传感器实验报告.docx
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传感器实验报告
实验一、二、三应变片单臂、半桥、全桥特性实验
一、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。
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。
二、实验结果
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
单臂电压（mv）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
半桥电压（mv）
0
3
4
6
8
10
12
14
16
18
20
全桥电压（mv）
0
2
6
10
12
16
18
21
25
29
32
三、实验分析
根据表中数据画出实验曲线后，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ（用最小二乘法），δ=Δm/yFS×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：
yFS满量程输出平均值，此处为200g。
四、思考题
1、ΔR转换成ΔV输出用什么方法?
通过电阻的分压，将电阻两端的电压测量出来经过差动放大器。
从而将ΔR转换成ΔV。
2、根据图4机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变方向（是拉?
还是压?
+压变大）。
所连接的应变片电阻中，带有符号↑是拉伸，电阻会变大；带有符号↓的是压缩，电阻会减小。
3、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应接在：
（1）对边?
（2）邻边?
为什么?
应该接在邻边，这样能保证测量的灵敏度，同时能使一些去除干扰因素的影响。
4、应变片组桥时应注意什么问题?
要注意应变片的受力状态和接入电路时的位置。
实验五应变直流全桥的应用—电子秤实验
一、实验原理
常用的称重传感器就是应用了箔式应变片与其全桥测量电路。
数字电子秤实验原理如图5—1。
本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。
图5—1数字电子称原理框图
二、实验结果
表5电子称实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
-1.7
-3.7
-5.6
-7.7
-9.7
-11.6
-13.8
-15.9
-15.9
-20
二、实验分析
实验八移相器、相敏检波器实验
一、实验原理
1、移相器工作原理：
图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的面板图。
图中，IC-1、R1、R2、R3、C1
图8—1移相器原理图与面板图
构成一阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：
KF1（jω）=Vi/V1=-（1-jωR3C1）/（1+jωR3C1）
KF1（ω）=1
ΦF1（ω）=-л-2tg-1ωR3C1
其中：
ω=2лf,f为输入信号频率。
同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：
KF2（jω）=Vo/V1=-（1-jωRwC3）/（1+jωRwC3）
KF2（ω）=1
ΦF2（ω）=-л-2tg-1ωRwC3
由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。
根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f与电路中阻容元件的数值有关。
显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：
即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1
若调整移相电位器Rw，则相应的移相X围为：
ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3
已知R3=10KΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定，即
可计算出图8—1所示二阶移相器的初始移相角和移相X围。
2、相敏检波器工作原理：
图8—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验箱主板上的面板图。
图中，AC为交流参考电压输入端，DC为直流参考电压输入端，Vi端为检波信号输入端，Vo端为检波输出端。
图8—2相敏检波器原理图与面板图
原理图中各元器件的作用：
C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V～-14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0～-14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。
关键点：
Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。
当V7＝0V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。
相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。
下图8—3为相敏检波器的工作时序图。
图8—3相敏检波器工作时序图
三、实验结果与数据分析
相敏检波器的输出波形随着移相电位器的改变而改变。
四、思考题
移相器能够改变系统的相频响应，而相敏检波器能够同时鉴别幅度特性和相位特性。
实验九应变片交流全桥的应用（应变仪）—振动测量实验
一、实验原理
图9—1是应变片测振动的实验原理方块图。
当应变梁的振动台受到F（t）作用而振动，使粘贴在应变梁上的应变片产生应变信号dR/R，应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波，再经差动放大器放大为u1（t），u1（t）经相敏检波器检波解调为u2（t），u2（t）经低通滤波器滤除高频载波成分后输出应变片检测到的振动信号u3（t）（调幅波的包络线），u3（t）可用示波器显示。
图中，交流电桥就是一个调制电路，W1、r、W2、C是交流电桥的平衡调节网络，移相器为相敏检波器提供同步检波的参考电压。
这也是实际应用中的动态应变仪原理。
图9—1应变仪实验原理方块图
二、实验结果
表9应变交流全桥振动测量实验数据
f（Hz）
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Vo（p-p）
176
136
216
240
272
280
272
232
256
264
三、实验分析
实验十压阻式压力传感器的压力测量实验
一、实验原理
扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，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。
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多个半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）组成电桥。
在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
图10—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。
图10—1压阻式压力传感器压力测量实验原理
二、实验结果
表10压阻式压力传感器测压实验数据
P（KPa）
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Vo（p-p）
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
三、实验分析
实验十一电容式传感器的位移实验
一、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X围宽、稳定性高。
如图11—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11-1实验电容传感器结构
1、测量电路（电容变换器）：
如图11—2所示，测量电路的核心部分是图11—3的电路
图11—2电容测量电路
图11—3二极管环形充放电电路
在图11—3中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C5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C5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）（11—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、C5、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）（11—2）
当然，（11—1）式和（11—2）式是在C5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C5的充放电回路由图11—3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ａQ2＝CX1（E2-E1）点的电荷量为：
Ｑ＝Q2-Q1＝（CX1-CX2）（E2-E1）＝△CX△E（11—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（11—4）
式中：
△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。
由（11—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C6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。
1、电容式位移传感器实验原理方块图如图11—4
图11—4电容式位移传感器实验方块图
二、实验结果
表11电容传感器测位移实验数据
X（mm）
20
19.5
19
18.5
18
17.5
17
16.5
16
15.5
15
14.5
14
13.5
13
12.5
12
11.5
11
10.5
V（v）
1.01
1.01
1
0.99
0.99
0.98
0.97
0.96
0.94
0.93
0.92
0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.79
0.76
0.73
0.69
10
9.5
9
8.5
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.63
0.57
0.49
0.4
0.29
0.18
0.06
-0.05
-0.18
-0.3
-0.43
-0.56
-0.7
-0.83
-0.94
-0.95
-0.8
-0.88
-0.94
-0.96
-1.01
三、实验分析
实验十二差动变压器的性能实验
一、实验原理
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。
差动变压器的结构如图
12—1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3与一个衔铁4组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图12—2所示。
图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：
L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，
图12—1差动变压器的结构示意图图12—2差动变压器的等效电路图
两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。
在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。
同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
由图12—2可以看出一次绕组的电流为：
二次绕组的感应动势为：
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
其有效值为：
差动变压器的输出特性曲线如图12—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。
其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。
Eo为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以与铁心位置等因素所造成的。
零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图12—3 差动变压器输出特性1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数与磁路的对称。
磁性材料要经过处理，
消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。
既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。
图12—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。
在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。
（a）（b）（c）
图12—4 减小零点残余电动势电路
二、实验结果
表12差动变压器性能实验数据
△X（mm）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Vp-p（mV）
1.6
1.52
1.48
1.4
1.36
1.32
1.24
1.2
1.16
1.12
1.08
三、实验分析
四、思考题：
1.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
差动变压器的工作原理类似一般电源变压器的作用原理，差动变压器在使用时采用了两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同，由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
2.用直流电压激励会损坏传感器。
为什么？
因为是差动变压器的输出电压可正可负。
3.如何理解差动变压器的零点残余电压？
用什么方法可以减小零点残余电压？
这是由于差动变压器制作上的不对称以与铁心位置等因素所造成的。
减小零点残余电压可以：
1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数与磁路的对称。
2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。
实验十三激励频率对差动变压器特性的影响
一、实验原理
差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：
=
表示,式中Lp、Rp为初级线圈电感和损耗电阻，
、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
二、实验结果
表13差动变压器幅频特性实验数据
F（Hz）
1KHz
2KHz
3KHz
4KHz
5KHz
6KHz
7KHz
8KHz
9KHz
Vp-p
1.26
2.44
3.36
4.8
7.84
10.6
4.32
2.16
1.36
三、实验分析
实验十四差动变压器零点残余电压补偿实验
一、实验原理
由于差动变压器次级二线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，铁芯B－H特性的非线性等，造成铁芯（衔铁）无论处于线圈的什么位置其输出电压并不为零，其最小输出值称为零点残余电压。
在实验四（差动变压器的性能实验）中已经得到了零点残余电压，用差动变压器测量位移应用时一般要对其零点残余电压进行补偿。
补偿方法阅读实验四（二、基本原理），本实验采用（c）补偿线路减小零点残余电压。
二、实验结果
△X（mm）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Vp-p（mV）
1900
1740
1500
1240
920
580
280
520
880
1240
1480
1680
1860
三、实验分析
实验十五差动变压器测位移实验
一、实验原理
差动变压器的工作原理参阅实验四（差动变压器性能实验）。
差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量X围内的死区。
图15—1是差动变压器测位移原理框图。
图15—1差动变压器测位移原理框图
二、实验结果
表15差动变压器测位移实验数据
X（mm）
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
V（mv）
-30
-24
-18
-12
-6
0
4
10
16
22
28
三、实验分析
四、思考题：
差动变压器输出经相敏检波器检波后是否消除了零点残余电压和死区？
从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗?
实验完毕关闭所有电源开关。
从实验结果来看没有消除零点残余电压和死区。
但应该是实验的误差所致。
从实验中不能理解鉴相特性，因为想要理解的话需要多个
值，而该图表中只显示了其中的一个
值
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验原理
压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、 压电效应：
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1（a）、（b）、（c）所示。
这种现象称为压电效应。
（a）（b）（c）
图21—1压电效应
2、压电晶片与其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2（a）所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻（也称漏电阻）虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2（b）所示。
其中ea=Q/Ca 。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
压电晶片并联时如图21—2（c）所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
（a）压电晶片 （b）等效电荷源
（c）并联 （d）压电式加速度传感器
图21—2 压电晶片与等效电路
压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。
根据图21—2（b）可知测试中也可取等效电容Ca 上的电压值，作为压电传感器的输出。
因此，压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2（d）是压电式加速度传感器的结构图。
图中，M是惯性质量块，K是压电晶片。
压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。
在压电晶片K上，放有质量块M。
当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力F＝Ma。
当质量M一定时，压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
4、压电式加速度传感器和放大器等效电路
压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器所配接的放大器有两种结构形式：
一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。
电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容Cc敏感。
当电缆长度变化时，Cc就变化，使得放大器输入电压ei变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。
电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。
它是一个高增益带电容反馈的运算放大
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