传感器实验指导书文档格式.docx
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直流稳压电源+4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、半导体应变计、螺旋测微仪、数字电压表、应变加热器。
五、实验步骤：
1、差动放大器调零。
连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“-”输入端对地用实验线短路。
输出端接电压表2V档。
开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
（图1）
2、观察贴于悬臂梁根部的箔式应变计的位置与方向，按图
（1）将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），注意连接方式，勿使直流激励电源短路。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。
调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。
4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：
位移mm
电压V
5、依次将图
（1）中的固定电阻R1，换接应变计组成半桥、将固定电阻R2、R3，换接应变计组成全桥。
6、重复3-4步骤，完成半桥与全桥测试实验。
7、用半导体应变片替换箔式应变片，重复2-3步骤。
8、根据表中所测数据在同一坐标上描出V-X曲线，计算灵敏度S：
S=
，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
9、观察改用交流激励电源时应变片的工作特性。
六、注意事项：
1、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。
2、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。
3、应变片接入桥路时，要注意应变片的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。
4、更换应变片时应将电源关闭。
七、思考题
1、本实验对直流稳压电源和差动放大器有何要求？
2、应变片桥路（差动电桥）连接应注意哪些问题？
3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差的主要原因是什么？
4、箔式应变片和半导体应变片在工作原理和性能上有什么区别？
5、用交流和直流作为激励电源时，传感器的性能有何变化？
实验二应变片温度效应及补偿实验
1、了解温度对应变测试系统的影响；
2、熟悉箔式应变电桥和半导体应变电桥的温度特性；
3、掌握应变片温度补偿原理及方法。
当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。
因此，当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出也会有变化。
为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。
本实验中采用的是电桥补偿法（又称补偿片法），而补偿片法是应变片补偿方法中的一种，如图
（2）所示，R1为工作应变片，R2为补偿应变片，R1与R2是完全相同的，因此当温度变化时，两个应变片的电阻变化△R1与△R2的符号相同，数量相等，R1R4=R2R3，电桥仍满足平衡条件，电桥无输出，工作时补偿片则不感受应变。
（图2）（图3）
贴于双平行悬臂梁（或双孔悬臂梁）上的温度补偿片（一片）、金属箔式应变片（一片）、半导体应变片（一片）、直流稳压电源（+4V），应变式传感器实验模块、电压表、应变片加热器（双平行悬臂梁的加热开关位于主机面板的温控单元）、温度计（自备）
1、按图（3）接成单臂应变电桥，开启主机电源，调整系统输出为零。
记录环境温度。
2、开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（加热器加热温度约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出大致的温飘△V/△T，然后关闭加热电源，待其冷却。
4、将电桥中接入的一个固定电阻换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整系统输出为零。
5、开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，求出温飘，然后与未进行补偿时的电路进行比较。
6、按图（3）接成单臂应变电桥，开启“应变加热”电源，分别测得箔式应变电桥与半导体应变电桥的温飘，进行温度特性比较。
1、在箔式应变片接口中，从左至右6片箔式片分别是：
第1、3工作片与第2、4工作片受力方向相反，第5、6片为上、下梁的补偿片，请注意应变片接口上所示符号表示的相对位置。
2、“应变加热”源温度是不可控制的，只能达到相对的热平衡。
1、箔式应变片温度误差产生的原因是什么？
有哪些补偿方法？
它们之间有什么区别？
2、补偿片法作为应变片温度补偿法中的一种，能否完全进行温度补偿？
为什么？
3、归纳比较箔式应变片与半导体应变片的温度特性。
实验三半导体霍尔式传感器的特性－
交直流激励、振幅测量实验
1、了解霍尔式传感器的原理与特性；
2、了解交流激励时霍尔式传感器的特性；
3、了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。
根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB。
当霍尔元件通以恒定电流处在梯度磁场中运动时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。
利用这一性质可以进行位移测量。
（图4）
霍尔传感器、直流稳压电源（2V）、霍尔传感器实验模块、电压表、测微仪、音频信号源、公共电路实验模块、螺旋测微仪、示波器、低频信号源、激振器（I）
（一）直流激励特性
1、安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，霍尔元件另一激励端接地，实验接线按图（4）所示，差动放大器增益10倍左右。
2、用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。
3、从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：
Xmm
V0mv
作出V-X曲线，求得灵敏度和线性工作范围。
如出现非线性情况，请查找原因。
（二）交流激励特性
1、连接主机与实验模块电源线，按图（5）接好实验电路，差动放大器增益适当，音频信号输出从180°
端口（电压输出）引出，幅度Vp-p≤4V，示波器两个通道分别接相敏检波器①、②端。
（图5）
2、开启主机电源，按交流全桥的调节方式调节移相器及电桥，使霍尔元件位于磁场中间时输出电压为零。
3、调节测微仪，带动霍尔元件在磁场中前后各位移3.5mm，记录电压读数并记入下表：
Vmv
作出V-X曲线，求出灵敏度，并与直流激励测试系统进行比较。
（三）振幅测量
1、将梯度磁场安装到主机振动平台旁的磁场安装座上，霍尔元件连加长杆插入振动平台旁的支座中，调整霍尔元件于梯度磁场中间位置。
按
（一）连接实验连接线。
2、激振器开关倒向“激振I”侧，振动台开始起振，保持适当振幅，用示波器观察输出波形。
3、提高振幅，改变频率，使振动平台处于谐振（最大）状态，示波器可观察到削顶的正弦波，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电势不再随位移量的增加而增加。
4、重按
（二）接线，调节移相器、电桥，使低通滤波器输出电压波形正负对称。
5、接通“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，试解释激励源为交流且信号变化也是交流时需用相敏检波器的原因。
1、直流激励电压只能是2V，不能接+2V（4V）否则锑化铟霍尔元件会烧坏。
2、交流激励信号勿从00或LV端口输出。
1、什么是霍尔效应？
霍尔元件常用什么材料？
2、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？
3、交直流激励时，霍尔式传感器测量位移有什么区别？
4、在振幅测量中，移相器、相敏检波器、低通滤波器各起什么作用？
实验四差动变压器的性能实验
1、了解差动变压器的基本结构及原理，验证差动变压器的基本特性；
2、了解差动变压器零点残余电压产生的原因及补偿方法；
3、了解差动变压器的实际应用。
电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器，差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架组成，初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器原边。
次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图（6）。
（图6）
由于零点残余电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，此电压经过放大器还会使放大器未级趋向饱和，影响电路正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿使之减小。
零点残余电压中主要包含两种波形成份：
a、基波分量：
这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。
b、高次谐波：
主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
减少零点残余电压的办法是：
（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。
（2）采用相敏检波电路。
（3）选用补偿电路。
差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器、公共电路实验模块、电压/频率表、砝码、振动平台
1、按图（7）接线，差动变压器初级线圈必须从音频信号源LV功率输出端接入，二个次级线圈串接。
双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv/格。
2、打开主机电源，调整音频输出信号频率，输出Vp-p值2V，以示波器第二通道观察到的波形不失真为好。
（图7）
3、前后移动改变变压器磁芯在线圈中位置，观察示波器第二通道所示波形能否过零翻转，否则改变接次级二个线圈的串接端序。
4、用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动，从示波器中读出次级输出电压Vp-p值，同时注意初次级线圈波形相位。
电压Vp-p
根据表格所列结果，作出V-X曲线，指出线性工作范围。
5、仔细调节测微仪使次级输出波形无法再小时，即为差动变压器零点残余电压，提高示波器第二通道灵敏度，观察零点残余电压波形，分析其频率成分。
（图8）
6、按图（8）接线，示波器第一通道500mv/格，第二通道1V/格，（根据波形大小适当调整）差动放大器增益置最大。
7、打开主机电源，调节音频输出频率，以第二通道波形不失真为好（为此音频信号频率可调至10KHZ左右），音频幅值Vp-p=2V。
调节铁芯在线圈中的位置，使差动放大器输出的电压波形最小，再调节电桥中WD、WA电位器，使输出更趋减小。
1、提高示波器二通道灵敏度，将零点残余电压波形与激励电压波形作比较。
（图9）
9、将模块单元上的电感传感器拆下安装在主机振动平台旁的支架上，铁心安装在振动圆盘的固定螺丝上，仔细调节，使之能自由振荡，电感连接线不够长可串接。
按（图9）接线并调节电桥WD、WA电位器使系统输出电压为零。
10、激振选择开关倒向“激振I”，开启主机电源，调节低频信号源，使铁芯在振动台的带动下在线圈中上下振动。
11、维持低频信号源输出信号幅值不变，改变振荡频率从5Hz~30Hz（用频率表监控低频VO端），示波器观察低通滤波的输出，将各激振频率下Vp-p值记入下表：
F（Hz）
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
18
20
22
24
26
30
V0p-p
作出V-F曲线，指出安装平台的悬臂梁的自振频率。
1、示波器第二通道为悬浮工作状态（即示波器探头二根线都不接地）。
2、音频信号频率一定要调整到次级线圈输出波形基本无失真，否则由于失真波形中有谐波成分，补偿效果将不明显。
3、此电路中差动放大器的作用是将次级线圈的二端输出改为单端输出。
4、仪器中上、下两副悬臂梁因尺寸不同，所以固有振动频率不是一样的。
5、电感线圈的位置可根据实验需要调节螺杆稍上下位置，以静止时铁心置于线圈中间位置为好。
1、简述差动变压器的工作原理，并说明差动变压器与一般普通变压器有什么区别？
2、差动变压器零点残余电压产生是如何产生的？
如何消除零点残余电压？
实验五热敏电阻测温实验
1、了解热敏电阻测温原理及应用；
2、了解铂热电阻的特性及应用；
3、了解集成温度传感器的原理及应用。
1、热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。
RT=AeB/T，它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。
2、Pt100铂热电阻的电阻值在0℃时为100Ω，测温范围一般为-200~650℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）
式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值
RO——铂热电阻在0℃时的电阻值
A——系数（=3.96847×
10-31/℃）
B——系数（＝-5.847×
10-71/℃2）
（图10）
将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。
3、用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1μA/K的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接显示℃温度值。
MF型热敏电阻、温控电加热器、温度传感器实验模块、电压表、温度计、铂热电阻（Pt100）、加热炉、温控器、集成温度传感器。
热敏电阻
1、观察已置于加热炉上的热敏电阻，温度计置于与传感器相同的感温位置。
连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，热敏电阻测温电路输出端接数字电压表。
2、打开主机电源，调节模块上的热敏转换电路电压输出电压值，使其值尽量大但不饱和。
3、设定加热炉加热温度后开启加热电源。
4、观察随温度上升时输出电压值变化，待温度稳定后将V-T值记入下表。
5、作出V-T曲线，得出用热敏电阻测温结果的结论。
铂热电阻
1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于热电阻旁感受相同的温度。
2、开启主机电源，调节铂热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时产生自热其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。
3、开启加热炉，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（实验时主机温度表上显示的温度值是加热炉的炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。
并记录数据填入下表。
4、做出V-T曲线，观察其工作线性范围。
集成温度传感器
1、观察置于加热炉上的集成温度传感器，温度计置于传感器同一感温处。
连接主机与实验模块电源，按图标对应连接传感器接口与处理电路输入端，输出端接电压表。
2、打开主机电源，根据温度计示值调节转换电路电位器，使电压表（2V档）所示当前温度值（已设定电压显示值最后一位为1/10℃值，如电压表2V档显示0.256就表示25.6℃）。
3、开启加热开关，设定加热器温度，观察随温度上升，电路输出的电压值，记录数据填入下表，并与温度计显示值比较，得出定性结论。
℃
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
热敏电阻VT
铂热电阻VT
集成
温度
VT
℃VT
1、加热炉温度请勿超过200℃，以免损坏传感器的包装。
当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做温度实验时需用热电偶来控制加热炉温度。
2、热敏电阻感受到的温度与温度计上的温度相同，并不是加热炉数字表上显示的温度。
而且热敏电阻的阻值随温度不同变化较大，故应在温度稳定后记录数据。
3、因为热敏电阻负温度特性呈非线性，所以实验时建议多采几个点。
1、简述热敏电阻测温的工作原理。
2、试比较实验中三种温度传感器的性能。
实验六光纤位移传感器实验
1、熟悉光纤的结构及传光原理；
2、了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
反射式光纤传感器工作原理如图11所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。
（图11）
光纤（光电转换器）、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋测微仪、反射镜片、安装支架、低频信号源。
1、观察光纤结构：
本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2、连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。
3、开启主机电源，光电变换器V0端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片（如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时V0输出≈0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值并记入下表：
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
位移距离如再加大，就可观察到光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，作出V-X曲线，通常测量用的是线性较好的前坡范围。
4、关闭主机电源，将光纤探头装至主机振动平台旁的支架上，在圆形振动台上的安装螺丝上装好反射镜片，选择“激振I”，调节低频信号源，反射镜片随振动台上下振动。
5、调节低频振荡信号频率与幅值，以最大振动幅度时反射镜片不碰到探头为宜，用示波器观察振动波形，并读出振动频率。
1、光纤请勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤要注意保护，否则会使光通量衰耗加大造成灵敏度下降。
2、每台仪器的光电转换器（包括光纤）与转换电路都是单独调配的，请注意与仪器编号配对使用。
3、实验时注意增益调节，输出最大信号以3V左右为宜，避免过强的背景光照射。
1、光纤位移传感器测量位移时对被测体的表面有些什么要求？
2、如何利用光纤位移传感器测量被测物体的振动频率？
实验七电涡流式传感器的精态标定
1、了解电涡流式传感器的工作原理；
2、掌握传感器静态标定方法。
电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，如图12所示。
当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上会感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离
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