傳感器原理與應(yīng)用實驗指導(dǎo)書

1、傳感器原理與應(yīng)用實驗指導(dǎo)書自動化工程學(xué)院目 錄1實驗一 應(yīng)變片單臂電橋性能實驗1實驗二 應(yīng)變片半橋性能實驗 1實驗三 應(yīng)變片全橋性能實驗 實驗四 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實驗實驗五 差動變壓器的性能實驗實驗六 差動變壓器測位移特性實驗1實驗七 電容式傳感器測位移特性實驗1實驗八 線性霍爾傳感器測位移特性實驗1實驗九 開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實驗1實驗十 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測轉(zhuǎn)速實驗1實驗十一 光電傳感器測量轉(zhuǎn)速實驗實驗十二 電渦流傳感器測量位移特性實驗實驗十三 被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特性影響實驗實驗十四 被測體面積對電渦流傳感器特性影響實驗*實驗十五 氣敏傳感器實驗實驗十六 濕度傳感器實驗C

2、SY2000型傳感器與檢測技術(shù)實驗臺說明書一、實驗臺的組成CSY2000型傳感器與檢測技術(shù)實驗臺由主機箱、傳感器、實驗電路(實驗?zāi)０?、轉(zhuǎn)動源、振動源、溫度源、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件、實驗桌等組成。1、主機箱：提供高穩(wěn)定的±15V、±5V、5V、±2V±10V（步進可調(diào)）、2V24V（連續(xù)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源；音頻信號源（音頻振蕩器）1KHz10KHz（連續(xù)可調(diào)）；低頻信號源（低頻振蕩器）1Hz30Hz（連續(xù)可調(diào)）；傳感器信號調(diào)理電路；智能調(diào)節(jié)儀；計算機通信口；主機箱上裝有電壓、氣壓等相關(guān)數(shù)顯表。其中，直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、低頻振蕩器都具有過載保護功能，

3、在排除接線錯誤后重新開機恢復(fù)正常工作。主機箱右側(cè)面裝有供電電源插板及漏電保護開關(guān)。2、振動源（動態(tài)應(yīng)變振動梁與振動臺）：振動頻率3Hz30Hz可調(diào)（諧振頻率9Hz12 Hz左右）；3、轉(zhuǎn)動源：手動控制0轉(zhuǎn)/分2400轉(zhuǎn)分、自動控制3002200轉(zhuǎn)分。4、溫度源：常溫200。 5、氣壓源：020Kpa（連續(xù)可調(diào)）。6、傳感器：基本型有箔式應(yīng)變片(350)傳感器(秤重200g)、擴散硅壓力傳感器(20Kpa)、差動變壓器(±4mm)、電容式位移傳感器(±2.5mm)、霍爾式位移傳感器(±1mm)、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器(2400轉(zhuǎn)/分)、磁電轉(zhuǎn)速傳感器(250轉(zhuǎn)/分2400

4、轉(zhuǎn)/分)、壓電式傳感器、電渦流傳感器(1mm)、光纖位移傳感器(1mm)、光電轉(zhuǎn)速傳感器(2400轉(zhuǎn)/分)、集成溫度(AD590)傳感器(室溫120)、K熱電偶(室溫150)、E熱電偶(室溫150)、Pt100鉑電阻(室溫150)、Cu50銅電阻(室溫100)、濕敏傳感器(1095RH)、氣敏傳感器(502000ppm)等。7、調(diào)理電路(實驗?zāi)０?：基本型有電橋及調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)、差動放大器、電壓放大器、電荷放大器、電容變換器、電渦流變換器、光電變換器、溫度變換器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器。增強型增加相應(yīng)的配套實驗?zāi)０濉?、實驗臺：尺寸為1600×800×750mm。實驗臺

5、桌上預(yù)留了計算機及示波器安放位置。二、電路原理實驗電路原理已印刷在面板上(實驗?zāi)０迳? ，實驗接線圖參見具體實驗內(nèi)容。三、使用方法1、開機前將電壓表顯示選擇旋鈕打到2V檔；電流表顯示選擇旋鈕打到200mA檔；步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源旋鈕打到±2V檔；其余旋鈕都打到中間位置。2、將AC220V電源線插頭插入市電插座中，合上電源開關(guān)，數(shù)顯表顯示0000，表示實驗臺已接通電源。3、做每個實驗前應(yīng)先閱讀實驗指導(dǎo)書，每個實驗均應(yīng)在斷開電源的狀態(tài)下按實驗線路接好連接線（實驗中用到可調(diào)直流電源時，應(yīng)在該電源調(diào)到實驗值后再接到實驗線路中），檢查無誤后方可接通電源。4、合上調(diào)節(jié)儀(器)電源開關(guān)，設(shè)置調(diào)節(jié)儀

6、(器)參數(shù)；調(diào)節(jié)儀(器)的PV窗顯示測量值；SV窗顯示設(shè)定值(具體內(nèi)容參見實驗指導(dǎo)書)。四、儀器維護及故障排除五、注意事項1、在實驗前務(wù)必詳細了解實驗設(shè)備使用注意事項。2、嚴禁用酒精、有機溶劑或其它具有腐蝕性溶液擦洗主機箱及面板。3、請勿將主機箱的電源、信號源輸出端與地（）短接，因短接時間長易造成電路故障。4、請勿將主機箱的±電源引入實驗電路時接錯。5、在更換接線時，應(yīng)斷開電源，只有在確保接線無誤后方可接通電源。6、實驗完畢后，請將傳感器及附件放回原處。7、如果實驗臺長期未通電使用，在實驗前先通電十分鐘預(yù)熱。8、實驗接線時，要握住手柄插拔實驗線，不能拉扯實驗線。 實驗一 應(yīng)變片單臂電

7、橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。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，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變片的電阻應(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

8、外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(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，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，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：               &#

9、160; 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；負號表示兩者的變化方向相反。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)；可取 （15）其靈敏度系數(shù)為：

10、K= 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，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，是因為它有遠比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，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（使電阻減?。┑膲鹤栊?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

11、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性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。本實驗以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。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)

12、變片                                         (b) 箔式應(yīng)變片圖11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

13、絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，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為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù),=L/L為電阻絲長度相對變化。5、測量電路   為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸

14、出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D12（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖12 應(yīng)變片測量電路（a）、單臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E設(shè)R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K為靈敏度系數(shù)。則Uo(14)(R1R1)E(14)(RR)E(14)KE(b)、雙臂(半橋)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全橋同理:Uo(RR)EKE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D 圖13 應(yīng)變片單臂電橋性

15、能實驗原理圖圖中R5、R6、R7為350固定電阻，R1為應(yīng)變片； RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源±4V。橋路輸出電壓Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差動放大器輸出為Vo。三、需用器件與單元：主機箱中的±2V±10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０濉⑼斜P、砝碼； 4位數(shù)顯萬用表（自備）。四、實驗步驟：應(yīng)變傳感器實驗?zāi)０逭f明：應(yīng)變傳感器實驗?zāi)０逵蓱?yīng)變式雙孔懸臂梁載荷傳感器（稱重傳感器）、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應(yīng)變片測量電路、差動放大器組成。實驗?zāi)０逯械腞1(傳感

16、器的左下)、R2(傳感器的右下)、R3(傳感器的右上)、R4(傳感器的左上)為稱重傳感器上的應(yīng)變片輸出口；沒有文字標(biāo)記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學(xué)者組成電橋接線方便而設(shè)；R5、R6、R7是350固定電阻，是為應(yīng)變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設(shè)的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應(yīng)變片溫度影響實驗時用。多芯插頭是振動源的振動梁上的應(yīng)變片輸入口，做應(yīng)變片測量振動實驗時用。1、將托盤安裝到傳感器上，如圖14所示。圖14 傳感器托盤安裝示意圖2、測量應(yīng)變片的阻值（不要求）：當(dāng)傳感器的托盤上無重物時，分別測量應(yīng)變片R1、R2、R3、

17、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R4的阻值變化，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變小。）。圖15測量應(yīng)變片的阻值示意圖3、實驗?zāi)０逯械牟顒臃糯笃髡{(diào)零：按圖16示意接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(先順時針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)實驗?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。圖16差動放大器調(diào)零接線示意圖4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灒宏P(guān)閉主機箱電源，按圖17示意圖接線，將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到&#

18、177;4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。圖17應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灲泳€示意圖表1 應(yīng)變片單臂電橋性能實驗數(shù)據(jù)（請同學(xué)按砝碼增加、減少過程各記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）重量(g)-020406080100120140160180200電壓(mV)04.99.814.920253035404550重量（g）-020406080100120140160180200電壓(mv)04.99.814.920253035404550

19、5、實驗完畢，關(guān)閉電源。重量（g）-020406080100120140160180200電壓(mv)051014.919.924.93035404550重量（g）-020406080100120140160180200電壓(mv)04.99.914.819824.93035404550實驗二 應(yīng)變片半橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）工作特點及性能。掌握測量方法。二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實驗一。應(yīng)變片半橋特性實驗原理如圖21所示。不同應(yīng)力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓Uo(12)(RR)E(12)KE 。圖21 應(yīng)變片半橋

20、特性實驗原理圖三、需用器件與單元：主機箱中的±2V±10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、砝碼。四、實驗步驟：1、按實驗一（單臂電橋性能實驗）中的步驟1和步驟3實驗。 2、關(guān)閉主機箱電源，除將圖17改成圖22示意圖接線外，其它按實驗一中的步驟4實驗。讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，填入表2中。圖22 應(yīng)變片半橋?qū)嶒灲泳€示意圖表2 應(yīng)變片半橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)（請同學(xué)按砝碼增加、減少過程各記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）0102030405060708090100重量（g

21、）020406080100120140160180200電壓（mv）01020304049.959.869.98090100重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）09.919.829.939.95060708090100重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）01020304049.959.869.979.9901003、根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線。實驗完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)放在：（1）對邊（2）鄰邊。實驗三 應(yīng)變片全橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片全橋工作特

22、點及性能。掌握測量方法。二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實驗一。應(yīng)變片全橋特性實驗原理如圖31所示。應(yīng)變片全橋測量電路中，將應(yīng)力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，相反的?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓Uo(RR)EKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。圖31應(yīng)變片全橋性能實驗接線示意圖三、需用器件和單元：主機箱中的±2V±10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０濉⑼斜P、砝碼。四、實驗步驟：實驗步驟與方法（除了按圖32示意接線外）參照實驗二，將實

23、驗數(shù)據(jù)填入表3作出實驗曲線并進行靈敏度和非線性誤差計算。實驗完畢，關(guān)閉電源。圖32 應(yīng)變片全橋性能實驗接線示意圖表3全橋性能實驗數(shù)據(jù)（請同學(xué)按砝碼增加、減少過程各記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）重量(g)020406080100120140160180200電壓(mv)019.939.959.980100120140160180200重量(g)020406080100120140160180200電壓(mv)02040.1601801100120140160180200重量(g)02040-6080100120140160180200電壓(mv)02039.959.979.91001201401601802

24、00重量(g)02040-6080100120140160180200電壓(mv)020406080110011201140160180200五、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制實驗曲線，計算非線性誤差。實驗四 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈹U散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和標(biāo)定方法。掌握測量方法。二、基本原理：擴散硅壓阻式壓力傳感器的工作機理是半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，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) 。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出多個半導(dǎo)體電

25、阻應(yīng)變薄膜（擴散出P型或N型電阻條）組成電橋。在壓力（壓強）作用下彈性元件產(chǎn)生應(yīng)力，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。圖41為壓阻式壓力傳感器壓力測量實驗原理圖。圖41 壓阻式壓力傳感器壓力測量實驗原理三、需用器件與單元：主機箱中的氣壓表、氣源接口、電壓表、直流穩(wěn)壓電源±15V、±2V±10V（步進可調(diào)）；壓阻式壓力傳感器、壓力傳感器實驗?zāi)０濉⒁龎耗z管。四、實驗步驟：1、按42示意圖安裝傳感器、連接引壓管和電路：將壓力傳感器安裝在壓力傳感器實驗?zāi)０宓膫鞲衅髦Ъ苌希灰龎耗z管一端插入

26、主機箱面板上的氣源的快速接口中（注意管子拆卸時請用雙指按住氣源快速接口邊緣往內(nèi)壓，則可輕松拉出），另一端口與壓力傳感器相連；壓力傳感器引線為4芯線(專用引線)，壓力傳感器的 1端接地，2端為輸出Vo，3端接電源4V，4端為輸出Vo。具體接線見圖42。圖42壓阻式壓力傳感器測壓實驗安裝、接線示意圖2、將主機箱中電壓表量程切換開關(guān)切到2V檔；可調(diào)電源±2V±10V調(diào)節(jié)到±4V檔。實驗?zāi)０迳蟁W1用于調(diào)節(jié)放大器增益、RW2用于調(diào)零，將RW1調(diào)節(jié)到的13位置(即逆時針旋到底再順時針旋3圈)。合上主機箱電源開關(guān)，仔細調(diào)節(jié)RW2使主機箱電壓表顯示為零。3、合上主機箱上的氣源開

27、關(guān)，啟動壓縮泵，逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子流量計下端調(diào)壓閥的旋鈕，此時可看到流量計中的滾珠在向上浮起懸于玻璃管中，同時觀察氣壓表和電壓表的變化。4、調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使氣壓表顯示某一值，觀察電壓表顯示的數(shù)值。5、仔細地逐步調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使壓力在2kPa18kPa之間變化（氣壓表顯示值），每上升1kPa氣壓分別讀取電壓表讀數(shù)，將數(shù)值列于表4。 表4壓阻式壓力傳感器測壓實驗數(shù)據(jù)（請同學(xué)按壓力增加、減少過程各記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）P(kPa)Vo(p-p)6、如果本實驗裝置要成為一個壓力計，則必須對電路進行標(biāo)定，方法采用逼近法：輸入4kPa氣壓，調(diào)節(jié)Rw2（低限調(diào)節(jié)），使電壓表顯示0.3V(有意偏小)，當(dāng)輸入16k

28、Pa氣壓，調(diào)節(jié)Rw1（高限調(diào)節(jié)）使電壓表顯示1.3V(有意偏小)；再調(diào)氣壓為4kPa，調(diào)節(jié)Rw2（低限調(diào)節(jié)），使電壓表顯示0.35V(有意偏小)，調(diào)氣壓為16kPa，調(diào)節(jié)Rw1（高限調(diào)節(jié)）使電壓表顯示1.4V(有意偏小)；這個過程反復(fù)調(diào)節(jié)直到逼近自己的要求(4kpa對應(yīng)0.4V，16kpa對應(yīng)1.6V)即可。實驗完畢，關(guān)閉電源。實驗五 差動變壓器的性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私獠顒幼儔浩鞯墓ぷ髟砗吞匦?。掌握測量方法。二、基本原理：差動變壓器的工作原理電磁互感原理。差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖51所示，由一個一次繞組1和二個二次繞組2、3及一個銜鐵4組成。差動變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化

29、，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于把二個二次繞組反向串接（同名端相接），以差動電勢輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。當(dāng)差動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52所示。圖中U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感相同，因而由一次側(cè)激勵引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動

30、勢為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21，這時互感M1大，M2小，圖51差動變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖52差動變壓器的等效電路圖因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖112可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應(yīng)動勢為： 由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：其有效值為：差動變壓器的輸出特性曲線如圖53所示.圖中

31、E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應(yīng)電動勢，E2為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。為了減小零點殘余電動勢可采取以下方法：圖53  差動變壓器輸出特性1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、選用合適的測量電路，如采用相敏整流電

32、路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 3、采用補償線路減小零點殘余電動勢。圖54是其中典型的幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在差動變壓器的線圈中串、并適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整W1、W2時，可使零點殘余電動勢減小。(a) (b) (c)圖54  減小零點殘余電動勢電路三、需用器件與單元：主機箱中的±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動變壓器、差動變壓器實驗?zāi)０?、測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟：附：測微頭的組成與使用測微頭組成和讀數(shù)如圖55測微頭讀數(shù)圖圖55測位頭組成與讀數(shù)測微頭組成： 測微頭由不可動部分安裝套、軸套和可動部分測桿、微分筒、微

33、調(diào)鈕組成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線(1mm格)，另一排是半毫米刻線(0.5mm格)；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線(0.01mm格)。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向移動微小位移0.01mm，這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀110分度，如圖5-5甲讀數(shù)為3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應(yīng)看微分筒的示值是否過零，如圖115乙

34、已過零則讀2.514mm；如圖55丙未過零，則不應(yīng)讀為2mm，讀數(shù)應(yīng)為1.980mm。測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動微分筒到10mm處(為了保留測桿軸向前、后位移的余量)，再將測微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動測微頭的安裝套(測微頭整體移動)使測桿與被測體連接并使被測體處于合適位置(視具體實驗而定)時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體就會隨測桿而位移。1、差動變壓器、測微頭及實驗?zāi)０灏磮D56示意安裝、接線。實驗?zāi)０逯械腖1為差動變壓器的初級線圈，L2、L3為次級線圈，號為同名端；L1的激勵電壓

35、必須從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為4kHz5kHz、幅度為峰峰值Vp-p2V作為差動變壓器初級線圈的激勵電壓(示波器設(shè)置提示：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、CH1靈敏度VOLTS/DIV在0.5V1V范圍內(nèi)選擇、CH2靈敏度VOLTS/DIV在0.1V50mV范圍內(nèi)選擇)。圖56差動變壓器性能實驗安裝、接線示意圖2、差動變壓器的性能實驗：使用測微頭時，當(dāng)來回調(diào)節(jié)微分筒使測桿產(chǎn)生位

36、移的過程中本身存在機械回程差，為消除這種機械回差可用如下a、b兩種方法實驗，建議用b方法可以檢測到差動變壓器零點殘余電壓附近的死區(qū)范圍。a、調(diào)節(jié)測微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)為較小值(越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置)時，擰緊緊固螺釘。仔細調(diào)節(jié)測微頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為最小值(零點殘余電壓)并定為位移的相對零點。這時可假設(shè)其中一個方向為正位移，另一個方向位移為負，從Vp-p最小開始旋動測微頭的微分筒，每隔X=0.2mm(可取

37、30點值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表4，再將測位頭位移退回到Vp-p最小處開始反方向(也取30點值)做相同的位移實驗。在實驗過程中請注意：從Vp-p最小處決定位移方向后，測微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移，中途不允許回調(diào)，否則，由于測微頭存在機械回差而引起位移誤差；所以，實驗時每點位移量須仔細調(diào)節(jié)，絕對不能調(diào)節(jié)過量，如過量則只好剔除這一點粗大誤差繼續(xù)做下一點實驗或者回到零點重新做實驗。當(dāng)一個方向行程實驗結(jié)束，做另一方向時，測微頭回到Vp-p最小處時它的位移讀數(shù)有變化(沒有回到原來起始位置)是正常的，做實驗時位移取相對變化量X為定值，與測微頭的起始點定在哪一根刻度線上沒有關(guān)系，只要中途

38、測微頭微分筒不回調(diào)就不會引起機械回程誤差。*b、調(diào)節(jié)測微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)為較小值(越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置)時，擰緊緊固螺釘，再順時針方向轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒12圈，記錄此時的測微頭讀數(shù)和示波器CH2通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)值為實驗起點值。以后，反方向(逆時針方向) 調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，每隔X=0.2mm(可取6070點值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入表11(這樣單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的機械回差)。3、

39、根據(jù)表5數(shù)據(jù)畫出XVp-p曲線并找出差動變壓器的零點殘余電壓。實驗完畢，關(guān)閉電源。表5 差動變壓器性能實驗數(shù)據(jù)（請同學(xué)們記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）X(mm)Vp-p(mV)五、思考題：如何理解差動變壓器的零點殘余電壓？用什么方法可以減小零點殘余電壓？實驗六 差動變壓器測位移實驗一、實驗?zāi)康模毫私獠顒幼儔浩鳒y位移時的應(yīng)用方法。掌握測量方法。二、基本原理：差動變壓器的工作原理參閱實驗五（差動變壓器性能實驗）。差動變壓器在應(yīng)用時要想法消除零點殘余電動勢和死區(qū)，選用合適的測量電路，如采用相敏檢波電路，既可判別銜鐵移動（位移）方向又可改善輸出特性，消除測量范圍內(nèi)的死區(qū)。圖61是差動變壓器測位移原理框圖。圖61差

40、動變壓器測位移原理框圖 三、需用器件與單元：主機箱中的±2V±10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、電壓表；差動變壓器、差動變壓器實驗?zāi)０濉⒁葡嗥?相敏檢波器/低通濾波器實驗?zāi)０?；測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、相敏檢波器電路調(diào)試：將主機箱的音頻振蕩器的幅度調(diào)到最小（幅度旋鈕逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底），將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔，再按圖62示意接線，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器測量。提示：正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置

41、，觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V范圍內(nèi)選擇。當(dāng)CH1、CH2輸入對地短接時移動光跡線居中后再去測量波形。）。調(diào)節(jié)相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個波形。到此，相敏檢波器電路已調(diào)試完畢，以后不要觸碰這個電位器鈕。關(guān)閉電源。圖62相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖1、 調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度值與軸套上的10mm刻度值對準(zhǔn)。按圖143示意圖安裝、接線。將音頻振蕩器幅度調(diào)節(jié)到最?。ǚ?/p>

42、旋鈕逆時針輕轉(zhuǎn)到底）；電壓表的量程切換開關(guān)切到20V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)。圖143差動變壓器測位移組成、接線示意圖3、調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5KHz、幅值Vp-p=2V（用示波器監(jiān)測）。4、松開測微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著差動變壓器銜鐵的位移方向移動測微頭的安裝套（左、右方向都可以），使差動變壓器銜鐵明顯偏離L1初級線圈的中點位置，再調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器輸出為全波整流波形（示波器CH2的靈敏度VOLTS/DIV在1V50mV范圍內(nèi)選擇監(jiān)測）。再慢悠悠仔細移動測微頭的安裝套，使相敏檢波器輸出波形幅值盡量為最小（盡量使銜鐵處在L1初級線圈的中點位置）并擰緊測微頭安裝

43、孔的緊固螺釘。5、調(diào)節(jié)差動變壓器實驗?zāi)０逯械腞W1、RW2（二者配合交替調(diào)節(jié)）使相敏檢波器輸出波形趨于水平線（可相應(yīng)調(diào)節(jié)示波器量程檔觀察）并且電壓表顯示趨于0V。6、調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，每隔X=0.2mm從電壓表上讀取低通濾波器輸出的電壓值，填入下表6。表6 差動變壓器測位移實驗數(shù)據(jù)（請同學(xué)們記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）第一次X(mm)-0.200.2V(mV)0X (mm) 1.522.533.5V(mV)2.192.051.951.941.934X (mm) 44.555.566.577.588.5V(mV)1.8341.7251.6151.4981.3751.2501.1160.9640.8410

44、.701X (mm) 99.51010.51111.51212.51313.5V(mV)0.5880.4420.2970.150-0.147-0.299-0.455-0.62-0.776X (mm) 1414.51515.51616.51717.51818.5V(mV)-0.933-1.084-1.231-1.378-1.522-1.666-1.804-1.940-2.03-2.151919.52020.52121.5-2.24-2.31-2.34-2.34-2.31-2.28第二次X (mm) 1.522.533.5V(mV)22221.927X (mm) 44.555.566.577.58

45、8.5V(mV)1.8371.7291.6181.4521.3811.2581.1240.9750.8600.720X (mm) 99.51010.51111.51212.51313.5V(mV)0.5900.4500.3020.1560-0.141-0.294-0.450-0.59-0.772X (mm) 1414.51515.51616.51717.51818.5V(mV)-0.924-1.078-1.224-1.372-1.514-1.660-1.793-1.935-2-27、根據(jù)表6數(shù)據(jù)作出實驗曲線并截取線性比較好的線段計算靈敏度S=VX及測量范圍。實驗完畢關(guān)閉電源開關(guān)。 實驗七 電容

46、式傳感器的位移實驗一、實驗?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。掌握測量方法。二、基本原理：1、原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來實現(xiàn)測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容CAd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中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測干燥度（變）、測位移（d變）和測液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳

47、感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖71所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=2pln(Rr)。圖中C1、C2是差動連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生X位移時，電容量的變化量為C =C1C2=2p2Xln(Rr)，式中2p、ln(Rr)為常數(shù)，說明C與X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。 圖71 實驗電容傳感器結(jié)構(gòu)2、 測量電路(電容變換器)：測量電路畫在實驗?zāi)０宓拿姘迳稀Ｆ潆娐返暮诵牟糠质菆D162的二極管環(huán)路充放電電路。圖72 二極管環(huán)形充放電電路在圖72中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C4電容、L1電感和C

48、X1、CX2（實驗差動電容位移傳感器）組成。當(dāng)高頻激勵電壓(>100kHz)輸入到點，由低電平E1躍到高電平E2時，電容CX1和CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由點經(jīng)D3到b點，再對CX1充電到O點(地)；另一路由由點經(jīng)C4到c點，再經(jīng)D5到d點對CX2充電到O點。此時，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充電時間內(nèi)，由到c點的電荷量為：Q1CX2(E2-E1) （71） 當(dāng)高頻激勵電壓由高電平E2返回到低電平E1時，電容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點、D4、c點、C4、點、L1放電到O點；CX2經(jīng)d點、D6、L1放電到O點。在t2放電時間內(nèi)由c點到點的電荷量為：Q2CX1

49、(E2-E1) （72）當(dāng)然，（71）式和（72）式是在C4電容值遠遠大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C4的充放電回路由圖72中實線、虛線箭頭所示。在一個充放電周期內(nèi)（t1t2），由c點到點的電荷量為：Q2-Q1(CX1-CX2)(E2-E1)CX E （73）式中：CX1與CX2的變化趨勢是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動式）。設(shè)激勵電壓頻率f1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：iffCX E （74） 式中：E激勵電壓幅值；CX傳感器的電容變化量。由（74）式可看出：f、E一定時，輸出平均電流i與CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、電容C5濾波變

50、為直流I輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1I Rw。由傳感器原理已知C與X位移成正比，所以通過測量電路的輸出電壓Vo1就可知X位移。3、 電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如圖73圖73電容式位移傳感器實驗方塊圖三、需用器件與單元：主機箱±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)０?、測微頭。四、實驗步驟：1、按圖74示意安裝、接線。圖74 電容傳感器位移實驗安裝、接線示意圖2、將實驗?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時針轉(zhuǎn)到底再順時傳圈)。3、將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0V

51、 ，再轉(zhuǎn)動測微頭(同一個方向)6圈，記錄此時的測微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實驗起點值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動測微頭1圈即X=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)(這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填入表7(這樣單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的回差)。表7 電容傳感器位移實驗數(shù)據(jù)（請同學(xué)們記錄兩組實驗數(shù)據(jù)）位移量（mm）55.566.577.588.599.510輸出電壓（mV）-620-570-512-452-398-339-270-201-142-710位移量（mm）10.51111.51212.51313.51414.515輸出電壓（mV）67138210282352427502570638

52、711位移量（mm）55.566.577.588.599.5輸出電壓（mV）-618-568-509-439-387-331-267-198-135-70位移量（mm）1010.51111.51212.51313.51414.515輸出電壓（mV）2621271962703444204975676357114根據(jù)表7數(shù)據(jù)作出實驗曲線，實驗完畢關(guān)閉電源開關(guān)。實驗八 線性霍爾傳感器位移特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。掌握測量方法。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)換成電動勢輸出?；魻栃?yīng)是具有載流子的半導(dǎo)體同時處在電場和磁場中而產(chǎn)生電勢的一種現(xiàn)象。如圖81（帶正電的載流子）所示，把一塊寬為b，厚為d的導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，并在導(dǎo)電板中通以縱向電流I ，此時在板圖81霍爾效應(yīng)原理的橫向兩側(cè)面,之間就呈現(xiàn)出一定的電勢差，這一現(xiàn)象稱為