《传感器原理及应用》实验报告.docx

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《传感器原理及应用》实验报告

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《传感器原理及实验》

实验报告

2011～2012学年第1学期

专业

测控技术及仪器

班级

姓名

学号

指导教师

王慧锋

电子与信息实验教学中心

2011年9月

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

本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。

应变片是最常用的测力传感元。

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，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，通过它转换被测部位受力状态的变化。

电桥电路是最常用的非电量测量电路中的一种，当电桥平衡时，电桥的作用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情况。

单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右

图1－1应变式传感器安装示意图

2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，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，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，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Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。

一直到做完实验三为止）。

3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片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±4V（从主控台引入）如图1－2所示。

检查接线无误后，合上主控台电源开关。

调节RW1，使数显表显示为零。

图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。

记下实验结果填入表1－1，关闭电源。

重量（g）

电压（mv）

5、根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

五、思考题：

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。

实验二金属箔式应变片――半桥性能实验

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，电桥输出灵敏度提高，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UO2＝EKε／2。

三、需用器件与单元：

同实验一。

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验一。

做实验

（一）的步骤2，实验模板差动放大器调零。

2、根据图1－3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±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表1－2，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δf2。

若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

图1－3应变式传感器半桥实验接线图

表1－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量

电压

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。

2、桥路（差动电桥）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。

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，将受力性质相同的两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改善。

三、需用器件和单元：

同实验一

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验一。

2、根据图1－4接线，实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表1－3；进行灵敏度和非线性误差计算。

1－4全桥性能实验接线图

表1－3全桥输出电压与加负载重量值

重量

电压

五、思考题：

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）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。

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1－5应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的：

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

二、实验步骤：

根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。

阐述理由（注意：

实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。

实验五直流全桥的应用――电子秤实验

一、实验目的：

了解应变直流全桥的应用及电路的标定。

二、基本原理：

电子秤实验原理为实验三，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）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码

四、实验步骤：

1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图1－4全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。

2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。

3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。

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1－4。

重量（g）

电压（mv）

6、根据上表，计算误差与非线性误差。

实验六压阻式压力传感器的压力测量

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是在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。

根据半导体的压阻效应，在压力作用下基片产生应变，电阻条的电阻率发生变化，引起电阻值的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化就反映了所受到的压力变化的情况。

三、需用器件与单元

压力源（已在主控箱）、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±4V、±15V。

四、实验步骤

1、根据图2－1连接管路和电路，主控箱内的气源部分、压缩泵、贮气箱、流量计在已接好。

将标准压力表放置在传感器支架上，三通连接管中的硬管一端插入主控板上的气源快速插座中（注意管子拉出时请用双指按住气源插座边缘往内压，则可轻松拉出）。

其余两根黑色软导管分别与标准表和压力传感器接通。

这里选用的差压传感器两只气嘴中，一只为高压嘴，另一只为低压嘴。

当高压嘴接入正压力时，输出为正，反之为负。

若输出负时可调换气嘴。

本实验模板连接见图2－2，压力传感器有4端：

1端线接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源，4端为Uo－。

1、2、3、4端顺序排列见图2－2。

图2－1　压阻式压力传感器测量系统

　　　　　　　　　　　　　　　　图2－2压力传感器压力实验接线图

2、实验模板上RW2用于调节零位，RW1可调节放大倍数，按图2－2接线，模板的放大器输出Vo2引到主控箱数显表的Vi插座上。

将显示选择开关拨到2V档，反复调节RW2（RW1旋到满度的确1／3）使数显表显示为零。

3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。

4、合上主控箱上的气源开关K3，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠浮子在向上浮起悬于玻璃管中。

5、逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度，观察数显表显示电压的正、负，若为负值则对调传感器气嘴接法。

6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使压力显示在4－14KP之间每上升1KP分别读取压力表读数，记下相应的数显表值列于表（2－1）

表（2－1）压力传感器输出电压与输入压力值

P（KP）

Vo（p-p）

7、计算本系统的灵敏度和非线性误差。

8、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，方法如下：

输入4KPa气压，调节Rw2（低限调节），使数显表显示0.400V，当输入12KPa气压，调节Rw1（高限调节）使数显表显示1.200V。

这个过程反复调节直到足够的精度即可。

五、思考题：

如何利用本系统进行真空度测量？

实验七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线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于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，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：

差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

四、实验步骤：

1、根据图3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3－1差动变压器电容传感器安装示意图

2、在模块上按图3－2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div）。

图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：

设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3－2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中

（1）、

（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

图3－2双踪示波器与差动变压器连结示意图

4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表3－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

表（3－1）差动变压器位移X值与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

五、思考题：

1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHZ的振动幅值，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受什么影响？

2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

3、移相器的电路原理图如图1－7，试分析其工作原理？

4、相敏检波器的电路原理图如图1－8，试分析其工作原理？

实验八电容式传感器的位移实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

利用平板电容C＝εA／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、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，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A）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。

四、实验步骤：

1、按图3－1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。

不然得调换接头。

一般接线：

二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。

2、将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图4－1）。

图4－1电容传感器位移实验接线图

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

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表4－1。

表4－1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

5、根据表4－1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

五、思考题：

试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

实验九直流激励时霍尔式传感器位移特性实验

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UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器按图5－1安装。

霍尔传感器与实验模板的连接按图5－2进行。

1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。

图5－1霍尔传感器安装示意图

图5－2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图

1、微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5－1。

表5－1

X（mm）

V（mv）

作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

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？

实验十霍尔测速实验

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：

UH＝KHIB，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次。

每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

三、需用器件与单元：

霍尔转速传感器、直流源＋5V、转动源2－24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

四、实验步骤：

1、根据图5－4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。

　　　　　　　　　　　　　图5－4　霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图

2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。

3、将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。

4、将转速调节中的＋2V－24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。

5、将数显单元上的开关拨到转速档。

6、调节转速调节电压使转动速度变化。

观察数显表转速显示的变化。

五、思考题：

1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？

实验十一压电式传感器测振动实验

一、实验目的：

了解压电传感器的测量振动的原理和方法。

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。

（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，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，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。

三、需用器件与单元：

振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。

双踪示波器。

四、实验步骤：

1、压电传感器已装在振动台面上。

2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。

图7－1压电式传感器性能实验接线图

3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图7－1，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。

将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。

将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。

4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。

5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。

6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。

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：

通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：

1、根据图8－1安装电涡流传感器。

图8－1电涡流传感器安装示意图

图8-1电涡流传感器安装示意图

图8－2电涡流传感器位移实验接线图

2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选择电压20V档。

。

6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表8－1。

表8－1电涡流传感器位移X与输出电压数据

X（mm）

V（v）

8、根据表8－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

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？

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。

实验十三被测体材质对电涡流传感器特性影响

一、实验目的：

了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、基本原理：

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

三、需用器件与单元：

除与实验二十五相同外，另加铜和铝的被测体圆盘。

四、实验步骤：

1、传感器安装与实验二十五相同。

2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。

3、重复实验二十五步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表8－2和表8－3。

表8－2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据

X（mm）

V（v）

表8－3被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据

X（mm）

V（v）

4、根据表8－2和表8－3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

5、分别比较实验二十五和本实验所得结果进行小结。

五、思考题：

当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？

实验十四电涡流转速传感器

一、实验目的：

了解电涡流传感器测转速的原理与组成。

二、基本原理：

利用电涡流的位移传感器及其位移特性，当被测转轴的端面或径向有明显的位移变化（齿轮，凸台）时，就可以得到相应的电压变化量，再配上相应电路测量转轴转速。

本实验请实验人员自己利用电涡流传感器和转动源、数显单元组建。

实验十五光纤传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、基本原理：

本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。

两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

三、需用器件与单元：

光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。

四、实验步骤：

1、根据图9－1安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。

其内部已和发光管D及光电转

换管T相接。

图9－1光纤传感器安装示意图

2、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图9－2。

图9－2光纤传感器位移实验接线图

3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。

4、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调RW、使