传感器与检测技术实验指导书.doc

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1、 目 录前 言1第1章电阻式传感器实验3实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验3实验二 金属箔式应变片半桥性能实验5实验三 金属箔式应变片全桥性能实验6实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较7实验五 金属箔式应变片全桥温度影响实验8实验六 直流全桥的应用电子秤实验8实验七 交流全桥的应用振动测量实验9实验八 压阻式压力传感器压力测量实验11实验九 扩散硅压阻式压力传感器差压测量*12第2章电感式传感器实验13实验十 差动变压器的性能实验13实验十一 激励频率对差动变压器特性的影响15实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验16实验十三 差动变压器的应用振动测量实验17第3章电容式传感器

2、实验19实验十四 电容式传感器的位移实验19实验十五 电容式传感器的动态特性实验20第4章磁电式传感器实验21实验十六 直流激励时接触式霍尔位移传感器特性实验21实验十七 交流激励时霍尔式位移传感器特性实验23实验十八 霍尔位移传感器振动测量24实验十九 霍尔式位移传感器的应用电子秤实验24实验二十 霍尔转速传感器测速实验25附加实验一 移相器实验26附加实验二 相敏检波器实验28第1章 电阻式传感器实验实验一 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: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，

3、描述电阻应变效应的关系式为： R/R=K式中R/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EK/4。（E为供桥电压）。 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（每只约20g）、数显表、15V电源、4V电源、万用表。 四、实验步骤： 1、如图(1-1)所示，应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。加热丝也接于模板上，

4、可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350，加热丝阻值约为50左右。图 11 应变式传感器安装示意图 2、实验模板差动放大器调零，方法为：接入模板电源15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端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)，完毕关闭主控箱电源。 3、参考图（1-2）接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥(R5

5、、R6、R7在模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调Rw4使数显表显示为零。图 12 应变式传感器单臂电桥实验接线图 4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表（1-1）。表1-1 单臂测量时，输出电压与负载重量的关系重量（g）电压（mv）5、根据表（1-1）计算系统灵敏度S：S=V/W其中：V为输出电压平均变化量；W重量变化量；计算非线性误差：f1=m/yFS100%式中m为输出电压值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大电压偏差量，y

6、FS为满量程时电压输出平均值。 五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：(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：不同受力方向的两片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。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。 三、需用器件与单元：同实验一。 四、实验步骤： 1、保持实验（一）的各旋钮位置不变。 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

7、反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源4V，先粗调Rw1，再细调Rw4，使数显表指示为零。注意保持增益不变。 3、同实验一（4）步骤，将实验数据记入表（1）-2，计算灵敏度S=V/W，非线性误差f2。若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。图 13 应变片传感器半桥实验接线图表1-2 半桥测量时，输出电压与负载重量的关系重量（g）电压（mv） 五、思考题： 1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？ 2、桥路测量时存在非线性误差，是因

8、为：(1)电桥测量原理上存在非线性误差？(2)应变片应变效应是非线性的？(3)零点偏移？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，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值R1=R2=R3=R4时，桥路输出电压U03=KE，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。 三、需用器件和单元：同实验一。 四、实验步骤：1、保持实验（二）的各旋钮位置不变。2、根据图1-4接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意受力状态不要接错调节零位旋钮Rw1，并细调

9、Rw4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。图 14 全桥性能实验接线图表1-3 全桥测量时，输出电压与负载重量的关系重量（g）电压（mv）五、思考题： 1、全桥测量中，当两组对边(R1、R3)电阻值相同时，即R1= R3， R2= R4，而R1R2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 15 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

10、桥输出时的灵敏度和非线性误差，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误差，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 金属箔式应变片全桥温度影响实验 一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。 二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面:敏感栅丝电阻温度系敏感丝的线膨胀系数与弹性体的线膨胀系数不一致。因此当温度变化时，在被测体受力状态及大小不变时，输出电压会有一定的变化。 三、需用器件与单元：应变传感器实验模板、数显表单元、直流源、加热器(已贴在应变片底部) 四、实验步骤： 1、保

11、持实验三实验结果。 2、将200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一数值Uo1。 3、将主控箱上+5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔，数分钟后待数显电压表显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1即为温度变化对全桥测量的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。 五、思考题： 1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？ 2、应变式传感器可否用于测量温度？实验六 直流全桥的应用电子秤实验 一、实验目的：了解应变片直流全桥的应用及电路标定。 二、基本原理：电子秤实验原理为实验三的全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，将电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子

12、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、15V电源、4V电源。 四、实验步骤： 1、按图1-4全桥接线，电压表置2V档，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，并细调Rw4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，调节增益电位器Rw3(即满量程调整)，使数显表显示为0.200V或-0.200V。 3、拿去所有砝码，再次调零。 4、重复2、3步骤的标定过程，一直到满量程显示0.200V，空载时显示0.000V为止，把电压量纲V改为重量量纲g，即成为一台原始的电子秤。 5、把砝码依次放在托盘上，将相应的电压表数值填入下表：重量（g）电压（m

13、v） 6、根据上表计算非线性差值。 7、分析误差来源，比较一下这个实验结果与实验三结果有什么不同点。 8、在托盘上放上一未知重量的物体（2L2P，则输出电压U0受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2L2P Rp2时输出U0与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。三、需用器件与单元：与实验十相同。 四、实验步骤： 1、差动变压器安装及接线参考实验十。 2、选择音频信号输出频率为1KHz，幅度调节在25Vp-p内，从LV端输出，移动传感器铁芯至中间位置（即输出信号最小时的位置）。 3、旋动测微头，每间隔0.2mm在示波器第二通道上读取信号电压的Vp-p值，填入表（2-2）。 4、

14、保持输入信号幅度不变，分别改变激励频率为3KHz、5KHz、7KHz、9KHz重复实验步骤，将结果记入表（2-2）表2-2 不同激励频率时输出电压(峰-峰值)与位移X的关系 X(mm)Vo(p-p)f(KHz)13579 作出每一频率时的Vp-pX曲线，并计算其灵敏度S，并作出灵敏度与不同激励频率的关系曲线。实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验 一、实验目的：了解差动变压器零点残余电压的补偿方法。 二、基本原理：由于受到差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称、线圈的排列不均匀、不一致、铁芯B-H特性的非线性等因素的影响，因此在铁芯处于差动变压器线圈中间位置时，实际输出电压并不为零。这个电压

15、称为零点残余电压。 三、需用器件与单元：音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。 四、实验步骤： 1、按图 21安装好差动变压器并按图 23接线，音频信号源从Lv插口输出，实验模板R1、C1、Rw1、Rw2为电桥平衡网络。图 23 零点残余电压补偿电路2、利用示波器调整音频振荡器输出幅度为2V5V峰-峰值，频率为4-5KHz之间。 3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。 4、依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。 5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与第一通道激励电压相比较。 6、从示波器上观察并记录下，差动变压器的零点残余电压值。(注：这时的

16、零点残余电压是经放大后的零点残余电压)。 7、拆去R1、C1与电路的联线观察并记录下示波器的信号值，比较一下与上述（6）的结果有什么不同？ 五、思考题： 1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。 2、本实验也可用图 24所示线路，请分析原理。图 24 零点残余电压补偿电路之二实验十三 差动变压器的应用振动测量实验（建议先做两项附加实验） 一、实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。 二、基本原理：与测量位移的原理相同。 三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、差动变压器实验模板、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、示波器、直流稳压电源，振动源。 四、实验步骤： 1、将差动变压器按图 25安

17、装在振动台上，并用手按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死的现象，否则必须调整安装位置。图 25 差动变压器测量振动安装图 2、按图 26接线，并按以下步骤操作：(1)检查接线无误后，合上主控箱电源开关，用示波器观察音频振荡器Lv端的Vp-p值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vp-p=4V，频率调整在5KHz。(2)用示波器观察相敏检波器的输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。(3)仔细调节Rw1和Rw2使示波器(相敏检波输出)显示的波形幅值更小，基本为零。(4)用手按住振动平台(让传感器产生一个大位移)仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波的整

18、流波形。(5)松手后，整流波形消失变为一条接近零点的直线(否则再调节Rw1和Rw2)。将低频振荡器信号接入振动源的输入端，调节振动幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振动较为明显，用示波器观察放大器、相敏检波器及低通滤波器的输出端波形。图 26 差动变压器振动测量实验接线图3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（3Hz20Hz），用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据，填入表（2-3)。表2-3 低通滤波器输出F(Hz)Vp-p(V) 4、根据实验结果作出振动梁的幅频特性曲线，指出梁的自振频率范围值，并与实验九用应变片测出的结果相比较。 5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡

19、幅度，可得到梁的振动振幅值大小。 注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。 五、思考题： 1、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？ 2、如需确定梁的振动位移量（y），还要增加哪一项实验？参考图 26，接入数显电压表，完成该项实验。 3、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅度，可以吗？差动变压器测量频率的上限受到什么影响？第3章 电容式传感器实验实验十四 电容式传感器的位移实验 一、实验目的：了解电容式传感器的结构及其特点。 二、基本原理：利用平板电容C=A/d的关系，在、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，就可使电容的

20、容量(C)发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量，则可以制成多种电容传感器，如：变的湿度电容传感器。变d的电容式压力传感器。变A的电容式位移传感器。本实验采用第种电容传感器，是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。图 31 电容传感器位移实验接线图 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、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、直流稳压电源。 四、实验步骤： 1、按图 21将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图 31。 3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，R

21、w调节到中间位置。 4、接入15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值(V)，填入表3-1。将测微头回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程。表3-1 电容式传感器位移与输出电压的关系X(mm)10mmV(mv)最小 5、根据表3-1数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差f，分析误差来源。 五、思考题： 试设计一个利用的变化测谷物湿度的电容传感器？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？实验十五 电容式传感器的动态特性实验 一、实验目的：了解电容式传感器的动态性能及测

22、量原理与方法。 二、基本原理：利用电容式传感器动态响应好，灵敏度高等特点，可进行动态位移测量。 三、需用器件与单元：电容式传感器、电容传感器实验模板、低通滤波模板、数显单元、直流稳压电源、双踪示波器，振动台。四、实验步骤： 1、按图 25安装传感器，并按图3-1接线。实验模板输出端V01接低通滤波器输入端、低通滤波器输出端。接示波器一个通道（示波器轴为20ms/div、Y轴示输出大小而变）。调节传感器连接支架高度，使01输出在零点附近。 2、将低频信号接入振动源，振动频率选612Hz之间，幅度旋钮置最小。 3、将15V电源接到实验模板上，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意

23、观察示波器上显示的波形。 4、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，从示波器上读出传感器实验模板输出电压01峰峰值。 5、作出幅频特性曲线，考虑一下这条曲线是传感器的特性还是振动梁的特性? 五、思考题： 1、为了进一步提高电容传器的灵敏度，本实验用的传感器可作何改进？如何设计成容栅式传感器？ 2、本实验采用的是差动变面积式电容传感器，根据下面提供的电容传感器尺寸，计算在移动0.5mm时的电容变化量(c)。传感器外圆筒半径R=8mm，内圆筒半径r=7.25mm，当活动杆处于中间位置时，外圆与内圆覆盖部分长度L=16mm。第4章 磁电式传感器实验实验十六 直流激励时接触式霍尔位移传感器特性实验

24、（注：如您的霍尔位移传感器无活动杆，即为非接触式，请按最后附录实验进行）一、实验目的：了解霍尔式位移传感器原理与应用。二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，保持KH、I不变，若霍尔元件在梯度磁场B中运动，且B是线性均匀变化的，则霍尔电势UH也将线性均匀变化，这样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、线性霍尔位移传感器、直流电，源4V、15、测微头、数显单元。四、实验步骤：1、将霍尔传感器按图4-1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图4-2进行。、为电源4，、为输出，R1与之间联线可暂时不接。图 41 霍尔传感器安装示意图2、开启电源，接入15V电源，将测微头

25、旋至10mm处，左右移动测微头使霍尔片处在磁钢中间位置，即数显表电压指示最小，拧紧测量架顶部的固定镙钉，接入R1与之间的联线，调节RW2使数显电压表指示为零（数显表置2V档）。图 42 霍尔式位移传感器直流激励实验接线图3、旋转测微头，每转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，并将读数填入表4-1，将测微头回到10mm处，反向旋转测微头，重复实验过程，填入表4-1。表4-1 霍尔式位移传感器位移量与输出电压的关系：X(mm)10mmV(mv)最小 作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度S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？实验十七 交流

26、激励时霍尔式位移传感器特性实验（建议先做两项附加实验）（注：如您的霍尔位移传感器无活动杆，即为非接触式，请按最后附录实验进行）一、实验目的：了解交流激励时霍尔式位移传感器的特性。二、基本原理：交流激励与直流激励时的霍尔式位移传感器的基本工作原理相同，不同之处是测量电路。三、需用器件与单元：在实验十六基础上增加相敏检波/移相/滤波模板、双踪示波器。 四、实验步骤： 1、传感器安装同实验十六，实验模板连线见图4-3，平衡网络C1、R1与霍尔传感器输出端之间的联线可暂时不接。图 43 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图2、调节音频振荡器频率和幅度旋扭，从LV输出端用示波器测量，使输出信号频率为1KH

27、Z、Vp-p值达4V并接入电路中。（注意：激励电压必须从音频LV端输出，电压过大会烧坏霍尔元件）。3、先用示波器观察放大器的输出端信号，移动测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，即示波器指示值最小，接入平衡网络C1、R1与霍尔传感器输出之间的联线，调节电位器Rw1、Rw2使示波器显示值更小。4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，用示波器观察相敏检波器输出波形，调节移相电位器和相敏检波器电位器，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示-相对值（数显表置2V档）。5、调节测微头使霍尔传感器回到磁钢中点，微调RW1、RW2与移相/相敏检波器中的RW，使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm

28、或0.5mm时电压表的读数，并填入表4-2。表4-2 交流激励时输出电压和位移的关系X(mm)10mmV(mv)最小6、根据表4-2作出V-X曲线，计算灵敏度S和非线性误差。五、思考题：利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？实验十八 霍尔位移传感器振动测量（注：如您的霍尔位移传感器无活动杆，即为非接触式，请按最后附录实验进行）请参考实验十三图2-5，将差动变压器换成霍尔传感器，根据实验十七，动手组织。实验十九 霍尔式位移传感器的应用电子秤实验（注：如您的霍尔位移传感器无活动杆，即为非接触式，请按最后附录实验进行） 一、实验目的：了解霍尔式传感器用于称重的原理。 二、基本原理：当振动台加

29、载时悬臂梁会产生一相应的位移量，通过霍尔式位移传感器测量位移可将重量转换成电压。 三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显单元。 四、实验步骤： 1、传感器安装参照实验十三图（2-5），线路接法参照实验十六图（4-2）。 2、在霍尔实验模板上加上直流电压4和15，电压表量程置 2档 。 3、利用实验十六的结果（V-X曲线）当振动台无重物时，调节传感器高度活动杆在位移线性段的起点，调RW2使数显表指示为零，用手按压振动台，传感器活动杆不应有卡住现象，否则需重新调整传感器的安装位置。 4、在振动台面上分别加砝码：20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表指示的

30、相应值，依次填入表4-3。表4-3 输出电压和重量的关系重量（g）电压（mv） 5、根据表4-3计算该称重系统的灵敏度S及非线性误差。 6、放上未知重物，读出数显表显示的电压值。 7、计算出未知重物大约为 g。 8、注：因传感器活动杆存在一定的摩擦力，同时振动梁又是一个简易弹性体，它的非线性形变较大。所以该实验精度误差较大，只做为原理性演示。 五、思考题： 1、该电子称重系统所加重量受到什么限制？ 2、试分析本称重系统的误差。实验二十 霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理：根据霍尔效应表达式：UH=KHIB， 当KHI不变时，在转速圆盘上装上只磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。圆盘每转一周经过霍尔元件表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次，此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。 三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、转动源。 四、实验步骤： 1、根据图4-4，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。图 44 霍尔、光电转速传感器安装示意图2、将主控箱上的+5V直流电源加于霍尔转速传感器的电源输入端，红（