传感器与检测技术实验报告样本.docx
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传感器与检测技术实验报告样本
“传感器与检测技术”实验报告
序号
实验名称
1
电阻应变式传感器实验
2
电感式传感器实验
3
电容传感器实验
学号：
91311029
姓名：
杨薛磊
序号：
83
实验一电阻应变式传感器实验
（一）应变片单臂电桥性能实验
一、实验目：
理解电阻应变片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构成。
一种运用电阻材料应变效应将工程构造件内部变形转换为电阻变化传感器。
此类传感器重要是通过一定机械装置将被测量转化成弹性元件变形，然后由电阻应变片将弹性元件变形转换成电阻变化，再通过测量电路将电阻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各种非电物理量检测，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。
三、需用器件与单元：
主机箱中±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、实验环节：
应变传感器实验模板阐明：
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、差动放大器构成。
实验模板中R1（传感器左下）、R2（传感器右下）、R3（传感器右上）、R4（传感器左上）为称重传感器上应变片输出口；没有文字标记5个电阻符号是空无实体，其中4个电阻符号构成电桥模型是为电路初学者构成电桥接线以便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片构成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设其他桥臂电阻。
加热器+5V是传感器上加热器电源输入口，做应变片温度影响实验时用。
多芯插头是振动源振动梁上应变片输入口，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、测量应变片阻值：
当传感器托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4
阻值。
在传感器托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4阻值变化，分析应变片受力状况（受拉应变片：
阻值变大，受压应变片：
阻值变小。
）。
图1—5测量应变片阻值示意图
3、实验模板中差动放大器调零：
按图1—6示意接线，将主机箱上电压表量程切换
开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器增益电位器RW3适当位置（先顺时针轻轻转究竟，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器调零电位器RW4，使电压表显示为零。
图1—6差动放在器调零接线示意图
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，调节实验模板上桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器托盘上依次增长放置一只20g砝码（尽量接近托盘中心点放置），读取相应数显表电压值，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
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
电压（mV）
0
-4
-9
-14
-19
-23
-27
-32
-36
-40
5、依照表1数据作出曲线并计算系统敏捷度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线最大偏差：
yFS满量程输出平均值，此处为200g。
实验完毕，关闭电源。
数据分析：
系统敏捷度S＝ΔV/ΔW=0.224
非线性误差δ=Δm/yFS×100％=1.02％
（二）应变片半桥性能实验
一、实验目：
理解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
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。
不同应力方向两片应变片接入电桥作为邻边，输出敏捷度提高，非线性得到改进。
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±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、实验环节：
1、按实验一（单臂电桥性能实验）中环节1和环节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，其他按实验一中环节4实验。
读取相应数显表电压值，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
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
电压（mV）
0
8
16
24
33
41
49
58
66
74
3、依照表2实验数据作出实验曲线，计算敏捷度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。
实验完毕，关闭电源。
数据分析：
系统敏捷度S＝ΔV/ΔW=0.413
非线性误差δ=Δm/yFS×100％=2.05％
五、思考题：
半桥测量时两片不同受力状态电阻应变片接入电桥时，应放在：
邻边。
在邻边时,中点电位变化才干和此外参照点进行比较,如果不在临边,也就会浮现当两个应变片都发生变化时,与她们相应电阻电位差也许会浮现0状况。
举个例子：
两个应变片电阻分别为A和B,此外两个电阻为C和D,假设A=B=C=D,那么,在邻边时,当由于受力,A电阻不不大于B时,两点间电位会低于C和D,反之亦然；而如果不在临边,那么A和C之间电位变化和C与D之间电位变化就没有前面规律了,也就无法判断哪个应变片浮现受力变化了。
（三）应变片全桥性能实验
一、实验目：
理解应变片全桥工作特点及性能。
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，将应力方向相似两应变片接入电桥对边，相反映变片接入电桥邻边。
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。
其输出敏捷度比半桥又提高了一倍，非线性得到改进。
图3—1应变片全桥特性实验接线示意图
三、需用器件和单元：
主机箱中±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、实验环节：
1、实验环节与办法（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敏捷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
2、表3全桥性能实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mV）
-17
-34
-51
-67
-84
-100
-117
-134
-151
-167
3、依照表/3实验数据作出实验曲线，计算敏捷度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。
实验完毕，关闭电源。
数据分析：
系统敏捷度S＝ΔV/ΔW=0.834
非线性误差δ=Δm/yFS×100％=4.12％
（四）应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目：
比较单臂、半桥、全桥输出时敏捷度和非线性度，得出相应结论。
二、基本原理：
如图4（a）、（b）、（c）
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图4应变电桥
三、需用器件与单元：
主机箱中±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、依照实验一、二、三所得单臂、半桥和全桥输出时敏捷度和非线性度，从理论上进行分析比较。
经实验验证阐述理由（注意：
实验一、二、三中放大器增益必要相似）。
实验完毕，关闭电源。
实验分析：
全桥是半桥两倍，半桥是单臂两倍，也就是说，敏捷度：
全=2*半=4*单
实验二电感式传感器实验
（一）差动变压器性能实验
一、实验目：
理解差动变压器工作原理和特性。
二、基本原理：
差动变压器工作原理电磁互感原理。
三、需用器件与单元：
主机箱中±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、实验环节：
1、差动变压器、测微头及实验模板按图11—6示意安装、接线。
实验模板中L1为差动变压器初级线圈，L2、L3为次级线圈，＊号为同名端；L1勉励电压必要从主机箱中音频振荡器Lv端子引入。
检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率为4kHz～5kHz、幅度为峰峰值Vp-p＝2V作为差动变压器初级线圈勉励电压（示波器设立提示：
触发源选取内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范畴内选取、触发方式选取AUTO。
垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选取交流耦合AC、CH1敏捷度VOLTS/DIV在0.5V～1V范畴内选取、CH2敏捷度VOLTS/DIV在0.1V～50mV范畴内选取）。
图11—6差动变压器性能实验安装、接线示意图
2、差动变压器性能实验：
使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移过程中自身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用如下办法实验。
调节测微头微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒0刻度线对准轴套10mm刻度线。
松开安装测微头紧固螺钉，移动测微头安装套使示波器第二通道显示波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大概处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉，再顺时针方向转动测微头微分筒12圈，记录此时测微头读数和示波器CH2通道显示波形Vp-p（峰峰值）值为实验起点值。
后来，反方向（逆时针方向）调节测微头微分筒，每隔
△X=0.2mm（可取60～70点值）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表11（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头机械回差）。
3、依照表11数据画出X－Vp-p曲线并找出差动变压器零点残存电压。
实验完毕，关闭电源。
表11差动变压器性能实验数据（表格不够自己加）
△X（mm）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Vp-p（mV）
1560
1520
1500
1480
1460
1440
1400
1380
1360
1320
△X（mm）
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
Vp-p（mV）
1300
1260
1220
1180
1140
1100
1020
980
940
900
△X（mm）
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
5.6
5.8
Vp-p（mV）
820
780
700
660
500
520
460
400
320
240
△X（mm）
6.0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
Vp-p（mV）
180
120
140
220
280
360
420
500
540
620
△X（mm）
8.0
8.2
8.4
8.6
8.8
9.0
9.2
9.4
9.6
9.8
Vp-p（mV）
680
740
800
840
900
960
1020
1080
1120
1160
△X（mm）
10.0
10.2
10.4
10.6
10.8
11.0
11.2
11.4
11.6
11.8
Vp-p（mV）
1180
1220
1260
1300
1340
1360
1400
1400
1420
1440
△X（mm）
12.0
12.2
12.4
12.6
12.8
13.0
13.2
13.4
Vp-p（mV）
1460
1460
1500
1540
1540
1540
1540
1560
由图可知：
残存电压为120mV
五、思考题：
1、试分析差动变压器与普通电源变压器异同？
答：
不同点：
这两者差距极大，不可以互相代替。
差动变压器普通用于作为检测元件，而普通变压器普通作为电源变换部件或者信号转换部件。
以E型为例。
普通变压器2个E型铁芯（磁芯）是固定在一起紧耦合，不但愿工作中有任何移动，否则会产生噪声，大功率时甚至也许损坏。
而差动变压器2个E型铁芯（磁芯）则相反。
差动变压器普通分为变面积式和变气隙式。
变面积式差动变压器2个E型铁芯（磁芯）不是固定在一起，随工作需要移动或者旋转。
差动变压器有2个线圈，一种是勉励线圈，另一种是检测线圈，普通在勉励线圈诸如一种固定频率固定幅度信号，通过在检测线圈中信号获取差动变压器变化数据，进而可以计算出距离/角度或者速度。
变气隙式差动变压器2个E型铁芯（磁芯）固定在一起，但是2个E型铁芯（磁芯）之间间距较大，中间可以通过放置导体体变化气隙大小。
差动变压器有2个线圈，一种是勉励线圈，另一种是检测线圈，普通在勉励线圈诸如一种固定频率固定幅度信号，通过在检测线圈中信号获取差动变压器中导体位置变化数据，进而可以计算出距离或者速度。
相似点：
都是由铁芯和线圈构成，都是转换电压元件。
2、用直流电压勉励会损坏传感器。
为什么？
答：
由于变压器初级直接接到了直流电压上，由于初级线圈直流电阻很低，这样形成很大直流电流。
产生热量如果足够大，也许将初级线圈烧毁，普通线圈都是不能直接接到直流电压上。
3、如何理解差动变压器零点残存电压？
用什么办法可以减小零点残存电压？
答：
1、由于两次级线圈构造上不对称，因而两次级电压幅值平衡点与相位平衡点两者不重叠引起。
2、由于铁芯材料B-H曲线弯曲某些所引起输出电压有高次谐波导致。
3、由于激磁电压波形中高次谐波引起。
办法：
将差动变压器输出经相敏检波器，检波后即可见效零点残存电压。
（二）差动变压器测位移实验
一、实验目：
理解差动变压器测位移时应用办法
二、基本原理：
差动变压器工作原理同上
图14—1差动变压器测位移原理框图
三、需用器件与单元：
主机箱中±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表；差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；测微头、双踪示波器。
四、实验环节：
1、相敏检波器电路调试：
将主机箱音频振荡器幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转究竟），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，再按图14—2示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。
提示：
对的选取双踪示波器“触发”方式及其他设立，触发源选取内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范畴内选取、触发方式选取AUTO；垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选取直流耦合DC、敏捷度VOLTS/DIV在1V～5V范畴内选取。
当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。
）。
调节相敏检波器电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反两个波形。
到此，相敏检波器电路已调试完毕，后来不要触碰这个电位器钮。
关闭电源。
图14—2相敏检波器电路调试接线示意图
1、调节测微头微分筒，使微分筒0刻度值与轴套上10mm刻度值对准。
按图
14—3示意图安装、接线。
将音频振荡器幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转究竟）；电压表量程切换开关切到20V档。
检查接线无误后合上主机箱电源开关。
图14—3差动变压器测位移构成、接线示意图
3、调节音频振荡器频率f=5KHz、幅值Vp-p=2V（用示波器监测）。
4、松开测微头安装孔上紧固螺钉。
顺着差动变压器衔铁位移方向移动测微头安装套（左、右方向都可以），使差动变压器衔铁明显偏离L1初级线圈中点位置，再调节移相器移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形（示波器CH2敏捷度VOLTS/DIV在1V～50mV范畴内选取监测）。
再慢悠悠仔细移动测微头安装套，使相敏检波器输出波形幅值尽量为最小（尽量使衔铁处在L1初级线圈中点位置）并拧紧测微头安装孔紧固螺钉。
5、调节差动变压器实验模板中RW1、RW2（两者配合交替调节）使相敏检波器输出波形趋于水平线（可相应调节示波器量程档观测）并且电压表显示趋于0V。
6、调节测微头微分筒，每隔△X=0.2mm从电压表上读取低通滤波器输出电压值，填入下表14。
表14差动变压器测位移实验数据（表格不够自己加）
X（mm）
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
V（mV）
310
280
250
220
190
160
130
90
60
30
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
0
20
50
80
110
140
170
200
230
260
290
7、依照表14数据作出实验曲线并截取线性比较好线段计算敏捷度S=△V／△X与线性度及测量范畴。
实验完毕关闭电源开关。
数据分析：
系统敏捷度S＝ΔV/ΔX=149.6
线性度δ=Δm/yFS×100％=1.26％
五、思考题：
差动变压器输出经相敏检波器检波后与否消除了零点残存电压和死区？
从实验曲线上能理解相敏检波器鉴相特性吗?
答：
消除了，可以得出检相特性。
（三）电涡流传感器位移实验
一、实验目：
理解电涡流传感器测量位移工作原理和特性。
二、基本原理：
电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上传感器。
三、需用器件与单元：
主机箱中±15V直流稳压电源、电压表；、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）、示波器。
四、实验环节：
1、观测传感器构造，这是一种平绕线圈。
调节测微头微分筒，使微分筒0刻度值与轴套上5mm刻度值对准。
按图22—4安装测微头、被测体铁圆片、电涡流传感器（注意安装顺序：
一方面将测微头安装套插入安装架安装孔内，再将被测体铁圆片套在测微头测杆上；然后在支架上安装好电涡流传感器；最后平移测微头安装套使被测体与传感器端面相帖并拧紧测微头安装孔紧固螺钉），再按图22—4示意接线。
图22—4电涡流传感器安装、按线示意图
2、将电压表量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后启动主机箱电源，记下电压表读数，然后逆时针调节测微头微分筒，每隔0.1mm读一种数，直到输出Vo变化很小为止并将数据列入表22（在输入端即传感器二端可接示波器观测振荡波形）。
表22电涡流传感器位移X与输出电压数据（表格不够自己加）
X（mm）
5.870
5.970
6.070
6.170
6.270
6.370
6.470
6.570
6.670
6.770
Vo（V）
0.000
0.057
0.166
0.278
0.396
0.517
0.639
0.761
0.886
1.015
X（mm）
6.870
6.970
7.070
7.170
7.270
7.370
7.470
7.570
7.670
7.770
Vo（V）
1.147
1.282
1.415
1.547
1.687
1.828
1.971
2.120
2.260
2.410
X（mm）
7.870
7.970
8.070
8.170
8.270
8.370
8.470
8.570
8.670
8.770
Vo（V）
2.560
2.710
2.860
3.010
3.160
3.310
3.450
3.600
3.740
3.890
X（mm）
8.870
8.970
9.070
9.170
9.270
9.370
9.470
9.570
9.670
9.770
Vo（V）
4.030
4.180
4,320
4.460
4.600
4.740
4.870
5.010
5.140
5.270
X（mm）
9.870
9.970
10.070
10.170
10.270
10.370
10.470
10.570
10.670
10.770
Vo（V）
5.400
5.530
5.650
5.770
5.890
6.010
6.130
6.240
6.350
6.450
X（mm）
10.870
10.970
11.070
11.170
11.270
11.370
11.470
11.570
11.670
11.770
Vo（V）
6.580
6.690
6.800
6.890
6.990
7.090
7.180
7.270
7.340
7.430
X（mm）
11.870
11.970
12.070
12.170
12.270
12.370
12.470
12.570
12.670
12.770
Vo（V）
7.510
7.590
7.660
7.730
7.800
7.870
7.940
8.000
8.060
8.130
X（mm）
12.870
12.970
13.070
13.170
13.270
13.370
13.470
13.570
13.670
13.770
Vo（V）
8.190
8.250
8.310
8.360
8.410
8.470
8.530
8.580
8.630
8.680
X（mm）
14.770
15.770
16.770
17.770
18.770
Vo（V）
9.090
9.410
9.630
9.790
9.900
3、依照表22数据，画出V－X实验曲线，依照曲线找出线性区域比较好范畴计算敏捷度和线性度（可用最小二乘法或其他拟合直线）。
实验完毕，关闭电源。
由图可知当X在[8，10]区间线性度较好，因此在[8，10]区间用最小二乘法线性拟合。
数据分析：
系统敏捷度S＝ΔV/ΔX=1.401
线性度δ=Δm/yFS×100％=0.885％
实验三电容式传感器位移实验
一、实验目：
理解电容式传感器构造及其特点。
二、基本原理：
1、原理简述：
电容传感器是以各种类型电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量变化来实现测量。
电容式位移传感器实验原理方块图如图16—3
图16—3电容式位移传感器实验方块图
三、需用器件与单元：
主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验环节：
1、按图16—4示意安装、接线。
图16—4电容传感器位移实验安装、接线示意图
2、将实验模板上Rw调节到中间位置（办法：
逆时针转究竟再顺时传３圈）。
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