传感器实验指导书.docx
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传感器实验指导书
《传感器原理及应用》实验指导书
实验一:
压力传感器特性实验
(1)金属箔式应变片
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σ——测试的应力;
E——材料弹性模量。
可以测得应力值σ。
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
THZK-1型传感器实验模块、砝码(10个)、传感器调理电路挂件(ZK-1)。
四、实验内容与步骤
1.应变片的安装位置如图1-1所示,应变式传感器已装在传感器实验模块上,传感器中各应变片已接入模板上的四个应变片电阻上,可用万用表测量四个电阻都为350Ω。
图1-1应变式传感器安装示意图
2.打开实验台电源并开启面板上的直流稳压电源开关以及“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER1,调节“应变式传感器实验单元”Rw4使之大致位于中间位置(Rw4为10圈电位器)然后对运放进行调零,调零的方法为:
将“应变式传感器实验单元”的“Ui”的两个输入端对地短接,Uo2输出端接实验台的智能直流电压表,调节此单元中的调零电位器Rw6,使Uo2输出电压为零,关闭实验台电源。
(注意:
当Rw4的位置一旦确定,就不能改变。
)
3.按图1-2将“传感器实验模块”上的“电阻应变式传感器”的其中一个应变片接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥,(R5、R6、R7在模块内已接好),接好电桥调零电位器Rw3,接上桥路电源±5V,如图2-3所示。
检查接线无误后,打开实验台及实验挂箱的开关,调节Rw3电位器,使智能直流电压表显示为零。
然后用导线连接Uo2和实验平台上数据采集卡接中的AD1。
4.打开实验室网络管理系统软件,点击“PCI数据采集卡软件”,然后在系统下方选择单点信号采集,则会打开传感器实验软件界面,选择通道1,在横坐标处输入1,在砝码盘上放置一只砝码,然后点击开始采集,则下方的采集进度会从0到100,在采集进度大约为50﹪时,点击单点采集,则采集进度又会从0到100,最后在界面上出现一个点,此点就在20g砝码的电压值,在操作下点击波形测量,可以测量此点的电压值。
接着放入第二个砝码,点击采集单点,则会出现第二个点,依次增加砝码和测量相应的电压值,直到10个共200g砝码加完,计下实验结果,填入下表1-1,最后点击折线生成,则会出现实验曲线。
关闭实验台电源。
(此过程也可用实验平台上的智能直流电压表来测量电压值)。
注:
每次点击采集按钮时,最好在采集进度为50﹪时采集,此时所采集的点误差小。
图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图
图1-3应变式传感器半桥实验接线图图1-4应变式传感器全桥实验接线图
表1-1电桥输出电压与所加负载重量值
重量(g)
电压(mV)
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δf1=Δm/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,不可接错,否则可能烧毁应变片。
3.此实验挂箱上的POWER1电源开关是控制差动变压器实验单元、应变式传感器实验单元、移相器、相敏检波、压电式传感器实验单元、低通滤波单元的电源,而POWER2电源开关是控制电容式传感器实验单元的电源。
在做实验时,两个电源开关不要同时打开,否则对实验结果有影响。
4.实验过程中不可触碰连接导线,这样会导致电压的不稳定。
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.分析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。
(2)交流全桥的应用——振动的测量
一、实验目的
了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、基本原理
对于交流应变信号用交流电桥测量时,桥路输出的波形为一调制波,不能直接显示其应变值,只有通过移相检波和滤波后才能得到变化的应变信号,此信号可以从示波器或用交流电压表读得。
三、需用器件与单元:
传感器实验模块、低频函数信号发生器、传感器调理电路挂箱
四、实验步骤
1.打开“传感器调理电路”挂箱电源开关POWER1。
2.按照实验一中的步骤
(二)进行差动放大器调零。
3.用应变输出专用连接线将传感器实验模块上的“应变输出”插座和“应变传感器实验”单元上的插座连接起来。
4.调节低频函数信号发生器,使之输出频率为1KHz左右,幅值为10Vp-p左右的正弦波信号(幅度用虚拟示波器观测)。
5.按图5-1将各单元连接好线。
图5-1电阻应变式传感器振动测量接线图
5.调节TH-SG01P型功率函数信号发生器,使之输出频率为10Hz左右的正弦波信号(幅值调节到最大位置),如果幅度为最大时,振动还不明显时,可用功率输出,将信号发生器的功率输出端接到传感器实验模块的“低频输入”端,使振动平台振动较为明显。
6.用虚拟示波器观察低通滤波器UO的波形。
7.仔细调节移相器和相敏检波器的电位器,使示波器显示的波形为一个接近全波整流的波形。
8.固定信号发生器的幅度不变,调节其频率。
观察振动源振动产生的波形。
并将输入信号的频率与输出波形的幅值关系填入下表:
f(Hz)
Vo(p-p)
五、思考题
1.在交流电桥测量中,对音频振荡器和被测梁振动频率之间有什么要求?
2.请归纳直流电桥和交流电桥的特点。
实验二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=εS/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、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(ε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l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;
r1、r2——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动△l时,电容变化量△C为:
(2)
于是,可得其静态灵敏度为:
(3)
可见灵敏度与
有关,r1与r2越接近,灵敏度越高,虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关,但l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
传感器实验模块、电容传感器、测微头、传感器调理电路挂箱
四、实验步骤
1.将电容式传感器装于传感器实验模块的黑色支架上,将差动电容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“传感器接口”中。
2.Rw调节到大概中间位置(Rw为10圈电位器),将“电容传感器实验”单元的输出端Uo接入智能直流电压表。
3.打开“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER2。
4.旋转测微头,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10-1。
(此过程也可用采集卡中的传感器实验软件做)
表10-1电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
V(mV)
5.根据表10-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
五、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10-1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。
实验三霍尔转速传感器测速实验
一、实验目的
了解霍尔转速传感器的应用。
二、基本原理
利用霍尔效应表达式:
UH=KHIB,当被测圆盘上装有N只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化N次。
每转一周霍尔电势就同频率相应变化,输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。
本实验采用开关型霍尔传感器,当转盘上的磁钢转到传感器正下方时,传感器输出低电平,反之输出高电平。
三、需用器件与单元
传感器实验模块
四、实验步骤
1.霍尔转速传感器及转动源已经安装于传感器实验模块上,其中霍尔转速传感器位于转动源的右边。
2.将+5V直流稳压源接到霍尔转速传感器的“+5V输入”端。
3.将霍尔转速传感器的输出接频率/转速表输入端(选择转速)
4.将实验台的0~30V直流稳压电源调节到+24V以下。
输出接入传感器实验模块上的“0~24V转动电源”输入端。
5.调节0~30V直流稳压电源输出电压(+24V以下),使转盘的转速发生变化,观察频率/转速表显示的变化,并用虚拟示波器观察霍尔转速传感器输出波形。
五、注意事项
1.转动源的正负输入端不能接反,否则可能击穿电机里面的晶体管。
2.转动源的输入电压不可超过24V,否则容易烧毁电机。
3.霍尔转速传感器中+5V电源不能接错,否则会烧霍尔传感器.
六、思考题
根据上面实验观察到的波形,分析为什么方波的高电平比低电平要宽。
实验四热敏电阻的特性研究
一、实验目的
了解热敏电阻的特性与应用。
二、基本原理
热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件,一般用半导体材料做成,可以分为负温度系数热敏电阻NTC(NegativeTemperaturecoefficientThermistor)和正温度系数热敏电阻PTC(PositiveTemperatureCoefficientThermistor),临界温度系数热敏电阻CTR(CriticalTemperatureResistor)三种,本实验主要研究前两种,半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。
由于热运动(譬如温度升高),越来越多的载流子克服禁带(或电离能)引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移发生变化,根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。
NTC通常是一种氧化物的复合烧结体,特别适合于-100~300ºC之间的温度测量,它的电阻值随着温度的升高而减小,其经验公式为:
,式中,R0是在25ºC时或其他参考温度时的电阻,T0是热力学温度(K)B称为材料的特征温度,其值与温度有关,主要用于温度测量。
PTC是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。
其特征曲线是随温度升高而阻值增大,开关型的PTC在居里点附近阻值发生突变,有斜率最大的区段,即电阻值突然迅速升高。
PTC适用的温度范围为-50ºC~150ºC,主要用于过热保护及作温度开关。
NTC和PTC的特征曲线如图所示:
图11-1NTC、PTC电阻温度曲线图
三、需用器件与单元
直流恒流源、实验台上加热源部分、智能毫伏电压表。
四、实验内容与步骤
1.将直流恒流源输出接入实验台上加热源部分中的“恒流输入”端,输入电流越大,加热速度赶快。
2.将温度控制器右面的“Pt100”接“Pt100输入”。
3.将温度控制器的SV窗口设置在50ºC,设置方法见附录2。
然后每隔5ºC设置一次。
4.用万用表测量温度模块上的NTC和PTC的输出,记下每次设置温度下的电阻值,将结果填入下表:
NTC:
t(℃)
R
t(℃)
R
PTC:
t(℃)
R
T(℃)
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。
六、思考题
若要用NTC测量温度,怎样将其线性化?
画出它的线性化电路。
七、实验报告要求
1.根据实验所得的数据绘制出NTC、PTC的特性曲线。
2.归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题,主要应用在什么场合,有哪些优缺点。
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