传感器原理实验讲义09机电.docx

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传感器原理实验讲义09机电

重庆文理学院物理与信息工程系

（第二版）

张东（编）

重庆文理学院物理与信息工程系

2006年03月

实验一电阻式传感器

——电桥性能实验

一、实验目的

1、理解金属箔式应变片的应变效应。

2、掌握电桥的工作原理和性能特点。

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，描述电阻应变效应的关系式为：

式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压

。

三、实验器件与单元

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

1、根据图（1-1）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的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图1-1应变式传感安装示意图

2、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，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，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，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端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。

3、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）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。

图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到500g（或200g）砝码加完。

记下实验结果填入表1-1，关闭电源。

表1-1

重量（g）

电压（mv）

5、根据表1-1计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW（Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量）计算线性误差：

δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yF·S满量程输出平均值，此处为500g或200g时对应输出电压。

6、比较，验证单臂，双臂，全桥电路特点。

五、思考题：

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。

实验二电容式传感器

——电容传感器测量位移

一、实验目的：

1、了解电容式传感器结构及其特点。

2、掌握电容传感器测量电路的应用。

二、基本原理

利用平板电容器C=εA/d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ε、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，则可以制成测谷物干燥度（ε变）、测微小位移（变d）和测量液位等多种电容传感器。

三、实验器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源

四、实验步骤：

1、按图2-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

图2-1差动变压器电容传感器安装示意图

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2-2。

图2-2电容传感器位移实验接线图

3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入下表2-1。

X（mm）

V（mv）

5、测量三组数据，根据数据处理知识和表2-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

五、思考题：

试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

电容传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨力高（可达0.01mm甚至更高）、动态响应好、可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移，高频振动振幅，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水份）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。

目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。

实验三电感式传感器

——差动变压器的性能实验

一、实验目的

1、理解电感传感器的结构和工作原理。

2、掌握差动变压器测量位移的方法。

二、基本原理

差动变压器同一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，常有有二段式和三段式，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（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、实验器件与单元

差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器，音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表

四、实验步骤：

1、根据图3-1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3-1差动变压器电容传感器安装示意图

2、在模块上按图3-2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4～5KHz（可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测）。

调节幅度使输出幅度为峰一峰值Vp-p=2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div）。

判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：

设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3-2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级圈波形（Lv音频信号Vp-p=2V波形）比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中

（1）、

（2）、（3）、（4）为模块中的实验插孔。

图3-2双线示波与差动变压器连结示意图

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰一峰值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，则另一方向位移为负。

从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值填入下表（3-1）。

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。

表（3-1）差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表

V（mv）

-←

0mm

→+

X（mm）

Vp-p最小

4、实验过程中注意差动变压输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表3-1画出Vop-p-X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

五、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、分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

实验四光电式传感器

——光电转速传感器的转速测量

一、实验目的：

1、理解光电传感器的工作原理和特点。

2、掌握利用光电传感器测量转速的方法。

二、基本原理：

光电式转速传感器有反射型和直射型二种，本实验装置是反射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘有黑白相间的12个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。

三、实验器件与单元

光电转速传感器、＋5V直流电源、转动源单元及转速调节2-24V、数显转速／频率表。

四、实验步骤：

1、光电转速传感器安装如图4-1所示，在传感器支持架上装上光电转速传感器，调节

图4-1霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图

高度，使传感器端面离平台表面2-3mm，将传感器引线分别插入相应插孔，其中红色接入直流电源+5V，黑色为接地端，绿色输入主控箱Fin。

转速／频率表置“转速”档。

2、将转速调节2-24V接到转动源24V插孔上。

3、合上主控箱电源开关，使电机转动并从转速／频率表上观察电机转速。

如显示转速不稳定，可调节传感器的安装高度。

五、思考题：

1、试设计了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。

2、利用直射式光电转速传感器进行实验，

实验五、热电式感器

——热电阻测温特性实验

一、实验目的

1、理解热电传感器的工作原理和特点。

2、掌握热电传感器测量温度的方法。

3、体会了解温度控制系统的设计。

二、基本原理

利用导体电阻随温度变化的特性，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在0—630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=R0（1+At+Bt2）

R0系温度为0℃时的电阻。

本实验R0=100℃，At=3.9684×10-2/℃，Bt=-5.847×10-7/℃2，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

三、实验器件与单元

加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表

四、实验步骤：

1、注意：

首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说”，学会基本参数设定。

2、将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。

将Ｋ型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶EＫ插孔中，红线为正极，注意热电偶护套中已安置了二支热电偶，Ｋ型和E型，它们热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别Ｋ型和Ｅ型（Ｅ型热电势大）热电偶。

3、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的220V控制电源插座上。

4、将主控箱的风扇源（2-24V）与三源板的冷风扇对应相连，电机转速电压旋至最大。

5、将Pt100铂电阻三根线引入“Rt”输入的a、b上：

用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线接b端。

这样Rt与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

Rw1中心活动点与R6相接，见图5-1。

6、在端点a与地之间加直流源2V，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。

7、加±15V模块电源，调Rw3使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。

图5-1热电阻测温特性实验

8、设定温度值50℃将PT100探头插入加热源另一个插孔中开启加热开关，待温度控制在50℃，时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值，将结果填入下表5-1。

表5-1

t（℃）

V（mv）

9、根据表5-1值计算其非线性误差。

10、选择热电偶测量温度。

五、思考题：

1、如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？