传感器与检测技术实验指南

1实验一压阻式压力传感器的压力测量实验第一部分：压阻式压力传感器一、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，则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、压力传感器实验模板、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、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。本实验模板连接见图1-1，压力传感器有4端：3端接+2V电源，1端接地线，2端为U0+，4端为U0-。1、2、3、4端顺序排列见图1-1。端接线颜色通过观察传感器引脚号码判别。2、实验模板上Rw2用于调节零位，Rw2可调放大倍数，按图1-1接线，模板的放大器输出V02引到主控箱数显表的Vi插座。将显示选择开关拨到合适档位，反复调节Rw2(Rw1旋到满度的1/3)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。图1-1压力传感器压力实验接线图4、合上主控箱上的气源开关K3，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠2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4～14KP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(1-1)表(1-1)压力传感器输出电压与输入压力值P(KP)V0(p-p)思考题1、计算本系统的灵敏度和非线性误差。2、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4KPa气压，调节Rw2(低限调节)使数显表显示0.400V，当输入12KPa气压，调节Rw1(高限调节)，使数显表显示1.200V这个过程反复调节直到足够的精度即可。3、利用本系统如何进行真空度测量？第二部分：扩散硅压阻式压力传感器差压测量一、实验目的：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。二、基本原理：压阻式压力传感器的硅膜片受到两个压力P1和P2作用时由于它们对膜片产生的应力正好相反，因此作用在压力膜片上是ΔP=P1-P2，从而可以进行差压测量。三、需用器件与单元：实验八所用器件和单元、压力气囊。四、实验步骤：请同学们自拟一个差压测量的方法，并记录实验数据。3实验二金属箔式应变片第一部分：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：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，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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。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(2-1)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2-1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。43、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2-2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2-2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500g(或200g)砝码加完。记下实验结果填入表2-1，关闭电源。重量(g)电压(mv)5、根据表2-1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，此外为500g或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、负应变片均可以。第二部分：半桥性能实验5一、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。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调零。2、根据图2-3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，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同第一部分中4、5的步骤，将实验数据记入表2-2，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。图2-3应变片传感器半桥实验接线图表2-2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。62、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。第三部分：全桥性能实验一、实验目的：了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。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2-4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表2-3；进行灵敏度和非线性误差计算。图2-4全桥性能实验接线图表2-3全桥输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)7实验三电容式传感器和光纤式传感器第一部分：电容式传感器位移特性测试一、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=εA/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、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(ε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。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。图3-1差动变压器电容传感器安装示意图2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图3-2。图3-2电容传感器位移实验接线图83、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔)，Rw调节到中间位置。4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。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δf。五、思考题：试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？第二部分: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：本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成Y型光纤，探头为半圆分布，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即探头，它与被测体相距Ｘ，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量，而光电转换器转换的电压量大小与间距Ｘ有关，因此可用于测量位移。三、需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源±15V、反射面。四、实验步骤：1、根据图3-3安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上光电变换座孔上。其内部已和发光管Ｄ及光电转换管T相接。图3-3光纤传感器安装示意图92、将光纤实验模板输出端V01与数显单元相连，见图3-4。图3-4光纤传感器位移实验接线图3、调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。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3-2。表3-2光纤位移传感器输出电压与位移数据X(mm)V(v)6、根据表3-2数据，作光纤位移传感器的位移特性，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？10实验四霍尔式传感器第一部分：直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、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：霍尔传感器实验模板、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4-1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图4-2进行。1、3为电源±4Ｖ，2、4为输出。图4-1霍尔传感器安装示意图2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW2使数显表指示为零。图4-2霍尔传感器位移直流激励实验接线图3、旋转测微头向轴向方向推进，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4-1。11表4-1X(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？第二部分：霍尔传感器应用――电子秤实验一、实验目的：了解霍尔式传感器用于称重实验方法。二、基本原理：利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移，通过测位移来称重。三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显单元。四、实验步骤：1、传感器安装、线路接法与上面实验相同。2、在霍尔元件上加直流电压±4Ｖ，数量表2Ｖ。3、调节传感器连接支架高度，使传感器在磁钢中点位置（要求当振动台无重物时，调节传感器高度使它在线性段起点），调RW2使数显表输出零。4、在振动台面上中间部位分别加砝码：20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表上相应值，依次填入表4-2。表4-2W(g)V(mv)5、根据表4-2计算该称重系统的灵敏度。6、放上未知重物，读出数显表电压值。7、计算出未知重物为＿＿＿＿＿＿g。五、思考题：1、该电子称系统所加重量受到什么限制？2、试分析本称重系统的误差。12实验五集成温度传感器的特性实验实验装置用法：附（一）温控仪表操作说明1、功能的调出顺序仪表通电后，上排显示INP，下排显示分度号（E或Ｋ），表示输入类型。经过4秒钟后，上排显示400，下排显示0，表示测量范围。再经过4秒钟后，上排显示测量值，下排显示设定值，进入正常工