批评指正。
编者
2008年4月
目录
学生实验守则2
实验一金属箔式应变片——全桥性能实验3
实验二电容式传感器的位移特性实验6
实验三直流激励时霍尔传感器位移特性实验9
学生实验守则
一、学生必须按照教学计划规定时间，或预定的时间上实验课，不得迟到，早退或无故缺课。
二、必须遵守实验室的各项规章制度，服从实验教师指导，保持室内清洁，卫生，安静，有序。
实验室内不得吸烟，接打手机。
三、遵守操作规程，注意人身安全。
未经教师允许不许动用与本实验题目无关的仪器设备；凡因违反操作规程或擅自动用其他设备而造成损坏的，应按学校规定赔偿。
四、实验前必须认真阅读实验指导书，明确实验目的，理解实验原理，掌握实验步骤，填写实验报告中的相应内容；实验中要正确操作，仔细观察，认真记录实验数据，经教师签字后方可结束实验；课后要独立完成实验报告，并按时交给实验教师批阅。
五、实验完毕后，应将实验仪器及用过的工具清理复原，搞好室内卫生，关好水电门窗，经教师同意后方可离开实验室。
实验一金属箔式应变片——全桥性能实验
一．实验目的
了解全桥测量电路的原理及优点
二．预习要点
1．什么是应变式传感器？
它的工作原理是什么？
2．什么叫应变效应？
3．试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。
4．什么是直流电桥？
若按不同桥臂工作方式，可分为哪几种？
三．基本原理
全桥测量电路中，将四个应变片接入到电桥中（受力性质相同的两个应变片接入电桥对边），当应变片初始阻值：
R1=R2=R3=R4，当有应变产生时，其电阻变化值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一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。
四．实验设备及仪器
1．应变式传感器实验模板
2．砝码
3．数显表
4．
15V电源，
5V电源
五．实验内容与步骤
1.
应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模板左上方的R1，R2，R3，R4。
可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2.接入模板电源
15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位置位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：
将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表为零，（数显表的切换开关打到2V档）。
关闭主控箱电源。
（注意：
当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。
）
3.根据图1-2接线。
R1，R2，为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉，一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源
5V，此时应将
5V地与
15V地短接（因为不共地）。
调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。
4.在砝码盘上放置一个砝码，读取数显表数值，以后每增加一个砝码并读取相应的数显表值，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全桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
5.
根据表1-1计算系统灵敏度
（ΔU：
输出电压的变化量，ΔW：
重量变化量）和非线性误差
式中Δm（多次测量时的平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：
yFS满量程输出平均值，此处为200g。
六、实验注意事项：
1.不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。
2.电桥的电压为
5V,绝对不可错接成
15V，否则可能烧毁应变片。
七、思考题：
1.全桥测量中，当两组对边（R1，R3为对边）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伸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。
八、实验报告要求：
1根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。
2比较单臂，半桥，全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以比较，得出相应的结论。
实验二电容式传感器的位移特性实验
一．实验目的
了解电容式传感器结构及其特点
二．预习要点
1．根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？
每种类型各有什么特点？
三．基本原理
利用平板电容
和其他结构关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε，S，d中三个参数，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测量谷物干燥度（ε发生变化），测微小位移（变d）和测量液位（变ε）等多种电容传感器。
变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响；而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好的多。
）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：
1）式中l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；
r2，r1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动
时，电容变化量ΔC为
2）于是，可得其静态灵敏度为：
3）可见灵敏度与有关，r2与r1越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。
本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减少非线性误差和增加传感器的灵敏度。
四．实验设备及仪器
1．电容传感器；
2．电容传感器实验模板；
3．测微头；
4．数显单元；
5．直流稳压源。
、
五．实验方法及步骤
1.将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。
2.将电容传感器实验模板的输出端Vol与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。
3.接入
V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表2-1。
表2-1电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
V（mv）
六、实验注意事项：
1传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。
2做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。
七、思考题：
1.简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。
2.电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优点？
八、实验报告要求：
1.根据表2-1数据，用作图法计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差
。
2.根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明怎样提高传感器的线性度
实验三直流激励时霍尔传感器位移特性实验
一．实验目的
1．了解霍尔式传感器原理与应用
二．预习要点
2．什么是霍尔效应？
霍尔电势与哪些因素有关？
3．影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？
怎样补偿？
4．温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？
如何补偿？
三．基本原理
金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
具有这种效应的元件称为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为UH=kx，式中k——位移传感器的灵敏度。
这样它就可以用来测量位移。
霍尔电动势的极性表示了元件的位移方向。
磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。
四．实验设备及仪器
1．霍尔传感器实验模板
2．霍尔传感器
3．15V直流电源
4．测微头
6．数显单元
五．实验方法及步骤
1.将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图3-1进行。
1，3为电源
5V，2，4为输出。
2.开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。
3.测微头往轴向方向推进，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9—1
X（mm）
V（mv）
六、实验注意事项：
1.对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。
2.不要将霍尔传感器的激励电压错接成
15V，否则将可能烧毁霍尔元件。
七、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？
八、实验报告要求：
整理实验数据，根据所得的实验数据作出传感器V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
1.
2.归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。
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