传感器技术实验指导书.docx

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传感器技术实验指导书

《传感器技术》实验指导书

（07级微电子专业）

刘海浪　编

桂林电子科技大学

二ＯＯ九年五月

实验一应变式传感器特性测试2

实验二电感式传感器特性测试7

实验三霍尔传感器应用实验13

实验四传感器应用的计算机仿真　16

实验一应变式传感器特性测试

一、实验目的

1、掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能；

2、了解学习全桥测量电路的构成及其特点、优点；

3、比较单臂电桥与全桥的不同性能、了解其特点。

二、实验用器件与设备

1、应变式传感器实验台；

2、传感器实验箱；

3、砝码；

4、跳线；

5、万用表等。

三、实验原理

直流电桥原理：

在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识。

电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。

电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。

下面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。

1、平衡条件

直流电桥的基本形式如图1-1所示。

R1，R2，R3，R4为电桥的桥臂电阻，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。

当RL∞时，电桥的输出电压V0应为

V0=E（

）

当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到R1R4=R2R3，或

（1-1）

图1-1　直流电桥的基本形式

式（1-1）秤为电桥平衡条件。

平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。

2、平衡状态

单臂直流电桥：

所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为△R，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压V0≠0（此时仍视电桥为开路状态），则不平衡电桥输出电压V0为

V0＝

（1-2）

设桥臂比n=

，由于△R1《R1，分母中

可忽略，输出电压便为

V"0=

这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。

实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差。

则其相对线性误差r为：

r=

=

=

（1-3）

由此可见，非线性误差与电阻相对变化

有关，当

较大时，就不可忽略误差了。

下面来看电桥电压灵敏度SV。

在式（1-2）中，忽略分母中

项，并且考虑到起始平衡条件

，从式（1-2）可以得到

V0'≈

（1-4）

电桥灵敏度的定义为

SV=

≈

=

（1-5）

当n=1时，可求得SV最大。

也就是说，在电桥电压E确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高。

此时可分别将式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化简为：

V0=

（1-6）

r=

（1-7）

V0'≈

（1-8）

SV=

（1-9）

由上面四式可知，当电源电压E和电阻相对变化

一定时，电桥的输出电压，非线性误差，电压灵敏度也是定值，与各桥臂阻值无关。

差动直流电桥（半桥式）：

若图1-1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即R1和R2为传感器，并且其相应变化为△R1和△R2，则该电桥输出电压V0≠0，当△R1=△R2，R1=R2，R3=R4时，则得

V0=

上式表明，V0与

成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度SV为

SV=

比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。

双差动直流电桥（全桥式）：

若图1-1中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。

若满足△R1=△R2=R△3=△R4，则输出电压和灵敏度为

V0=

SV=E

由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。

四、实验方法与步骤

（一）、全桥电路性能测量：

1.关闭实验台总电源，将红色线接入P1或者P5口，黄色线接入P2或者P3口，将黑色线接入P4或者P8口，将蓝色线接入P6或P7口；

2、用导线把全桥电路信号处理模块的T8口接到信号输出模块的T4或T5，然后用信号线连接信号输出模块的BNC接口和多通道数据采集模块的通道5上。

3.用电源线将基础实验台上多路输出电源引接到传感器开放电路主板上；把主板上的5V、＋12V、－12V的电源开关拨到ON。

4.用万用表测量T8口的对地电压，如果该点电压超过5V，则调节电阻R22的阻值以调节放大电路的零点，尽量使输出为零（可调到0.5V以下即可），然后在应变压办实验台上放置法码，观察T8口的输出电压，使其始终不超过5V，如果有超过的，则调节R21和R9的阻值，使输出不超过5V；

5.调整完毕后，从质量为0g开始，先测一个数据，再依次添加不同质量的砝码到托盘上，用万用表测量T8口相应的电压值，因为应变片的量程是5kg，切勿放置过大质量物体在托盘上，更不可按压托盘。

6.　在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到砝码加完，记下实验结果填入如表1-1类似的表中，关闭电源。

　　表1-1　全桥实验数据样表

重量（g）

电压（mv）

7.根据表1-1计算系统灵敏度S=

（输出电压变化量与重量变化量之比）。

8.绘出电压和质量之间的关系曲线，并对其进行线性拟合，求出拟合直线，记下斜率Ｋ和截距b待用（v=km+b）。

（二）、全桥电路的应用--称重实验：

1.运行Labview主程序，打开“全桥电路的应用—物体重量测量”程序，建立实验环境，

2.在实验界面上输入对应通道数，然后分别输入上步拟合得到的k值和b值，运行程序；

3.在托盘上分别放置不同质量的砝码，在实验界面可看到一个测量的质量值，分别记录实验测量值和托盘上实际放置的法码的质量，比较误差，如果误差过大请重新计算k值和b值；

　　7.计算实际质量与程序测量得到的质量之间的实验误差，分析产生误差的原因。

实验二电涡流传感器特性测试及应用

预习要求：

1、学习理解电涡流传感器的结构及工作原理，并掌握电涡流传感器用于位移测量时的测量电路和测试原理。

2、根据实验要求，作好实验前的准备（测试方法及测试点选择、数据记录的格式等）。

一、实验目的

1、了解电涡流传感器的结构、特点，掌握其工作原理和使用方法；

2、通过测量电涡流传感器的输入输出关系曲线，深入理解电涡流传感器的特性及其指标的含义；

3、利用电涡流传感器进行传感器静态特性的测量；

4、利用机械结构、传感器、数据采集卡、虚拟仪器平台构建测试系统。

二、实验原理

1、电涡流的形成原理

如图2-1所示，由物理学知识可知，若在线圈中通入交变电流I，在线圈周围的空间就产生了交变磁场Фi，将金属导体置于此交变磁场范围内，导体表面层产生涡电流，涡电流的高频磁场Фe以反作用于传感器电感线圈，从而改变了线圈的阻抗ZL或线圈的电感和品质因素。

ZL的变化取于线圈到金属板之间的距离x、金属板的电阻率δ、磁导率μ以及激励电流的幅值A和频率f。

图2-1电涡流传感器的工作原理

2、电涡流位移传感器原理

电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。

前置器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈中，线圈将产生一个高频电磁场。

当被测金属体靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，既电涡流。

该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。

这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。

则线圈特征阻抗可用Z=F（τ,ξ,б,D,I,ω）函数来表示。

通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，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。

于此，通过前置器对信号进行处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。

输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距的变化而变化，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。

当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的磁场强度也发生变化，磁场强度的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移（间隙）转换成电压（电流）。

所以探头与被测金属体表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。

前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。

图2-2为电涡流传感器的工作原理示意图。

图2-2电涡流传感器工作示意图

主要技术指标：

供电电压

探头直径

线性量程

输出方式

＋24V

11mm

4mm

1-5V

3、最小二乘法拟合原理：

给定平面上一组点（xi,f（xi））（i=1,2,3…n），用直线拟合。

即求得f（x）,使得偏差△Vm达到最小。

三、实验仪器和设备

1．计算机1台2．LabVIEW8.2以上版本1套

3．数据采集模块1台4．电涡流特性实验模块1台

5.电源模块1台6.操作工具1套

四、实验内容与实验步骤

1、实验前准备及电路的连接

（1）关闭数据采集卡电源，将电涡流传感器连接到采集卡的数据采集一个AD通道上。

注意不要在带电的情况下从采集卡上插拔传感器，以免对采集卡和传感器造成损坏。

（2）电涡流传感器的工作电源为24V，把电涡流传感器的电源接到试验台的24V电源口，并把数据线接到采集卡的某一通道上，接通试验台和数据采集卡的电源。

设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数后点击如下图2-3所示的运行按钮运行程序，观察各部分运行灯的亮灭情况。

运行按钮

图2-3程序运行按钮

（4）将千分尺归零，将滑块上反射圆片紧紧靠在电涡流探头表面，观察此时的电压值。

（5）滑块渐渐远离传感器，观察电压数值的变化，观测传感器的最大测量距离。

2、测绘并求出传感器的线性区范围：

电涡流传感器的线性区定义为：

不在此测量范围内时，其函数将不成线性关系。

（1）联接好测量系统中传感器及其采集卡等模块的通道号及其电源，调整滑块到一个初始位置，记录下读数X0。

（2）打开“试验一电涡流静态特性试验.vi”，设置每次移动千分尺的距离为0.3mm，将这两个数值输入到“实验一电涡流静态特性试验.vi”的“采样间隔”控制变量里。

图2-4为电涡流静态特性曲线的程序截图。

设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数。

图2-4电涡流静态特性试验

（3）运行“试验一电涡流静态特性试验.vi”，点击“第1次采集”按钮，指示灯亮后，程序将自动记录对应电涡流传感器的读数。

（4）将千分尺向远离探头方向移动0.3mm，点击“第2次采集”按钮，依次改变测量的距离进行30次测量，采集30组数据。

注：

图上按钮可反复使用，也可只反复使用一个，将数据记录在Excel表格中，进行绘图。

（5）数据采集完成后，将采集到的30组位移与电压数据在Excel中进行电涡流传感器的特性曲线的绘制。

（6）观测出传感器的线性区范围，并对线性区进行拟后，将拟合直线的表达式记录，并同时记录拟合直线、斜率K和截距b待用。

3、利用测得结果进行距离反测和误差分析：

（1）打开“试验一电涡流距离测量及误差分析试验.vi”，图2-5为电涡流距离测量及误差分析程序截图。

设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数。

图2-5电涡流距离测量及误差分析程序

（2）设置千分尺读数到观测到的线性区的起点处，并将此值输入的实验界面的起点坐标框中，计算采样间隔为整个线性区长度的1/10；

（3）照此采样间隔的值调节千分尺，分别点击实验界面中的10个采集按钮，采集10组数据，直接采集在实验界面中，不必再记录在Excel中。

（4）数据采集完成后，点击拟合按钮，得出线性区拟合线在波形显示框中。

（5）将上一步中得到的拟合线的斜率K和截距b填入实验界面相应的框中，点击距离计算得到由实验程序反测出的千分尺的距离读数。

（6）将千分尺的实际读数填入界面的最后一行的相应位置，点击误差分析按钮，得到实验反测的相对误差。

（7）将具有结果的整个实验界面拷入Word文档备用。

五、实验报告要求

1、拷贝实验系统的运行结果页面，插入到word格式的实验报告中。

2、求出所用传感器的线性区范围。

3、对所用传感器的输出特性进行线性拟合，求出拟合直线、斜率K和截距b。

4、求出所用传感器的线性误差和灵敏度。

六、参考与提示

1、测试系统的输入输出特性曲线

图2-7测试系统的输入输出特性曲线

2、电涡流传感器的静态特性指标分析方法（各参量如上图2-7中）

线性区范围：

x1～x2（mm）对

线性区对应的电压值：

V1～V2（mV）

线性误差：

灵敏度：

（mV/mm）

七、思考题

1、电涡流传感器为什么可作为位移传感器用？

2、电涡流的大小还与那些因素有关？

3、试想电涡流传感器还可以用来测量那些物理量？

实验三霍尔传感器的应用实验

一．实验目的：

1、了解霍尔开关集成传感器的工作原理和应用；

2、掌握霍尔传感器的基本特性；

3、学习霍尔传感器构成的应用电路的基本原理和设计方法。

二．基本原理：

图3－1是霍尔开关集成传感器的内部结构框图。

当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压Vh，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。

当放大后的Vh电压大于“开启”阀值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使输出三极管导通。

当磁场减弱时，霍尔元件输出的Vh电压很小，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，输出三极管关闭。

这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。

当被测电机飞轮上装有N只磁性体时，飞轮每转一周磁场就变化N次，霍尔传感器输出的电平也变化N次，通过计算即可知道电机的转速。

图3－1　霍尔开关集成传感器的内部结构

三．实验元件和设备：

1．实验电路板；

2．电机组件；

3．霍尔开关传感器CS3020；

4．4.7KΩ电阻；

5．跳线若干；

6．示波器或虚拟平台的实验程序。

四．实验步骤：

先用工具将实验用电机和飞轮组件固定到实验主板上，电机输入端接入主板上的Motor端口上。

（一）、用现成的实验电路小模块验证测量：

1、把各电源开关拨到OFF，接好并关闭主板电源；

2、把实验电路模块插到实验主板的面包板上，霍尔传感器的探头尽量靠近电机转盘（不大于5mm）；

3、把主板上的＋5V，GND用导线引到电路模块相应引脚上。

4、把电路模块上信号输出端OUT脚引到主板的输出口T4或T5口上，然后将数据线接入实验台的信号采集模块上（通道5或6）。

5、在电脑上打开相关的测试用实验程序界面。

6、把主板上的＋12V、+5V电源开关打开，把运行模式开关打到Motor档，把PowerSurply开关拨到ON。

7、运行程序，开始电机转速的测量。

8、调节电阻R28的阻值即可调节电机的转速。

9、由霍尔传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出直流电机的转速。

如磁铁个数为N，转速为n，脉冲频率为f，则有：

n=f/N。

通常，转速的单位是转/分钟，所以要在上述公式的得数再乘以60，才是转速数据，即n=60×f/N。

图3-5　实验程序窗口

（二）、手动自搭电路进行测量：

1.按模块上的电路，利用给定的元器件自行设计自搭电路，在实验主板的面包板上搭建好实验电路，并仔细检查接线；注意霍尔传感器的探头尽量靠近电机转盘（不大于5mm）；

2、其它步骤同上3～9中。

五．思考题：

1、霍尔传感器的基本特性及其基本特性曲线如何；

2、说明本实验中的霍尔传感器是如何应用霍尔传感器的特性实现正负电平转换的。

实验四传感器应用的计算机仿真

注：

请准备Ｕ盘，自行将先前传给你们的软件（Multisim）拷贝带上参加实验！

！

一、实验目的：

1、进一步掌握传感器应用电路的组成和设计原理及方法；

2、了解计算机在传感器技术中的应用及完成仿真的方法；

3、了解霍尔接近开关电路的构成和基本工作原理。

二、基本原理：

在计算机上进行传感器技术方面的实验，内容之一就是传感器应用电路的仿真，对传感器应用电路的仿真的好处在于，可以在设计应用电路的时候不受实验室仪器设备和电子元器件的限制，而且可以在短时间内得到实验结果。

本实验以“霍尔接近开关电路的计算机仿真”为内容进行实验，实验是在上一实验三中了解了霍尔传感器的特性及开关电路的原理的基础上进行的，霍尔传感器的静态特性曲线如图4-1所示，图4-2是其构成的接近开关仿真电路，Vh模拟霍尔传感器工作的输出电压，当调整电位器的标定值，使霍尔传感器的输入电压经放大与比较器的翻转电压相比达到一定比较量时，输出电平发生翻转。

图4－1霍尔传感器的特性曲线

图4-2霍尔接近开关仿真电路

三、需要的元件和设备：

1、实验电路；

2、计算机一台；

3、Multisim仿真软件；

四、实验内容及步骤：

1.在Multisim软件环境下按图4-2建立霍尔接近开关的仿真电路（注意各元器件的选取与放置，可用基本元器件，也可用虚拟仪器元器件）。

2.　对各元器件的值及标号进行相应设置，放置电路仿真观察点电压标号；

3.设置仿真参数，设置霍尔传感器模拟电压Vh的Tine/Voltage项为：

0mss60mV5ms60mV25ms-60mV30ms-60mV，注意中间用空格间隔，如图4-3所示；

图4-3霍尔传感器模拟电压V3设置

4.调节电位器WD的值为0.5（50%）仿真V1～V4各点电压，设置加以电压表或示波器，以方便观察仿真结果，对电路进行仿真；分析说明V1～V4各点电压有什么规律，由此说明霍尔接近开关电路的工作原理；

5.说明当电位器WD的值为0.5时，此开关电路的开关动作（即翻转点）在什么位置。

6.调节电位器WD的值，使霍尔接近开关动作位置分别在10ms、20ms处，用V1～V4各点电压的仿真结果说明工作原理；

7.用仿真结果说明是否有电阻R1、R2，电路工作有何不同，由些说明电阻R1、R2在电路中的作用（选做）。

8．用仿真结果说明是否有电阻电压跟随器U1A，电路工作有何不同，由些说明电压跟随器U1A在电路中的作用（选做）。

六、思考题：

霍尔传感器构成的接近开关电路的工作原理如何，它是怎样通过电压跟随器的电压比较器来实现开关功能的。