东南大学传感器实验报告.docx
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东南大学传感器实验报告
传感器第一次实验
试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及单臂电桥工作原理和性能。
二．基本原理
电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
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，通过它反映被测部位受力状态的变化。
电桥的作用是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。
单臂电桥输出电压
，其中K为应变灵敏系数，
为电阻丝长度相对变化。
三．实验器材
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四．实验步骤
1.根据接线示意图安装接线。
2.放大器输出调零。
3.电桥调零。
4.应变片单臂电桥实验。
测得数据如下：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
电压（mv）
3.5
7.2
11.3
16.0
20.7
24.7
28.8
33.5
实验曲线如下所示：
分析：
由图可以看出，输出电压与加载的重量成线性关系，由于一开始调零不好，致使曲线没有经过原点，往上偏离了一段距离。
5.根据表中数据计算系统的灵敏度
（
为输出电压变化量，
为重量变化量）和非线性误差
，式中
为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；
为满量程输出平均值，此处为140g。
=30mv，
=140g，
所以
=1.9768g，
=140g，
所以
6.利用虚拟仪器进行测量。
测得数据如下表所示：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
电压（mv）
0.7
5.0
9.5
13.9
18.7
23.4
28.3
32.9
相应的曲线如下：
五．思考题
单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：
（1）正（受拉）应变片；
（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。
答：
应变片受拉，所以选
（1）正应变片。
实验二金属箔片应变片——板桥性能实验
一、实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点
二．基本原理
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥暑促灵敏度提高，非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压
。
三、实验器材
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四．实验步骤
1.根据接线示意图安装接线。
2.放大器输出调零。
3.电桥调零。
4.应变片半桥实验
实验结果如下：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
电压（mv）
0
10.6
20.2
30.5
40.7
50.7
60.8
70.3
实验曲线如下所示：
分析：
从图中可见，输出电压与加载重量成线性。
数据点与拟合直线相对单臂更为接近，即线性性更好。
5.计算灵敏度S=U/W，非线性误差
。
U=70.3mv，W=140g；
所以S=70.3/140=0.5021mv/g.
=0.7525g，
=140g，
6.利用虚拟仪器进行测量。
测量数据结果如下所示：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
电压（mv）
-2.6
7.8
18.7
28.9
39.5
50.0
59.9
70.2
绘制实验曲线如下：
五、思考题
1.半桥测量时，两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：
（1）对边；
（2）邻边。
答：
（2）邻边。
2.半桥测量时，两片相同受力状态的电阻应变片接入点桥时，应放在：
（1）对边；
（2）邻边。
答：
（1）对边。
3.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；
（2）应变片应变效应是非线性的；（3）调零值不是真正为零。
答：
（1）电桥测量原理上存在非线性；
（2）应变片应变效应是非线性的。
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点
二、基本原理
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
时，其桥路输出电压
。
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都得到了改善。
三、实验器材
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四、实验步骤
1.根据接线示意图安装接线。
2.放大器输出调零。
3.电桥调零。
4.应变片全桥实验
数据记录如下表所示：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
电压（mv）
0
20.1
40.1
60.4
80.8
100.8
121.1
141.2
实验曲线如下所示：
分析：
从图中可见，数据点基本在拟合曲线上，线性性比半桥进一步提高。
5.计算灵敏度S=U/W，非线性误差
。
U=141.2mv，W=140g；
所以S=141.2/140=1.0086mv/g;
=0.1786g，
=140g，
6.利用虚拟仪器进行测量
测量数据如下表所示：
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
电压（mv）
-1.1
19.6
40.4
61.1
81.7
102.4
122.0
142.0
实验曲线如下所示：
五、思考题
1.测量中，当两组对边电阻值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。
答：
（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，能否及如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
答：
能够利用它们组成电桥。
对于左边一副图，可以任意选取两个电阻接入电桥的对边，则
输出为两倍的横向应变，如果已知泊松比则可知纵向应变。
对于右边的一幅图，可以选取R3、R4接入电桥对边，则输出为两倍的纵向应变。
两种情况下都需要接入与应变片阻值相等的电阻组成电桥。
3.金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。
答：
根据实验结果可知：
灵敏度：
全桥>半桥>单臂
非线性度：
单臂>单桥>全桥
理论上：
灵敏度：
单臂
，半桥
，全桥
。
非线性度：
单臂
，半桥
，全桥
。
因为全桥能使相邻两臂的传感器有相同的温度特性，达到消除温度误差的效果。
同时还能消除非线性误差。
结论：
利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。
4.金属箔式应变片的温度影响
如何消除金属箔式应变片的温度影响？
答：
利用温度补偿片或采用全桥测量。
实验五差动变压器的性能实验
一、实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理
差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有两段式和三段式，本实验采用三段式。
当被测物体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化。
将两只次级反向串接，引出差动电势输出。
其输出电势反映出被测物体的移动量。
三、实验器材
主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。
四、实验步骤
1.按照接线图连接线路。
2.差动变压器L1的激励电压从主机箱中的音频振荡器的Lv端引入，音频振荡器的频率为4~5KHz，输出峰峰值为2V。
3.松开测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使变压器次级输出的Vp-p较小。
然后拧紧螺钉，仔细调节测微头的微分筒使变压器的次级输出Vp-p为最小值（零点残余电压），定义为位移的相对零点。
4.从零点开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm从示波器上读出示波器的输出电压Vp-p，记入表格中。
一个方向结束后，退到零点反方向做相同的实验。
5.根据测得数据画出Vop-p—X曲线，做出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。
数据表格如下：
X（mm）
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
V（mv）
93
77
62
46
31
15
4
20
37
X（mm）
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
V（mv）
53
68
83
100
116
133
149
165
181
实验曲线如下：
分析：
从图中可见，曲线基本呈线性，关于x=0对称的，在零点时存在一个零点误差。
X=±1mm时，
，
，
；
，
，
。
五、思考题
1.用差动变压器测量，振动频率的上限受什么影响？
答：
受导线的集肤效应和铁损等的影响，若频率过大会导致灵敏度下降。
2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：
相同点：
利用电磁感应原理工作。
不同点：
差动变压器为开磁路，一、二次侧间的互感随衔铁移动而变，且两个绕组按差动方式工作；一般变压器为闭合磁路，一、二次侧间的互感为常数。
传感器第二次实验
实验十压阻式压力传感器的压力量实试验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。
二、基本原理
扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到得压力变化。
三、实验器材
主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。
四、实验步骤
1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据接线图连接管脚和电路。
2、实验模板上RW2用于调节放大器调零，RW1调节放大器增益。
3、合上主机箱的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调节阀的旋钮，观察电压表和气压表示数的变化。
4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。
5、仔细调节流量计旋钮，使压力在2~18KPa之间变化，每上升1KPa气压分别读取电压表示数，将数值记录下表：
P（KPa）
2.2
3.2
4.2
5.2
6.2
7.2
8.2
9.2
Vo（p-p）（V）
0.037
0.062
0.084
0.105
0.129
0.151
0.175
0.197
P（KPa）
10.2
11.2
12.2
13.2
14.2
15.2
16.2
17.2
Vo（p-p）（V）
0.216
0.240
0.261
0.285
0.305
0.328
0.351
0.373
6、画实验曲线，计算本系统的灵敏度和非线性误差。
灵敏度：
，
所以
。
非线性误差：
，
所以
。
实验十一压电式传感器振动测量实验
一、实验目的
了解压电传感器的测量振动原理和方法。
二、基本原理
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
工作时传感器感受与试件相同的振动频率，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶体上产生正比于运动速度的表面电荷。
三、实验器材
主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。
四、实验步骤
1、按照连线图将压电传感器安装在振动台上，振动源的低频输入接主机箱的低频振荡器，其它连线按照图示接线。
2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出波形。
3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入和输出波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台，同时观察输出波形的变化。
4、改变振动源的频率，观察输出波形的变化。
低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，用频率表监测，用示波器读出峰峰值填入表格。
f（Hz）
5
7
12
15
17
20
25
V（p-p）
0.45
1.05
2.14
1.49
1.29
1.09
0.82
实验曲线：
五、思考题
根据实验结果，可以知道振动台的自然频率大致是多少？
传感器输出波形的相位差大致为多少？
答：
根据实验曲线可知，振动台的自然频率大约为11Hz。
，所以
。
实验十二电涡流传感器位移实验
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
通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处于交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属表面的距离x等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。
电涡流工作在非接触状态，当线圈与金属体表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。
四、实验步骤
1、观察传感器结构，根据示意图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。
2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
将数据填入下表：
X（mm）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
V（v）
0
0
0
0
0.07
0.16
0.26
0.37
0.47
X（mm）
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
V（v）
0.58
0.68
0.79
0.91
1.02
1.13
1.25
1.37
1.49
X（mm）
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
V（v）
1.62
1.73
1.86
1.99
2.12
2.24
2.37
2.51
2.64
X（mm）
2.7
2.8
2.9
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
V（v）
2.78
2.91
3.04
3.18
3.31
3.46
3.58
3.72
3.86
X（mm）
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
4.1
4.2
4.3
4.4
V（v）
3.99
4.14
4.28
4.41
4.54
4.67
4.81
4.94
5.07
注：
到此数据仍在变化，由于范围较大（大约9V），数据太多，所以后面部分没有记录。
3、画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点）。
试计算测量范围为1mm与3mm时的灵敏度和非线性度（可以用端点法或其他拟合直线）。
测量范围1mm：
灵敏度：
，
所以
非线性度：
所以
测量范围3mm：
灵敏度：
，
所以
。
非线性度：
所以
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±5mm的量程应如何设计传感器？
答：
电涡流传感器的量程就是传感器的线性范围，它受到线圈半径。
被测体的性质及形状和厚度等因素影响。
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器？
答：
要保证所测量的位移在所选的传感器量程范围内。
实验十三（部分）
被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
X（mm）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
V（v）
2.07
2.28
2.54
2.81
3.06
3.32
3.58
3.83
4.08
4.32
X（mm）
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
V（v）
4.54
4.79
5.01
5.23
5.43
5.63
5.84
6.03
6.22
6.39
X（mm）
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
V（v）
6.56
6.73
6.89
7.05
7.20
7.33
7.48
7.61
7.73
7.85
X（mm）
3.0
3.1
V（v）
7.96
8.08
实验十四电涡流传感器振动测量实验
一、实验目的
了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。
二、基本原理
根据电涡流传感器位移特性，根据被测材料选择合适的工作点即可测量振幅。
三、实验器材
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、振动源、低通滤波器、示波器。
四、实验步骤
1、根据示意图安装电涡流传感器。
逆时针转出压紧螺母，装上传感器安装支架再顺时针转动压紧螺母并接线。
2、将主机箱中的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
3、调节振动源中的传感器升降杆，使主机箱中的电压表显示为：
实验十三中铝圆片材料特性曲线的线性中点位置时的电压值。
拧紧锁紧螺母。
4、顺时针慢慢调节低频振荡器幅度旋钮，使振荡器输出电压峰峰值为2V。
调节低频振荡器振动频率为3~25Hz之间变化，频率每增加2Hz，记录低通滤波器输出端Vo的值。
f（Hz）
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Vo（V）
0.051
0.058
0.075
0.087
0.195
0.289
0.072
0.058
0.051
0.043
5、画出f~Vo特性曲线，由曲线估算振动台的谐振频率。
五、思考题
1、能否用本系统数显表头，显示振动？
还需要添加什么元件，如何实现？
答：
不能，因为输出电压随振动不断变化。
可以添加一个峰值采样电路，将其输出接到数显表，则可以通过数显表的变化来观察振动强弱变化
2、当振动台振动频率一定时，调节低频振荡器幅值可以改变振动台振动幅度，如何利用电涡流传感器测量振动台的振动幅度？
答：
将输出值接到示波器，测量输出信号的峰峰值，则此峰峰值对应一个振动幅度。
将测得的峰峰值带入两者关系公式，即可得到幅度。
传感器第三次实验
实验十五直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理
根据霍尔效应，霍尔电势
，当霍尔元件处在梯度中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
四、实验步骤
1、按示意图接线，将主机箱上的电压表量程开关打到2V档。
2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。
3、向某个方向调节测微头2mm，记录电压表读数作为实验起始点；
再反向调节测微头，没增加0.2mm记下一个读数，将数据记录入表格：
X（mm）
-2
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
V（V）
-1.289
-1.155
-1.024
-0.891
-0.762
-0.634
-0.504
-0.381
X（mm）
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
V（V）
-0.252
-0.126
-0.001
0.119
0.246
0.376
0.500
0.620
X（mm）
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V（V）
0.750
0.874
0.999
1.127
1.248
做出V-X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。
±2mm时灵敏度：
所以
。
非线性度：
所以
五、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
答：
反映的是磁场的变化。
实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移实验
一、实验目的
了解交流激励时霍尔式传感器的特性。
二、基本原理
交流激励时霍尔传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。
三、实验器材
主机箱、测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器模板、双线示波器。
四、实验步骤
1、按照示意图接线。
2、检查接线无误后，合上主机电源开关。
调节主机箱音频振荡器的频率和幅度旋钮，用示波器、频率表监测Lv输出频率为1KHz、峰峰值为4V的信号。
关闭主机电源，将Lv输出信号作为传感器的激励电压接入实验模板中。
3、合上主机箱电源，调节测微头使霍尔传感器的霍尔片处于两磁钢中间。
先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后观察数显表显示，调节电位器Rw1、Rw2使显示为零。
4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大的位移，利用示波器观察相敏检波器的输出，旋转移相器单元电位器Rw和相敏检波器单元电位器Rw，使示波器显示全波整流波形，并观察数显表显示值。
直至数显表显示为零，此点作为测量原点。
然后旋动测微头，没转动0.2mm，记下读数，填入表格。
X（mm）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
V（V）
0
0.104
0.200
0.296
0.387
X（mm）
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
V（V）
0.480
0.563
0.635
0.696
0.745
6、根据表格中的数据作出V-X曲线，计算不同量程时的非线性误差。
2mm时的非线性误差：
。
1mm时非线性误差：
实验十七霍尔转速传感器测量电机转速实验
一、实验目的
了解霍尔转速传感器的应用。
二、基本原理
利用霍尔效应表达式：
，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N此。
每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整和计数电路计数就可以测量被测物体的转速。
三、实验器材
主机箱、霍尔转速传感器、振动源。
四、实验步骤
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