传感器实验报告 农大09电子信息工程.docx
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传感器实验报告农大09电子信息工程
福建农林大学金山学院
信息工程类
实验报告
课程名称：
传感器原理及工程应用
姓名：
庄建军
系：
信息与机电工程系
专业：
电子信息工程
年级：
2009级
学号：
092230069
指导教师：
潘晓文王振婷
职称：
副教授助教
2011年10月15日
实验项目列表
序号
实验项目名称
成绩
指导教师
1
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥
2
实验二金属箔式应变片:
单臂、半桥、全桥比较
3
实验三霍尔式传感器的直流激励静态位移特性
4
实验四差动变面积式电容传感的静态及动态特性
5
6
7
8
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18
19
20
福建农林大学金山学院信息工程类实验报告
系：
信息与机电工程系专业：
电子信息工程年级：
2009级
姓名：
庄建军学号：
092230069实验课程：
传感器原理及工程应用
实验室号：
__田家炳410实验设备号：
10实验时间：
2011/10/15
指导教师签字：
成绩：
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥
一、实验目的
1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2、测试应变梁变形的应变输出。
3、比较各桥路间的输出关系。
二、实验内容
了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。
（用测微头实现）
三、实验仪器
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、一片应变片、电压表、主、副电源。
四、实验原理
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：
式中
为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,
为电阻丝长度相对变化，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，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压
。
五、实验注意事项
1、直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大增益最大。
2、电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。
3、做此实验时应将低频振荡器的幅度旋至最小，以减小其对直流电桥的影响。
六、实验步骤
1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
2、将差动放大器调零：
用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与电压表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。
3、根据图１接线。
R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
Rx=R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，电压表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使电压表显示为零，然后将电压表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使电压表显示为零。
图1
4、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平衡梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使电压表显示最小，再旋动测微头，使电压表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下电压表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：
位移（mm）
17.120
17.620
18.120
18.620
19.120
电压（mv）
0
16
30
45
60
6、根据所得结果计算灵敏度
（式中
为梁的自由端位移变化，
为相应电压表显示的电压相应变化）。
7、实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告一》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？
1.灵敏度正比于直流电流，电压越高灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片的限制，要作适当选择。
2.放大器可实现供电电压的放大作用，因此放大供电电压倍数应考虑应变片消耗的限制，适当选择放大倍数。
福建农林大学金山学院信息工程类实验报告
系：
信息与机电工程系专业：
电子信息工程年级：
2009级
姓名：
庄建军学号：
092230069实验课程：
传感器原理及工程应用
实验室号：
__田家炳410实验设备号：
10实验时间：
2011/10/15
指导教师签字：
成绩：
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较
一、实验目的
1、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度并得出相应的结论。
二、实验内容
金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较。
（用测微头实现）
三、实验仪器
直流稳压电源、差动放大器、电桥、电压表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
四、实验原理
已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为
、
、
。
根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于
，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为
和
。
由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
五、实验注意事项
1、直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大。
2、在更换应变片时应将电源关闭。
3、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。
4、在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。
5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
六、实验步骤
1、将差动放大器调零：
用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与电压表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。
2、按图1接线，图中R4为应变片，r及W1为调平衡网络。
3、调整测微头使测微头与双平行梁吸合，并使双平行梁处于水平位置（目测），然后将直流稳压电源打到±4V档，选择适当的放大增益。
调整电桥平衡电位器W1，使表头显示为零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。
4、旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。
位移（mm）
17.120
17.620
18.120
18.620
19.120
19.620
电压（mv）
0
16
30
45
60
79
5、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使电压表显示表显示为零，重复4过程同样测得读数，填入下表。
位移（mm）
17.395
17.895
18.395
18.895
19.395
19.895
电压（mv）
0
27.1
60.3
95.3
127.4
159.4
6、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换
成，R2换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。
接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使电压表显示为零。
重复4过程将读出数据填入下表。
位移（mm）
17.350
17.850
18.350
18.850
19.350
19.850
电压（mv）
0
56.5
121.1
185.5
245.4
317.7
7、在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告二》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
单臂电桥、半桥、全桥的灵敏度有何关系？
1.全桥的灵敏度是半桥的2倍，是单臂电桥的4倍。
福建农林大学金山学院信息工程类实验报告
系：
信息与机电工程系专业：
电子信息工程年级：
2009级
姓名：
庄建军学号：
092230069实验课程：
传感器原理及工程应用
实验室号：
__田家炳410实验设备号：
10实验时间：
2011/10/15
指导教师签字：
成绩：
实验三霍尔式传感器的直流激励静态位移特性
一、实验目的
了解霍尔式传感器的原理与特性。
二、实验内容
利用霍尔式传感器的特性在直流激励下测量静态位移。
三、实验仪器
霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、电压表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。
四、实验原理
霍尔式传感器是由工作在四个方形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中的霍尔元件组成。
当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。
霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静态位移。
五、实验注意事项
1、差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置2V档，直流稳压电源置±2V档，关闭主、副电源。
2、由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。
3、一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。
4、激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。
六、实验步骤
1、了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，四个方形永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。
2、开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图21接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
图21
3、装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于方形磁钢上下之间正中位置。
4、开启主、副电源调整W1使电压表指示为零。
5、上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.1mm读一个数，将读数填入下表：
X（mm）
4.342
4.442
4.542
4.642
V（v）
0
0.1
0.2
0.3
X（mm）
4.742
4.842
4.942
5.042
V（v）
0.4
0.5
0.6
0.7
作出Ｖ－Ｘ曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。
可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场。
位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。
6、实验完毕关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告二十一》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
灵敏度
八、实验思考题
霍尔传感器的特点？
1、精度高：
在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。
而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。
2、线性度好：
优于0.1%
3、动态性能好：
响应时间小于１μs跟踪速度di/dt高于50A/μs
4、工作频带宽：
在0-100kHz频率范围内精度为１％。
在０－５kHz频率范围内精度为0.5%。
5、测量范围：
霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。
6、过载能力强：
当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的２０倍时，模块也不会损坏。
7、模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。
8、模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号.
9、可靠性高：
失效率：
λ=0.43╳10-6/小时
10、抗外磁场干扰能力强：
在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流（2Ip）的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，
福建农林大学金山学院信息工程类实验报告
系：
信息与机电工程系专业：
电子信息工程年级：
2009级
姓名：
庄建军学号：
092230069实验课程：
传感器原理及工程应用
实验室号：
__田家炳410实验设备号：
10实验时间：
2011/10/15
指导教师签字：
成绩：
实验四差动变面积式电容传感的静态及动态特性
一、实验目的
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
二、实验内容
利用差动变面积式电容传感器的特性进行静态位移测量及动态测量。
三、实验仪器
电容传感器、电压放大器、低通滤波器、电压表、激振器、示波器。
四、实验原理
电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
五、实验注意事项
1、差动放大器增益旋钮置于中间，电压表置于2V档。
2、调整电容传感器，使电容传感器的一组动片和两组定片不相碰。
3、如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
六、实验步骤
1、按图28接线。
2、电压表打到2V，调节测微头，使输出为零。
3、以此为起点，向上和向下转动测微头,每次0.5mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。
位移（mm）
11
10.5
10
9.5
9.0
电压（mV）
-0.002
0.016
0.032
0.051
0.067
4、退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法，记下X（mm）及V（mv）值。
图28
位移（mm）
11
11.5
12
12.5
13
电压（mV）
-0.012
-0.020
-0.033
-0.044
-0.055
5、计算系统灵敏度Ｓ。
（式中
为电压变化，
为相应的梁端位移变化），并作出Ｖ－Ｘ关系曲线。
6、卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告二十八》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
如果不重调整电容片的相对位置，会有什么现象？
一般的电容式传感器都由定片和动片两个极板引出电极，电容传感器的一组动片和两组定片位移或振动时均应避免擦片现象，不能相互接触，且片间距离须相等，必要时要稍做调整，否则会造成输出信号突变。
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