华中科技大学自控传感器课程实验报告教材.docx

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华中科技大学自控传感器课程实验报告教材

传感器与检测技术

实验报告

小组成员

班级

学号

杜雄

自动化1405班

U201414355

徐航

自动化1405班

U201414372

实验时间：

2016年10月21日

2016年10月28日

实验目录

实

验

一

金属箔式应变片——单臂电桥性能实验··························

（2）

实

验

二

金属箔式应变片——半桥性能实验··································（7）

实

验

三

金属箔式应变片——全桥性能实验··································（8）

实

验

四

金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验·········（9）

实

验

五

直流全桥的应用——电子秤实验·····································（10）

实

验

六

差动变压器的性能实验······················································（11）

实

验

七

电容式传感器的位移特性实验··········································（15）

实

验

八

直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验·····················（16）

实

验

九

电涡流传感器的位移特性实验··········································（18）

实

验

十

被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验（选做）（20）

实

验

十一一

光纤传感器的位移特性实验··············································（21）

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，并掌握单臂电桥工作原理和性能。

二、基本原理:

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用

下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：

设其长为：

L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据

电阻的定义式得

（1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、

dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：

（1—2）

式中：

dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr

由材料力学得：

εL=-μεr（1—3）

式中：

μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

（1）、金属导体的应变灵敏度K：

主要取决于其几何效应；可取

（1—5）

其灵敏度系数为：

K=

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻

减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

（2）、半导体的应变灵敏度：

主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

半导体

材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。

在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正

（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变

形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般

在100到200左右。

3、贴片式应变片应用在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片

（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜

（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为

0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。

（a）丝式应变片（b）箔式应变片图1-1应变片结构图

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，与丝式应变片工作原理相同。

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：

ΔR／R＝Kε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。

5、箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1-2应变片单臂电桥性能实验原理图

对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。

三、需用器件与单元：

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（1-3）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1-3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1-4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1-4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）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

3.1

6.3

9.6

12.6

16.0

19.1

22.4

25.9

28.9

32.1

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。

如下图所示，虚线为拟合后的直线，我们得到的拟合公式为：

y=0.1616x-0.1733

其中纵坐标V为测得电压值，单位为mv，横坐标m为砝码质量，单位为g；拟合优度R=0.9999，接近1，说明拟合效果很好。

砝码重量/g

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

实验值/mv

3.1

6.3

9.6

12.6

16

19.1

22.4

25.9

28.9

32.1

理论值/mv

3.232

6.464

9.696

12.928

16.16

19.392

22.624

25.856

29.088

32.32

偏差/mv

0.132

0.164

0.096

0.328

0.16

0.292

0.224

-0.044

0.188

0.22

其中理论值是根据拟合直线公式计算得

所以可得灵敏度即斜率

S=0.1616mv/g；

线性度δ=Δm/yF·S×100%

δ=0.328/（32.32-3.1）*100%=1.12%

综上所述得到结论：

灵敏度为0.1616，线性度为1.12%.

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。

答：

（3）正、负应变片都可以，因为正负对单臂电桥的传感器的特性无影响。

实验二金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的：

比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

二、基本原理：

不同受力方向的两片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。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。

图2-1应变片半桥特性实验原理图

三、需用器件与单元：

同实验一。

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验一。

做实验

（一）2的步骤，实验模板差动放大器零。

2、将适当的两片应变片接入桥路。

R1、R2为实验模板左上方的应变片，注

意R2和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反的电阻应变片作为电桥的相邻边。

接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度S=ΔU/ΔW，非线性误差δf2。

若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

下表半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压/（mv）

6.1

12.3

21

28

34.8

41.1

48.3

54.9

61.3

67.4

重量/g

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

实验值/mv

6.1

12.3

21

28

34.8

41.1

48.3

54.9

61.3

67.4

理论值/mv

6.856

13.712

20.568

27.424

34.28

41.136

47.992

54.848

61.704

68.56

偏差/mv

0.756

1.412

-0.432

-0.576

-0.52

0.036

-0.308

-0.052

0.404

1.16

利用excel对数据进行处理拟合得到数据图像如下：

其中纵坐标V为测得电压值，单位为mv，横坐标m为砝码质量，单位为g；

拟合优度R=0.9988，接近1，说明拟合效果很好。

所以可得灵敏度即斜率

S=0.3428mv/g；

其中理论值是根据拟合直线公式计算得

线性度δ=1.412/（68.56-6.1）*100%=2.26%

综上所述得到结论：

灵敏度为0.3428，线性度为2.26%.

五、思考题：

1、半桥侧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。

答：

1.邻边

2.电桥测量原理上存在非线性误差

实验三金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，理解全桥测量电路优点。

二、基本原理：

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：

R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=

ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。

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改善。

图3-1应变片全桥特性实验接线示意图

三、需用器件和单元：

同实验一。

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验一。

2、参考图1-4接线，将四片应变片按正确的方式接入桥路。

将实验结果填入表3-1；实验后进行灵敏度和非线性误差计算。

下表全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压/mv

12.5

25

38

51.2

63.5

76.6

89.5

102.5

115.5

127.6

重量/g

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

实验值/mv

12.5

25

38

51.2

63.5

76.6

89.5

102.5

115.5

127.6

理论值/mv

12.848

25.696

38.544

51.392

64.24

77.088

89.936

102.784

115.632

128.48

偏差/mv

0.348

0.696

0.544

0.192

0.74

0.488

0.436

0.284

0.132

0.88

利用excel对数据进行处理拟合得到数据图像如下：

其中纵坐标V为测得电压值，单位为mv，横坐标m为砝码质量，单位为g；

拟合优度R=1，说明拟合效果很好。

所以可得灵敏度即斜率

S=0.6424mv/g；

其中理论值是根据拟合直线公式计算得

线性度δ=0.88/（128.48-12.5）*100%=0.76%

综上所述得到结论：

灵敏度为0.6424，线性度为0.76%.

五、思考题：

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2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。

见图3-2。

图3-2应变片传感器受拉时传感器圆周面展开图

答：

1、可以组成全桥电路。

2、将这两组应变片按照两个不同方向贴在棒材上，利用两组不同的测量

值即可组成一个全路电桥，不需要外加电阻。

实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的：

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

二：

实验原理：

如图4（a）、（b）、（c）

4（a）单臂4（b）半桥4（c）全桥

三、实验步骤：

根据上面实验一、二、三所得的数据，事后在同一坐标系中分别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度，从中能得出什么实验结论？

（注意：

实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。

四、数据处理与分析

经过测量，我们得到的实验数据如下：

砝码质量/g

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

单臂电压/mv

3.1

6.3

9.6

12.6

16

19.1

22.4

25.9

28.9

32.1

半桥电压/mv

6.1

12.3

21

28

34.8

41.1

48.3

54.9

61.3

67.4

全桥电压/mv

12.5

25

38

51.2

63.5

76.6

89.5

102.5

115.5

127.6

利用excel对数据进行处理拟合得到数据图像如下

最终结果如下

实验

单臂

半桥

全桥

灵敏度

0.1616

0.3428

0.6424

线性度

1.12%

2.26%

0.76%

五、实验总结

从三个实验对比来看，从单臂到半桥再到全桥，灵敏度依次增大，且大致遵

循2倍关系；从理论分析而言，非线性误差全桥电路<半桥电路<单臂电路，但

由于实验偶然误差，实测半桥电路非线性误差大于单臂。

实验五直流全桥的应用——电子秤实验

一、实验目的：

了解应变片直流全桥的应用电路的标定。

二、基本原理：

电子秤实验原理为实验三全桥测量原理，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

始电子秤。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、±

15V电源、±4V电源。

四、实验步骤：

1、按实验一中2的步骤将差动放大器调零：

参考图1-4将四个应变片按正确的接法接成全桥形式，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。

2、将10只砝码轻轻地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（2V档测显）。

3、拿去托盘上的所有法码，调节电器Rw4（零位调节），使数显表显示为

0.000V或。

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，就可秤重，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5-1：

表5-1标定后的应变片全桥输出电压和重量对应

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

29.7

47.6

64.8

82

99.6

117.6

135.1

153.1

171.8

189.2

6、放入重量稍轻的一件随身物品（如手机等），称出其实际重量记录下来。

此外，我们测量手机（梁）的数据如下：

手机质量：

150g；输出电压值：

144.1mv

用excel绘制如下：

从数据中我们看到，所测的值在误差允许范围内，大致满足标定要求，

即大约每20g砝码对应直流全桥应用电路电压输出值17.72mv。

从这个实验中，我们深刻的领会了应变片直流全桥应用电路的标定过程，对

于传感器的学习有了更深刻的理解与兴趣。

实验六差动变压器的性能实验

一、实验目的：

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：

差动变压器的工作原理电磁互感原理。

差动变压器的结构如图

6-1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。

差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。

由于把二个二次绕组反向串接（＊同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图6-2所示。

图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：

L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。

由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，

图6-1差动变压器的结构示意图图6-2差动变压器的等效电路图

因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。

同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。

因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

由图6-2可以看出一次绕组的电流为：

二次绕组的感应动势为：

由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：

其有效值为：

差动变压器的输出特性曲线如图6-3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。

其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。

E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。

零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

图6-3差动变压器输出特性

三、需用器件与单元：

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6-4，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图6-4差动变压器电容传感器安装示意图

2、在模块上按图6-5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6-5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