传感器原理及应用实验指导书.docx

1、传感器原理及应用实验指导书电 工 电 子 实 验 中 心实 验 指 导 书 传感器原理及应用实验教程目 录实验一 应变片直流全桥的应用电子秤实验 - 1 -实验二 差动变压器测位移实验 - 9 -实验三 霍尔传感器测位移和转速实验 - 15 -实验四 电涡流传感器测位移和振动实验 - 19 -实验五 光电传感器控制电机转速实验 - 25 -实验六 K热电偶测温性能实验 - 29 -实验七 气敏传感器实验 - 36 -实验八 湿敏传感器实验 - 38 -附录A CSY2000型传感器与检测技术实验台说明书 - 41 -附录B 智能调节器简介 - 44 -实验一 应变片直流全桥的应用电子秤实验一、

2、实验目的了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、实验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弹性元件的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。它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

3、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、材料的电阻率为时，根据电阻的定义式得 （11）当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率的变化为dL、dA、d相应的电阻变化为dR。对式（11）全微分得电阻变化率 dR/R为： （12）式中：dL/L为导体的轴向应变量L; dr/r为导体的横向应变量r 由材料力学得： L= - r (13)式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.30.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（13）代入式（12）得： （14）式（14）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

4、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 （15）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/Rd。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 。

5、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，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。4、箔式应变片的基本结构金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树

6、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11所示。(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片图11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： RRK 式中：RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,=L/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

7、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12（a）、（b）、（c）所示。 （a）单臂 （b）半桥 （c）全桥图12 应变片测量电路（a）、单臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E设R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K为灵敏度系数。则Uo

8、(14)(R1R1)E(14)(RR)E(14)KE(b)、双臂(半桥)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(c)、全桥同理:Uo(RR)EKE常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图13。本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。图13 数字电子称原理框图三、实验仪器设备主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重

9、传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。1、将托盘安装到传感器上，如图14所示。图14 传感器托盘安

10、装示意图2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。）。图15测量应变片的阻值示意图3、实验模板中的差动放大器调零：按图16示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置(先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。图16差动放在器调零接线示意图4、关闭主机箱电源，按图1

11、7（应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将2V10V可调电源调节到4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；图17 应变片全桥性能实验接线示意图5、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)。6、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.000V。7、重复3、4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，将砝码依次放在托盘上称重；放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。实验二 差动变压器测位移实验一、实验

12、目的了解差动变压器的工作原理和特性，掌握差动变压器测量位移的方法。二、实验基本原理差动变压器的工作原理电磁互感原理。差动变压器的结构如图21所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图22所示。图21差动变压器的结构示意图 图22差动变压器的等效电路图图中U1为一次绕组激励电压；M1、

13、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出

14、电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。由图22可以看出一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为： 由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：其有效值为：差动变压器的输出特性曲线如图23所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，X表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重

15、要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：图23 差动变压器输出特性1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图24是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。(a) (b) (c)图24 减小零点残余电动势电路差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相

16、敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。图25是差动变压器测位移原理框图。图25 差动变压器测位移原理框图三、实验仪器设备主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表；差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；测微头、双踪示波器。四、实验步骤1、相敏检波器电路调试：将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将2V10V可调电源调节到2V档，再按图26示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。提示

17、：正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置，触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS10S范围内选择、触发方式选择AUTO ；垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V5V范围内选择。当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。）。调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。到此，相敏检波器电路已调试完毕，以后不要触碰这个电位器钮。关闭电源。图26相敏检波器电路调试接线示意图2、调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的10mm刻度值对准。按图27示意图安装、接线。将音

18、频振荡器幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；电压表的量程切换开关切到20V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关。图27差动变压器测位移组成、接线示意图3、调节音频振荡器频率f=5KHz、幅值Vp-p=2V（用示波器监测）。4、松开测微头安装孔上的紧固螺钉。顺着差动变压器衔铁的位移方向移动测微头的安装套（左、右方向都可以），使差动变压器衔铁明显偏离L1初级线圈的中点位置，再调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形（示波器CH2的灵敏度VOLTS/DIV在1V50mV范围内选择监测）。再慢悠悠仔细移动测微头的安装套，使相敏检波器输出波形幅值尽量为最小（尽量使衔铁处在L1初级线圈的

19、中点位置）并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。5、调节差动变压器实验模板中的RW1、RW2（二者配合交替调节）使相敏检波器输出波形趋于水平线（可相应调节示波器量程档观察）并且电压表显示趋于0V。6、调节测微头的微分筒，每隔X=0.2mm从电压表上读取低通滤波器输出的电压值，填入下表2-1。表2-1 差动变压器测位移实验数据X(mm)-0.200.2V(mV)07、根据表2-1数据作出实验曲线并截取线性比较好的线段计算灵敏度S=VX与线性度及测量范围。实验完毕关闭电源开关。五、思考题：差动变压器输出经相敏检波器检波后是否消除了零点残余电压和死区？从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗?实验三 霍尔传

20、感器测位移和转速实验一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用，掌握霍尔式传感器测位移和转速的应用。二、实验基本原理1、霍尔式传感器的基本原理霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图31（带正电的载流子）所示，把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I。图31霍尔效应原理此时在板的横向两侧面,之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差UH称霍尔电压。霍尔效应的数学表达

21、式为：UHRHKHIB 式中：RH-1(ne)是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；KH RHd灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中自由电子浓度很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1m左右。霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。2、霍尔传感器测位移原理本实验采用的霍尔式位移（小位移1mm2mm

22、）传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图32 (a)、(b)所示。将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为0，(a)工作原理 (b)实验电路原理图32霍尔式位移传感器工作原理图设这个位置为位移的零点，即X0，因磁感应强度B0，故输出电压UH0。当霍尔元件沿X轴有位移时，由于B0，则有一电压UH输出，UH经差动放大器放大输出为V。V与X有一一对应的特性关系。注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端，另外二端是输出

23、端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。3、霍尔传感器测转速原理开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图33所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出，再经转速表显示转速n。图33开关式霍尔传感器测转速原理框图三、实验仪器设备主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、转速调节024V直流稳压电源、15V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表；霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头、频率转速表、霍尔转速传感

24、器、转动源。四、实验步骤霍尔传感器测位移步骤：1、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm 刻度线。按图34示意图安装、接线，将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，2V10V（步进可调）直流稳压电源调节到4V档。2、检查接线无误后，开启主机箱电源，松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套，使传感器的PCB板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置(目测)时，拧紧紧固螺钉。再调节RW1使电压表显示0。图34 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图3、测位移使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用单

25、行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3周，记录电压表读数作为位移起点。以后，反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，每隔X=0.1mm(总位移可取34mm)从电压表上读出输出电压Vo值，将读数填入表31(这样可以消除测微头的机械回差)。表31 霍尔传感器(直流激励)位移实验数据X（mm）V(mV)4、根据表31数据作出VX实验曲线，分析曲线在不同测量范围 (0.5mm、1mm、2mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。霍尔传感器测转速步骤1、根据图35将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大

26、约为23。2、将主机箱中的转速调节电源024V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档)；其它接线按图35所示连接（注意霍尔转速传感器的三根引线的序号）；将频频转速表的开关按到转速档。3、检查接线无误后合上主机箱电源开关，在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。图35 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据)；画出电机的V-(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。五、思考题：利用开关式

27、霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件？实验四 电涡流传感器测位移和振动实验一、实验目的了解电涡流传感器的原理，了解电涡流传感器测量位移和振动的工作原理和特性。二、实验基本原理电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体金属涡流片）组成，如图4-1所示。根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”

28、形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图4-2的等效电路。图4-1 电涡流传感器原理图 图4-2 电涡流传感器等效电路图图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为： 线圈的等效电感为： 线圈的等效Q值为：QQ01-(222)/(122)1+(R222)/( R122) 式中：Q0 无涡流影响

29、下线圈的值，Q01R1； 22 金属导体中产生电涡流部分的阻抗，22R22+2L22。由式Z、L和式可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。因此Z、L、均是的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为S型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、

30、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如图43所示：图43 电涡流位移特性实验原理框图根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理如图44所示。电路组成：Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振