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传感器实验报告

试验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一．实验目的

了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。

二．基本原理

电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。

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，通过它反映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。

单臂电桥输出电压

，其中K为应变灵敏系数，

为电阻丝长度相对变化。

三．实验器材

主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

四．实验步骤

1.根据接线示意图安装接线。

2.放大器输出调零。

3.电桥调零。

4.应变片单臂电桥实验。

重量（g）

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

测得数据如下：

实验曲线如下

分析：

由图可以看出，输出电压与加载的重量成线性关系，由于一开始调零不好，致使曲线没有经过原点，往上偏离了一段距离。

5.根据表中数据计算系统的灵敏度

（

为输出电压变化量，

为重量变化量）和非线性误差

，式中

为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；

为满量程输出平均值，此处为140g。

=30mv，

=140g，

所以

=1.9768g，

=140g，

所以

6.利用虚拟仪器进行测量。

测得数据如下表所示：

重量（g）

100

120

140

电压（mv）

0.7

5.0

9.5

13.9

18.7

23.4

28.3

32.9

相应的曲线如下：

五．思考题

单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片；

（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。

答：

应变片受拉，所以选

（1）正应变片。

实验三金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

了解全桥测量电路的优点

二、基本原理

全桥测量电路中，将受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

时，其桥路输出电压

。

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都得到了改善。

三、实验器材

主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

四、实验步骤

1.根据接线示意图安装接线。

2.放大器输出调零。

3.电桥调零。

4.应变片全桥实验

数据记录如下表所示：

重量（g）

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

108

128

147

166

196

216

实验曲线如下所示：

分析：

从图中可见，数据点基本在拟合曲线上，线性性比半桥进一步提高。

5.计算灵敏度S=U/W，非线性误差

。

U=141.2mv，W=140g；

所以S=141.2/140=1.0086mv/g;

=0.1786g，

=140g，

6.利用虚拟仪器进行测量

测量数据如下表所示：

重量（g）

100

120

140

电压（mv）

-1.1

19.6

40.4

61.1

81.7

102.4

122.0

142.0

实验曲线如下所示：

五、思考题

1.测量中，当两组对边电阻值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。

答：

（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，能否及如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

答：

能够利用它们组成电桥。

对于左边一副图，可以任意选取两个电阻接入电桥的对边，则

输出为两倍的横向应变，如果已知泊松比则可知纵向应变。

对于右边的一幅图，可以选取R3、R4接入电桥对边，则输出为两倍的纵向应变。

两种情况下都需要接入与应变片阻值相等的电阻组成电桥。

3.金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。

答：

根据实验结果可知：

灵敏度：

全桥>半桥>单臂

非线性度：

单臂>单桥>全桥

理论上：

灵敏度：

单臂

，半桥

，全桥

。

非线性度：

单臂

，半桥

，全桥

。

因为全桥能使相邻两臂的传感器有相同的温度特性，达到消除温度误差的效果。

同时还能消除非线性误差。

结论：

利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。

4.金属箔式应变片的温度影响

如何消除金属箔式应变片的温度影响？

答：

利用温度补偿片或采用全桥测量。

实验五差动变压器的性能实验

一、实验目的

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理

差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有两段式和三段式，本实验采用三段式。

当被测物体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使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。

将两只次级反向串接，引出差动电势输出。

其输出电势反映出被测物体的移动量。

三、实验器材

主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。

四、实验步骤

1.按照接线图连接线路。

2.差动变压器L1的激励电压从主机箱中的音频振荡器的Lv端引入，音频振荡器的频率为4~5KHz，输出峰峰值为2V。

3.松开测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使变压器次级输出的Vp-p较小。

然后拧紧螺钉，仔细调节测微头的微分筒使变压器的次级输出Vp-p为最小值（零点残余电压），定义为位移的相对零点。

4.从零点开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm从示波器上读出示波器的输出电压Vp-p，记入表格中。

一个方向结束后，退到零点反方向做相同的实验。

5.根据测得数据画出Vop-p—X曲线，做出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。

数据表格如下：

V（mv）

126

149

181

206

226

258

286

X（mm）

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

V（mv）

309

288

263

204

146

119

X（mm）

-2.0

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

实验曲线如下：

分析：

从图中可见，曲线基本呈线性，关于x=0对称的，在零点时存在一个零点误差。

X=±1mm时，

，

；

，

。

五、思考题

1.用差动变压器测量，振动频率的上限受什么影响？

答：

受导线的集肤效应和铁损等的影响，若频率过大会导致灵敏度下降。

2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答：

相同点：

利用电磁感应原理工作。

不同点：

差动变压器为开磁路，一、二次侧间的互感随衔铁移动而变，且两个绕组按差动方式工作；一般变压器为闭合磁路，一、二次侧间的互感为常数。

传感器第二次实验

实验九电容式传感器的位移实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

掌握测量方法。

二、基本原理：

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∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε22∆X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明∆C与∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图7—1实验电容传感器结构

1、测量电路（电容变换器）：

测量电路画在实验模板的面板上。

其电路的核心部分是图

16—2的二极管环路充放电电路。

图7—2二极管环形充放电电路

在图7—2中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和CX1、CX2（实验差动电容位移传感器）组成。

当高频激励电压（ｆ>100kHz）输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容CX1和

CX2两端电压均由E1充到E2。

充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对CX1充电到O点（地）；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。

此时，D4和D6由于反偏置而截止。

在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为：

Q1＝CX2（E2-E1）（7—1）

当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电。

CX1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。

在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为：

Q2＝CX1（E2-E1）（7—2）

当然，（7—1）式和（7—2）式是在C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。

电容C4的充放电回路由图7—2中实线、虚线箭头所示。

在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为：

Ｑ＝Q2-Q1＝（CX1-CX2）（E2-E1）＝△CX△E（7—3）

式中：

CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。

设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为：

i＝fＱ＝f△CX△E（7—4）

式中：

△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。

由（7—4）式可看出：

f、△E一定时，输出平均电流i与△CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝IRw。

由传感器原理已知∆C与∆X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知∆X位移。

2、电容式位移传感器实验原理方块图如图7—3

图7—3电容式位移传感器实验方块图

三、需用器件与单元：

主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

四、实验步骤：

1、按图7—4示意安装、接线。

图7—4电容传感器位移实验安装、接线示意图

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：

逆时针转到底再顺时传３圈）。

3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V，再转动测微头（同一个方向）6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。

以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数（这样转12圈读取相应的电压表读数），将数据填入表7（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。

表7电容传感器位移实验数据

X（mm）

15.24

15.74

16.24

16.74

17.24

17.74

18.24

18.74

19.24

19.74

（mV）

846

703

540

364

177

-26

-227

-409

-594

-777

4根据表7数据作出实验曲线，实验完毕关闭电源开关。

实验十一压电式传感器振动测量实验

一、实验目的

了解压电传感器的测量振动原理和方法。

二、基本原理

压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。

工作时传感器感受与试件相同的振动频率，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶体上产生正比于运动速度的表面电荷。

三、实验器材

主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。

四、实验步骤

1、按照连线图将压电传感器安装在振动台上，振动源的低频输入接主机箱的低频振荡器，其它连线按照图示接线。

2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出波形。

3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入和输出波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台，同时观察输出波形的变化。

4、改变振动源的频率，观察输出波形的变化。

低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，用频率表监测，用示波器读出峰峰值填入表格。

f（Hz）

V（p-p）

0.933

0.852

0.262

5.032

10.266

2.187

2.114

1.919

1.557

1.449

实验曲线：

五、思考题

根据实验结果，可以知道振动台的自然频率大致是多少？

传感器输出波形的相位差大致为多少？

答：

根据实验曲线可知，振动台的自然频率大约为11Hz。

，所以

。

实验十二电涡流传感器位移实验

一、实验目的

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理

通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处于交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。

涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属表面的距离x等参数有关。

电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。

电涡流工作在非接触状态，当线圈与金属体表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。

三、实验器材

主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。

四、实验步骤

1、观察传感器结构，根据示意图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。

2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

将数据填入下表：

X（mm）

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

V（v）

2.44

2.69

2.88

3.10

3.29

3.48

3.69

3.86

4.04

X（mm）

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

V（v）

4.20

4.36

4.52

4.67

4.95

5.08

5.26

5.32

5.45

X（mm）

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

V（v）

5.55

5.65

5.76

5.86

5.96

6.04

6.13

6.21

6.29

X（mm）

2.7

2.8

2.9

3.0

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

V（v）

6.37

6.43

6.49

6.57

6.64

6.71

6.77

6.82

6.83

注：

到此数据仍在变化，由于范围较大（大约9V），数据太多，所以后面部分没有记录。

3、画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点）。

试计算测量范围为1mm与3mm时的灵敏度和非线性度（可以用端点法或其他拟合直线）。

测量范围1mm：

灵敏度：

，

所以

非线性度：

所以

测量范围3mm：

灵敏度：

，

所以

。

非线性度：

所以

五、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？

答：

电涡流传感器的量程就是传感器的线性范围，它受到线圈半径。

被测体的性质及形状和厚度等因素影响。

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？

答：

要保证所测量的位移在所选的传感器量程范围内。

实验十三被测体材质、面积对电涡流传感器的特性影响实验（部分）

被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据

X（mm）

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

V（v）

2.14

2.40

2.58

2.78

2.98

3.17

3.36

3.52

3.69

3.88

X（mm）

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

V（v）

4.06

4.22

4.36

4.51

4.67

4.81

4.95

5.07

5.19

5.32

X（mm）

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

V（v）

5.43

5.54

5.64

5.73

5.82

5.93

6.01

6.10

6.18

6.26

X（mm）

3.0

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

V（v）

6.32

6.40

6.46

6.54

6.60

6.67

6.73

6.80

6.85

6.90

X（mm）

4.0

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

V（v）

6.93

6.98

7.00

7.06

7.12

7.15

7.19

7.23

7.26

7.29

X（mm）

5.0

5.1

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

5.8

5.9

V（v）

7.32

7.36

7.38

7.41

7.44

7.46

7.49

7.52

7.54

7.56

X（mm）

6.0

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

6.6

6.7

6.8

6.9

V（v）

7.60

7.63

7.66

7.70

7.73

7.76

7.79

7.81

7.85

7.87

X（mm）

7.0

7.1

7.2

7.3

7.4

7.5

7.6

7.7

7.8

7.9

V（v）

7.92

7.94

7.98

8.00

8.02

8.03

8.05

8.06

8.08

8.09

传感器第三次实验

实验十五直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验

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

，当霍尔元件处在梯度中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。

三、实验器材

主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。

四、实验步骤

1、按示意图接线，将主机箱上的电压表量程开关打到2V档。

2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。

3、向某个方向调节测微头2mm，记录电压表读数作为实验起始点；

再反向调节测微头，没增加0.2mm记下一个读数，将数据记录入表格：

X（mm）

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

V（V）

-1.641

-1.443

-1.293

-1.093

-0.946

-0.787

-0.582

-0.385

X（mm）

-0.4

-0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

V（V）

-0.216

-0.049

0.105

0.313

0.498

0.739

0.837

0.981

X（mm）

1.2

1.4

1.6

1.8

V（V）

1.145

1.386

1.523

1.706

做出V-X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。

±2mm时灵敏度：

所以

。

非线性度：

所以

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？

答：

反映的是磁场的变化。

实验十七霍尔转速传感器测量电机转速实验

一、实验目的

了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理

利用霍尔效应表达式：

，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此。

每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整和计数电路计数就可以测量被测物体的转速。

三、实验器材

主机箱、霍尔转速传感器、振动源。

四、实验步骤

1、根据示意图将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢间距离大约为2~3mm。

2、在接线前，先合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2~24V旋钮调到最小，接入电压表，监测大约为1.25V；

关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按照示意图分别接到主机箱的相应电源和频率/转速表的Fin上。

3、合上主机箱电源开关，在小于12V的范围内调节主机箱的转速调节电源，观察电机转动及转速表的显示情况。

4、从2v开始纪录，每增加1v相应电机转速的数据。

电压（v）

3.5

4.5

5.5

6.5

转速

390

620

730

840

960

1060

1180

1290

1410

1520

电压（v）

7.5

8.5

9.5

10.5

11.5

转速

1630

1740

1860

1970

2090

2190

2300

2410

2530

2630

画出电机的v~n特性曲线。

五、思考题

1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？

答：

有。

当被测体是磁性体时不能用霍尔元件测量。

2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？

答：

可以，但是会降低分辨率。

实验十八磁电式转速传感

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