传感器原理实验讲义.docx
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传感器原理实验讲义
传感器原理实验讲义
大连理工大学盘锦校区
电工电子实验室
2015年11月
CSY-XS-01传感器系统实验箱说明.3
一、传感器系统实验箱简介…………………………………………………….……………3
二、传感器实验箱组成说明………………………………………………………….………3
三、实验箱特点…………………………………………………………………….…………4
四、传感器……………………………………………………………………………………4
CSY-XS-01传感器原理实验……………………………………………………………6
一、应变片电阻传感器设计和应用实验……………………………..…………6
实验一应变片单臂特性实验………………………………………………..………6
实验二应变片半桥特性实验………………………………………………..………13
实验三应变片全半桥特性实验……………………………………………..………14
实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验……………………………..………15
实验五应变片直流全桥的应用-电子秤实验………………………………………16
二、电感式和压电式传感器设计和应用实验…………………………………18
实验一电涡流传感器设计和位移特性实验…………………………………………18
实验二压电式传感器设计和测振动实验……………………………………………22
三、热电式传感器设计和应用实验………………………………………………26
实验一K热电偶设计和测温实验……………………………………………………26
实验二Pt100铂电阻（热电阻）设计和测温特性实验（选做）………………………32
四、磁敏传感器设计和应用实验…………………………………………………37
实验一开关式霍尔传感器设计和测转速实验………………………………………37
实验二磁电式传感器设计和测转速实验……………………………………………38
CSY-XS-01传感器系统实验箱说明：
一、传感器系统实验箱简介
CSY-XS-01传感器系统实验箱主要用于各大、中专院校开设的“传感器原理”“自动检测技术”“非电量电测技术”“测量与控制”“机械量电测”等课程的实验教学。
实验箱的传感器采用原理与实际相结合，便于学生加强对书本知识的理解，并在实验过程中，通过信号的拾取，转换，分析，培养学生作为一个科技工作者具有的基本操作技能与动手能力。
二、传感器实验箱组成说明
CSY-XS传感器实验箱如下图所示：
主要由机头、主板、信号源、传感器、数据采集卡、PC接口、软件等各部分组成。
1、机头
由应变梁（含应变片、PN结、NTCRT热敏电阻、加热器等）；振动源（振动台）；升降调节杆；测微头和传感器的安装架（静态位移安装架）；传感器输入插座；光纤座及温度源等组成。
2、主板部分
主板部分有八大单元电路组成：
智能调节仪单元；频率／电压显示（F/V表）单元；音频振荡器（1KHz～10KHz可调）和低振荡器（1Hz～30Hz可调）单元；直流稳压电源输出单元（提供高稳定的±15V、＋5V、±4V、＋1.2V～＋12V可调等）；数据采集和RS232PC接口单元；传感器的输出口单元；转动源单元；各种传感器的调理电路单元。
3、信号源
1）温度源＜150℃（可调）；、
2）振动源1Hz～30Hz；
3）转动源0～2400r/min
4、传感器：
详见四、传感器（共十九种传感器）
5、实验箱：
供电：
AC220V50Hz功率0.2kW
三、实验箱特点
1、实验箱中的传感器以原理型和工业型相结合，定性与定量相结合，更便于学生理论与实际相结合。
2、仪器配温度源等加热装置。
整个仪器采用手提式箱式结构，便于存放保管与管理。
3、各种公共源也可用于学生课程设计、毕业设计及进行一些开发性实验；电源及信号源设有保护电路，确保学生在误操作后不会损坏设备并保证学生的安全。
四、传感器
序号
传感器名称
量程
线性
备注
1
电阻应变式传感器
0-200g
±1%
全桥
2
扩散硅压力传感器
4-20kpa
±1%
3
差动变压器
±4mm
±2%
4
电容式传感器
±2.5mm
±3%
5
霍尔式位移传感器
±1mm
±3%
6
霍尔式转速传感器
2400转/分
±0.5%
7
磁电式传感器
2400转/分
±0.5%
8
压电式传感器
9
电涡流位移传感器
1mm
±2%
10
光纤位移传感器
1mm
±5%
11
光电转速传感器
2400转／分
±0.5%
12
集成温度传感器
常温-120℃
±4%
13
Pt100铂电阻
常温-150℃
±4%
三线制
14
K型热电偶
常温-150℃
±4%
15
气敏传感器
50-2000PPm
对酒清敏感
16
湿敏传感器
10-95%RH
17
PN结
18
NTC热敏电阻
20℃时，电阻为10K
一、应变片电阻传感器设计和应用实验
实验一应变片单臂特性实验
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变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。
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。
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
（1-1）
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（1-1）全微分得电阻变化率dR/R为：
（1-2）
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（1-3）
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（1-3）代入式（1-2）得：
（1-4）
式（1-4）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
（1-5）
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，这种物理现象我们称之为半导体的压阻效应。
且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，可正可负，与材料性质和应变方向有关，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
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1-1所示。
（a）丝式应变片 （b）箔式应变片
图1-1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或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。
基本电路如图1-2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1-2应变片测量电路
（a）、单臂
Uo＝U①－U③
＝〔（R4＋△R4）／（R4＋△R4＋R3）－R1／（R1＋R2）〕E
＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。
则Uo≈（1／4）（△R4／R4）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
图1-3应变片单臂电桥实验原理图
图1-3中R1、R2、R3为350Ω固定电阻，R4为应变片；W1和r组成电桥调平衡网络，供桥电源直流±4V。
桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。
三、需用器件与单元：
机头中的应变梁、振动台；主板中的箔式应变片、电桥、±4V电源、差动放大器、F/V电压表、砝码；4
位数显万用表（自备）。
四、需用器件与单元介绍：
熟悉需用器件与单元在传感器箱中机头与主板的布置位置（参阅以上说明书二、实验箱组成图）。
1、图1-4为主板中的电桥单元。
图中：
⑴菱形虚框为无实体的电桥模型（为实验者组桥参考而设，无其它实际意义）。
⑵R1=R2=R3=350Ω是固定电阻，为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻。
⑶W1电位器、r电阻为电桥直流调节平衡网络，W2电位器、C电容为电桥交流调节平衡网络。
图1-4电桥单元
2、主板中的差动放大器单元。
图1-5中：
左图是原理图。
其中：
IC1-1AD620是差动输入的测量放大器（仪用放大器）；
IC1-2为调零跟随器。
右图为面板图。
图1-5差动放大器原理与面板图
五、实验步骤：
1、在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用4
位数显万用表2kΩ电阻档测量所有
应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提振动台）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况（标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片）。
如下图1-6所示。
图1-6观察应变片阻值变化情况示意图
2、差动放大器调零点：
按图1-7示意接线。
将F／V表的量程切换开关切换到2V档，
合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。
差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图1-7差放调零接线图
3、应变片单臂电桥特性实验：
⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片（标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片）与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接±4V直流电源，另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端，将W1电位器、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中（W1电位器二固定端接电桥的±4V电源端、W1的活动端r电阻接电桥的输出端），如图1-8示意接线（粗细曲线为连接线）。
图1-8应变片单臂电桥特性实验接线示意图
⑵检查接线无误后合上主电源开关，在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流调节平衡网络W1电位器，使电压表显示为0或接近0（有小的起始电压也无所谓，不影响应变片特性与实验）。
⑶在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码（20g／只），读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，记下实验数据填入表1。
表1-1应变片单臂电桥特性实验数据
重量（g）
电压（mV）
⑷根据表1-1数据计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，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。
实验完毕，关闭电源。
六、思考题：
1、ΔR转换成ΔV输出用什么方法?
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?
）?
实验二应变片半桥特性实验
一、实验目的：
了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验一。
应变片半桥特性实验原理如图1-7所示。
不同受力方向的两片应变片（上、下二片梁的应变片应力方向不同）接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。
其桥路输出电压Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE。
图1-7应变片半桥特性实验原理图
三、需用器件与单元：
机头中的应变梁、振动台；主板中的箔式应变片、电桥、±4V电源、差动放大器、F/V电压表、砝码。
四、实验步骤：
除实验接线按图1-8接线即电桥单元中R1、R2与相邻的二片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。
实验完毕，关闭电源。
图1-8应变式传感器半桥接线示意图
五、思考题：
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?
实验三应变片全桥特性实验
一、实验目的：
了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验一。
应变片全桥特性实验原理如图1-9所示。
应变片全桥测量电路中，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ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈（△R／R）E＝KεE。
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均得到改善。
图1-9应变片全桥特性实验原理图
三、需用器件和单元：
机头中的应变梁、振动台；主板中的箔式应变片、电桥、±4V电源、差动放大器、F/V电压表、砝码。
四、实验步骤：
除实验接线按图1-10接线，四片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。
实验完毕，关闭电源。
图1-10应变片全桥特性实验接线示意图
五、思考题：
应变片组桥时应注意什么问题?
实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验
一、实验目的：
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
二、基本原理：
如图1-11（a）、（b）、（c）为应变片单臂、半桥和全桥测量电路原理图。
它们输出电压分别为：
a）单臂
Uo＝U①－U③
＝〔（R4＋△R4）／（R4＋△R4＋R3）－R1／（R1＋R2）〕E
＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。
则Uo≈（1／4）（△R4／R4）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
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1-11应变测量电路
三、需用器件与单元：
机头中的应变梁、振动台；主板中的箔式应变片、电桥、±4V电源、差动放大器、F/V电压表、砝码。
四、实验步骤：
根据实验一、二、三所得的结果进行单臂、半桥和全桥输出的灵敏度和非线性度分析比较（注意：
实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。
实验完毕，关闭电源。
实验五应变直流全桥的应用-电子秤实验
一、实验目的：
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理：
常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。
数字电子秤实验原理如图1-12。
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1-12数字电子秤原理框图
三、需用器件与单元：
机头中的应变梁、振动台；主板中的箔式应变片、电桥、±4V电源、差动放大器、F/V电压表、砝码。
四、实验步骤：
1、差动放大器调零点：
按图1-13示意接线。
将F／V表的量程切换开关切换到2V档，
合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使数显表显示0.000V。
差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图1-13差放调零接线图
2、按图1-14接线，检查接线无误后合上主电源开关。
在振动台无砝码时，调节电桥中的W1电位器，使数显表显示为0.000V。
将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），
调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。
图1-14电子秤实验接线示意图
3、拿去振动台上的所有砝码，如数显电压表不显示0.000V则调节差动放大器的调零电位器，使数显表显示为0.000V。
再将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。
4、重复3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入表1-2中。
6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。
表1-2电子称实验数据
重量（g）
电压（mV）
7、在振动台上放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。
实验完毕，关闭电源。
二、电感式和压电式传感器设计和应用实验
实验一电涡流传感器设计和位移特性实验
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：
电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体-金属涡流片）组成，如图2-1所示。
根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。
我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图2-2的等效电路。
图中R1、L1为传感器线
图2-1电涡流传感器原理图 图2-2电涡流传感器等效电路图
圈的电阻和电感。
短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。
线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组：
通过解方程组，可得I1、I2。
因此传感器线圈的复阻抗为：
线圈的等效电感为：
线圈的等效Q值为：
Q＝Q0{[1-（Ｌ2ω2Ｍ2）/（Ｌ1Ｚ22）]／［1+（R2ω2Ｍ2）/（R1Ｚ22）］}
式中：
Q0-无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；
Ｚ22-金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。
由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x（H）的非线性函数。
因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。
虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。
其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。
如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。
当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。
于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、Ｑ的变化转化成电压或电流的变化输出。
输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。
这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。
电涡流传感器位移测量实验框图如图2-3所示：
图2-3电涡流位移特性实验原理框图
根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。
本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理与面板如图2-4所示。
电路组成：
⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。
电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。
振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。
⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。
检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。
⑶Q2组成射极跟随器。
射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获
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