传感器原理与地的应用实验指导书.docx

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传感器原理与地的应用实验指导书

实验一压力测量实验

实验目的：

1．了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

2．比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点，了解全桥测量电路的优点。

3．了解应变片直流全桥的应用及电路标定。

二、基本原理：

1．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为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。

（E为供桥电压）。

2．不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。

3．全桥测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1=R2=R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压U03=KEε，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。

4.电子秤实验原理为实验三的全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，将电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。

三、实验所需部件：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）、自备测试物。

四、实验步骤：

1、根据图（1-1）,应变式传感器已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值约为50Ω左右。

2、实验模板差动放大器调零，方法为:

①接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，②将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档），完毕关闭主控箱电源。

3、参考图（1-2）接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7在模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V（从主控箱引入），检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调RW4使数显表显示为零。

4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表（1-1）。

表1-1：

单臂测量时，输出电压与负载重量的关系：

5、根据表（1-1）计算系统灵敏度S：

S=ΔV/ΔW（ΔV为输出电压平均变化量；ΔW重量变化量），计算非线性误差：

δf1=Δm/yF·S×100%，式中Δm为输出电压值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大电压偏差量：

yF·S为满量程时电压输出平均值。

6、保持上述单臂实验的各旋钮位置不变。

7、根据图1-3接线，R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片。

接入桥路电源±4V，先粗调Rw1，再细调Rw4，使数显表指示为零。

注意保持增益不变。

8、同单臂实验（4）步骤，将实验数据记入表

（1）-2，计算灵敏度S=ΔV/ΔW，非线性误差δf2。

若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。

表1-2，半桥测量时，输出电压与负载重量的关系

9、保持双臂实验的各旋钮位置不变。

10、根据图1-4接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意受力状态不要接错调节零位旋钮Rw1，并细调Rw4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。

将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。

1-3，全桥测量时,输出电压与负载重量的关系

11、按图1-4全桥接线，电压表置2V档，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，并细调Rw4使数显表显示0.00V。

12、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节增益电位器Rw3（即满量程调整），使数显表显示为0.200V或-0.200V。

13、拿去所有砝码,再次调零。

14、重复2、3步骤的标定过程，一直到满量程显示0.200V，空载时显示0.000V为止，把电压量纲V改为重量量纲g，即成为一台原始的电子秤。

15、把砝码依次放在托盘上，将相应的电压表数值填入下表：

16、根据上表计算非线性差值。

17、分析误差来源，比较一下这个实验结果与实验三结果有什么不同点？

18、在托盘上放上一未知重量的物体（<200g），根据电压表指示值，它有多重？

五、思考题：

1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：

（1）对边？

（2）邻边的位置？

2、桥路测量时存在非线性误差，是因为：

（1）电桥测量原理上存在非线性误差？

（2）应变片应变效应是非线性的？

（3）零点偏移？

实验二位移测量实验

一、实验目的：

1．了解电容式传感器的结构及其特点。

2．了解霍尔式位移传感器原理与应用。

3．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：

1.利用平板电容C=εA/d的关系,在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，就可使电容的容量（C）发生变化，通过相应的测量电路，

将电容的变化量转换成相应的电压量,则可以制成多种电容传感器，如：

①变ε的湿度电容传感器。

②变d的电容式压力传感器。

③变A的电容式位移传感器。

本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。

2.根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，保持KH、I不变，若霍

尔元件在梯度磁场B中运动，且B是线性均匀变化的，则霍尔电势UH也将线性均匀

变化，这样就可以进行位移测量。

3.通以高频电流的线圈会产生高频磁场，当有导体接近该磁

场时，会在导体表面产生涡流效应，而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关，

因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。

三、实验所需部件：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、直流稳压电源。

霍尔传感器实验模板、线性霍尔位移传感器、直流电,±源±4V、15Ｖ、测微头、数显单元。

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：

1、按图3-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图4-1。

3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值（V），填入表4-1。

将测微头回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程。

表4-1电容式传感器位移与输出电压的关系

5、根据表4-1数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差δf，分析误差来源。

6、将霍尔传感器按图5-1安装。

霍尔传感器与实验模板的连接按图5-2进行。

①、③为电源±4Ｖ，②、④为输出,R1与④之间联线可暂时不接。

7、开启电源，接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，左右移动测微头使霍尔片处在磁钢中间位置，即数显表电压指示最小，拧紧测量架顶部的固定镙钉,接入R1与④之间的联线，调节RW2使数显电压表指示为零（数显表置2V档）。

8、旋转测微头，每转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，并将读数填入表5-1，将测微头回到10mm处，反向旋转测微头，重复实验过程，填入表5-1。

表5-1：

霍尔式位移传感器位移量与输出电压的关系：

作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度S和非线性误差δ。

9、根据图８－１安装电涡流传感器。

10、观察传感器结构，这是一个扁平的多层线圈，两端用单芯屏蔽线引出。

11、将电涡流传感器输出插头接入实验模板上相应的传感器输入插口，传感器作为由晶体管T1组成振荡器的一个电感元件。

12、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

13、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。

数显电压表量程置20V档。

14、用连接导线从主控箱接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。

15、移动测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，旋转测微头每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止，将结果填入表8-1。

表8-1：

电涡流传感器位移与输出电压数据X（mm）V（v）

16、根据表8-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及选择位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和非线性误差（可以用端基法或其它拟合直线）。

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±3mm的量程应如何设计传感器处理电路？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器

实验三转速测量实验

一、实验目的：

1.了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

2.了解磁电式传感器测量转速的原理。

3.了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理：

1.光电式转速传感器有反射型和对射型二种，本实验采用反射型。

传感器内部有发光管和光电管，发光管发出的光在转盘上反射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘上有黑白相间的12个反射点，转动时将获得相应的反射脉冲数，将该脉冲数接入转速表即可得到转速值。

2.基于磁电感应原理，当一个n匝的线圈在穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈中的感应电势，因此当转盘上嵌入Ⅳ个磁钢，并在磁钢上方放置一线圈，转盘每转一周，线圈中的磁通量（/）发生了N次变化，而产生N次感应电势，该电势通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。

3.根据霍尔效应表达式：

UH=KHIB,当KHI不变时,在转速圆盘上装上Ｎ只磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。

圆盘每转一周经过霍尔元件表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次，此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。

三、实验所需部件：

1.光电转速传感器、＋5V直流电源、可调直流电源、转动源（2000型）或转动测量控制仪（9000型）、数显转速／频率表。

2.磁电传感器、转速电机（2000型）或转速测量控制仪（9000型）。

3.霍尔转速传感器、转动源（2000型）或转速测量控制仪（9000型）。

四、实验步骤：

1、光电转速传感器安装如实验二十图5-4所示，在传感器支架装上光电转速传感器，调节高度，使传感器离转盘表面2-3mm，并对准反射点，将传感器引线分别插入主控台上相应插孔，其中棕色接直流电源+5V、黑色接地端、兰色接主控箱fin端。

转速／频率表置“转速”档。

2、将主控箱转速调节+2V-+24V电压接到转动源+2V～+24V插孔上（2000型）。

3、合上主控箱电源开关使电机转动，并从转速／频率表上观察电机转速情况。

如转速显示不稳定，需调节传感器的安装高度。

4、参照实验十三图3-5安装磁电式转速传感器，传感器端面离转动盘面约2mm左右，并且对准转盘内的磁钢。

将磁电式传感器的输出线插入主控台fim输入端，并将转速/频率表置转速档。

5、将主控台上的+2V—+24V可调直流电源接入转动电机的+2V—+24V插口（2000型），调节电机转速电位器使转速变化。

观察数显表指示的变化。

6、根据图5-4，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。

7、将主控箱上的+5V直流电源加于霍尔转速传感器的电源输入端，红（＋）、绿（⊥），不要接错。

8、将霍尔转速传感器输出端（黄线）插入数显单元fin端，转速/频率表置转速档。

9、将主控台上的+2V—+24V可调直流电源接入转动电机的+2V—+24V输入插口（2000型）。

调节电机转速电位器使转速变化，观察数显表指示的变化。

思考题：

①为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？

②磁电式传感器需要供电吗？

实验四温度测量实验

一、实验目的：

1．了解热电偶测量温度的原理与应用。

2．了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用

二、基本原理：

1.将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端（也称自由端），冷端可以是室温值也可以是经过补偿后的0℃、25℃的模拟温度场。

2.热电阻用于测温时利用了导体电阻率随温度变化这一特性，对于热电阻要求其材料电阻温度系数大，稳定性好、电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。

常用的有铂电阻和铜电阻，热电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=R0（1+At+Bt2）。

本实验采用的是Pt100铂电阻，它的R0=100Ω，At=3.9684×10-2/℃，Bt=5.847×10-7/℃2，铂电阻采用三线连接法，其中一端接二根引线主要为了消除引线电阻对测量的影响

三、实验所需部件：

1.K型、E型热电偶、温度源、温度控制仪表、数显单元（2000型）或温度控制测量仪（9000型）。

2.加热源、K型热电偶、Pt100铂热电阻、温度控制仪、温度传感器实验模板。

四、实验步骤：

1、将热电偶插到温度源两个传感器插孔中任意一个插孔中，（K型、E型已装在一个护套内），K型热电偶的自由端接到主控箱面板上温控部分的EK端，用它作为标准传感器，配合温控仪表用于设定温度，注意识别引线标记，K型、E型及正极、负极不要接错。

2、将E型热电偶的自由端接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，作为被测传感器用于实验，按图11-1接线，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端,接入“a”点。

3、将R5、R6端接地，RW2大约置中，打开主控箱电源开关，将V02端与主控箱上数显电压表Vi端相接，调节Rw3使数显表显示零（电压表置200mv档），打开主控箱上温仪控开关，设定仪表控制温度值T=50℃，将温度源的两芯电源线插入主控箱温控部分的220V输出插座中。

4、去掉R5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在50℃时，记录下电压表读数值。

5、重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显电压表指示值与温控仪指示的温度值，并填入表11-1。

表11-1：

6、根据表11-1计算非线性误差δ，灵敏度S。

7、将E型热电偶的自由端连线从实验模板上拆去并接到数显电压表的输入端（Vi）直接读取热电势值（电压表置200mv档），重复上述⑤过程，根据E型热电偶分度表查出温度值（加热源与室温之间的温差值）。

8、计算出加热源的温度，并与温控仪的显示值进行比较，试分析误差来源。

9、参照实验三十五图11-1接线，拆去E型热电偶与R5、R6之间的联线。

10、将Pt100铂电阻的三根线分别接入温度实验模板上“Rt”输入端的a、b点，用万用表欧姆档测量Pt100三根线，其中短接的二根线接b点，另一端接a点。

这样Pt100与R3、R1、Rw1、R4组成一直流电桥，它是一种单臂电桥。

Rw1中心活动点与R6相接，Pt100的b点接R5。

11、加上±15V模块电源，将R5、R6端同时接地，接上电压表（2V档），调节Rw3使V02=0。

12、在“Rt”端点a与地之间加+2V或+4V直流电源，去掉R5、R6接地线并分别将“Rt”b中心点及Rw1相联，调节Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出电压为零。

13、将Pt100插入温度源的另一传感器插孔中，根据实验三十五①步操作。

设定温控仪温度值为50℃，记录下电压表读数，重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显表指示的电压值与温度表指示的温度值，并将结果填入下表11-2。

表11-2

13、根据表11-2，计算其非线性误差δ及灵敏度S。

注：

这个测温实验中数显电压表指示的是室温与温度源的温差值所对应的实验模块输出电压值，因为根据上述第③步已将室温值显示为零。

五、思考题：

1、①热电阻测温与热电偶测温有什么不同？

2、②如果要使电压表显示加热器的摄氏温度值，上述实验电路该如何调整？

需要补偿器吗？