《傳感器原理及應用》實驗報告1

《傳感器原理及實驗》實驗報告2011～2012學年第1學期專業(yè)班級姓名學號

測控技術及儀器王慧鋒電子與信息實驗教學中心20119月實驗一金屬箔式應變片――單臂電橋性能實驗一、實驗目的了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理力傳感元。ΔR／R＝Kε式中ΔR／R,ε=Δl/l為電阻絲長度相換被測部位受力狀態(tài)的變化。電橋電路是最常用的非電量測量電路中的一種，當電橋平衡時，電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力情況。單臂電橋輸出電壓o1U =EKε/4。o1數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表（自備。四、實驗步驟：1 2 3 、根據(jù)圖應變式傳感器（電子秤）已裝于應變傳感器模板上。傳感器中各應變片已接入模板的左上方的R2＝R＝R＝R＝350Ω，1 2 3 圖1－1 應變式傳感器安裝示意圖、15（從主控臺引入，檢查無誤后，合上主控臺電源開關，將實驗模板調(diào)節(jié)增益電位器RW3顯表輸入端Vi相連調(diào)節(jié)實驗模板上調(diào)零電位器R 使數(shù)顯表顯示為（數(shù)W4Rw3顯表的切換開關打到2V檔。關閉主控箱電源（注意：當R 一旦確定，就不能改變。一直到做完實驗三為止。Rw3

w4的位置、將應變式傳感器的其中一個電阻應變片即模板左上方的R1）接入電橋作為一個橋臂與RR7接成直流電橋RRR7模塊內(nèi)已接好，接RW1從主控臺引入）1－2所圖1－2應變式傳感器單臂電橋?qū)嶒灲泳€圖重量(g)電壓(mv)5001重量(g)電壓(mv)1－1S＝ΔU/ΔW（ΔU變化量）和非線性誤差δ

×100％式中Δm為輸出值（多次測量f1 F..S時為平均值yS滿量程輸出平均值，此處為200g（或500。五、思考題：單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用（）正（受拉）應變片）負（受壓應變片正、負應變片均可以。實驗二金屬箔式應變片――半橋性能實驗一、實驗目的：比較半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。二、基本原理：不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出電壓UO2＝EKε／2。三、 需用器件與單元：同實驗一。四、 實驗步驟：1、傳感器安裝同實驗一。做實驗（一）的步驟2，實驗模板差動放大器調(diào)零。1 2 2 2、根據(jù)圖1－3接線。R、R為實驗模板左上方的應變片，注意R應和R1 2 2 ，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器RW1進行452計算靈敏度S2＝U／W，非線性誤差。若實驗時無數(shù)值顯示說明RR12為相同受力狀態(tài)應變片，應更換另一個應變片。重量電壓圖1－3應變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖表1－2半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值重量電壓五、 思考題：、（對邊（2）鄰邊。、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為（）在非線性應變片應變效應是非線性的調(diào)零值不是真正為零。實驗三金屬箔式應變片――全橋性能實驗一、實驗目的：了解全橋測量電路的優(yōu)點。二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應變片接入電橋?qū)?，當?32 3 4 1 2 3 ＝R＝R，其變化值ΔR＝ΔR＝ΔR＝ΔR時，其橋路輸U＝KEε032 3 4 1 2 3 三、需用器件和單元：同實驗一四、實驗步驟：、 傳感器安裝同實驗一。、 根據(jù)圖1－4接線，實驗方法與實驗二相同。將實驗結果填入表1－3；進行靈敏度和非線性誤差計算。重量電壓1－41－3全橋輸出電壓與加負載重量值重量電壓五、思考題：、 全橋測量中，當兩組對邊、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1＝R3，RR，而R≠2（）可以）不可以。、 某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片如何利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖1－5應變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖實驗四金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較一、實驗目的：結論。二、實驗步驟：根據(jù)實驗一、二、三所得的單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進行分析比較。闡述理由（必須相同。實驗五直流全橋的應用――電子秤實驗一、實驗目的：了解應變直流全橋的應用及電路的標定。二、基本原理電子秤實驗原理為實驗三，全橋測量原理，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應值電壓量改為重量即成為一臺原始電子秤三、 需用器件與單元：應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器、砝碼四、實驗步驟：W1、按實驗一中2的步驟，將差動放大器調(diào)零，按圖1－4全橋接線，合上主臺電源開關，調(diào)節(jié)電橋平衡電位R ，使數(shù)顯表顯示0.00V。W1W3、將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器R （增益即滿量程節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量或－0.200V。W3、拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.0000V。4、重復2、3步驟的標定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g，就可以稱重。成為一臺原始的電子秤。5、把砝碼依次放在托盤上，填入下表1－4。重量重量（g）電 (mv)6、根據(jù)上表，計算誤差與非線性誤差。實驗六壓阻式壓力傳感器的壓力測量一、實驗目的了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和方法。二、基本原理擴散硅壓阻式壓力傳感器是在單晶硅的基片上擴散出P型或N型電阻條，接成電橋。根據(jù)半導體的壓阻效應，在壓力作用下基片產(chǎn)生應變，電阻條的電阻率發(fā)生變化，引起電阻值的變化，我們把這一變化引入測量電路，則其輸出電壓的變化就反映了所受到的壓力變化的情況。三、 需用器件與單元壓力源（已在主控箱、±15V。四、 實驗步驟2－1在已接好。將標準壓力表放置在傳感器支架上，三通連接管中的硬管一端插入主控板上的氣源快速插座中（注意管子拉出時請用雙指按住氣源插座邊緣往內(nèi)壓，則可輕松拉出2－24端：1U0＋，3端接＋4V4端為U。、、、4端順序排列見圖－。圖2－1 壓阻式壓力傳感器測量系圖2－2壓力傳感器壓力實驗接線圖o2W2 、 實驗模板上R 用于調(diào)節(jié)零位可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，按圖2－2接線，板的放大器輸出V 引到主控箱數(shù)顯表的Vi插座上。將顯示選擇開關撥到o2W2 檔，反復調(diào)節(jié)RW2（RW1旋到滿度的確1／3）使數(shù)顯表顯示為零。、 先松開流量計下端進氣口調(diào)氣閥的旋鈕，開通流量計。3、 合上主控箱上的氣源開關K，啟動壓縮泵，此時可看到流量計中的滾珠浮3子在向上浮起懸于玻璃管中。、 逐步關小流量計旋鈕使標準壓力表指示某一刻度觀察數(shù)顯表顯示電壓的正、負，若為負值則對調(diào)傳感器氣嘴接法。、 仔細地逐步由小到大調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使壓力顯示在4－14KP之間每上升P(KP)Vo(p-p)1KP分別讀取壓力表讀數(shù)，記下相應的數(shù)顯表值列于表（2－1）表（2P(KP)Vo(p-p)、 計算本系統(tǒng)的靈敏度和非線性誤差。、 如果本實驗裝置要成為一個壓力計則必須對電路進行標定方法如下輸入4KPa氣壓，調(diào)節(jié)Rw（低限調(diào)節(jié)，使數(shù)顯表顯示0.400，當輸入12KPa氣壓，調(diào)節(jié)高限調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示1.200V夠的精度即可。五、 思考題：如何利用本系統(tǒng)進行真空度測量？實驗七差動變壓器的性能實驗一、實驗目的：了解差動變壓器的工作原理和特性。二、差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)接（同名端連接，就引出差動輸出。其輸出電勢反映出被測體的移動量。三、需用器件與單元：音頻信號源、直流電源（音頻振蕩器、萬用表。四、實驗步驟：、 根據(jù)圖3－1，將差動變壓器裝在差動變壓器實驗模板上圖3－1差動變壓器電容傳感器安裝示意圖、 在模塊上按圖3－2接線，音頻振蕩器信號必須從主控箱中的Lv端子輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為4－5KHz（可用主控箱的頻率表輸入Fin來監(jiān)測。調(diào)節(jié)輸出幅度為峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器監(jiān)測：X軸為0.2ms/di。圖中、、、6為連接線插座的編號。接線時，航空插頭上的號碼與之對應當然不看插孔號碼也可以判別初次級線圈及次級同名端判別初次線圖及次級線圈同中端方法如下：設任一線圈為初級線圈，并設另外兩個線圈的任一端為同名端，按圖3－2接線。當鐵芯左、右移動時，觀察示波器中顯示的初級線圈波形，次級線圈波形，當次級波形輸出幅度值變化很大，基本上能過零點，而且相應與初級線圈波形音頻信號Vp-p＝2ｖ波形）比較能同相或反相變化，說明已連接的初、次級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（（（（）為實驗模塊中的插孔編號。、 旋動測微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰－峰值Vp-p為最小，這時可Vp-p最小開始旋動測微頭，每隔0.2mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小處反向位移做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關系。圖3－2雙蹤示波器與差動變壓器連結示意圖、 實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓大小根據(jù)表3－1畫出曲線作出量程為±3mm靈敏度和線性誤差。表（3－1）差動變壓器位移X值與輸出電壓數(shù)據(jù)表V(mvV(mv)X(mm)五、思考題：、 用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHZ的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？、 試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？、 移相器的電路原理圖如圖1－7，試分析其工作原理？、 相敏檢波器的電路原理圖如圖1－8，試分析其工作原理？實驗八電容式傳感器的位移實驗一、實驗目的：了解電容式傳感器結構及其特點。二、基本原理：C＝εA／d和其它結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇εd而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（ε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、電容傳感器實驗模板、測微頭、相敏檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、實驗步驟：3－1和CX212號引線，動極板為3號引線。、將電容傳感器電容C1C2Cx、Cx2插孔上，動極板連接地插孔（見圖－。圖4－1電容傳感器位移實驗接線圖Vo1Vi相接（箱i孔，Rw調(diào)節(jié)到中間位置。4、接入±15V電源，旋動測微頭推進電容器傳感器動極板位置，每間隔X(mm)V(mv)0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表表4X(mm)V(mv)5、根據(jù)表4－1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差δf。五、思考題：試設計利用ε的變化測谷物濕度的傳感器原理及結構？能否敘述一下在設計中應考慮哪些因素？實驗九直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗一、實驗目的：了解霍爾式傳感器原理與應用。二、基本原理：根據(jù)霍爾效應，霍爾電勢U＝KIB，當霍爾元件處H H在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測量。三、需用器件與單元：霍爾傳感器實驗模板、霍爾傳感器、直流源、測微頭、數(shù)顯單元。四、實驗步驟：1、將霍爾傳感器按圖5－1安裝?；魻杺鞲衅髋c實驗模板的連接按圖5－2進行。1、3為電源±4V，2、4為輸出。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)RW1使數(shù)顯表指示為零。圖5－1 霍爾傳感器安裝示意圖圖5－2霍爾傳感器位移――直流激勵實驗接線圖、 微頭向軸向方向推進，每轉動0.2mm記下一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入表。表5－1XX（mm）V(mv)作出V－X曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。五、思考題：本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？實驗十霍爾測速實驗一、實驗目的：了解霍爾轉速傳感器的應用。H 二、基本原理：＝KIBN只磁性體時，圓盤每轉一周磁場就變化NH 三、需用器件與單元：霍爾轉速傳感器、直流源＋5V、轉動源2－24V、轉動源單元、數(shù)顯單元的轉速顯示部分。四、 實驗步驟：、 根據(jù)圖5－4，將霍爾轉速傳感器裝于傳感器支架上，探頭對準反射面內(nèi)的磁鋼。

圖5－4 霍爾、光電、磁電轉速傳感順安裝示意圖、 將5V直流源加于霍爾轉速傳感器的電源端號接線端。、 將霍爾轉速傳感器輸出端號接線端）插入數(shù)顯單元Fin端，3號接線端接地。、 將轉速調(diào)節(jié)中的＋2V－24V轉速電源接入三源板的轉動電源插孔中。、 將數(shù)顯單元上的開關撥到轉速檔。、 調(diào)節(jié)轉速調(diào)節(jié)電壓使轉動速度變化。觀察數(shù)顯表轉速顯示的變化。五、 思考題：、 利用霍爾元件測轉速，在測量上有否限制？、 本實驗裝置上用了十二只磁鋼，能否用一只磁鋼？實驗十一壓電式傳感器測振動實驗一、實驗目的：了解壓電傳感器的測量振動的原理和方法。二、基本原理：（觀察實驗用壓電加速度計結構速度的表面電荷。三、需用器件與單元：振動臺、壓電傳感器、檢波、移相、低通濾波器模板、壓電式傳感器實驗模板。雙蹤示波器。四、 實驗步驟：、 壓電傳感器已裝在振動臺面上。、 將低頻振蕩器信號接入到臺面三源板振動源的激勵源插孔。圖7－1壓電式傳感器性能實驗接線圖、 將壓電傳感器輸出兩端插入到壓電傳感器實驗模板兩輸入端，見圖7－1，o1 6 02與傳感器外殼相連的接線端接地，另一端接R1。將壓電傳感器實驗模板電路出端V 接R將壓電傳感器實驗模板電路輸出端V o1 6 020端Vi，低通濾波器輸出V0

與示波器相連。4、合上主控箱電源開關，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率和幅度旋鈕使振動臺振動，觀察示波器波形。5、改變低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形變化。6、用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形。實驗十二電渦流傳感器位移實驗一、實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、三、需用器件與單元：電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片。四、實驗步驟：、 根據(jù)圖8－1安裝電渦流傳感器。圖8－1電渦流傳感器安裝示意圖圖8-1電渦流傳感器安裝示意圖圖8－2電渦流傳感器位移實驗接線圖、 觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。、 將電渦流傳感器輸出線接入實驗模板上標有L的兩端插孔中，作為振蕩器的一個元件。、 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。、 將實驗模板輸出端Vo與數(shù)顯單元輸入端Vi相接數(shù)顯表量程切換開關選擇電壓20V檔。。、 用連結導線從主控臺接入15V直流電源接到模板上標有的插孔中。、 使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關，記下數(shù)顯表讀數(shù)，V(v)然后每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結果列入表8－V(v)、根據(jù)表8－1V－X、3mm5mm時的靈敏度和線性度（可以用端基法或其它擬合直線。五、思考題：1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關，如果需要測量±5mm的量程應如何設計傳感器？、 用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據(jù)量程使用選用傳感器。實驗十三被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特性影響一、實驗目的：了解不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響。二、基本原理：渦流效應與金屬導體本身的電阻率和磁導率有關，因此不同的材料就會有不同的性能。三、需用器件與單元：除與實驗二十五相同外，另加銅和鋁的被測體圓盤。四、實驗步驟：、 傳感器安裝與實驗二十五相同。、 將原鐵圓片換成鋁和銅圓片。、 重復實驗二十五步驟進行被測體為鋁圓片和銅圓片時的位移特性測試分別記入表8－2和表8－3。8－2被測體為鋁圓片時的位移為輸出電壓數(shù)據(jù)V(v)8－3被測體為銅圓片時的位移與輸出電在數(shù)據(jù)V(v)、 根據(jù)表8－2和表8－3分別計算量程為1mm和3mm時的靈敏度和非線性誤差（線性度。、 分別比較實驗二十五和本實驗所得結果進行小結。五、思考題：當被測體為非金屬材料如何利用電渦流傳感器進行測試？實驗十四電渦流轉速傳感器一、實驗目的：了解電渦流傳感器測轉速的原理與組成。二、基本原理：利用電渦流的位移傳感器及其位移特性，當被測轉軸的端面或徑向有明顯的位移變化（齒輪，凸臺）時，就可以得到相應的電壓變化量，再配上相應電路測量轉軸轉速。本實驗請實驗人員自己利用電渦流傳感器和轉動源、數(shù)顯單元組建。實驗十五光纖傳感器的位移特性實驗一、實驗目的：了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。