光电学院《传感器技术》实验指导书版.docx

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光电学院《传感器技术》实验指导书版

传感器技术实验指导书

实验室名称：

测控与传感器实验室

（2）

实验室房号：

A主1109

重庆大学光电工程学院

2016.3

实验一电容式传感器原理与使用

一、实验目的：

了解差动式同轴变面积电容式传感器的原理、结构、特点及应用。

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。

电容传感器结构图

2、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下图

的二极管环路充放电电路。

二极管环形充放电电路

在图中，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）

（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）

（2）

当然，

（1）式和

（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（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（4）

式中：

△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。

由（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。

3、电容式位移传感器实验原理方块图如下图

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：

附：

测微头的组成与使用

测微头组成和读数如图

测位头组成与读数示意图

测微头组成：

测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。

测微头读数与使用：

测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1mm／格），另一排是半毫米刻线（0.5mm／格）；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（0.01mm／格）。

用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。

微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01mm，这也叫测微头的分度值。

测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如上图甲读数为3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如上图乙已过零则读2.514mm；如上图丙未过零，则不应读为2mm，读数应为1.980mm。

测微头使用：

测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10mm处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。

当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

1、按示意图安装、接线。

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），将数据填入下表（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。

表16电容传感器位移实验数据

X（mm）

V（mV）

4、根据数据作出△X—V实验曲线并截取线性比较好的线段计算灵敏度S=△V／△X和非线性误差δ,指出线性测量范围，分析产生非线性现象的原因。

五、扩展问题：

本实验怎样提高系统灵敏度？

实验完毕关闭电源开关。

注：

传感器专用插头（黑色航空插头）的插、拔法：

插头要插入插座时，只要将插头上的凸锁对准插座的平缺口稍用力自然往下插；插头要拔出插座时，必须用大姆指用力往内按住插头上的凸锁同时往上拔。

实验二电阻应变片与直流电桥

一、实验目的：

了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

二、基本原理：

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弹性元件的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。

它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。

1、应变片的电阻应变效应

　　所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：

设其长为：

L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得

（1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式

（1）全微分得电阻变化率dR/R为：

（2）

式中：

dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr 

由材料力学得：

                εL=-μεr         （3）

式中：

μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式（3）代入式

（2）得：

（4）

式（4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度

   它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

（1）、金属导体的应变灵敏度K：

主要取决于其几何效应；可取

（5）

其灵敏度系数为：

K=

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

（2）、半导体的应变灵敏度：

主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。

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。

不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

   半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

3、贴片式应变片应用

在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。

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半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右

的金属丝或金属箔制成，如图所示。

（a）丝式应变片                                       （b）箔式应变片

应变片结构图

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，与丝式应变片工作原理相同。

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

ΔR／R＝Kε式中：

ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。

5、测量电路

  为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂（半桥）和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如图（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

应变片单臂电桥性能实验原理图

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平