传感器实验指导书.docx

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传感器实验指导书

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：

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

为电阻丝电阻的相对变化，

为应变灵敏系数，

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的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

单臂电桥输出电压

O1

。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模块、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块上。

传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模块上，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。

2、接入模块电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器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Vo2与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，调节实验模块上调零电位器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（即模块左上方的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。

在电子秤上放上托盘，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、在电子秤上放置一只砝码，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一，关闭电源。

表一单臂电桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

5、根据表一计算系统灵敏度S，S=

（

输出电压变化量；

重量变化量）计算线性误差：

f1=

F•S×100%，式中

为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

F•S满量程输出平均值，此处为200g。

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。

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Uo2=

。

三、需要器件与单元：

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，实验模块差动放大器调零。

2、根据图2-1接线。

R1、R2为实验模块左上方的应变片，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，将实验数据记入表二，计算灵敏度S=

，非线性误差

f2。

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。

表二半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

五、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。

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Uo3=

。

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。

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、根据图3-1实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表三；进行灵敏度和非线性误差计算。

表三全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

实验四压阻式压力传感器的压力测量实验

一、实验目的：

了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。

二、基本原理：

扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。

在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。

三、需用器件与单元：

压力源（已在主控箱）、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模块、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±4V、±15V。

四、实验步骤：

1、根据图8-1连接管路和电路，主控箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好。

将硬管一端插入主控板上的气源快速插座中（注意管子拉出时请用手按住气源插座边缘往内压，则硬管可轻松拉出）。

另一端软导管与压力传感器接通。

这里选用的差压传感器两只气咀中，一只为高压咀，另一只为低压咀。

本实验模块连接见图8-2，压力传感器有4端：

3端接+4V电源，1端接地线，2端为Uo+，4端为Uo-。

1、2、3、4端顺序排列见图8-2。

端接线颜色通过观察传感器引脚号码判别。

2、实验模块上Rw2用于调节零位，Rw1可调节放大倍数，按图2-2接线，模块的放大器输出Vo2引到主控箱数显表的Vi插座。

将显示选择开关拨到20V档，反复调节Rw2（Rw1旋到满度的1/3,Rw3旋到满度的中间位置）使数显表显示为零。

3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。

4、合上主控箱上的气源开关，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠浮子向上浮起悬于玻璃管中。

5、逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度。

6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使在5~20KP之间每上升1KP分别读取压力表读数，记下相应的数显表值列于表六。

表六压力传感器输出电压与输入压力值

P（KP）

VO（p-p）

7、计算本系统的灵敏度和非线性误差。

8、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法如下：

输入10KPa气压，调节Rw2（低限调节）使数显表显示1.00V，当输入20KPa气压，调节Rw1（高限调节）使数显表显示2.00V，这个过程反复调节直到足够的精度即可。

五、思考题：

利用本系统如何进行真空度测量？

实验五电容传感器动态特性实验

一、实验目的：

了解电容传感器的动态性能的测量原理和方法。

二、基本原理：

利用电容传感器动态响应好，可以非接触测量等特点，进行动态位移测量。

三、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模块、低通滤波器模块、数显单元、直流稳压电源、双线示波器、振动源模块。

四、实验步骤：

1、传感器安装图同实验十三图3-5，按图4-1接线。

实验模块输出端Vo1接滤波器输入端，滤波器输出端Vo接示波器一个通道（示波器X轴为20ms/div、Y轴视输出大小而变）。

调节传感器连接支架高度，使Vo1输出在零点附近。

2、主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选6~12Hz之间，幅度旋钮初始置0。

3、输入±15V电源到实验模块，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。

4、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。

从示波器测出传感器输出的Vo1峰-峰值。

保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Vo1峰-峰值。

五、思考题：

1、为了进一步提高电容传感器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计？

如何设计成所谓的容栅传感器？

2、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量Co和移动0.5mm时的变化量，（本实验外圆半径R=8mm，内圆柱外半径r=7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度

=16mm。

*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、高频振动幅度，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测量低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水分）、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。

实验六直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：

根据霍尔效应、霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器按图5-1安装。

霍尔传感器与实验模块的连接按图5-2进行。

1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，Rw3旋到满度的中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。

3、旋转测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm（参考测量间隔）记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5-1。

表5-1

X（mm）

V（mv）

作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

五、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？

实验七霍尔测速实验*

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，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周，磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，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。

三、需用器件与单元：

霍尔转速传感器、转速调节2-24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

四、实验步骤：

1、根据图5-4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面的磁钢。

2、将直流源加于霍尔元件电源输入端。

红（+）接+5V，黑（┴）接地。

3、将霍尔转速传感器输出端（蓝）插入数显单元Fin端。

4、将转速调节中的2-24V转速电源引到转动源的2-24V插孔。

5、将数显单元上的转速/频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示转速。

6、调节电压使转动速度变化。

观察数显表转速显示的变化。

五、思考题：

1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？

2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？