传感器原理及应用

1《传感器原理及应用》实验指导书测控技术实验室2实验一金属箔式应变片----单臂、半臂、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，单臂、半臂、全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:ΔR/R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，通过它转换被测部件受力状态变化、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Uο1=Ekє/4。在半桥性能实验中，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Uο2=Ekє/2。在全桥测量电路中，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，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ekє。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、实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V、±4V直流电源、万用表。四、实验方法和要求：1、根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。2、独力完成实验电路连线。3、找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出Vo=F(m)的关系曲线。4、分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度S=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·s×100%式中Δm为3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。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。3、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。4实验二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，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。三、实验设备：压力源、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、实验方法和要求：1、根据电子电路知识完成电路连接，主控箱内的气源部分、压缩泵、储气箱、流量计在主控箱内部已接好。将标准压力表放置传感器支架上，三通连接管中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双指按住气源插座边缘往内压，则硬管可轻松拉出）。其余两根软导管分别与标准表和压力传感器接通。将传感器引线插头插入实验模板的插座中。2、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。3、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在向上浮起悬于玻璃管中。4、逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度，观察数显表显示电压的正、负，若为负值则对调传感器气咀接法。5、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使压力显示在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。6、计算本系统的灵敏度和非线性误差。五、思考题：如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对其进行标定，如何标定？5实验三压电式传感器测震动实验一、实验目的：了解压电式传感器的测量震动的原理和方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性量块和受压的压电片等组成。（仔细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震动，质量块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、实验设备：震动台、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、双线示波器。四、实验方法和要求：1、压电传感器已装在震动台面上。2、将低频震荡器信号接入到台面三源板震动源的激励插孔。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，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感情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Vo与示波器相连。4、合上主控箱电源开关，调节低频震荡器的频率和幅度旋钮使震动台震动，记录示波器波形。5、改变低频震荡器的频率，记录输出波形变化。6、用示波器的两个通道同时记录低通滤波器输入端和输出端波形。7、求出压电传感器的振动方程。五、思考题：根据压电传感器的振动方程，是否能得到其速度和加速度方程。6实验四差动变压器的性能实验一、实验目的：差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段和三段式，本实验是三段式结构。当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。三、实验设备：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（音频震荡器）、直流电源、万用表。四、实验方法和要求：1、将差动变压器装在差动变压器实验模板上。2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，接好外围电路，音频震荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频震荡器的频率，输出频率为4—5KHZ（可用主控箱的频率表输入Fin来检测）。调节输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V（可用示波器检测）3、旋转测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，至少记录一个周期的数据。在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。4、在实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。画出输出电压峰值Vop-p—位移X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。7五、思考题：1、用差动变压器测量较高频率的振幅，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？8实验五位移传感器特性实验-霍尔式、电涡流式、电容式（一）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Uн=KнIB，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、实验设备：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流电源、测微头、数显单元。四、实验方法和要求：1、将霍尔传感器安装于实验模板的支架上。再将传感器引线插头接入实验模板的插座中，完成实验电路的连线。2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置并使数显表指示为零。3、测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个输出电压读数，直到读数近似不变。4、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？（二）电涡流传感器位移实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二、基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电9体涡流效应产生涡流损耗，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。三、实验设备：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。四、实验方法和要求：1、将电涡流传感器安装在实验模板的支架上。2、观察传感器结构，这是一个平绕扁线圈。3、将电涡流传感器输出线接入实验模板标有L的两端插孔中，作为震荡器的一个元件。4、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、用连接导线从主控台接入±15V直流电源接到模板上标有+15V的插孔中。6、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，直到输出电压几乎不变为止。7、画出V—X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、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或拟合直线法）。六、思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关?2、电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器。（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=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三个参数中，保持两个参数不变，10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（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。三、实验设备：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、直流稳压电源。四、实验方法和要求：1、将电容传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接，Rw调节到中间位置。3、接入±15V电源，旋转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。4、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？11实验六转速的测量-磁电式、光电式、霍尔式(一)磁电式转速传感器测速实验一、实验目的：了解磁电式传感器测量转速的原理。二、基本原理：基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势е=–dφ/dt发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生Ν次的变化，通过放大、整形和计数的电路即可以测量转速。三、实验设备：磁电式传感器、数显单源测速档、直流电源2—24V。四、实验方法和要求：1、根据磁电式传感器原理，独立完成实验电路的连线。磁电式传感器端面离转动盘面2mm左右，并且将磁电传感器中心对准磁钢中心。2、使转速电机带动转盘旋转，将转速电源从5V起，每增加5V电压记录一组转速数椐。3、作出转速与转速电压关系曲线。五、思考题：为什么说磁电式传感器不能测很低速的转动，请说明理由。(二)光电转速传感器测速实验一、实验目的：掌握光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型两种，在透射型的实验装置上，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光通过转盘上开孔透射后，由光电管接收并转换成电信号。由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理可得到转速值。12三、实验设备：光电转速传感器、直流电源+5V、转动源及2—24V直流电源、数显单元。四、实验方法和要求：1、将光电传感器安装在三源板上，利用电子电路知识，把三源板上的电源+5V、地、输出与主控箱上的电源+5V、地、数显表上的输入端相连。数显表转换开关打到转速档。将转速源电源2—24V输出旋到最小，接到转动源电源24V插孔上。完成电路接线，并画出电路接线图。2、将转速源电源输出旋到4V开始记录电机转速，以后每增加2V记一次电机转速，到20V为止。3、作出转速源电源电压与电机转速的关系曲线。4、分析、计算转盘上单孔时电机转速五、思考题：光电转速传感器测速与磁电转速传感器测速、霍尔式传感器测速比较哪种方法最简单、方便。（三）霍尔测转速实验一、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：当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆