传感器原理及应用实验指导书.docx
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传感器原理及应用实验指导书
传感器原理及应用实验指导书
1.实验一:
应变片单臂特性实验
2.实验二:
应变片全桥特性实验
3.实验三:
电容式传感器的位移实验
4.实验四:
压电式传感器测振动实验
5.实验五:
线性霍尔式传感器位移特性实验
6.实验六:
NTC热敏电阻温度特性实验
CSY-XS-01传感器系统实验箱说明书
一、产品简介
CSY-XS-01传感器系统实验箱是在本公司多年生产传感技术教学实验仪器的基础上,结合了TK-9XX系列和TK-2000系列的各自优点,根据院校实验室的实际情况,为适应不同类别、不同层次的专业需要,最新主推的手提式传感器实验仪,是高联公司外销的主要产品。
CSY-XS-01传感器系统实验箱主要用于各大、中专院校开设的“传感器原理”“自动检测技术”“非电量电测技术”“测量与控制”“机械量电测”等课程的实验教学。
CSY-XS-01实验箱的传感器采用原理与实际相结合,便于学生加强对书本知识的理解,并在实验过程中,通过信号的拾取,转换,分析,培养学生作为一个科技工作者具有的基本操作技能与动手能力。
二、实验箱组成
TK-XS传感器实验箱如下图所示:
主要由机头、主板、信号源、传感器、数据采集卡、PC接口、软件等各部分组成。
1、机头
由应变梁(含应变片、PN结、NTCRT热敏电阻、加热器等);振动源(振动台);升降调节杆;测微头和传感器的安装架(静态位移安装架);传感器输入插座;光纤座及温度源等组成。
2、主板部分
主板部分有八大单元电路组成:
智能调节仪单元;频率/电压显示(F/V表)单元;音频振荡器(1KHz~10KHz可调)和低振荡器(1Hz~30Hz可调)单元;直流稳压电源输出单元(提供高稳定的±15V、+5V、±4V、+1.2V~+12V可调等);数据采集和RS232PC接口单元;传感器的输出口单元;转动源单元;各种传感器的调理电路单元。
3、信号源
1)温度源<150℃(可调);、
2)振动源1Hz~30Hz;
3)转动源0~2400r/min
4、传感器:
详见四、传感器(共十九种传感器)
5、数据采集卡及处理软件:
详见五、V9.0数据采集卡及处理软件
6、实验箱:
供电:
AC220V50Hz功率0.2kW
实验箱尺寸为515×420×185(mm)。
三、产品特点
1、结合了TK-9XX系列和TK-2000系列的各自优点,实验箱中的传感器以原理型和实用
型相结合,定性与定量相结合,更便于学生理论与实际相结合。
2、仪器配温度源等加热装置。
整个仪器采用手提式箱式结构,便于存放保管与管理。
3、各种公共源也可用于学生课程设计、毕业设计及进行一些开发性实验;电源及信号源设
有保护电路,确保学生在误操作后不会损坏设备并保证学生的安全。
四、传感器
序号
传感器名称
量程
线性
备注
1
电阻应变式传感器
0-200g
±1%
全桥
2
扩散硅压力传感器
4-20kpa
±1%
3
差动变压器
±4mm
±2%
4
电容式传感器
±2.5mm
±3%
5
霍尔式位移传感器
±1mm
±3%
6
霍尔式转速传感器
2400转/分
±0.5%
7
磁电式传感器
2400转/分
±1%
8
压电式传感器
9
电涡流位移传感器
1mm
±2%
10
光纤位移传感器
1mm
±5%
11
光电转速传感器
2400转/分
±0.5%
12
集成温度传感器
常温-120℃
±4%
13
Pt100铂电阻
常温-150℃
±4%
三线制
14
K型热电偶
常温-150℃
±4%
15
气敏传感器
50-2000PPm
对酒清敏感
16
湿敏传感器
10-95%RH
17
PN结
18
NTC热敏电阻
20℃时,电阻为10K
五、V9.0数据采集卡及处理软件
(一)、数据采集卡及处理软件:
V9.0版
V9.0版数据采集卡是在原V8.0版基础上的一个升级版本,针对目前市售的传感器实验系统所配的采集卡动态范围太小,分辨率和精度过低的缺点,V9.0版采用了工业级的解决方案,达到了很高的测量精度和动态范围,接口部分采用RS-232/USB接口,方便用户的实际使用。
该采集卡能完全满足实验的要求。
具体技术指标如下:
1、接口标准:
RS-232/USB接口
2、A/D:
12位
3、通道数:
A、B通道
4、采样:
同步、异步
5、触发方式:
软触发、硬触发
6、采样频率:
100KHz(分档可选)
7、测量误差:
0.2mv
8、测量量程:
最大可达正负15V
9、支持电压、电流信号直接输入,无需配备转换器
10、操作环境:
windows98/2000/xp
11、应用软件:
TK-V9.0数据采集与处理软件
(二)、虚拟仪器软件:
V9.0版
本软件是和V9.0采集卡配套使用,以RS-232/USB进行通讯,采用RS-232/USB标准协议,是一个高效、实时的数据采集系统。
该采集系统除了与本公司的TK系列传感器实验仪配合使用外也可单独对外部信号进行采集(信号频率f≤1kHz)。
(三)、系统需求:
1、操作系统:
Windows98/2000/XP简体中文版
2、IntelPentiumⅢ500MHz或AMDAthlon700MHz以上
3、128M以上内存
4、400M以上硬盘空间供软件安装和备份
5、有RS-232/USB接口
6、4倍速以上的CD-ROM
(四)、该软件主要功能有以下几点:
1、软件按照公司实验指导书编写,大部分实验能用此数据采集软件进行实验操作。
2、软件采集设置可分单步采样、定时采样、双向采样、与动态采样。
在单步采样时可以以
最小二乘法与端点法分析其最大非线性误差或最大迟滞误差,在动态实验时可以分析其输入波形的频率、振幅或转速。
3、支持打印功能,能把实验结果在实验结束后即可打印出来。
4、采集卡硬件具有程控放大功能,在测量小电压时能有很高精度。
5、在数据采集时通讯速率在V8.0数据采集卡的基础上有很大提高
6、数据采集软件支持RS232/USB通讯。
7、支持差动输入功能。
8、支持双通道数据采样。
9、具有虚拟低频示波器功能,并能对波形进行简单频谱、失真度分析。
软件使用说明
1.选择Xp系统进入,桌面选择CSY-V9软件,点击软件。
2.点击开始,选择相应实验项目,把姓名输入设置中。
每采集一次数据,就点击下一步。
全部采集完成。
量程选择,一定要和实验输出相对应。
点击分析里面,选择最小二乘法,进行数据分析。
3.把软件里面显示的最大值,最小之,b值,a值,量程,灵敏度,最大非线性误差都记录在实验报告上。
4.最后点击打印预览,选择保存,把图片COPY进自己的U盘。
CSY-XS-01传感器系统实验箱实验举例
实验一应变片单臂特性实验
一、实验目的:
了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
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。
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。
且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,可正可负,与材料性质和应变方向有关,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
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、测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求,因此在应变测量中得到了广泛的应用。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种,单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差;双臂输出是单臂的两倍,性能比单臂有所改善;全桥工作时的输出是单臂时的四倍,性能最好。
因此,为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。
基本电路如图1—2(a)、(b)、(c)所示。
(a)单臂(b)半桥(c)全桥
图1—2应变片测量电路
(a)、单臂
Uo=U①-U③
=〔(R4+△R4)/(R4+△R4+R3)-R1/(R1+R2)〕E
={〔(R1+R2)(R4+△R4)-R1(R3+R4+△R4)〕/〔(R3+R4+△R4)(R1+R2)〕}E
设R1=R2=R3=R4,且△R4/R4=ΔR/R<<1,ΔR/R=Kε。
则Uo≈(1/4)(△R4/R4)E=(1/4)(△R/R)E=(1/4)KεE
(b)、双臂(半桥)
同理:
Uo≈(1/2)(△R/R)E=(1/2)KεE
(C)、全桥
同理:
Uo≈(△R/R)E=KεE
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3应变片单臂电桥实验原理图
图中R1、R2、R3为350Ω固定电阻,R4为应变片;W1和r组成电桥调平衡网络,供桥电源直流±4V。
桥路输出电压Uo≈(1/4)(△R4/R4)E=(1/4)(△R/R)E=(1/4)KεE。
三、需用器件与单元:
机头中的应变梁、振动台;主板中的F/V电压表、±4V电源、箔式应变片输出口、电桥、差动放大器、砝码;4
位数显万用表(自备)。
四、需用器件与单元介绍:
熟悉需用器件与单元在传感器箱中机头与主板的布置位置(参阅以上说明书二、实验箱组成图)。
1、图1—4为主板中的电桥单元。
图中:
⑴菱形虚框为无实体的电桥模型(为实验者组桥参考而设,无其它实际意义)。
⑵R1=R2=R3=350Ω是固定电阻,为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻。
⑶W1电位器、r电阻为电桥直流调节平衡网络,W2电位器、C电容为电桥交流调节平衡网络。
图1—4电桥单元
2、图1—5为主板中的差动放大器单元。
图中:
左图是原理图。
其中:
IC1-1AD620是差动输入的测量放大器(仪用放大器);
IC1-2为调零跟随器。
右图为实验面板图。
图1—5差动放大器原理与面板图
五、实验步骤:
1、在应变梁自然状态(不受力)的情况下,用4
位数显万用表2kΩ电阻档测量所有
应变片阻值;在应变梁受力状态(用手压、提振动台)的情况下,测应变片阻值,观察一下应变片阻值变化情况(标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化;标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化,是温度补偿片)。
如下图1—6所示。
图1—6观察应变片阻值变化情况示意图
2、差动放大器调零点:
按图1—7示意接线。
将F/V表的量程切换开关切换到2V档,
合上实验箱主电源开关,将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置,将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈,调节调零电位器,使电压表显示电压为零。
差动放大器的零点调节完成,关闭主电源。
图1—7差放调零接线图
3、应变片单臂电桥特性实验:
⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片(标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片)与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路,电桥的一对角接±4V直流电源,另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端,将W1电位器、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中(W1电位器二固定端接电桥的±4V电源端、W1的活动端r电阻接电桥的输出端),如图1—8示意接线(粗细曲线为连接线)。
图1—8应变片单臂电桥特性实验接线示意图
⑵检查接线无误后合上主电源开关,在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流
调节平衡网络W1电位器,使电压表显示为0或接近0(有小的起始电压也无所谓,不影响应
变片特性与实验)。
⑶在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码(20g/只),读取数显表数值,依次增加砝码和读取相应的数显表值,记下实验数据填入表1。
表1应变片单臂电桥特性实验数据
重量(g)
电压(mV)
⑷根据表1数据画出实验曲线并计算灵敏度S=ΔV/ΔW(ΔV输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δ(用最小二乘法),δ=Δm/yFS×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:
yFS满量程输出平均值,此处为200g。
实验完毕,关闭电源。
六、思考题:
1、ΔR转换成ΔV输出用什么方法?
2、根据图4机头中应变梁结构,在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变方向(是拉?
还是压?
)。
实验二应变片全桥特性实验
一、实验目的:
了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理:
应变片基本原理参阅实验一。
应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。
应变片全桥测量电路中,将受力方向相同的两应变片接入电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。
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Uo≈(△R/R)E=KεE。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性得到改善。
图3—1应变片全桥特性实验原理图
三、需用器件和单元:
机头中的应变梁、振动台;主板中的F/V电压表、±4V电源、箔式应变片输出口、电桥、差动放大器;砝码。
四、实验步骤:
除实验接线按图3—2示意接线,四片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。
实验完毕,关闭电源。
图3—2应变片全桥特性实验接线示意图
5、实验数据
应变梁的振动台中心点上放置一只砝码(20g/只),读取数显表数值,依次增加砝码和读取相应的数显表值,记下实验数据填入表1。
表1应变片全桥特性实验数据
重量(g)
电压(mV)
⑷根据表1数据画出实验曲线并计算灵敏度S=ΔV/ΔW(ΔV输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δ(用最小二乘法),δ=Δm/yFS×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:
yFS满量程输出平均值,此处为200g。
实验完毕,关闭电源。
六、思考题:
应变片组桥时应注意什么问题?
实验三电容式传感器的位移实验
一、实验目的:
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:
1、原理简述:
电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件,将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。
电容传感器的输出是电容的变化量。
利用电容C=εA/d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,则可以有测干燥度(ε变)、测位移(d变)和测液位(A变)等多种电容传感器。
电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形,虽还有球面形和锯齿形等其它的形状,但一般很少用。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器,差动式一般优于单组(单边)式的传感器。
它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。
如图11—1所示:
它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。
设圆筒的半径为R;圆柱的半径为r;圆柱的长为x,则电容量为C=ε2x/ln(R/r)。
图中C1、C2是差动连接,当图中的圆柱产生∆X位移时,电容量的变化量为∆C=C1-C2=ε22∆X/ln(R/r),式中ε2、ln(R/r)为常数,说明∆C与∆X位移成正比,配上配套测量电路就能测量位移。
图11—1实验电容传感器结构
1、测量电路(电容变换器):
如图11—2所示,测量电路的核心部分是图11—3的电路。
图11—2电容测量电路
图11—3二极管环形充放电电路
在图11—3中,环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C5电容、L1电感和CX1、CX2实验差动电容位移传感器组成。
当高频激励电压(f>100kHz)输入到a点,由低电平E1跃到高电平E2时,电容CX1和
CX2两端电压均由E1充到E2。
充电电荷一路由a点经D3到b点,再对CX1充电到O点(地);另一路由由a点经C5到c点,再经D5到d点对CX2充电到O点。
此时,D4和D6由于反偏置而截止。
在t1充电时间内,由a到c点的电荷量为:
Q1=CX2(E2-E1)(11—1)
当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时,电容CX1和CX2均放电。
CX1经b点、D4、c点、C5、a点、L1放电到O点;CX2经d点、D6、L1放电到O点。
在t2放电时间内由c点到a点的电荷量为:
Q2=CX1(E2-E1)(11—2)
当然,(11—1)式和(11—2)式是在C5电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。
电容C5的充放电回路由图11—3中实线、虚线箭头所示。
在一个充放电周期内(T=t1+t2),由c点到aQ2=CX1(E2-E1)点的电荷量为:
Q=Q2-Q1=(CX1-CX2)(E2-E1)=△CX△E(11—3)
式中:
CX1与CX2的变化趋势是相反的(传感器的结构决定的,是差动式)。
设激励电压频率f=1/T,则流过ac支路输出的平均电流i为:
i=fQ=f△CX△E(11—4)
式中:
△E—激励电压幅值;△CX—传感器的电容变化量。
由(11—4)式可看出:
f、△E一定时,输出平均电流i与△CX成正比,此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C6滤波变为直流I输出,再经Rw转换成电压输出Vo1=IRw。
由传感器原理已知∆C与∆X位移成正比,所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知∆X位移。
2、电容式位移传感器实验原理方块图如图11—4
图11—4电容式位移传感器实验方块图
三、需用器件与单元:
机头静态位移安装架、传感器输入插座、电容传感器、测微头、主板F/V表、电容输出口、电容变换器、差动放大器。
四、实验步骤:
附:
测微头的组成与使用
测微头组成和读数如图11—5所示。
图11—5测位头组成与读数
测微头组成:
测微头由不可动部分中的安装套、轴套和可动部分中的测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用:
测微头的安装套便于在支架座上固定安装,轴套上的主尺有两排刻度线,标有数字的是整毫米刻线(1mm/格),另一排是半毫米刻线(0.5mm/格);微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01mm/格)。
用手旋转微分筒或微调钮时,测杆就沿轴线方向进退。
微分筒每转过1格,测杆沿轴方向移动微小位移0.01毫米,这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值,注意半毫米刻线;再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1/10分度,如图11—5甲读数为3.678mm,不是
3.178mm;遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时,应看微分筒的示值是否过零,如图11—5乙已过零则读2.514mm;如图11—5丙未过零,则不应读为2mm,读数应为1.980mm。
测微头使用:
测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。
一般测微头在使用前,首先转动微分筒到10mm处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量),再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上,移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。
当转动测微头的微分筒时,被测体就会随测杆而位移。
1、差动放大器调零:
按图11—6所示接线。
将F/V表的量程切换开关切换到2V档,
合上实验箱主电源开关,将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置,将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈,调节调零电位器,使电压表显示电压为零。
再关闭主电源。
图11—6差动放大器调零接线图
1、电容传感器的位移测量系统电路调整:
将电容传感器安装在机头的静态位移安装架上(传感器动极片连接杆的标记刻线朝上
方)并将引线插头插入传感器输入插座内,如图11—7的机头部分所示。
再按图11—7主板部分的接线示意图接线,将F/V表的量程切换开关切换到20V档,检
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