传感器实验指导书正文-(1)

1检测与转换（传感器）技术实训装置使用说明书上海天威教学实验设备有限公司2实验一电阻式传感器的单臂电桥性能实验一、实验目的1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元电阻应变式传感器、电阻与霍尔式传感器转换电路板（调零电桥）、差动放大器、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR/R＝Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。2、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。1342+5VRRR5R1─外壳2─电阻应变片3─测杆4─等截面悬臂梁5─面板接线图图1-1电阻应变式传感器33、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R1、R2、R3为固定，R为电阻应变片，输出电压UO＝EKε，E为电桥转换系数。+5VR2rR1RR1R2R4RP2OP07R3R4RP1R5+15V-15V调零电桥电阻传感器差动放大器4321876RPR3VADBCE图1-2电阻式传感器单臂电桥实验电路图四、实验步骤1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，将测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆磁钢吸合，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、将实验箱（实验台内部已连接）面板上的±15V和地端，用导线接到差动放大器上；将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（实验台为增益旋钮）顺时针旋到终端位置。3、用导线将差动放大器的正负输入端短接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；电压量程切换开关拨至20V档；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后切换到2V量程档，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。4、按图1-2接线，R1、R2、R3（电阻传感器部分固定电阻）与一个的应变片构成单臂电桥形式。45、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。表1-1X(mm)0UO(mV)0五、实验报告1、根据表1-1中的实验数据，画出输入/输出特性曲线)X(fUO，并且计算灵敏度和非线性误差。2、传感器的输入电压能否从＋5V提高到＋10V？输入电压的大小取决于什么？3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。实验二电阻式传感器的半桥性能实验一、实验目的掌握半桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元同实验一。三、实验原理及电路将两个受力方向不同的应变片电阻分别接入电桥的两个相邻桥臂，组成半桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度提高，非线性得到改善。实验电路图见图2-1，当两个应变片的阻值和应变量相同时，半桥输出电压UO＝2EKε四、实验步骤1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。52、按图2-1接线，将两个受力方向相反的应变片接入电桥中。+5VrRR1R2R4RP2OP07R3R4RP1R5+15V-15V调零电桥电阻传感器差动放大器4321876RPRVR1R2ABC图2-1电阻式传感器半桥实验电路3、调节电桥平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。表2-1X(mm)0UO(mV)0五、实验报告1、根据表2-1的实验数据，画出输入/输出特性曲线)X(fUO，并且计算灵敏度和非线性误差。2、进行半桥测量时，接入的两个应变片电阻的受力方向为什么必须相反？6实验三电阻式传感器的全桥性能实验一、实验目的掌握全桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元同实验一。三、实验原理及电路将四个应变片电阻分别接入电桥的四个桥臂，两相邻的应变片电阻的受力方向不同，组成全桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度进一步提高，非线性得到改善。实验电路图见图3-1，全桥的输出电压UO＝4EKε四、实验步骤1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。2、按图3-1接线，将四个应变片接入电桥中，注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。+5VRrRRR1R2R4RP2OP07R3R4RP1R5+15V-15V调零电桥电阻传感器差动放大器4321876RPRV图3-1电阻式传感器全桥实验电路3、调节电桥平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微7器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。表3-1X(mm)0UO(mV)0五、实验报告1、根据表3-1，画出输入/输出特性曲线)X(fUO，并且计算灵敏度和非线性误差。2、全桥测量时，四个应变片电阻是否必须全部一样？实验四电阻式传感器的单臂、半桥、全桥性能比较实验一、实验目的比较半桥、全桥形式输出时的灵敏度和非线性度。二、实验所用单元同实验一。三、实验报告1、按实验一、实验二、实验三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性误差，从理论上进行分析比较，注意实验一、实验二和实验三中的放大器增益必须相同。2、若要提高系统的灵敏度，除了采用不同的桥路形式外，还能采用什么措施？8实验五电阻式传感器的振动实验一、实验目的了解电阻应变式传感器的动态特性。二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器、低通滤波器、连桥板、连接杆（螺丝）、直流稳压电源、低频振荡器、振动台、示波器。三、实验原理及电路将电阻式传感器与振动台相连，在振动台的带动下，可以观察电阻式传感器动态特性，电路图如图5-1。+5VRrRR调零电桥电阻传感器RPR示波器图5-1电阻式传感器振动实验电路图四、实验步骤1、固定好振动台，将电阻应变式传感器置于振动台边的桌面上，将振动连接杆与电阻应变式传感器测杆上的磁钢吸合。2、按照图5-1接线，将四个应变片接入电桥中，组成全桥形式，并将桥路输出与示波器探头相连，低频振荡器输出接振动台小板上的振荡线圈。3、接通电源，调节低频振荡器的振幅与频率以及示波器的量程，观察输出波形。9实验六电阻式传感器的电子秤实验*一、实验目的1、进一步掌握电阻应变式传感器的特性。2、了解电阻应变式传感器在称重仪器中的应用。二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、振动台、砝码。三、实验原理及电路由于电阻式传感器的输出与位移成正比，利用弹性材料的特性，可以使电阻式传感器输出与质量成线性关系，由此可以进行质量的测量。在本实验中可以利用振动台的振动梁作为弹性部件。四、实验步骤1、根据实验一至实验五的实验内容设计电子秤实验的实验装置。2、调节差动放大器的零点与增益，调节该电子秤实验装置的零点与量程，注意确定量程时不要超出电阻式传感器的线性范围，并使砝码质量与输出电压在数值上有直观的联系。3、根据所确定量程，逐次增加砝码的质量，将质量与输出电压记入下表。表6-1M(g)0UO(mV)0三、实验报告1、根据表6-1中的实验数据，计算该电子秤装置的精度。2、若要增加电子秤装置的量程，可以采取哪些措施？10实验七变面积式电容传感器特性实验一、实验目的1、了解变面积式电容传感器的基本结构。2、掌握变面积式电容及二极管环形电桥的工作原理。3、掌握变面积式电容传感器的调试方法。二、实验所用单元电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、实验电路框图如图7-1所示。电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器放大后，用数字电压表显示出来。差动放大器电容转换电路数字电压表C0Cx2Cx1图7-1电容式传感器实验电路框图2、图7-1中的电容转换电路图如图7-2所示。图中的信号发生器用于产生方波信号。电容转换由二极管环形电桥完成，二极管环电桥工作原理如图7-3所示。固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升沿，C0被充电，充电途径是VD3→C0；与此同时，Cx1也被充电，其充电途径是C9→VD5→Cx1。在方波的下降沿，C0和Cx1都放电，C0的放电途径是C0→VD4→C9；Cx1的放电途径是Cx1→VD6。由于C9在一个周期内的充电和放电平均电流分别为：IU＝fVPCx1和ID＝fVPC0，式中f是脉冲频率，VP为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I＝ID－IU＝fVP(C0-Cx1)。从该式中可以看出电容的变化与AB间的电路成正比。在图7-2中，增加了L1、L2、C10和R6。L1和L2对高频方波的阻抗很大，而直流电阻很小，与R6一起形成了A、B间的直流通路，使充放电流的直流11分量得以通过。C10用作滤波。这样在R6两端就有与电容变化量成正比的直流电压输出。信号发生器+15V-15VC0Cx1Cx2+5VVD3VD4VD5VD6C9L1L2C10R6OUT二极管环形电桥图7-2电容转换电路原理图C0Cx1VD3VD4VD5VD6C9AB图7-3二极管环形电桥原理图四、实验步骤1、固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器动极旋紧。然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且静极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。2、差动放大器调零（参见实验一）。3、按图7-2接线，将可变电容Cx1与固定电容C0接到实验板上，位移台架的接地孔与转换电路板的地线相连。124、接通电源，调节测微器使输出电压UO接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200～400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压UO记入下表中。表7-1X(mm)0UO(mV)0五、实验报告1、根据表7-1，画出输入/输出特性曲线)X(fUO，并且计算灵敏度和非线性误差。2、本实验的灵敏度和线性度取决于哪些因素？实验八差动式电容传感器特性实验一、实验目的1、了解差动式电容传感器的基本结构。2、掌握差动式电容传感器的调试方法。二、实验所用单元电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路实验电路框图如图8-1所示。与实验七不同之处在于接入电容转换电路的两个电容都为可变电容，当电容传感器的动极移动时，两个电容的电容量都发生变化，但变化方向相反，这样就构成差动式的电容传感器。13差动放大器电容转换电路数字电压表C0Cx2Cx1图8-1电容式传感器实验电路框图四、实验步骤按照实验七的步骤进行实验，注意接入电路板的两个电容为Cx1和Cx2。将实验结果记入下表中。表8-1X(mm)0UO(mV)0五、实验报告1、根据表8-1，画出输入/输出特性曲线)X(fUO，并且计算灵敏度和非线性误差。2、试比较差动式和变面积式两种电容传感器的优劣。14实验九电容传感器的振动实验一、实验目的了解电容式传感器的动态特性。二、实验所用单元电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器、连桥板、连接杆（螺丝）、低通滤波器板、直流稳压电源、低频振荡器、振动台、示波器。三、实验原理及电路将电容式传感器与振动台相连，在振动台的带动下，可以观察电容式传感器动态特性，电路图如图9-1。示波器电容转