传感器原理与应用实验指导书.docx
《传感器原理与应用实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理与应用实验指导书.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
传感器原理与应用实验指导书
传感器原理与应用
实
验
指
导
书
自动化工程学院
目录
实验一应变片单臂电桥性能实验
实验二应变片半桥性能实验
实验三应变片全桥性能实验
实验四压阻式压力传感器测量压力特性实验
实验五差动变压器的性能实验
实验六差动变压器测位移特性实验
实验七电容式传感器测位移特性实验
实验八线性霍尔传感器测位移特性实验
实验九开关式霍尔传感器测转速实验
实验十磁电式转速传感器测转速实验
实验十一光电传感器测量转速实验
实验十二电涡流传感器测量位移特性实验
实验十三被测体材质对电涡流传感器特性影响实验
实验十四被测体面积对电涡流传感器特性影响实验*
实验十五气敏传感器实验
实验十六湿度传感器实验
CSY－2000型传感器与检测技术实验台
说 明 书
一、实验台的组成
CSY－2000型传感器与检测技术实验台由主机箱、传感器、实验电路（实验模板）、转动源、振动源、温度源、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。
1、主机箱：
提供高稳定的±15V、±5V、＋5V、±2V～±10V（步进可调）、＋2V～＋24V（连续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；传感器信号调理电路；智能调节仪；计算机通信口；主机箱上装有电压、气压等相关数显表。
其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。
主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。
2、振动源（动态应变振动梁与振动台）：
振动频率3Hz～30Hz可调（谐振频率9Hz～12Hz左右）；
3、转动源：
手动控制0转/分～2400转／分、自动控制300～2200转／分。
4、温度源：
常温～200℃。
5、气压源：
0～20Kpa（连续可调）。
6、传感器：
基本型有箔式应变片（350Ω）传感器（秤重200g）、扩散硅压力传感器（20Kpa）、差动变压器（±4mm）、电容式位移传感器（±2.5mm）、霍尔式位移传感器（±1mm）、霍尔式转速传感器（2400转/分）、磁电转速传感器（250转/分～2400转/分）、压电式传感器、电涡流传感器（1mm）、光纤位移传感器（1mm）、光电转速传感器（2400转/分）、集成温度（AD590）传感器（室温～120℃）、K热电偶（室温～150℃）、E热电偶（室温～150℃）、Pt100铂电阻（室温～150℃）、Cu50铜电阻（室温～100℃）、湿敏传感器（10～95％RH）、气敏传感器（50～2000ppm）等。
7、调理电路（实验模板）：
基本型有电桥及调平衡网络、差动放大器、电压放大器、电荷放大器、电容变换器、电涡流变换器、光电变换器、温度变换器、移相器、相敏检波器、低通滤波器。
增强型增加相应的配套实验模板。
8、实验台：
尺寸为1600×800×750mm。
实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。
二、电路原理
实验电路原理已印刷在面板上（实验模板上），实验接线图参见具体实验内容。
三、使用方法
1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。
2、将AC 220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。
3、做每个实验前应先阅读实验指导书，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。
4、合上调节仪（器）电源开关，设置调节仪（器）参数；调节仪（器）的PV窗显示测量值；SV窗显示设定值（具体内容参见实验指导书）。
四、仪器维护及故障排除
五、注意事项
1、在实验前务必详细了解实验设备使用注意事项。
2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱及面板。
3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。
4、请勿将主机箱的±电源引入实验电路时接错。
5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。
6、实验完毕后，请将传感器及附件放回原处。
7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热。
8、实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。
实验一应变片单臂电桥性能实验
一、实验目的：
了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1、应变片的电阻应变效应
所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。
以圆柱形导体为例：
设其长为：
L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得
（1—1）
当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。
对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：
（1—2）
式中：
dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr
由材料力学得：
εL=-μεr （1—3）
式中：
μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。
将式（1—3）代入式（1—2）得：
（1—4）
式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。
2、应变灵敏度
它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
（1）、金属导体的应变灵敏度K：
主要取决于其几何效应；可取
（1—5）
其灵敏度系数为：
K=
金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。
金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
（2）、半导体的应变灵敏度：
主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。
半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。
在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。
也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。
3、贴片式应变片应用
在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。
一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。
＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。
4、箔式应变片的基本结构
金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右
的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。
（a）丝式应变片 （b）箔式应变片
图1—1应变片结构图
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，与丝式应变片工作原理相同。
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：
ΔR／R＝Kε式中：
ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
5、测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。
因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。
基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1—2应变片测量电路
（a）、单臂
Uo＝U①－U③
＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E
＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E
设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。
则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE
（b）、双臂（半桥）
同理:
Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE
（C）、全桥
同理:
Uo≈（△R／R）E＝KεE
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3应变片单臂电桥性能实验原理图
图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。
桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。
差动放大器输出为Vo。
三、需用器件与单元：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；4
位数显万用表（自备）。
四、实验步骤：
应变传感器实验模板说明：
应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。
实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。
加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。
多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。
1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。
图1—4传感器托盘安装示意图
2、测量应变片的阻值（不要求）：
当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4
的阻值。
在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：
阻值变大，受压的应变片：
阻值变小。
）。
图1—5测量应变片的阻值示意图
3、实验模板中的差动放大器调零：
按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换
开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
图1—6差动放大器调零接线示意图
4、应变片单臂电桥实验：
关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。
检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码（尽量靠近托盘的中心点放置），读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。
图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图
表1应变片单臂电桥性能实验数据（请同学按砝码增加、减少过程各记录两组实验数据）
重量（g）
0
电压（mV）
0
5、实验完毕，关闭电源。
实验二应变片半桥性能实验
一、实验目的：
了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
掌握测量方法。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验一。
应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。
不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。
其桥路输出电压Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE。
图2—1应变片半桥特性实验原理图
三、需用器件与单元：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤：
1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。
2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。
读取相应的数显表电压值，填入表2中。
图2—2应变片半桥实验接线示意图
表2应变片半桥实验数据（请同学按砝码增加、减少过程各记录两组实验数据）
重量（g）
0
20
40
60
电压（mV）
0
7.6
17.5
30.5
35.7
43.2
50.1
57.7
65.2
67.8
80.4
重量（g）
0
电压（mV）
-4
80.4
71.1
60.4
51.1
42.8
34.9
27.1
19.3
11.6
3.7
3、根据表2实验数据作出实验曲线。
实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
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。
实验三应变片全桥性能实验
一、实验目的：
了解应变片全桥工作特点及性能。
掌握测量方法。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验一。
应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。
应变片全桥测量电路中，将应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ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈（△R／R）E＝KεE。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
图3—1应变片全桥性能实验接线示意图
三、需用器件和单元：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤：
实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。
实验完毕，关闭电源。
图3—2应变片全桥性能实验接线示意图
表3全桥性能实验数据（请同学按砝码增加、减少过程各记录两组实验数据）
重量（g）
0
电压（mV）
0
-14.8
-30.1
-45.5
-60.9
-76.4
-91.8
-107.4
-122.9
重量（g）
电压（mV）
五、根据实验数据，绘制实验曲线，计算非线性误差。
实验四压阻式压力传感器测量压力特性实验
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标定方法。
掌握测量方法。
二、基本原理：
扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N型电阻条）组成电桥。
在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
图4—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。
图4—1压阻式压力传感器压力测量实验原理
三、需用器件与单元：
主机箱中的气压表、气源接口、电压表、直流稳压电源±15V、
±2V～±10V（步进可调）；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、按4—2示意图安装传感器、连接引压管和电路：
将压力传感器安装在压力传感器实验模板的传感器支架上；引压胶管一端插入主机箱面板上的气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连；压力传感器引线为4芯线（专用引线），压力传感器的1端接地，2端为输出Vo＋，3端接电源＋4V，4端为输出Vo－。
具体接线见图4—2。
图4—2压阻式压力传感器测压实验安装、接线示意图
2、将主机箱中电压表量程切换开关切到2V档；可调电源±2V～±10V调节到±4V档。
实验模板上RW1用于调节放大器增益、RW2用于调零，将RW1调节到的1／3位置（即逆时针旋到底再顺时针旋3圈）。
合上主机箱电源开关，仔细调节RW2使主机箱电压表显示为零。
3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。
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、仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在2kPa～18kPa之间变化（气压表显示值），每上升1kPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表4。
表4压阻式压力传感器测压实验数据（请同学按压力增加、减少过程各记录两组实验数据）
P（kPa）
Vo（p-p）
6、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法采用逼近法：
输入4kPa气压，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.3V（有意偏小），当输入16kPa气压，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.3V（有意偏小）；再调气压为4kPa，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.35V（有意偏小），调气压为16kPa，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.4V（有意偏小）；这个过程反复调节直到逼近自己的要求（4kpa对应0.4V，16kpa对应1.6V）即可。
实验完毕，关闭电源。
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。
掌握测量方法。
二、基本原理：
差动变压器的工作原理电磁互感原理。
差动变压器的结构如图5—1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接（＊同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图5—2所示。
图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：
L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，
图5—1差动变压器的结构示意图图5—2差动变压器的等效电路图
因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。
在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。
同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
由图11—2可以看出一次绕组的电流为：
二次绕组的感应动势为：
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
其有效值为：
差动变压器的输出特性曲线如图5—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。
其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。
E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。
零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图5—3 差动变压器输出特性
1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。
磁性材料要经过处理，
消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。
既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。
图5—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。
在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。
（a）（b）（c）
图5—4 减小零点残余电动势电路
三、需用器件与单元：
主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器；差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。
四、实验步骤：
附：
测微头的组成与使用
测微头组成和读数如图5—5
测微头读数图
图5—5测位头组成与读数
测微头组成：
测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：
测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1mm／格），另一排是半毫米刻线（0.5mm／格）；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（0.01mm／格）。
用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。
微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01mm，这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图5-5甲读数为3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图11—5乙已过零则读2.514mm；如图5—5丙未过零，则不应读为2mm，读数应为1.980mm。
测微头使用：
测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。
一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10mm处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线
升级会员 