華中科技大學(xué)自控傳感器課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告小組成員班級(jí)學(xué)號(hào)杜雄自動(dòng)化1405班U201414355徐航自動(dòng)化1405班U201414372 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016年10月21日 2016年10月28日實(shí)驗(yàn)?zāi)夸泴?shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn) ··························(2)實(shí)驗(yàn)二金屬箔式應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗(yàn) ··

2、································(7)實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn) ··············

3、3;···················(8)實(shí)驗(yàn)四金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較實(shí)驗(yàn) ·········(9)實(shí)驗(yàn)五直流全橋的應(yīng)用電子秤實(shí)驗(yàn)··············

4、·······················(10)實(shí)驗(yàn)六差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn) ························

5、······························(11)實(shí)驗(yàn)七電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) ················

6、83;·························(15)實(shí)驗(yàn)八直流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) ····················&

7、#183;(16)實(shí)驗(yàn)九電渦流傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) ··········································(18)實(shí)驗(yàn)十被測體材質(zhì)對(duì)電渦流傳感器的特性

8、影響實(shí)驗(yàn)（選做） (20)實(shí)驗(yàn)十一一光纖傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) ·············································

9、;·(21)4實(shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，并掌握單臂電橋工作原理 和性能。二、基本原理:電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。 一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感 器。此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形， 然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電 阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電 物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建 筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變

10、片的電阻應(yīng)變效應(yīng) 所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效 應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為 r、材料的電阻率為時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得（11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長度 L、截面積 A 和電阻率的變化為 dL、dA、d相應(yīng)的電阻變化為 dR。對(duì)式（11）全微分得電阻變化率 dR/R 為：（12）式中：dL/L 為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量 L;dr/r 為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量 r由材料力學(xué)得：L= - r(13)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為 0.30.5 左右；負(fù)號(hào)表 示兩者的變

11、化方向相反。將式（13）代入式（12）得：（14）式（14）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特 有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。2、應(yīng)變靈敏度 它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。(1)、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度 K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可?。?5）其靈敏度系數(shù)為：K =金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在 2 左右。 (2)、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R<d。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻 效應(yīng)

12、。在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體 的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效 應(yīng) 。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減小）的壓阻效應(yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。 半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在 100 到 200 左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用 在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用 N 型單晶硅為傳感器的彈

13、性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm 左右 的金屬絲或金屬箔制成，如圖 11 所示。(a) 絲式應(yīng)變片(b) 箔式應(yīng)變片 圖 1-1 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變 片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化， 這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： RRK 式中： RR 為電阻絲電阻相對(duì)變化，K 為應(yīng)變靈敏系

14、數(shù),=L/L 為電阻絲長度相對(duì) 變化。5、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖 圖 1-2 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖 對(duì)單臂電橋輸出電壓 U01=EK/4。三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯 表、±15V 電源、±4V 電源、萬用表(自備)。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)圖(1-3)應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片 已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進(jìn) 行測量判別，R1=R2=R3=R4=350，加熱絲阻值為 50左右。圖 1-3應(yīng)變式傳感安裝示意圖2、接入模板電源±15V(從主控箱

15、引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開 關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器 Rw3 順時(shí)針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放 大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù) 顯表電壓輸入端 Vi 相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器 RW4，使數(shù)顯表顯示為零 (數(shù)顯表的切換開關(guān)打到 2V 檔)。關(guān)閉主控箱電源。3、將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片 R1(即模板左上方的 R1)接入電橋作為一個(gè)橋臂與 R5、R6、R7 接成直流電橋(R5、R6、R7 模塊內(nèi)已連接好)，接好電橋 調(diào)零電位器 Rw1，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)如圖 1-4 所示。檢查接線無 誤后，合上主控箱電源

16、開關(guān)。調(diào)節(jié) Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。圖 1-4應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖4、在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng) 的數(shù)顯表值，直到 200g 砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表 1-1，關(guān)閉電源。表 1-1重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)3.16.39.612.616.019.122.425.928.932.15、根據(jù)表 1-1 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度 S，S=u/W(u 輸出電壓變化量；W重量變化量)計(jì)算線性誤差：f1=m/yF·S×100%式中m 為輸出值(多次測量時(shí) 為平均值)與擬合直線的最大偏差，yF

17、83;S 滿量程輸出平均值。如下圖所示，虛線為擬合后的直線，我們得到的擬合公式為： y = 0.1616x - 0.1733其中縱坐標(biāo)V 為測得電壓值，單位為mv ，橫坐標(biāo)m為砝碼質(zhì)量，單位為g；擬合優(yōu)度R=0.9999 ，接近1，說明擬合效果很好。砝碼重量/g20406080100120140160180200實(shí)驗(yàn)值/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1理論值/mv3.2326.4649.69612.92816.1619.39222.62425.85629.08832.32偏差/mv0.1320.1640.0960.3280.160.2920.224-0

18、.0440.1880.22其中理論值是根據(jù)擬合直線公式計(jì)算得所以可得靈敏度即斜率 S=0.1616 mv/g；線性度=m/yF·S×100%=0.328/（32.32-3.1）*100%=1.12%綜上所述得到結(jié)論：靈敏度為0.1616，線性度為1.12%.五、思考題：單臂電橋時(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：(1)正(受拉)應(yīng)變片(2)負(fù)(受壓)應(yīng)變 片(3)正、負(fù)應(yīng)變片均可以。答：（3）正、負(fù)應(yīng)變片都可以，因?yàn)檎?fù)對(duì)單臂電橋的傳感器的特性無影響。43實(shí)驗(yàn)二金屬箔式應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點(diǎn)。二、基本原理：不同受力方向的兩片應(yīng)變片

19、接入電橋作為鄰邊，電橋輸出 靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸 出電壓 U02=EK/2。圖 2-1應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖三、需用器件與單元：同實(shí)驗(yàn)一。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、傳感器安裝同實(shí)驗(yàn)一。做實(shí)驗(yàn)(一)2 的步驟，實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒?dòng)放大器零。2、將適當(dāng)?shù)膬善瑧?yīng)變片接入橋路。R1、R2 為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意 R2 和 R1 受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反的電阻應(yīng)變片作為電橋的 相鄰邊。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器 Rw1 進(jìn)行橋路調(diào)零，實(shí)驗(yàn)步 驟 3、4 同實(shí)驗(yàn)一中 4、5 的步驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表 2-1，計(jì)算靈敏度 S=U/

20、 W，非線性誤差f2。若實(shí)驗(yàn)時(shí)無數(shù)值顯示說明 R2 與 R1 為相同受力狀態(tài)應(yīng)變 片，應(yīng)更換另一個(gè)應(yīng)變片。下表 半橋測量時(shí)，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量(g)20406080100120140160180200電壓/(mv)6.112.3212834.841.148.354.961.367.4重量/g20406080100120140160180200實(shí)驗(yàn)值/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4理論值/mv6.85613.71220.56827.42434.2841.13647.99254.84861.70468.56偏差/mv0.7561.412-0.43

21、2-0.576-0.520.036-0.308-0.0520.4041.16利用excel 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合得到數(shù)據(jù)圖像如下：其中縱坐標(biāo)V 為測得電壓值，單位為mv ，橫坐標(biāo)m為砝碼質(zhì)量，單位為g；擬合優(yōu)度R=0.9988，接近1，說明擬合效果很好。所以可得靈敏度即斜率 S=0.3428 mv/g；其中理論值是根據(jù)擬合直線公式計(jì)算得線性度=1.412/（68.56-6.1）*100%=2.26%綜上所述得到結(jié)論：靈敏度為0.3428，線性度為2.26%.五、思考題：1、半橋側(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：(1)對(duì)邊(2)鄰邊。2、橋路(差動(dòng)電橋)測量時(shí)存在非線性誤差，是

22、因?yàn)椋?1)電橋測量原理上存 在非線性(2)應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的(3)調(diào)零值不是真正為零。 答： 1.鄰邊 2.電橋測量原理上存在非線性誤差實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，理解全橋測量電路優(yōu)點(diǎn)。二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?邊，不同的接入鄰邊，當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其變化值R1=R2=R3=R4 時(shí)，其橋路輸出電壓 U03=KE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。 圖 3-1 應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)接線示意圖三、需用器件和單元：同實(shí)驗(yàn)一。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、傳感器

23、安裝同實(shí)驗(yàn)一。2、參考圖 1-4 接線，將四片應(yīng)變片按正確的方式接入橋路。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填 入表 3-1；實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。下表全橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量(g)20406080100120140160180200電壓/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6重量/g20406080100120140160180200實(shí)驗(yàn)值/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6理論值/mv12.84825.69638.54451.39264.2477.08889.936102.784115.632128.48

24、偏差/mv0.3480.6960.5440.1920.740.4880.4360.2840.1320.88利用excel 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合得到數(shù)據(jù)圖像如下：其中縱坐標(biāo)V 為測得電壓值，單位為mv ，橫坐標(biāo)m為砝碼質(zhì)量，單位為g；擬合優(yōu)度R=1，說明擬合效果很好。所以可得靈敏度即斜率 S=0.6424mv/g；其中理論值是根據(jù)擬合直線公式計(jì)算得線性度=0.88/（128.48-12.5）*100%=0.76%綜上所述得到結(jié)論：靈敏度為0.6424，線性度為0.76%.五、思考題：1、全橋測量中，當(dāng)兩組對(duì)邊(R1、R3 為對(duì)邊)電阻值 R 相同時(shí)，即 R1= R3, R2= R4,而 R1R2

25、時(shí)，是否可以組成全橋：(1)可以(2)不可以。2、某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測試時(shí)在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如何 利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。見圖 3-2。圖 3-2 應(yīng)變片傳感器受拉時(shí)傳感器圓周面展開圖答： 1、可以組成全橋電路。 2、將這兩組應(yīng)變片按照兩個(gè)不同方向貼在棒材上，利用兩組不同的測量 值即可組成一個(gè)全路電橋，不需要外加電阻。實(shí)驗(yàn)四金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng) 的結(jié)論。二：實(shí)驗(yàn)原理：如圖 4（a）、（b）、（c）4（a）單臂4（b）半橋4（c）全橋三、實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)一、二、三所

26、得的數(shù)據(jù)，事后在同一坐標(biāo)系中分 別作出單臂、半橋和全橋的電壓/重量輸出曲線，分別計(jì)算其靈敏度和非線性度， 從中能得出什么實(shí)驗(yàn)結(jié)論？ (注意：實(shí)驗(yàn)一、二、三中的放大器增益必須相同)。四、數(shù)據(jù)處理與分析經(jīng)過測量，我們得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：砝碼質(zhì)量/g20406080100120140160180200單臂電壓/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1半橋電壓/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4全橋電壓/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6利用excel 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合得到數(shù)據(jù)圖

27、像如下最終結(jié)果如下實(shí)驗(yàn)單臂半橋全橋靈敏度0.16160.34280.6424線性度1.12%2.26%0.76%五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)從三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比來看，從單臂到半橋再到全橋，靈敏度依次增大，且大致遵循2 倍關(guān)系；從理論分析而言，非線性誤差全橋電路<半橋電路<單臂電路，但由于實(shí)驗(yàn)偶然誤差，實(shí)測半橋電路非線性誤差大于單臂。實(shí)驗(yàn)五直流全橋的應(yīng)用電子秤實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片直流全橋的應(yīng)用電路的標(biāo)定。 二、基本原理：電子秤實(shí)驗(yàn)原理為實(shí)驗(yàn)三全橋測量原理，通過對(duì)電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對(duì)應(yīng)值，電壓量綱(V)改為重量量綱(g)即成為一臺(tái)原始電子秤。 三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?/p>

28、應(yīng)變式傳感器、砝碼、±15V 電源、±4V 電源。 四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按實(shí)驗(yàn)一中 2 的步驟將差動(dòng)放大器調(diào)零：參考圖 1-4 將四個(gè)應(yīng)變片按正 確的接法接成全橋形式，合上主控箱電源開關(guān)調(diào)節(jié)電橋平衡電位器 Rw1，使數(shù)顯表顯示 0.000V。2、將 10 只砝碼輕輕地全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器 Rw3(增益即 滿量程調(diào)節(jié))，使數(shù)顯表顯示為 0.200V(2V 檔測顯)。3、拿去托盤上的所有法碼，調(diào)節(jié)電器 Rw4（零位調(diào)節(jié)），使數(shù)顯表顯示為0.000V 或。4、重復(fù) 2、3 步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱 V 改為重量 量綱 g，就可秤重，成為一臺(tái)原始的電子

29、秤。5、把砝碼依次放在托盤上，填入下表 5-1： 表 5-1 標(biāo)定后的應(yīng)變片全橋輸出電壓和重量對(duì)應(yīng)重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)29.747.664.88299.6117.6135.1153.1171.8189.26、放入重量稍輕的一件隨身物品（如手機(jī)等），稱出其實(shí)際重量記錄下來。此外，我們測量手機(jī)（梁）的數(shù)據(jù)如下：手機(jī)質(zhì)量： 150g；輸出電壓值： 144.1mv用excel繪制如下：從數(shù)據(jù)中我們看到，所測的值在誤差允許范圍內(nèi)，大致滿足標(biāo)定要求，即大約每20g 砝碼對(duì)應(yīng)直流全橋應(yīng)用電路電壓輸出值17.72mv。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們深刻的領(lǐng)會(huì)了應(yīng)變片直

30、流全橋應(yīng)用電路的標(biāo)定過程，對(duì)于傳感器的學(xué)習(xí)有了更深刻的理解與興趣。實(shí)驗(yàn)六差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠顒?dòng)變壓器的工作原理和特性。二、基本原理：差動(dòng)變壓器的工作原理電磁互感原理。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖6-1 所示，由一個(gè)一次繞組 1 和二個(gè)二次繞組 2、3 及一個(gè)銜鐵 4 組成。差動(dòng)變 壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測位 移改變而變化。由于把二個(gè)二次繞組反向串接（同名端相接），以差動(dòng)電勢輸 出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動(dòng)變壓器。當(dāng)差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等 影響），它的等效電路如圖 6-2

31、 所示。圖中 U1 為一次繞組激勵(lì)電壓；M1、M2 分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感：L1、R1 分別為一次繞組的電感和有 效電阻；L21、L22 分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R21、R22 分別為兩個(gè)二次繞 組的有效電阻。對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感 相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接， 所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組 L21，這時(shí)互感 M1 大，M2 小，圖 6-1 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖6-2 差動(dòng)變壓器的等效電路圖 因而二次繞組 L21 內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢大于二次繞組 L22 內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢不為零

32、。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢就越大。 同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組 L22 一邊移動(dòng)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢仍不為零，但由于 移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢反相。因此通過差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢的大小 和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖 6-2 可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應(yīng)動(dòng)勢為：由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢為： 其有效值為：差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖 6-3 所示.圖中 E21、E22 分別為兩個(gè)二次繞 組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，E2 為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢，x 表示銜鐵偏離中心位置的距離。 其中 E2 的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0 為

33、零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱以及鐵心位置等因素所 造成的。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏， 給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。圖 6-3差動(dòng)變壓器輸出特性 三、需用器件與單元：差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測微頭、雙線示波器、差動(dòng)變壓 器，音頻信號(hào)源(音頻振蕩器)、直流電源、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、根據(jù)圖 6-4，將差動(dòng)變壓器裝在差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?。圖 6-4差動(dòng)變壓器電容傳感器安裝示意圖2、在模塊上按圖 6-5 接線，音頻振蕩器信號(hào)必須從主控箱中的 Lv 端子輸出， 調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為 45KHz(可用主控箱的

34、數(shù)顯表的頻率檔 Fin 輸入來監(jiān)測)。調(diào)節(jié)幅度使輸出幅度為峰一峰值 Vp-p=2V(可用示波器監(jiān)測：X 軸 為 0.2ms/div、Y 軸 CH1 為 1V/div、CH2 為 20mv/div)。判別初次級(jí)線圈及次級(jí)線 圈同名端方法如下：設(shè)任一線圈為初級(jí)線圈，并設(shè)另外兩個(gè)線圈的任一端為同 名端，按圖 6-5 接線。當(dāng)鐵芯左、右移動(dòng)時(shí)，觀察示波器中顯示的初級(jí)線圈波形， 次級(jí)線圈波形，當(dāng)次級(jí)波形輸出幅值變化很大，基本上能過零點(diǎn)，而且相位與 初級(jí)圈波形(Lv 音頻信號(hào) Vp-p=2V 波形)比較能同相和反相變化，說明已連接的初、 次級(jí)線圈及同名端是正確的，否則繼續(xù)改變連接再判別直到正確為止。圖中(

35、1)、 (2)、(3)、(4)為模塊中的實(shí)驗(yàn)插孔。圖 6-5雙線示波與差動(dòng)變壓器連結(jié)示意圖3、旋動(dòng)測微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰一峰值 Vp-p 為最小。這時(shí) 可以左右位移，假設(shè)其中一個(gè)方向?yàn)檎灰疲瑒t另一方向位移為負(fù)。從 Vp-p 最 小開始旋動(dòng)測微頭，每隔 0.2mm 從示波器上讀出輸出電壓 Vp-p 值填入下表 6-1。 再從 Vp-p 最小處反向位移做實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，注意左、右位移時(shí)，初、次 級(jí)波形的相位關(guān)系。4、實(shí)驗(yàn)過程中注意差動(dòng)變壓輸出的最小值即為差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓大小。根據(jù)表 6-1 畫出 Vop-p-X 曲線，作出量程為±1mm、±3mm 靈

36、敏度和非線性 誤差。五、數(shù)據(jù)處理與分析位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8電壓(mv)184256328392440536584664712808位移(mm)22.22.42.62.8-0.2-0.4-0.6-0.8-1電壓(mv)864936102010801150240280360400440位移(mm)-1.2-1.4-1.6-1.8-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3電壓(mv)520600680740760880960104011201200下面是Excel繪制的數(shù)據(jù)分析 +3mm時(shí)的擬合直線 靈敏度為344.39mv/mm -3mm時(shí)的擬合曲線 靈敏

37、度為339.26mv/mm 位移與電壓分布圖 零點(diǎn)電壓為184mv。 +1mm的擬合曲線 靈敏度為339.43mv/mm -1mm的擬合曲線 靈敏度為262.86mv/mm根據(jù)非線性度誤差公式用Excel處理后有如下結(jié)果實(shí)驗(yàn)0-1mm-1-0mm0-3mm-3-0mm靈敏度339.43262.86344.39339.26非線性誤差6.52%7.35%4.12%4.45%從結(jié)論中我們可以看出， 在誤差允許范圍內(nèi)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足較大的精度要求；且對(duì)比得到的兩組靈敏度、非線性誤差，我們得到結(jié)論：所取數(shù)據(jù)越多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的靈敏度越低，非線性誤差越大。六、思考題1、用差動(dòng)變壓器測量較高頻率的振幅，例如 1

38、KHz 的振動(dòng)幅值，可以嗎？ 差動(dòng)變壓器測量頻率的上限受什么影響？2、試分析差動(dòng)變壓器與一般電源變壓器的異同？答：1.不可以。骨架形狀和尺寸的精確性， 線圈的排列， 鐵芯的尺寸和材質(zhì)，激 勵(lì)頻率和負(fù)載狀態(tài)等都會(huì)影響頻率的測量上限。 2.差動(dòng)變壓器的工作是基于電磁感應(yīng)原理， 這兩者差距極大， 不可以互相替代。差動(dòng)變壓器一般用于作為檢測元件，而一般變壓器一般作為電源變換部件或者信號(hào)轉(zhuǎn)換部件實(shí)驗(yàn)七電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。二、基本原理：利用平板電容 C=A/d 和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié) 構(gòu)和測量電路可以選擇、A、d 中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改

39、變 其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測谷物干燥度(變)測微小位移(變 d)和測量液位(變 A) 等多種電容傳感器。三、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉y微頭、相敏 檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按圖 6-4 安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀?、將電容傳感器連線插入電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，?shí)驗(yàn)線路見圖 7-1。圖 7-1電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖3、將電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓妮敵龆?V01 與數(shù)顯表單元 Vi 相接(插入主控箱Vi 孔)，Rw 調(diào)節(jié)到中間位置。4、接入±15V 電源，旋動(dòng)測微頭推進(jìn)電容傳感器動(dòng)極板位置，每間隔 0.2mm記下位移 X

40、 與輸出電壓值，填入表 7-1。位移(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8電壓(mv)0-28.4-58.2-85.6-114.7-148.7-177.9-206-233-265位移(mm)-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3-3.2-3.4-3.6電壓(mv)-296-321-346-373-399-425-450-474-500位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8電壓(mv)034.36098.2126149.3177.7218251280位移(mm)22.22.42.62.833.23.43.6電壓(mv)31334

41、4379412444477510544577下面是excel擬合后的曲線 靈敏度為140mv/mm 反方向上電壓與位移的關(guān)系 靈敏度為160.11mv/mm 正方向上電壓與位移的關(guān)系考慮到越到后面線性度越差，就截取了線性度較好的兩部分根據(jù)非線性誤差求出最大偏差后結(jié)果總結(jié)如下：實(shí)驗(yàn)正位移負(fù)位移靈敏度160.11mv/mm140mv/mm線性度1.05%2.26%5、根據(jù)表 7-1 數(shù)據(jù)計(jì)算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度 S 和非線性誤差f。五、思考題：試設(shè)計(jì)利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結(jié)構(gòu)，并敘述一 下在此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮哪些因素？答：濕度傳感器采用的是平板電容器結(jié)構(gòu), 在絕緣基片上用平面工藝分別形成

42、上電極、介質(zhì)層和下電極。介質(zhì)層由谷物組成, 其介電常數(shù)隨其相對(duì)濕度呈線性關(guān)系, 即 x=0+ku Cx=xS/4 kd=0S/ +kus/式中：x材料在不同相對(duì)濕度下的介電常數(shù);00%RH介電常數(shù);k 常數(shù);u 相對(duì)濕度;Cx元件在不同相對(duì)濕度時(shí)的電容量;s電容極板面積;d 介質(zhì)層厚度;K 靜電力常量由上式可以看出,Cx 與u 呈線性關(guān)系, 從而由傳感器電容量的大小即可決定環(huán)境中的相對(duì)濕度設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的問題： 傳統(tǒng)的谷物測濕方法是通過稱量烘干前后谷物的質(zhì)量來求濕度, 這種方法的缺點(diǎn)是測量速度慢。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來測量濕度的方法, 也早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的精度的要求。近年來, 國

43、內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)方面取得了長足的進(jìn)步。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化和智能化檢測的方向迅速發(fā)展, 將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。由于濕度傳感器的測量受環(huán)境溫度和谷物密度的影響, 導(dǎo)致這種設(shè)計(jì)會(huì)有一定的局限性。實(shí)驗(yàn)八直流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。 二、基本原理：霍爾式傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應(yīng)原理工作。它將被測量的磁場變化（或以磁場為媒體）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢輸出。根據(jù)霍爾效應(yīng)， 霍爾電勢 UH=KHIB，當(dāng)霍爾元件處在梯度磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它就可以進(jìn)行位移測量。 圖 8-1 霍爾效應(yīng)原理三、需用器件與單元：霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、霍爾傳感器、?/p>

44、流源±4V、±15、測微頭、數(shù)顯單元。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將霍爾傳感器按圖 8-2 安裝。霍爾傳感器與實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓倪B接按圖 8-3 進(jìn)行。 1、3 為電源±4，2、4 為輸出。圖 8-2霍爾傳感器安裝示意圖2、開啟電源，調(diào)節(jié)測微頭使霍爾片在磁鋼中間位置再調(diào)節(jié) RW2 使數(shù)顯表指示為零。圖 8-3霍爾傳感器位移直流激勵(lì)實(shí)驗(yàn)接線圖3、 旋轉(zhuǎn)測微頭向軸向方向推進(jìn)，每轉(zhuǎn)動(dòng) 0.2mm 記下一個(gè)讀數(shù)，直到讀數(shù)近似 不變，將讀數(shù)填入表 8-1。作出 V-X 曲線，計(jì)算不同線性范圍時(shí)的靈敏度和非線性誤差。數(shù)據(jù)記錄如下位移(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.8電壓

45、(v)0.120.250.380.510.640.770.911.041.18位移(mm)22.22.42.62.833.23.43.6電壓(v)1.321.461.611.761.912.072.232.412.56位移(mm)3.844.24.44.64.855.25.4電壓(v)2.712.852.953.063.143.213.273.293.29位移(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6電壓(v)0-0.12-0.23-0.35-0.48-0.59-0.73-0.86-1.01位移(mm)-1.8-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3-3.2-3.4

46、電壓(v)-1.15-1.29-1.44-1.58-1.73-1.87-1.98-2.06-2.15位移(mm)-3.6-3.8-4-4.2-4.4-4.6-4.8-5電壓(mv)-2.22-2.28-2.32-2.35-2.38-2.41-2.42-2.42利用Excel分析如下全部正方向時(shí)的擬合 全部負(fù)方向時(shí)的擬合 正方向時(shí)2mm內(nèi)的擬合 負(fù)方向上2mm內(nèi)的擬合 正方向時(shí)的1mm內(nèi)的擬合 負(fù)方向時(shí)1mm內(nèi)的擬合再根據(jù)公式求出靈敏度與線性度綜合如下實(shí)驗(yàn)-1,0mm0,1mm-2,0mm0,2mm負(fù)方向全部正方向全部靈敏度0.59290.64290.64450.66050.53350.6702

47、線性度誤差1.45%1.25%0.92%0.77%9.54%7.27%所以在超過一定范圍時(shí)，線性度會(huì)變差。五、思考題：本實(shí)驗(yàn)中霍爾元件位移的線性度實(shí)際上反映的是什么量的變化？答：是實(shí)際的輸入、輸出與擬合的理想的直線的偏離程度的變化，當(dāng)X不同的時(shí)候，實(shí)際的輸出值與根據(jù)擬合直線得到的數(shù)值的偏離值是不相同的。實(shí)驗(yàn)九電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、基本原理：通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時(shí)，因?qū)щ婓w 渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進(jìn)行位移測量。圖 9-1 電渦流傳感器原理圖圖 9-2 電渦流傳感器等效電路

48、圖三、需用器件與單元：電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉㈦姕u流傳感器、直流電源、數(shù) 顯單元、測微頭、鐵圓片。四、驗(yàn)步驟：、 根據(jù)圖 9-3 安裝電渦流傳感器。圖 9-3電渦流傳感器安裝示意圖圖 9-4電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖2、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)扁平繞線圈。、將電渦流傳感器輸出線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蠘?biāo)有的兩端插孔中，作為振蕩器 的一個(gè)元件（傳感器屏蔽層接地）。、在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆?V0 與數(shù)顯單元輸入端 Vi 相接。數(shù)顯表量程切換開關(guān)選 擇電壓 20V 檔。、用連接導(dǎo)線從主控臺(tái)接入15V 直流電源到模板上標(biāo)有+15V 的插孔中。、使測微頭與傳感器線

49、圈端部接觸，開啟主控箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)， 然后每隔 0.2mm 讀一個(gè)數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結(jié)果列入表 9-1。 電渦流傳感器位移 X 與輸出電壓數(shù)據(jù)如下：位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.6電壓(v)00.370.711.011.311.631.922.252.57位移(mm)1.822.22.42.62.833.23.4電壓(v)2.93.223.533.874.174.484.85.115.41位移(mm)3.63.844.24.44.64.855.2電壓(v)5.766.286.566.827.077.337.567.78位移(mm)5.45.65.866.26.46.66.87電壓(v)88.078.238.268.288.298.318.328.33位移(mm)7.27.47.67.888.28.4電壓(v)8.338.348.348.358.358.368.368、根據(jù)表 9-1 數(shù)據(jù)，畫出 V-X 曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進(jìn)行正、負(fù)位移測量時(shí)的佳工作點(diǎn)，試計(jì)算量程為 1mm、3