13电子专传感器实验讲义.docx

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13电子专传感器实验讲义

实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半桥和全桥电桥的工作原理和性能。

比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。

二、实验原理：

1、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组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1

图1-2

通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

Uo=

（1-1）

E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=

。

2、不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图1-3。

电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为

Uo=EKε/2=

（1-2）

E为电桥电源电压，式1-2表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

图1-3

3、全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图1-4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：

Uo=KEε（1-3）

E为电桥电源电压，式1-3表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

三、实验仪器及装置：

应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源。

四、实验内容与步骤

1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw4，使电压表显示为0V。

Rw4的位置确定后不能改动。

关闭主控台电源。

3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。

4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。

表1－1

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mV）

2.1

6.5

10.8

15.1

19.5

23.9

28.3

32.6

37

41.4

5．按图1-3接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。

6．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示10mV左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表，关闭电源。

表1-2

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mV）

10.3

18.7

26.8

35.4

43.9

52.5

61

69.6

78.1

86.7

7．按图1-4接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使电压表显示为零。

8．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示0.020V左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-3，关闭电源。

表1-3

重量（g）

电压（mV）

五、实验报告

1、根据表1-1、1-2和1-3计算单臂、半桥和全桥系统的灵敏度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为满量程（200g）输出平均值。

2、比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

思考题

1、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。

2、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。

3、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。

4、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）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。

5、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。

实验二直流全桥的应用――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、实验原理：

电子秤实验原理为全桥测量原理，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、实验器件及装置：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码

四、实验内容与步骤：

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2－1。

重量（g）

电压（mv）

五、实验报告：

根据上表2-1，计算误差与非线性误差。

实验三电涡流传感器的位移特性实验

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，了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、实验原理：

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。

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、实验器件及装置：

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、铜圆片、铝圆片。

四、实验内容与步骤：

1、根据图3－1安装电涡流传感器。

图3-1电涡流传感器安装示意图

图3-1电涡流传感器安装图

图3－2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3－1。

表3－1电涡流传感器位移X与输出电压数据

X（mm）

V（v）

8、将原铁圆片换成铝和铜圆片，重复以上步骤，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3－2和表3－3。

表3－2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据

X（mm）

V（v）

表3－3被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据

X（mm）

V（v）

五、实验报告：

根据表3-1、3-2、3-3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）。

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。

3、当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？

实验四磁电式转速传感器测速实验

一、实验目的：

了解磁电式测量转速的原理。

二、实验原理：

基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：

发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。

三、实验器件及装置：

磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源2－24V。

四、实验内容与步骤：

1、磁电式转速传感器按图4-1安装传感器端面离转动盘面2mm左右。

将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。

（磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）

2、

将显示开关选择转速测量档。

3、将转速电源2－24V用引线引入到台面板上24V插孔，合上主控箱电开关。

使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。

五、实验报告：

根据电源与转速的数据做出曲线。

思考题

为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？

实验五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、实验原理：

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、实验器件及装置：

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、实验内容与步骤：

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

3、

4、

图5－2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图

3、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）

五、实验报告：

根据表5-1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。

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？

实验六速度测量实验

一、实验目的：

了解霍尔传感器和光电传感器测量转速的应用。

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。

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的（光电断续器），传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。

三、需用器件与单元：

主机箱、霍尔转速传感器、光电转速传感器、转动源。

四、实验步骤：

1、根据图4-1将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢，并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2mm～3ｍｍ。

图4-1　霍尔转速传感器实验安装、接线示意图

2．首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2v～24ｖ旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（显示选择打到20ｖ挡）监测大约为１.25V；然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图4-17所示分别接到主机箱的相应电源和频率／转速表（转速挡）的Fin上。

3．合上主机箱电源开关，在小于12Ｖ范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。

4．从2Ｖ开始记录每增加１Ｖ相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据），记入表4-1；

5.换光电式传感器重复1-4步进行实验，将数据记入表4-2；

表4-1

电压

转速

表4-2

电压

转速

五、实验报告：

根据表4-1、4-2的数据分别画出两种传感器的电机的ｖ—ｎ（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。

并比较两种传感器的特性。

六、思考题：

1．利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2．本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？

3.此实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。