传感器原理实验报告.docx
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传感器原理实验报告
《传感器原理实验报告》
指导教师：
张学锋
班级：
物联网131班
组序：
第七组
组员：
程少锋139074366
陈习武139074364
高扬139074373
孙明明139074386
实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥1
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较2
实验三金属箔式应变片温度效应及补偿4
实验四热电偶原理及分度表的应用5
实验五移相器实验6
实验六相敏检波器实验6
实验七金属箔式应变片——交流全桥8
实验十二差动变压器（互感式）零残余电压的补偿9
实验十三差动变压器（互感式）的标定10
实验十九电涡流式传感器的静态标定11
实验二十三霍尔传感器的直流激励特性12
实验二十五霍尔式传感器的交流激励特性13
实验二十六霍尔式传感器的应用——振幅测量之四14
实验二十七磁电式传感器的性能15
实验二十九压电传感器引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响16
实验三十一双平行梁的动态特性18
实验三十二电涡流传感器位移特性实验19
实验三十三PN结温度传感器测温实验20
实验三十四热敏电阻演示实验21
实验三十五半导体扩散硅压阻式压力传感器实验23
实验三十六光纤位移传感器静态实验23
一、实验目的：
了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。
二、基本原理：
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的电源的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种。
当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3R4中，电阻的相对变化率分别为厶R/Ri>ARR2>AR/Ra>AR4/R4,当使用一个应变片时，刀R―;当两个
R
应变片组成差动状态工作，则有刀R2迟；用四个应变片组成两个差对工作，且
R
R=R=R=R=R,刀R土~?
。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
R
往上或往下旋动测微头，使梁的自由端产生位移，记下电压/频率表显示的值。
建议每旋动测微头一周即？
X=0.5mm记一个数值填入下表：
位移（mm
19.370
18.875
18.369
17.882
17.368
18.881
16.369
15.873
电压（mV
0
2
9
18
24
26
32
38
6、根据所得结果计算系统灵敏度S=AV/AX（式中AV为F/V显示的相应电压变化，AX为梁的自由端位移变化）。
灵敏度S=AV/AX=0.037（四舍五入）
六、思考题：
1、本实验电路对直流稳压电源和放大器有何要求?
答：
实验中直流稳压电源输出的正负电压要基本对称
电路对称性——电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差，因此该放大器的共模抑制比应相对比较大。
2、根据所给的差动放大器电路原理图（见附表一），分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。
答：
差动放大器的特点是静态工作点稳定，对共模信号有很强的抑制能力，它唯独对输入信号的差（差模信号）做出响应，这些特点在电子设备中应用很广。
集成运
算放大器几乎都采用差动放大器作为输入级。
这种对称的电压放大器有两个输入端和两个输出端，电路使用正、负对称的电源。
根据电路的结构可分为：
双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出及单端输入单端输出四种接法。
凡双端输出，差模电压增益与单管共发放大器相同；而单端输出时，差模电压增益为双端输出的一半，另外，若电路参数完全对称，则双端输出时的共模放大倍数=0,其实测的
共模抑制比将是一个较大的数值，愈大，说明电路放大的是电压，不能放大电流。
放大多少倍都可以，可以用多级放大。
不过单级最好不要超过100,否则容易引起信
号失真，抑制共模信号的能力愈强。
差动也就是个两个输入端口都有输入，同相输入在同相端，反相输入在反相端。
实验二金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较
1.实验目的：
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
2、按图4接线。
图5
3、调整测微头，使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到土4V
档，然后打开主副电源。
选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器W1使电压表显示零（需预热几分钟电压表才能稳定下来）。
4、旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得的数值填入下表，然后
关闭主、畐I」电源:
位移（mr）i
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
电压（mV
-0.034
-0.052
-0.074
-0.094
-0.120
-0.140
-0.162
-0.185
5、保持放大器增益不变，根据图5连线，将R3固定电阻换为与F4工作状态相反的另一应变片即取两片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节测微头，使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使电压/频率表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：
位移（mr）i
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
电压（mV
-0.045
-0.092
-0.120
-0.165
-0.201
-0.235
-0.276
-0.217
6、保持差动放大器增益不变，根据图6连线，将R1,R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成T,R2换成；，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。
接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使电压/频率表显示零。
重复（4）过程将读出数据填入下表：
位移（mr）i
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
电压（mV
-0.053
-0.135
-0.209
-0.281
-0.359
-0.440
-0.519
-0.596
7、在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度
单臂：
灵敏度S=AV/△X=0.037
半桥：
灵敏度S=AV/AX=0.082
全桥：
灵敏度S=AV/AX=0.161
图示如下：
实验三金属箔式应变片温度效应及补偿
、实验目的：
了解温度对应变测式系统的影响。
二、基本原理：
温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试件材料的线膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压发生变化。
用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图7所示。
在本图电桥中，R1、R3
R4为工作片，R2为补偿片，R仁R2当温度变化时两应变片的电阻变化，△R1与△
R2相等，桥路原来是平衡的，则温度变化后R1R4=R2R3电桥仍满足平衡条件，无
漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片位置相差90?
，所以只感受温度变化,
而不感受悬臂梁的应变
、需用器件与单元：
可调直流稳压电源、-15V不可调直流稳压电源、电桥、差
动放大器、电压/频率表、测微头、加热器、双平行梁、液晶温度表、主、副电源
四、旋钮初始位置：
主、副电源关闭、直流稳压电源置土4V档，电压/频率表置20V档，差动放大器增益旋钮置最大。
五、实验步骤：
1、了解加热器在实验仪中的位置及加热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。
2、将差动放大器的（+）（-）输入端与地短接，输出端插口与电压/频率表的输入插口V相连。
3、开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使电压/频率表显示零，再把电压/
频率表的切换开关置2V档，细调差放调零旋钮，使电压/频率表显示为零。
关闭主、副电源，电压/频率表的切换开关置20V档，拆去差动放大器输入端的连线。
4、按图6接线，开启主、副电源，调电桥平衡网络的W1电位器，使电压/频率表显示零，然后将电压/频率表的切换开关置2V档，调W2电位器，使电压/频率表显示为零。
5、在双平衡梁的自由端（可动端）装上测微头，并调节测微头。
使电压/频率表显示为零。
，打开加热开关；
6、将-15V电源连到加热器的上插口，加热器下插口接地
电压/频率表的显示在变化，待电压/频率表显示稳定后，记下显示数值，并用液晶温度表测出温度，记下温度值。
关闭主、副电源，等待数分钟使梁体冷却到室温。
7、将电压/频率表的切换开关置20V档，把4组应变片中的任一组换成标有—符号的应变片（补偿片），重复4-6过程。
8比较两种情况的电压/频率表数值：
在相同温度下比较，补偿后的输出变化小很多。
9、实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转至初始位置
实验四热电偶原理及分度表的应用
一、实验目的：
了解热电偶的原理及分度表的应用。
二、基本原理：
热电偶的基本工作原理是热电效应，两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶（具体热电偶原理参考教材）。
即热端和冷端的温度不同时，通过测量此电动势即可知道两端温差。
如固定某一端温度（一般固定冷端温度为室温或零摄氏度）。
则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。
本仪器中热电偶为镍铬-考铜热电偶。
三、需用器件与单元：
-15V不可调直流稳压电源、差动放大器、电压/频率表、加热器、热电偶、液晶温度表、主副电源。
6、实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器-15V电源（液晶温度表测出温度后马上拆去-15V电源连接线），其它旋钮置原始位置。
四、思考题：
1、为什么差动放大器接入热电偶后需再调差放零点?
答：
1.因为在常温下，热电偶也会产生一定的热电势，接入差动电路后，则会构成回路，差动就会有输出，所以需要这样做。
2.差动放大器的最显著特点就是电路的对称性，在没接入热电偶的时候，电路有可能已经调到零输出。
接入热电偶，恐怕就破坏了电路的对称性，所以需再调差放零点。
2、即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有较大误差，为什么？
答：
1.冷端补偿不准确性造成的。
2.热电偶是利用两种金属在一个温度下会产生不同电动势的原理制造的。
温度不
同，电动势的差值也不同。
通过测量电压，就可以测得温度值。
这是基本原理。
实际应用中，由于接点的电阻，导线的长与短，电压测试电路的内阻等等，很多因素影响着电压的测量精度。
电压不准，再用电压值去表示温度值，当然也不会非常准确。
’
实验五移相器实验
一、实验目的：
了解运算放大器构成的移相电路和它的原理及工作情况。
二、思考题：
1根据电路原理图，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。
2、如果将双踪滤波器改为单踪示波器，两路信号分别从Y轴和X轴送入，根据李萨育图形是否可以完成此实验？
答：
可以完成之后的实验。
注意事项：
本实验仪中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障。
实验六相敏检波器实验
一、实验目的：
了解相敏检波器的原理及工作情况。
二、基本原理：
相敏检波器电路如图（12A）（及所附原理图）所示，图中①为输入信号端，③为输出端，②为交流参考电压输入端，⑤为直流参考电压输入。
当②⑤
端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用场效应晶体管处于开关状态。
从而把①输入的正弦信号转换成半波整流信号。
三、需用器件与单元：
相敏检波器、移相器、音频振荡器、双踪示波器（自备）、
直流稳压电源、低通滤波器、电压/频率表、主、副电源。
四、实验步骤：
1、了解相敏检波器和低通滤波器在实验仪面板上的符号。
團12A
2、根据图12A的电路接线，将音频振荡器的信号0?
输出端输出至相敏检波器输入端①，把直流稳压电源+2V输出接至相敏检波器的参考输入端⑤，把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③组成一个测量线路。
3、调整好示波器，开启主、副电源，调整音频振荡器的幅度旋钮，示波器输出电压为峰-峰值4V,观察输入和输出波形的相位和幅度值的关系。
4、改变参考电压的极性，观察输入和输出波形的相位和幅值关系。
由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出同相；当参考电压为负时，输入和输出反相。
5、关闭主、副电源，根据图12C重新接线，将音频振荡器的信号从0?
输出至相
扌諭椅波器低通建波器电压频示玻器图l：
B
图12C
敏检波器的输入端①，并同时接相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③，将相敏检波器的输出端③同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一个测量线路（此时，电压/频率表置于20V档）。
6、开启主、副电源，调整音频振荡器的输出幅度，记录电压表的读数，填入下表。
VP-P（V）
0.5
1
2
3
4
8
16
Vo（V）
0.37
0.75
1.65
2.60
3.61
7.13
8.77
7、关闭主、副电源，根据图12E的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0?
端输出至相敏检波器的输入端①，将从180?
输出端输出接至移相器的输入端，把移相
器输出端接至相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③，同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器输出端与直流电压表连接起来，组成一测量线路。
#瞞棕戏弟低通滤独蛊电压频示菠器
團12B
图12E
&开启主、副电源，转动移相器上的移相电位器，观察示波器的显示波形及电压表的读数，使得输出最大。
9、调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下表。
VP-P（V）
0.5
1
2
3
4
8
16
Vo
0
0.35
0.69
0.97
1.30
1.61
1.92
五、思考题：
1、根据实验结果，可以知道的作用是什么？
移相器在实验线路中的作用是什么?
答：
相敏检波器具有两种特性：
选频和鉴相特性；移相器的作用是将信号的相位移动一个角度。
实验七金属箔式应变片——交流全桥
一、实验目的：
了解交流供电的四臂应变电桥的原理和工作情况。
二、基本原理：
图13是交流全桥的一般形式，当电桥平衡时，乙乙二乙乙，电桥输出为零，若桥臂阻抗相对变化为：
△Zi/Zi>AZ2/Z2>AZ3/Za>AZ4/Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成线性关系。
交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯阻性或纯电抗性的。
交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。
4、在双平行梁的自由端装上测微头，旋转测微头使电压/频率表显示为零，以后
每转动测微头一周即0.5mm把电压/频率表显示记录于下表:
Xmm
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Vo
-0.03
0.033
0.13
0.23
0.33
0.42
0.51
0.63
0.74
0.86
0.95
1.03
1.17
1.29
根据所得数据，作出V-X曲线，计算灵敏度S=AV/△X,并与以前直流全桥实验结果相比较。
5、实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮置初始位置。
三、思考题：
在交流电桥中必须有两个可调参数才能使电桥平衡，这是由于电路存
在交流信号而引起的。
实验十二差动变压器（互感式）零残余电压的补偿
一、实验目的：
说明如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿。
二、基本原理：
零残电压中主要包含两种波形成份：
（1）基波分量：
这是由于差
动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（ML、R）不同，线圈中
的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流所产生的磁通不同相。
（2）高次谐波分量：
主要是由导磁材料化曲线非线性引起的，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
减少零残电压的办法有：
（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称；
（2）采用相敏检波电路；（3）选用补偿电路。
三、需用器件与单元：
音频振荡器、测微头、电桥、示波器、差动变压器、差动放大器、振动平台、主、副电源。
四、旋钮初始位置：
音频振荡器4KHz~8KHz之间，双踪示波器第一通道灵敏度500mv/div，第二通道灵敏度1V/div，触发选择打到第一通道，差动放大器的增益旋到最大。
五、实验步骤：
1、按图17接线，音频振荡器必须Lv插口输出，W1W2Cr,为电桥单元中
调平衡网络
电桥平衞网络差动喪压蛊羞幼敢大器示菽器
ais
2开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度钮使示波器一通道显示为2V峰-峰值。
调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。
3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
4、依次调整W1W2使输出电压进一步减小，必要时重新调节测微头，尽量使输出电压最小。
5、将二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波形相比
较。
经过补偿后的残余电压波形为正弦波形。
6、将经过补偿后的残余电压与实验十未经补偿残余电压相比较。
7、实验完毕后，关闭主、副电源。
注意事项：
1、由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。
因此次级输出波形难以用一般示波器来看，要用差动放大器使双端输出转换为单端输出。
2、音频信号必须从Lv端插口引出。
六、思考题：
答：
本实验可把电桥平衡网络搬到次级线圈上进行零点残余电压补偿。
实验十三差动变压器（互感式）的标定
一、实验目的：
了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。
二、需用器件与单元：
音频振荡器、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检
波器、低通滤波器、测微头、电桥、电压/频率表、示波器、主、副电源。
三、旋钮初始位置：
音频振荡器4KHz~8KHz差动放大器的增益打到最大，电压/频率表置2V档，主、副电源关闭。
四、实验步骤：
1、按图19接好线路
2、装上测微头，上下调整使差动变压器铁芯处于线圈中段位置。
3、开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮，使激励电压峰-峰值为2V
4、利用示波器和电压表，调整各调零及平衡电位器，使电压表指示为零。
5、给梁一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形。
6、旋转测微头，每隔0.1mm读数记录实验数据，填入下表，作出V-X曲线，并求
出灵敏度
X（mm
5.20
5.10
5.00
4.90
4.80
4.70
4.60
4.50
V（mV
0.00
-0.35
-1.26
-1.63
-1.91
-2.13
-2.34
-2.54
实验十九电涡流式传感器的静态标定
一、实验目的：
了解涡流式传感器的原理及工作性能。
5、调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示波器及电压表的数值，填入下表：
X（mm）
9.110
8.610
8.110
7.610
Vp-p（v）
0
-0.655
-1.228
-1.782
V（v）
0
-0.65
-1.23
-1.78
建议每隔0.10mm读数，到线性严重变坏为止。
根据实验数据，在坐标纸上画出
V-X曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度。
（最好能用误差理论的方法求出
线性范围内的线性度、灵敏度）。
可见，涡流传感器最大的特点是灵敏度
高，传感器与被测体间有一个最佳初始工作点。
这里采用的变换电路是一种
交直流转换的放大电路。
实验完毕关闭主、副电源。
注意事项:
被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。
实验二十三霍尔传感器的直流激励特性
一、实验目的：
了解霍尔式传感器的原理与特性。
二、基本原理：
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。
当霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上、下移动，
输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X,所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
三、旋钮初始位置：
差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置20V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。
四、实验步骤：
1、了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。
2、开启主、副电源将差动放大器调零后，增益最小，关闭主电源，根据图30接线，W、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
3、装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
4、开启主、副电源，调整W使电压表指示为零。
5、上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.5mmi卖一个数，将读数填入下
表：
X（mm）
7.620
7.120
6.620
6.120
5.620
5.120
4.620
4.120
V（v）
0.00
-0.05
-0.10
-0.14
-0.19
-0.24
-0.25
-0.26
作出V-X曲线，指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源
可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。
6、实验完毕后关闭主、副电源，各旋钮置初始位置注意事项：
1由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。
2、一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。
3、激励电压不能超过2V,以免损坏霍尔片。
实验二十五霍尔式传感器的交流激励特性
一、实验目的：
了解交流激励霍尔片的特性。
二、所需单元及部件：
磁路系统、音频振荡、差动放大器、测微头、电桥、移相
器、相敏检波器、低通滤波器、主副电源、电压/频率表、示波器及振动平台。
三、旋钮初始位置：
音频振荡器1KH,放大器增益最大，主、副电源关闭。
四、实验步骤：
1开启主、副电源将差放调零，关闭主、副电源。
2、调节测微头脱离振动平台
并远离振动台。
按图32接线。
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