东南大学传感器实验报告测控技术与仪器.docx
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东南大学传感器实验报告测控技术与仪器
《传感器与检测技术》
实验报告
姓名：
学号：
院系：
仪器科学与工程学院专业：
测控技术与仪器
实验室：
机械楼5楼同组人员：
评定成绩：
审阅教师：
传感器第一次实验
实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。
测得数据如下，并且使用Matlab的cftool工具箱画出实验点的线性拟合曲线：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
0
5.2
10.2
15.3
19.6
25
29.6
36.3
41.6
46.5
50.8
拟合值（mv）
-0.2
4.9
10.0
15.2
20.3
25.5
30.6
35.7
40.9
46.0
51.2
系统灵敏度
（即直线斜率），非线性误差=
=
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：
（3）正、负应变片均可以。
因为是单臂工作，所以对工作臂的应变片应该没有正负要求，可以调成工作臂的位置或输出电压接线方向，使电压表测得正电压值。
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，并且使用Matlab的cftool工具箱画出实验点的线性拟合曲线：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
0
21.1
42.3
64.1
85.1
106.2
127.7
150
171.3
192.2
212
拟合值（mv）
-0.1
21.2
42.6
63.9
85.2
106.5
127.9
149.2
170.5
191.8
213.2
系统灵敏度
V/Kg（即直线斜率），非线性误差δ=
=
，可见全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍，且非线性度下降。
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。
电桥平衡条件为：
R1R3=R2R4。
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，能否利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
答：
左图中，2列2行共4个应变片对称分布于测试棒上，检测试件横向拉力，如果已知试件泊松比则可知试件纵向应变。
任取一行2个应变片接入电桥一臂作为工作臂，或者接入电桥对臂，选取外加电阻使电桥平衡；
右图中，左边一列应变片检测试件纵向拉力，左边一列检测横向，可以选取左边一列接入电桥一臂，或者接入电桥对臂，选取外加电阻使电桥平衡，根据泊松比算出试件的纵向应变。
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，全桥的灵敏度最高，线性度最好。
理论上，灵敏度：
单臂
，半桥
，全桥
。
非线性度：
单臂
（K为应变计灵敏系数），
半桥
，全桥
。
全桥的输出特性为相邻臂为和，相对臂为差，其和差特性能消除非线性误差。
。
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，本次实验选取4561Hz，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，约为0.035v），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（微分筒转过20格）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：
X（mm）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V（mv）
35
50
73
101
124
152
175
199
225
253
271
拟合值（mv）
28
53
77
102
126
151
175
200
224
249
273
X（mm）
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
V（mv）
276
248
227
201
178
147
124
101
77
51
37
拟合值（mv）
274
249
225
200
176
152
127
103
78
54
29
实验曲线如下：
位移为1mm时，灵敏度为122.136V/m，非线性度δ=
=
；
位移为-1mm时，灵敏度为122.5V/m，非线性度δ=
=
差动式变压器使用了差动式次级线圈，使输出的非线性较好。
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：
受自感线圈的自感系数、互感线圈的互感系数、导线的集肤效应和铁损等的影响，电路系统存在一个上限频率，若输入频率过大会导致输出电压幅度变小，传感器灵敏度下降。
2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：
它们都利用电磁感应原理工作。
但是差动式变压器初级线圈和次级线圈的互感系数是可变的，当铁芯处于中间位置时，差动次级输出为0，当铁芯上下移动，互感系数变化，根据次级输出可以计算出铁芯的位移，由此可以测量诸如位移、速度等物理量；而一般的电源变压器互感系数固定，主要用于把输入低压变为高压输出或把输入低压变为高压输出。
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。
二、基本原理
利用电容C＝εA／d的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传感器。
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，如图3-6所示：
由二个圆筒和一个圆柱组成。
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=ε22X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明C与位移X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图3-6电容式位移传感器结构
三、实验器材
主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤
图3-7电容传感器位移实验原理图
1、按图3-8将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1接主机箱电压表的Ｖin。
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（显示选择）开关打到２ｖ档，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（向同一个方向）5圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；
此后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数，共转10圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）；将数据填入表3-7并作出Ｘ—Ｖ实验曲线。
X（mm）
9.78
9.28
8.78
8.28
7.78
7.28
6.78
6.28
5.78
5.28
V（mv）
-357
-296
-217
-144
-72
-4
64
131
196
262
表3-7电容传感器位移与输出电压值
实验曲线如下
4、根据表3-7数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差
，
，
；
，
，
。
五、思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
答：
由于是测谷物的湿度的，当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，当电容的S与D为恒定值时C=f（ε）,稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。
在设计过程中应考虑：
感应器是否于谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间穿过，而且要注意直板传感器的边缘效应。
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）
5
7
12
15
17
20
25
V（p-p）
0.178
0.676
1.011
0.618
0.516
0.425
0.309
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）
4.25
4.35
4.45
4.55
4.65
4.75
4.85
4.95
5.05
V（v）
0
0
0
0
0.01
0.09
0.18
0.28
0.38
X（mm）
5.15
5.25
5.35
5.45
5.55
5.65
5.75
5.85
5.95
V（v）
0.48
0.58
0.69
0.79
0.90
0.99
1.20
1.30
1.43
X（mm）
6.05
6.15
6.25
6.35
6.45
6.55
6.65
6.75
6.85
V（v）
1.56
1.68
1.79
1.91
2.05
2.18
2.39
2.44
2.57
X（mm）
6.95
7.05
7.15
7.25
7.35
7.45
7.55
7.65
7.75
V（v）
2.72
2.86
3.00
3.12
3.28
3.43
3.58
3.72
3.86
X（mm）
7.85
7.95
8.05
8.15
8.25
8.35
8.45
8.55
8.65
V（v）
4.01
4.14
4.32
4.43
4.59
4.74
4.89
5.05
5.15
X（mm）
8.75
8.85
8.95
9.05
9.15
9.25
9.35
9.45
9.55
V（v）
5.32
5.46
5.58
5.71
5.88
6.0
6.12
6.27
6.42
X（mm）
9.65
9.75
9.85
9.95
10.05
10.15
10.25
10.35
10.45
V（v）
6.54
6.66
6.78
6.91
7.03
7.14
7.26
7.33
7.44
X（mm）
10.55
10.65
10.75
10.85
10.95
11.05
11.15
11.25
11.35
V（v）
7.59
7.70
7.79
7.88
7.96
8.02
8.18
8.21
8.25
X（mm）
11.45
11.55
11.65
11.75
11.85
V（v）
8.44
8.53
8.59
8.59
8.59
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。
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）
13
13.2
13.4
13.6
13.8
14
14.2
14.4
V（mV）
-1217
-1096
-976
-849
-719
-595
-465
-346
X（mm）
14.6
14.8
15.0
15.2
15.4
15.6
15.8
16.0
V（mV）
-230
-109
0.02
116
222
324
424
507
X（mm）
16.2
16.4
16.6
16.8
17.0
V（mV）
579
635
677
716
748
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）
2
3
4
5
6
转速
380
620
840
1070
1280
电压（v）
7
8
9
10
11
转速
1520
1750
1970
2200
2410
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器测电机转速
一、实验目的
了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理
基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中的感应电势：
发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次变化，通过放大、整形和计数等电路即可测量转速。
三、实验器材
主机箱、磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤
磁电式转速传感器不用接电源，其余和实验十七相同。
数据记录：
电压（v）
2
3
4
5
6
转速
700
810
950
1120
1310
电压（v）
7
8
9
10
11
转速
1520
1730
1920
1980
2270
画出电机v~n特性曲线：
五、思考题
为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由么？
磁电式转速传感器是利用旋转体改变磁路，使磁通量发生变化，从而使其线圈产生感应电压，如果转速很慢，旋转体改变磁路也很慢，磁通量的变化也很慢，感应电压就会很小，就无发正确地测定转速。
传感器第四次实验
实验二十七发光二极管（光源）的照度标定实验
一、实验目的
了解发光二极管的工作原理；做出工作电流与光照度的对应关系及工作电压与光照度的对应关系曲线，为以后实验做好准备。
二、基本原理
半导体发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物制成，其核心是PN结。
因此它具有一般二极管的正向导通及反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还有发光特性。
当加上正向激励电压或电流时，在外电场的作用下，在PN结附近产生导带电子和介带空穴，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，再与空穴复合，每次释放的能量不大，以热能的形式辐射出来。
发光的复合量相对于非发光的复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光，所以光仅在靠近PN结面数um以内产生。
发光二级管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。
本实验使用纯白高亮发光二极管。
三、实验器材
主机箱（0~20mv可调恒流源、电流表、0~24V可调电压源、照度表），照度计探头，发光二极管，遮光筒。
四、实验步骤
1、按照示意图7-2接线，注意+、—极性。
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
3、调节主机箱中恒流源电流大小（电压表量程20mA档），即改变发光二极管的工作电流大小就可以改变光源的光照度值。
拔去发光二极管的其中一根线头，则光照度为0。
按表7-1进行标定实验（调节恒流源），得到照度~电流对应值。
4、关闭主机箱电源，再按图7-3配置接线，注意+、—极性。
5、合上主机箱电源，调节主机箱的0~24v可调电压（电压表量程2v档）就可以改变发光
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