传感器与检测技术实验指导书.doc

传感器与检测技术 实验指导书齐鲁理工学院目录实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验1实验二 金属箔式应变片半桥性能实验4实验三 金属箔式应变片全桥性能实验6实验四 直流全桥的应用电子秤实验8实验五 差动变压器的性能测定9实验六 差动变压器零点残余电压测定及补偿11实验七 激励频率对差动变压器特性的影响13实验八 电容式传感器的位移特性实验15实验九 直流激励时霍尔传感器位移特性实验17实验十 Pt100热电阻测温实验19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、 基本原理金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为： （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： （2） 式中的为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1×）。若径向应变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为，因为=2（），则（2）式可以写成： （3）式（3）为“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，受两个因素影响，一个是（1+），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则，对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系 （4）式中 测试的应力； E材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、±15V电源、±5V电源，传感器调理电路挂件。四、实验内容与步骤1应变片的安装位置如图（11）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350。图1-1 应变式传感器安装示意图2接入模板电源±15V（从面板上引入），检查无误后，合上主控台电源开关，调节Rw3使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控台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）。关闭主控台电源。（注意：当Rw3的位置一旦确定，就不能改变。）3按图1-2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与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，使数显表显示为零。4在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表1-1，关闭电源。表1-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mv)图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图5 根据表1-1计算系统灵敏度（输出电压的变化量，重量变化量）和非线性误差f1=m/yFS ×100 式中（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g。五、实验注意事项1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题1单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 七、实验报告要求1记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2从理论上分析产生非线性误差的原因。实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的1了解半桥的工作原理。2比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理把不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2。式中E为电桥供电电压。三、需用器件与单元传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件中应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤1接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：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）。关闭主控箱电源。2根据图2-1接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻 图2-1 应变式传感器半桥实验接线图边。接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度，非线性误差。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。 表2-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）五、实验注意事项1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题1半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。2桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。七、实验报告要求1记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。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原理及优点。二、基本原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压U03。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。三、需用器件和单元传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤1根据3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。表3-1全桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）图3-1 应变式传感器全桥实验接线图五、实验注意事项 1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。六、思考题1全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1R3，R2R4，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3-2 应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求： 1根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。2比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。实验四 直流全桥的应用电子秤实验一、实验目的了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理电子秤实验原理与实验三相同，利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤1按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.000V（2V档）。2将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V或-0.200V。3拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。4重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5把砝码依次放在托盘上，填入下表4-1。表4-1电桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压(mv)6 根据上表，计算误差与非线性误差。五、实验注意事项1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。六、实验报告要求1记录实验数据，绘制传感器的特性曲线。2分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。实验五 差动变压器的性能测定一、 实验目的1了解差动变压器的工作原理和特性。2了解三段式差动变压器的结构。二、 基本原理差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测物体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。三、 需用器件与单元传感器实验箱（一）、传感器调理电路挂件、测微头、差动变压器、信号源。四、 实验内容与步骤1将差动变压器及测微头安装在传感器支架上。2将传感器引线插头插入实验模板的插座中，在模块上按图6-1接线，音频振荡器信号必须从主控台中的音频振荡器的端子（正相或反相）输出，调节音频振荡器的频率，使输出频率为4-5KHz（可用主控台的频率计来监测）。调节输出幅度为峰峰值Vp-p=2V（可用虚拟示波器监测）。3旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表6-1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。 图6-1差动变压器连接示意图表6-1差动变压器位移X值与输出电压数据表V(mv) X(mm)4实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压的大小，根据表6-1画出Vop-pX曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。五、实验注意事项1在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。2模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。六、思考题1用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？ 2试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？七、实验报告要求1根据实验测得的数据，绘制出测微头左移和右移时传感器的特性曲线。2分析产生非线性误差的原因。实验六 差动变压器零点残余电压测定及补偿一、实验目的了解差动变压零点残余电压组成及其补偿方法。二、基本原理由于差动变压器阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了达到电桥平衡，就要求线圈的电阻R相等，两线圈的电感L相等。实际上，这种情况是难以精确达到的，就是说不易达到电桥的绝对平衡。在零点有一个最小的输出电压，一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，如果零点残余电压过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作。造成零残电压的原因，总的来说，是两电感线圈的等效参数不对称造成的。包括差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯BH特性的非线性等。三、需用器件与单元信号源、测微头、差动变压器、传感器调理电路挂件、虚拟示波器、传感器实验箱（一）。四、实验内容与步骤1按图71接线，音频信号源从主控箱输出，实验模板上R1 、C1 、RW1 、RW2为电桥单元中调平衡网络。 图7-1 零点残余电压补偿电路之一2 利用虚拟示波器调整音频振荡器输出为2V峰-峰值。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，注意与激励电压相比较。6 从虚拟示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰-峰值）。（注：这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压）。五、实验注意事项1在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。2模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。图7-2 零点残余电压补偿电路之二六、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7-2所示的电路，请分析原理。七、实验报告要求 1分析产生零点残余电压的原因，对差动变压器的性能有哪些不利影响。用哪些方法可以减小零点残余电压。2归纳总结前两种补偿电路的优缺点。实验七 激励频率对差动变压器特性的影响一、实验目的了解激励频率对差动变压器输出的影响。二、基本原理差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式： 表示，式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP22LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2LP2RP2时输出Uo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、需用器件与单元传感器实验箱（一）、传感器调理电路挂件、测微头、虚拟示波器、差动变压器、信号源、±15V直流电源。四、实验步骤1将差动变压器安装在差动变压器实验模板上。2按图7-1连接好线。3选择音频信号输出频率为1KHz输出，（可用主控台的频率计显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1 、Rw2使输出变得更小。4用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置2.50mm处，有较大的输出。将测试结果记入表8-1。5分别改变激励频率为1KHZ9KHZ，幅值不变将测试结果记入下表8-1中。表8-1不同激励频率时输出电压（峰峰值）的关系。f(Hz)1KHz2KHz3KHz4KHz5KHz6KHz7KHz8KHz9KHzVop-p(V)6作出幅频特性曲线。五、实验注意事项1在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。2模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。 3传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。六、思考题1提高激励频率有哪些优点？但是过高的激励频率又会带来哪些不利因素？应怎样确定激励频率。2若用差动变压器式传感器测量振动，测量的频率受什么限制？七、实验报告要求1根据实验所得的数据作出传感器的幅频特性曲线。2归纳总结正确选择激励信号的幅度和频率的特点。实验八 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容式传感器结构及其特点。二、基本原理利用平板电容C和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为： （1）式中 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动时，电容变化量为： （2） 于是，可得其静态灵敏度为： （3） 可见灵敏度与有关，越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。三、需用器件与单元电容传感器、传感器实验箱（一）、传感器调理电路挂件、测微头、直流稳压源。智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）四、实验步骤1将电容式传感器装于传感器实验箱（一）的黑色支架上，将传感器引线插头插入传感器调理电路中电容式传感器实验单元的插孔中。2Rw调节到大概中间位置。将电容传感器实验模板的输出端Vo与智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）。3接入±15V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表8-1。表8-1 电容传感器位移与输出电压值X(mm) V(mv)4根据表8-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差。五、实验注意事项1传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。六、思考题1简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。2电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？图8-1电容传感器位移实验接线图七、实验报告要求1整理实验数据，根据所得的实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器的非线性误差。2根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。实验九 直流激励时霍尔传感器位移特性实验一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势UHKHIB，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为 kxUH，式中k位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。三、需用器件与单元霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V直流电源、测微头、数显单元。四、实验步骤1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V，2、4为输出。2、开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。3、测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表，作出V-X曲线。X(mm)V（mv）五、实验注意事项1、对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V，否则将可能烧毁霍尔元件。六、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？七、实验报告要求1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。实验十 Pt100热电阻测温实验一、 实验目的了解热电阻的特性与应用。二、基本原理利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0-630.74ºC以内，电阻Rt与温度t的关系为：Rt = R0(1+At+Bt2) R0系温度为0ºC时的铂热电阻的电阻值。本实验R0=100ºC，A=3.90802×10-3 ºC-1B=-5.080195×10-7 ºC-2,铂电阻现是三线连接，其中一端接两根引线主要是为了消除引线电阻对测量的影响。三、需用器件与单元 Pt100热电阻（温度模块上）、1A恒流源、温度测量单元、温度传感器实验模块、数显单元（主控台电压表）、万用表、直流稳压电源±15V和5V。 五、 实验内容与步骤1将主控箱上总电源关闭，把主控箱中温度检测与控制单元中的恒流加热电源01A恒流输出与温度模块中的恒流输入连接起来。2将温度模块中的温控Pt100与主控箱的Pt100输入连接起来。3将温度模块中的实验Pt100接入a、b间，把b、c连接起来，这样，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就组成了一个直流单臂电桥，再把Rw2逆时针旋到底（增益最小）。4把温度模块的±15V和主控箱的±15V输出连接起来，差动放大器的Vo与主控箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接，调节Rw3使差动放大器的输出为零。5按图连接好线，在端点a与地之间加5V的直流电源，将电桥的输出与差动放大器相连，将温度控制器的SV窗口设置为（设置方法见附录2），然后调节Rw1使电桥平衡，即使差放的输出为零。6在的基础上，以后每隔设定一次，即t=，读取数显表值，将结果填入下表： t()V（mv）五、实验注意事项加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。六、思考题如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？七、实验报告要求1.根据实验所得的数据，做出传感器的特性曲线。2.总结Pt100热电阻传感器有哪些优缺点。