传感器技术实验指导书

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1、传感器与检测技术实验指导书丁松 权义萍南京工业大学自动化学院2008-04-15目录实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验3实验二直流全桥的应用电子秤实验7实验三电容式传感器的位移特性实验9实验四压电式传感器振动实验11实验五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验13实验六电涡流传感器综合实验15实验七光纤传感器的位移特性实验18实验一 金属箔式应变片单臂、半桥性能比较实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，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：AR/R=K式中AR/R为电阻丝电阻相

2、对变化，K为应变灵敏系数,&=Al/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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uo1= EK/4。不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2=EK&/2。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器一电子秤、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（11）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上

3、。传感器中各应 变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量判别，R1=R2 =R3=R4=350Q，加热丝阻值为50Q左右 应变片托盘2、接入模板电源15V （从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，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，输出端与主控台面板上数显表输入端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（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。一直到 做完实验三为止）。3、将应变式传感器的其中一个电阻应

4、变片R（即模板左上方的R）接入电桥作为一 个桥臂与r5、r6、r7接成直流电桥（r5、r6、r7模块内已接好），接好电桥调零电 位器RW1，接上桥路电源4V （从主控台引入）如图12所示。检查接线无误后， 合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。0 C加热器拱兰控箱 电源輸出KID町Okd4)I” k?EllHZZ-IC：KuEl 26ZZ)-HZ El按软显表Vi地LLRk-EHi:i_JVu2应交传愿器实骑檯板Rw-i图12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 （或500 g）砝码加完。记下实验结

5、果填入表1 1,关闭电源。重量（g）电压（mv）5、根据表1 1计算系统灵敏度S=AU/AW （A U输出电压变化量，AW重量变化量） 和非线性误差6 f1= Am/yF.S X100%式中Am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200g （或500g）。6、更改电桥接法，重复以上步骤。接主控箱 电源输岀接数显表3.3c0c 匕 o LJ oVi地4-I_r 应变传感器实验模板图13应变式传感器半桥实验接线图表12半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量电压根据表1 2计算系统灵敏度S=AU/AW和非线性误差6 f2= A m/yFS X 100

6、%五、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。2、半桥实验时，如果对于一定的输入，输出值很小或没有输出，为何？3、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。实验二直流全桥的应用电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定二、基本原理：电子秤实验原理为实验一，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、砝码四、实验步骤：1、按实验一中2 的

7、步骤，将差动放大器调零，应变式传感器实验模板按全桥接线，合 上主控台电源开关，调节电桥平衡电位RW1,使数显表显示0.00V。2、将10只砝码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档测量）或一0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4 （零位调节）使数显表显示为0.0000V。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改为重量纲g,就可以称重。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21。重量（g）电压（mv）6、根据上表，计算误差与非线性误差。五、思考题1、全桥测量中，当两组对边（R、R3

8、为对边）电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4, 而R1R2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：利用平板电容C=e A/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&、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 有测谷物干燥度（&变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。三、需用器件与单元：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

9、。四、实验步骤：1、按图3 1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1 和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。 不然得调换接头。一般接线：二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3 号引线。2、将电容传感器电容C和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、 Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图3 1）。一 - 一 _ * 一 一 _ - T K:R.DJ貼C.RDISoutTITc-vTRIG-Z： :t-15v-15vitV, i-.E辿 地显Rw9-= 图 3 1 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V。与数显表单

10、元Vi相接（插入主控箱Vi 孑L）, Rw调节到中间位置。4、接入15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3 1。表 31 电容传感器位移与输出电压值X(mm)V(mv)5、根据表3 1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差 f。五、思考题：试设计利用&的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？叙述一下在设计中应考虑哪些因素？实验四压电式传感器测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构） 工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块

11、便有正比于加速度的交变力作用在晶片 上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、需用器件与单元.振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示 波器。四、实验步骤：1、压电传感器已装在振动台面上。2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。图4 1压电式传感器性能实验接线图3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图41，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R。将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与示波器相连。4、合上主控

12、箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器 波形。5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。实验五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、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、需用器件与单兀：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、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板的连接按图52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

13、钢中间位置再调节RW1使数显表指示为 零。模板测微头5 1霍尔传感器安装示意图、35-2霍尔传感器位移一一直流激励实验接线图3、向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5表 5 1X (mm)V(mv)作出 VX 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？实验六电涡流传感器综合实验一、实验目的：了解电涡流传感器的工作原理和特性；不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响； 实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。二、基本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流

14、效应产生涡流损耗， 而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。不同的被测体材料对电涡 流传感器性能的影响。实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应 的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性。三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片，铜的 被测体圆盘，不同形状铝被测体二个。四、实验步骤：1、根据图6 1安装电涡流传感器。5V+接主控箱图62电涡流传感器位移实验接线图2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。4、

15、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端V相接。数显表量程切换开关选择电压20V 档。6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有+15V的插孔中。7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表6 1。 表6 1电涡流传感器位移X与输出电压数据X (mm)V(v)8、根据表6 1数据，画出VX曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为 1mm、3 mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基 法或其它拟合直线

16、）。9、将原铁圆片换成铝和铜圆片，重复实验二十五步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时 的位移特性测试，分别记入表 62 和表 63。表 6 2 被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据X (mm)V(v)表 6 3 被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据X (mm)V(v)10、 在测微头上分别用三种不同的被测铝圆盘进行电涡位移特性测定，分别记入表 6-4。表 6 4 不同尺寸时的被测体特性数据X（mm）被测体1被测体2根据表64 数据计算目前范围内三种被测体1号、2 号的灵敏度、并说明理由。五、思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量 5mm 的量程应如何设计传感 器？2、当被测体

17、为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？3、目前现有一个直径为10mm的电涡流传感器，需对一个轴直径为8mm的振动进行测量？试说明具体的测试方法与操作步骤。实验七光纤传感器的位移特性实验一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、基本原理：本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D 型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合 后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被 测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量 大小与间距X有关，因此可用

18、于测量位移。三、需用器件与单兀：光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。四、实验步骤：1、根据图7 1安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光 管D及光电转换管T相接。光纤位移 反射面 模板 測量架 测微头图7 1光纤传感器安装示意图2、将光纤实验模板输出端Vor数显单元相连，见图72。接主控箱数显表图 7 2 光纤传感器位移实验接线图3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。4、实验模板接入15V电源，合上主控箱电源开关，调Rw使数显表显示为零。5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表7 1。表 71 光纤位移传感器输出电压与位移数据X (mm)V(v)6、根据表7 1数据，作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算在量程1mm时灵敏度和 非线性误差。五、思考题：光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？