传感器检测技术实验报告修改版.docx
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传感器检测技术实验报告修改版
湖南交通工程学院
《传感器与检测技术》
实验报告
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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
1.1
2.1
3.1
4.2
5.3
6.4
7.5
8.5
9.6
10.7
拟合值（mv）
-0.03
1.04
2.10
3.18
4.25
5.32
6.39
7.46
8.53
9.60
10.67
|△mx|
0.03
0.06
0
0.08
0.05
0.02
0.01
0.04
0.03
0
0.03
由matlab拟合结果得到，其相关系数为0.9998，拟合度很好，说明输出电压与应变计上的质量是线性关系，且实验结果比较准确。
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：
（1）负（受压）应变片；因为应变片受压，所以应该选则
（2）负（受压）应变片。
实验二金属箔式应变片——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
5
9
13
18
22
27
31
36
40
45
拟合值（mv）
0.045
4.51
8.97
13.44
17.90
22.37
26.83
31.29
35.76
40.22
44.69
|△mx|
0.045
0.49
0.03
0.44
0.10
0.37
0.17
0.29
0.24
0.22
0.31
由matlab拟合结果得到，其相关系数为0.9995，比上个实验中的单臂电桥线性度差，跟理论存在误差。
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倍可以看出，但非线性度却高于单臂电桥。
按照实验结果，对于灵敏度的测量时符合理论值的，但是非线性误差是有误的，分析其原因可能是测量过程中的仪器调节、读数误差、以及仪器本身存在的问题。
我们在做实验的过程中，仪器存在一定问题，总是很难调节或者得到稳定的数据，不够精准。
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。
因为电桥平衡的条件为：
R1
R3=R2
R4。
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，如图2-8，能否如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图2-8受拉力时应变式传感器圆周面展开图
答：
能够利用它们组成电桥。
（a）图中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。
任意选取两个电阻接入电桥的对边，输出为两倍的横向应变，并选取外加电阻使电桥平衡；
（b）图中R3、R4应变片检测试件纵向拉力，R1、R2检测横向拉力，可以选取R3、R4接入电桥对边，输出为两倍的纵向应变。
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
基本原理如图2-9（a）、（b）、（c）。
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。
注意：
比较实验中，（a）、（b）、（c）放大电路的放大器增益必须相同。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图2-9应变电桥
1单臂
U0＝U1－U3
＝〔（R1＋△R1）/（R1＋△R1＋R2）－R4/（R3＋R4）〕E
＝〔（1＋△R1/R1）/（1＋△R1/R1＋R2/R2）－（R4/R3）/（1＋R4/R3）〕E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1/R1<<1。
U0≈（1/4）（△R1/R1）E
所以电桥的电压灵敏度：
S＝U0/（△R1/R1）≈kE＝（1/4）E
②半桥
U0≈（1/2）（△R1/R1）E
S＝（1/2）E
③全桥
U0≈（△R1/R1）E
S＝E
答：
由以上可以看出，在灵敏度方面全桥的灵敏度最高，半桥次之，单臂最差，非线性度，单臂的非线性度最高即线性度最差，全桥的线性度最好
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
。
如前所述，由于外界因素，导致我们的非线性误差的计算存在很大偏差，但是就根据理论分析来看，全桥利用差动技术，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。
全桥利用差动技术，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
电阻应变片的温度影响主要有两个方面。
敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致而产生附加应变。
当温度变化时，即使被测体受力状态不变，输出也会有变化。
①按照全桥性能实验步骤，将200g砝码放在砝码盘上，在数显表上读取数值Uo1。
②将主机箱中直流稳压电源＋5V、地（⊥）接于实验模板的加热器＋6V、地（⊥）插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot。
（Uot-U01）即为温度变化的影响。
温度变化产生的相对误差：
2如何消除金属箔式应变片温度影响？
答：
可以采用温度自补偿法或者桥路补偿法。
实验三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
V（mv）
16
45
74
103
138
172
196
225
257
286
拟合值（mv）
15.33
45.53
75.73
105.93
136.13
166.33
196.53
226.73
256.93
287.13
|△mx|
0.67
0.53
1.73
2.93
1.87
5.67
0.53
1.73
0.07
1.13
X（mm）
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
V（mv）
16
38
71
98
127
150
181
210
237
263
拟合值（mv）
14.11
41.89
69.67
97.45
125.23
153.01
180.79
208.57
236.35
264.13
|△mx|
1.89
3.89
1.33
0.55
1.77
3.01
0.21
1.43
0.65
1.13
实验曲线如下：
从图可以看出，数据基本呈线性，关于x=0对称的，在零点时存在一个零点误差，即零点残余电压，在15mv左右。
位移为1mm时，灵敏度为151V/m，非线性度δ=
=
；
位移为-1mm时，灵敏度为138.9V/m，非线性度δ=
=
由上式得到的非线性度可知，差动式变压器输出的非线性较好。
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：
受导线的驱肤效应和铁损等的影响，若频率过大超过某一数值时（该值视铁心材料而定）将会导致灵敏度下降。
2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：
相同点：
都利用了电磁感应原理。
不同点：
一般变压器为闭合磁路，初、次级间的互感为常数；
差动变压器为开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。
实验四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）
16.741
16.241
15.741
15.241
14.741
14.241
13.741
13.241
12.741
12.241
V（mv）
-316
-248
-188
-120
-60
-10
57
119
178
236
拟合值（mv）
-287
-230
-174
-118
-61
-5
51
107
163
220
|△mx|
29
18
14
2
1
5
6
12
15
16
X（mm）
11.741
11.241
10.741
10.241
9.741
9.241
8.741
8.241
7.741
7.241
V（mv）
293
350
408
461
514
565
618
665
693
740
拟合值（mv）
276
332
389
445
501
557
614
670
726
783
|△mx|
17
18
19
16
13
8
4
15
33
37
表3-7电容传感器位移与输出电压值
实验曲线
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
V/m
δ=
=
；
五、思考题
试设计利用
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：
原理：
测谷物的湿度时，稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，当电容的A与d为恒定值，C=f（
）中
发生变化。
结构：
传感器为上下两个极板，谷物从传感器之间穿过。
考虑因素：
感应器是否与谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间穿过以及直板传感器的边缘效应。
实验五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）
0.179
0.572
1.087
0.794
0.687
0.586
0.472
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。
T=106ms
实验六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）
13.605
13.705
13.805
13.905
14.005
14.105
14.205
14.305
14.405
V（v）
0
0
0
0
0.01
0.09
0.18
0.28
0.38
X（mm）
14.505
14.605
14.705
14.805
14.905
15.005
15.105
15.205
15.305
V（v）
0.48
0.58
0.69
0.79
0.90
0.99
1.20
1.30
1.43
X（mm）
15.405
15.505
15.605
15.705
15.805
15.905
16.005
16.105
16.205
V（v）
1.56
1.68
1.79
1.91
2.05
2.18
2.39
2.44
2.57
X（mm）
16.305
16.405
16.505
16.605
16.705
16.805
16.905
17.005
17.105
V（v）
2.72
2.86
3.00
3.12
3.28
3.43
3.58
3.72
3.86
X（mm）
17.205
17.305
17.405
17.505
17.605
17.705
17.805
17.905
18.005
V（v）
4.01
4.14
4.32
4.43
4.59
4.74
4.89
5.05
5.15
X（mm）
18.105
18.205
18.305
18.405
18.505
18.605
18.705
18.805
18.905
V（v）
5.32
5.46
5.58
5.71
5.88
6.0
6.12
6.27
6.42
X（mm）
19.005
19.105
19.205
19.305
19.405
19.505
19.605
19.705
19.805
V（v）
6.54
6.66
6.78
6.91
7.03
7.14
7.26
7.33
7.44
X（mm）
19.905
20.005
20.105
20.205
20.305
20.405
20.505
20.605
20.705
V（v）
7.59
7.70
7.79
7.88
7.96
8.02
8.18
8.21
8.25
X（mm）
20.805
20.905
21.005
21.105
21.205
V（v）
8.44
8.53
8.59
8.59
8.59
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]
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）。
最佳工作点
测量范围1mm：
灵敏度：
V/m
非线性度：
yFs=1.41所以
δ=
=
；
测量范围3mm：
灵敏度：
V/m
非线性度：
yFs=4.15
δ=
=
；
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：
所测量的位移在所选的传感器量程范围内。
实验七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
图5-1霍尔传感器（直流激励）实验原理图
1、按图5-2示意图接线（实验模板的输出Vo1接主机箱电压表的Vin），将主机箱上的电压表量程（显示选择）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位移，记录电压表读数作为实验起始点；
再反方向调节测微头，每增加0.2mm记下一个读数（建议做4mm位移），将读数填入表5-1。
表5-1
X（mm）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
V（mV）
-1617
-1308
-975
-664
-337
-6
309
684
X（mm）
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
V（mV）
1011
1362
1755
2110
2540
2920
3330
3790
X（mm）
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
V（mV）
4180
4670
5050
5360
5660
5910
作出V－X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。
实验完毕，关闭电源。
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。
实验八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：
UH＝KH·IB，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次。
每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形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
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