《实验指导书各类传感器相关实验》.docx
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《实验指导书各类传感器相关实验》
目录
实验一金属箔式应变片性能——单桥臂电桥…………………………………3
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较……………………………6
实验三金属箔式应变片温度效应补偿…………………………………………8
实验四热电偶原理及分度表的应用……………………………………………10
实验五移相器实验………………………………………………………………14
实验六相敏检波器实验…………………………………………………………16
实验七金属箔式应变片—交流全桥……………………………………………19
实验八激励频率对交流全桥的影响……………………………………………21
实验九交流全桥应用—振幅测量………………………………………………22
实验十交流全桥的应用—电子称………………………………………………23
实验十一差动变压器（互感式）的性能………………………………………25
实验十二差动变压器（互感式）零残余电压的补偿…………………………27
实验十三差动变压器（互感式）的标定………………………………………29
实验十四差动变压器（互感式）的应用—振幅测量…………………………30
实验十五差动变压器（互感式）的应用—电子称……………………………31
实验十六差动螺管式（自感式）传感器的静态位移性能……………………32
实验十七差动螺管式（自感式）传感器的振幅测量…………………………34
实验十八激励频率对差动螺管式传感器的影响………………………………36
实验十九电涡流式传感器的静态标定…………………………………………38
实验二十被测体材料对电涡流传感器特性的影响……………………………39
实验二十一电涡流式传感器的应用—振幅测量………………………………41
实验二十二电涡流传感器的应用—电子秤……………………………………43
实验二十三霍尔式传感器的直流激励特性……………………………………44
实验二十四霍尔式传感器的应用—电子秤……………………………………45
实验二十五霍尔式传感器的直流激励特性……………………………………47
实验二十六霍尔式传感器的应用—振幅测量…………………………………49
实验二十七磁电式传感器的性能………………………………………………51
实验二十八压电式传感器的动态响应实验……………………………………53
实验二十九压电式传感器引线电容对电压放大器的影响、电荷放大器……55
实验三十差动便面积式电容传感器的静态及动态特性………………………57
实验三十一双平行梁的动态特性—正弦波稳态响应…………………………59
实验三十二综合传感器—力平衡式传感器……………………………………60
实验三十三半导体扩散硅压阻式压力传感器实验……………………………62
实验三十四光纤位移传感器静态实验…………………………………………64
实验三十五光纤位移传感器的动态实验
（一）………………………………67
实验三十六光纤位移传感器的动态实验
（二）………………………………68
实验三十七PN结温度传感器测温实验…………………………………………69
实验三十八热敏电阻演示实验…………………………………………………71
实验三十九气敏传感器（MQ3）实验……………………………………………73
实验四十湿敏电阻（RH）实验…………………………………………………76
实验四十一热释电传感器………………………………………………………78
实验四十二光电开关的转速测量实验…………………………………………80
实验四十三硅光电池……………………………………………………………81
实验四十四光敏电阻……………………………………………………………82
附录…………………………………………………………………………………84
实验一金属箔式应变片性能——单桥臂电桥
一、实验目的
了解金属箔式应变片，单桥臂的工作原理和工作情况。
二、实验原理
本实验说明箔式应变片及单桥臂直流电桥电源的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢牢的粘贴在测力体表面，当测件受力发生变形时，应变片敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变形，通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对桥臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，ΣR=△R1/R1；当第二个应变片组成差动状态工作，且R1=R2=R3=R4=R，ΣR=4△R1/R1。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验单元及部件
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平衡梁、测微头、一片应变片、F/V表头、主副电源。
旋钮初始化位置：
直流稳压电源打到±2V档，F/V表头2V档，差动放大增益最大。
四、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，应变片尾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F/V表的输入插口Vi相连；开启主、负电源；调接差动放大器增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭主、副电源。
（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，F/V表置20V档。
调节测位头脱离双平行梁，开关主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F/V表显示为零，然后将F/V表置2V档，在调节电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。
（4）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平行梁的自由端（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F/V表显示最小，再旋动测微头，使F/V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
图1
（5）往下或网上旋动测微头，使梁的自由端产生位移，记下F/V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即△X=0.5mm即一个数值填入下表：
位移（mm）
电压（mV）
（6）根据所的结果计算灵敏度S=△V/△X（式中△X为梁的自由端位移变化，△V为相应的F/V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。
五、注意事项
（1）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。
（2）做此实验是应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
六、思考题
（1）本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？
（2）根据所给的差动放大器电路原理图（见附录一），分析其工作原理，说明它既能做差动放大，又可做同相或反相放大器。
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较
一、实验目的
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、实验原理
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
已知单臂、半桥、和全桥电路ΣR分别为△R/R、2△R/R、4△R/R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4.E.ΣR，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4.E、1/2.E、E。
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。
三、实验单元及部件
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
所有旋钮初始位置：
直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2V档，差动放大器增益打到最大。
四、实验步骤
（1）按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。
（2）按图一接线，图中Rx=R4为工作片，r及W1为电桥平衡网络。
（3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到±4V档。
选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器W1，使表头显示零（须预热几分钟才能稳定下来）。
（4）旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入表1，然后关闭主、副电源。
表1
位移（mm）
电压（mV）
（5）保持放大器增益不变，将R3固定电阻换成与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F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数填入表2。
表2
位移（mm）
电压（mV）
（6）保持放大器增益不变，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F/V表显示零。
重复（4）过程将读出数据填入表3。
表3
位移（mm）
电压（mV）
（7）在同一坐标字上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。
五、注意事项
（1）在更换应变片时应将电源关闭。
（2）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。
（3）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。
（4）直流稳压电源±4V不能打得过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。
（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验三金属箔式应变片温度效应补偿
一、实验目的
了解温度对应变测试系统的影响。
二、实验原理
温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数即电阻丝与测试中膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压发生变化。
用补偿偏筏式应变电桥温度补偿方法中的一种，如图3所示。
图3
在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1=R2。
当温度变化使两应变片的电阻变化，△R1与△R2相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1R4=R2R3电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。
三、实验单元及部件
可调直流电压源、-15V不可调直流稳压电源、电桥、差动放大器、F/V表、测微头、加热器、双平行梁、水银温度计（自备）、主、副电源。
有关旋钮的初始位置：
主、副电源关闭、直流稳压电源置±4V档，F/V表置20V档，差动放大器增益旋至最大。
四、实验步骤
（1）了解加热器在实验以上所在的位置及加热符号，加热器封装在双平行梁的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。
（2）将差动放大器的（+）（-）输入端与地短接，输出端口F/V表的输入插口Vi相连。
（3）开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使F/V表显示零，再把F/V标的切换开关置2V档，细调差放零点，使F/V表显示为零。
关闭主、副电源，F/V表的切换开关置20V档，采取差动放大器输入端连线。
（4）按图1接线，开启主副电源，调电桥平衡网络的W1电位器，使F/V表显示零，然后将F/V表切换开关置2V档，调电位器W1，使F/V表显示零。
（5）在双平行梁的自由端（可动端）装上测微头，并调节测微头，使F/V表显示零。
（6）将-15V电源接到加热器的一端插口，加热器另一端插口接地；F/V表显示在变化，待F/V表显示稳定后，记下显示数值，并用温度计测出温度，记下温度值。
（注意：
温度计控头不要触到应变片上，只要触及应变片附近的梁体即可）。
关闭主、副电源，等待数分钟，使梁体冷却到室温。
（7）将F/V表切换开关置20V档，把图中的R3换成→应变片（补偿片），重复4-6过程。
（8）比较二种情况的F/V表数值：
在相同温度下，补偿后的输出变化小很多。
（9）实验完毕，关闭主副电源，所有旋钮旋至初始位置。
五、思考题
为什么不能完全补偿？
实验四热电偶原理及分度表的应用
一、实验目的
了解热电偶的原理几分度表的应用。
二、实验原理
热电偶的基本工作原理是热电效应，二种不同的导体相互焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶（具体热电偶原理参考教科书）。
即冷端和热端温度不同时，通过测量此电动势即可知道两端温差。
如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或零摄氏度）。
则另一端温度就可知，从而实现温度的测量。
本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶。
三、实验单元及部件
-15V不可调直流稳压电源、可调直流稳压电源、差动放大器、F/V表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源
旋钮初始位置：
F/V表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。
四、实验步骤
（1）了解热电偶原理。
（2）了解热电偶在实验以上的位置及符号，实验仪所配置的热电偶是由铜—康铜组成的热电偶，分度号为T。
实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个电偶串联在一起产生热电势为二者之和。
（3）按图4-1接线、开启主副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F/V表显示零，记录下自备温度计的室温。
（4）将-15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F/V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F/V表显示的读数E。
（5）用自备温度计测出上梁表面热电偶出的温度t并记录下来。
（注意：
温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶附近的梁体即可）。
（6）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：
Eab（t，to）=Eab（t，tn）+Eab（tn，to）
其中：
t—————热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。
tn—————热电偶的冷端（自由端）温度也就是室温。
to—————0℃（tn=to）
1、热端温度为t，冷端温度为室温时的电动势：
Eab（t，tn）=（F/V表显示值E）/100*2（100为差动放大器的放大倍数，2为两个热电偶串联）。
2、热端温度为室温，冷端温度为0℃，铜—康铜的热电势：
Eab（tn，to）：
查一下所附的自由温度为0℃时的热电势和温度关系即铜—康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测的）是热电势。
3、计算：
热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势，Eab（t，to），根据计算结果，差分度表得到温度t。
铜—康铜热电偶分度表（自由端温度0℃）
分度号：
T
工作端温
度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-10
-0.383
-0.421
-0.459
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.616
-0.683
-0.720
0
-0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.147
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
工作端温
度0℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.822
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.483
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
（7）热电偶测得的温度与自备温度计测得的温度之相比较。
（本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只是了解热电势现象）。
（8）关闭主副电源，尤其是加热器-15V电源，（自备温度计测出温度后马上拆去-15V电源连接线），其它按扭置原始位置。
（9）按图4-2接线、开启主副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F/V表显示零，记录下自备温度计的室温。
（10）将-将直流稳压电源打到±2V档，将-2V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F/V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F/V表显示的读数E，填入表1中。
（11）用自备温度计测出上梁表面热电偶出的温度t，并填入表1中。
（注意：
温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶附近的梁体即可）。
（12）断开加热器电源，待加热器冷却到室温后，将可调直流电源打到±4V档，将-2V直流电源接入加热器的一端，重复10-11操作。
（13）同理将将可调直流电源打到±6V档、±8V档、±10V档，重复10-11操作。
表1
温度（0℃）
热电势（V）
（14）实验完毕，关闭主副电源，尤其是加热器电源，其它按扭置原始位置。
（15）绘制热电势—温度曲线。
五、思考题
（1）为什么差动放大器接入热电偶后需要再调差放零点？
（2）即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有很大误差，为什么？
实验五移相器实验
一、实验目的
了解运算放大器构成的移相电路和原理及工作情况。
二、实验原理
图5为移相电路示意，由移相器原理图可求的该电路的闭环增益G（s）
以上是可看出，调节电位器W2将产生相应的相位变化。
三、实验单元及部件
移相器、音频振荡器、双踪示波器、主副电源。
四、实验步骤
（1）了解移相器在实验仪上的位置及电路原理（见图5，电路原理见附录）。
（2）将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0°、180°
插口输出均可），开启主副电源。
（3）将示波器的两个探头分别接到移相器的输入输出端，调整示波器，观察示波器的波形。
（4）调节移相器的电位器，观察两个波形间相位的变化。
（5）改变音频振荡器的频率，观察不同频率的最大移相范围。
五、思考题
（1）根据电路原理，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。
（2）如果将双踪示波器改为单踪示波器，两路信号分别接在Y轴和X轴送入，根据李沙育图形是否可完成此实验？
六、注意事项
（1）本仪器中音频信号有函数发生器产生，所以通过移相后波形局部有些畸变，这不是仪器故障。
（2）正确选择示波器中的“触发”形式，以保证双踪示波器能看到波形变化。
实验六相敏检波器实验
一、实验目的
了解相敏检波器的原理和工作情况。
二、实验原理
相敏检波电路如图6-1所示，图中①为输入信号端，③为输出端，②为交流参考电压输入端，⑤为直流参考电压输入。
当②⑤端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用场效应管处于开关状态。
从而把①输入的正弦波转换成半波整流信号。
三、实验单元及部件
相敏检波器、移相器、音频振荡器、双踪示波器、直流稳压源、低通滤波器、F/V表、主副电源。
有关旋钮的初始位置：
F/V表置20K档。
音频振荡器频率为4kHZ，幅度置最小（逆时针到底）。
直流稳压电源输出置于±2V档，主副电源关闭。
四、实验步骤
（1）了解相敏检波器和低通滤波器在实验仪面板上的符号。
（2）根据图6-1的电路接线，将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波输入端①，把直流稳压电源+2V输出接至相敏检波器的参考输入端⑤，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③组成一个测量线路。
（3）调整好示波器，开启主副电源，调整音频振荡器的幅度旋钮，示波器输出电压为峰峰值4V，观察输入和输出波形的相位和幅度值关系。
（4）改变参考电压极性，观察输入和输出波形相位和幅值关系。
由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出同相，当参考电压为负时，输入和输出相反。
（5）关闭主副电源，根据图6-2重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出至相敏检波器的输入端①，并同时按相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入①和输出端③，将相敏检波器输出端③同时与低通滤波器的输入端连接起来，降低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一个测量线路。
（此时，F/V表置于20V档）。
（6）开启主副电源，调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入表1。
表1
Vip-p（V）
0.5
1
2
3
4
8
16
Vo（V）
（7）关闭主副电源，根据图6-3的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°端输出至相敏检波器的输入端①，将从180°输出端输出接至移相器的输入端，把移相器输出端接至相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两个探头分别接到移相器的输入端①和输出端③，同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器输出端与输入端连接起来，组成测量线路。
（8）开启主副电源，转动移相器上的移相电位器，观察示波器的显示波形及电压表的读数，使得输出最大。
（9）调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入表2。
表2
Vip-p（V）
0.5
1
2
3
4
8
16
Vo（V）
五、思考题
（1）根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？
移相器在实验线路中的作用是什么？
（即参考端输入波形相位的作用）
（2）在完成第五步骤后，将示波器两探头分别接至相敏检波器的输入端①和附加观察端⑥和⑦，观察波形后回答相敏检波器中的整形电路是将什么波转换成什么波，相位如何
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