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传感器实验指导书

传感器与检测技术实验

指导教师：

***

实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验2

实验二金属箔式应变片-全桥性能实验及电子秤实验6

实验三电容式传感器的位移特性实验10

实验四Pt100热电阻测温实验13

实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、实验目的：

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。

二、基本原理：

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。

金属的电阻表达式为：

（1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长

，横截面积相应减小

，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变

，故引起电阻值变化

。

对式

（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

（2）式中的

为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位

（1

=1×

）。

若径向应变为

，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比

表示为

，因为

=2（

），则

（2）式可以写成：

（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。

称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，

受两个因素影响，一个是（1+

），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是

，是材料的电阻率

随应变引起的（称“压阻效应”）。

对于金属材料而言，以前者为主，则

，对半导体，

值主要是由电阻率相对变化所决定。

实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。

通常金属丝的灵敏系数

=2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。

在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。

通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系

（4）

式中σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。

通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。

电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表（自备）。

四、实验内容与步骤：

1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图1－1应变式传感器安装示意图

2、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，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：

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Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。

关闭主控箱电源。

（注意：

当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。

）

3、按图1-2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与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）如图1-2所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节Rw1，使数显表显示为零。

4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。

记下实验结果填入表1-1，关闭电源。

图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图

表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量（g）

正行程I

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

重量（g）

反行程I

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

重量（g）

正行程II

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

重量（g）

反行程II

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

5、根据表1－1计算系统灵敏度、非线性误差（端基法或最小二乘法）、迟滞误差和重复性误差。

五、实验注意事项：

1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

六、思考题：

1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片

（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。

七、实验报告要求：

1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2、从理论上分析产生非线性误差的原因。

实验二金属箔式应变片-全桥性能实验及电子秤实验

一、实验目的：

了解全桥测量电路的原理及优点。

了解应变直流全桥的应用及电路的标定。

二、基本原理：

半桥测量电路中，把不同受力方向的两只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。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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U03＝KEε。

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明显改善。

电子秤实验原理为利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。

三、需用器件和单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤：

（一）、半桥性能实验

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，进行差动放大器调零，方法为：

关闭主控箱电源。

2、根据图2-1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，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1。

若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。

则应更换应变片。

图2-1应变式传感器半桥实验接线图

表2－1半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

正行程

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

重量（g）

反行程

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

（二）、全桥性能实验

根据图2-2接线，实验方法与实验一相同，注意保持RW2的位置不动。

将实验结果填入表2-2；进行灵敏度和非线性误差计算。

表2－2全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

正行程

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

重量（g）

反行程

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

图2-2应变式传感器全桥实验接线图

（三）电子秤实验

利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。

1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图2-2全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.000V（2V档）。

2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V或—0.200V。

3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。

4、重复2、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，填入下表2-3。

表2－3电桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

正行程

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

重量（g）

反行程

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

五、实验注意事项：

1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

六、思考题：

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以

（2）不可以。

2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图2-3应变式传感器受拉时传感器周面展开图

七、实验报告要求：

1、根据所记录的数据绘制出传感器的特性曲线。

2、计算并比较半桥、全桥输出时的灵敏度、非线性度和迟滞误差，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。

3、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。

实验三电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

一、基本原理：

利用平板电容C＝εS／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。

变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。

）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：

（1）

式中

——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；

——外圆筒内半径和内圆柱外半径。

当两圆筒相对移动

时，电容变化量

为

（2）

于是，可得其静态灵敏度为：

（3）

可见灵敏度与

有关，

越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度

与灵敏度无关，但

不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。

本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。

二、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。

三、实验步骤：

1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。

2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。

3、接入±15V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。

表3－1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

正行程

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

V（mv）

X（mm）

反行程

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

V（mv）

4、根据表3-1数据计算电容传感器的系统灵敏度、非线性误差和迟滞误差。

五、实验注意事项：

1、传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

2、做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。

图3-1电容传感器位移实验接线图

六、思考题：

1、简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。

2、电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？

七、实验报告要求：

1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。

2、根据实验结果，分析引起这些非线性得原因，并说明怎样提高传感器得线性度。

实验四Pt100热电阻测温实验

一、实验目的：

了解热电阻的特性与应用。

二、基本原理：

利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，而稳定，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。

常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0－630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=Ro（1+At+Bt2）

Ro系温度为0℃时的电阻。

本实验Ro＝100℃。

A＝3.9684×10－2／℃，B＝－5.847×10－7／℃2，铂电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。

四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。

本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

三、需用器件与单元：

Pt100热电阻（温度模块上）、1A恒流源、温度控制单元（温控器）、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。

四、实验步骤：

1、将温度模块中的实验Pt100接入a、b间，把b、c连接起来，这样，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就组成了一种直流单臂电桥，再把Rw2逆时针旋到底（增益最小）。

图4-1Pt100热电阻测温实验接线图

2、把温度模块的±15V和主控箱的±15V输出连接起来，差动放大器的Vo与主控箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接，调节Rw3使差动放大器的输出为零。

3、按图4-1连接好线，在端点a与地之间加+5V的直流电源，按图11-1将电桥的输出与差动放大器相连，温度控制器的SV窗口设定为

（设置方法见附录2），然后调节Rw1使电桥平衡，即使差放的输出为零。

4、在

的基础上，以后每隔

设定一次，即Δt=

，读取数显表值，将结果填入下表。

表5－1

T（℃）

正行程

100

V（mV）

T（℃）

反行程

100

V（mV）

5、根据上表计算Pt100的灵敏度、非线性误差、迟滞误差。

五、实验注意事项：

加热器温度不能加热到120℃以上，否则将可能损坏加热器。

六、思考题：

如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？

七、实验报告要求：

1、根据实验所得的数据，做出传感器的特性曲线。

2、总结Pt100热电阻传感器有哪些优缺点。

附录1实验箱温度控制简要原理

当总电源开关合上，并且温度控制器的开关也闭合时，如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值，那么温度控制器面板上ALM2灯亮（ALM2为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开触点串联的），内部继电器闭合，温度模块开始加热，加热电源为1A恒流源，当温度加热到略高与设定温度值时，ALM2灯灭，内部继电器断开，温度模块停止加热，但由于温度的惯性比较大，因此当温度模块停止加热后，仍有一定的向上的冲量。

附录2温度控制器使用说明

1、仪表通电显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗输入代码，后显示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型显示PV窗Jd—0—5、SV窗2003），随后即进入工作状态，其中PV显示的为测量的温度值，SV显示的为设定的温度值，当SV的值大于PV的值时ALM2灯亮，恒流源有输出，当PV的值大于SV的值时，ALM1灯亮，恒流源无输出，按SET键0.5秒SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5秒确认，如需要修改其他参数，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜单，可按要求逐一修改内容（见操作流程表），修改完毕再按SET键0.5秒若干下，退出菜单，如15秒内无键按下（该窗内新设置的数据无效）自动进入新的工作状态。

2、当输入信号大于量程上限时，仪表显示―――，当输入信号小于超出量程下限10%以上时，仪表仍显示―――，并切断主控输出；当输入信号略小于量程下限时，仪表显示―――。

3、当温度控制效果不够理想时，可以通过人工后自整定来改变PID参数。

操作方法如下：

①人工修正：

将仪表进入B菜单至P窗，再用温度控制器下面的三个箭号键来修正P值，再按SET0.5S进入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。

②自整定修正：

先把主控设定再实际使用值后实用值的80%左右，再将仪表进入B菜单至ATU窗后选择

（1）选号按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，带自整定完成AT灯灭仪表即按新的自整定PID参数工作。

用自整定修正PID值时应该注意当负载为多段串联加热方式（如挤出机械），其中某段进入自整定过程时，应尽量保持相邻前后二段的温度不变，否则会影响自整定效果。

4、PID参数的设置原则：

P—比例带设定，一般取上过冲值的2倍，当温度有规律波动（系统振荡）应增加比例带，当温度无规律漂动时，应减少比例带。

I—积分时间设定，当温度有规律波动时，应增加积分时间，当温度很长时间不能消除静差时应减少积分时间。

D—微分时间设定，一般取积分时间的1/5—1/4，微分时间的增加有助于减少系统的超调。

5、PID控制与位式控制功能的切换方法：

若需把仪表切换成位式控制（常规仪表出厂设置为PID控制），正常工作状态仪表按住SET键3S以上进入B菜单后，再按SET键0.5S若干下至P窗，把P设为0后按SET键若干下至T窗，把T设为1即进入位式控制，其控温范围（切换差）可通过该变dp值来实现，位式控制时的dp值举例：

SV=

时，设dp=

，则实际输出控制范围为87.5～

。

若需返回至PID控制时，把P、T、dp值还原即可。

PID控制适用于高精度控温场合，系统配置稳定合理可达到±1个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。

6、限制功能，如仪表为连续电流或电压控制及输出时为限幅；如仪表时断续通断式输出时为限制输出通断时间比例关系，也就是周期（T）内最长导通时间的百分比。

7、失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。

按键不起作用，请检查LCK键是否被锁定。

8、各参数功能：

面板功能：

SET：

功能键PV：

当前测量值

SV：

主控设定值OUT：

主控输出指示

ALM1：

ALM1报警输出指示ALM2：

ALM2报警输出指示

AT：

自整定指示

向左箭号：

移位键

向下箭号：

减键

向上箭号：

加键

参数

常规

设定范围

随机

±全量程

随机

±全量程

ATU

0自整定关

1自整定开

0.1

0.1～125

40（位式0）

0～125

200

1～3600S

d．

1～1200S

20（位式1）

1～60S

±20.0

0/1

0～3

100%

30～100%

1正向（加热）

0反向（制冷）

LCK

不锁

全锁

其他

锁B菜单

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