实验讲义传感器.docx

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实验讲义传感器

实验一CSY系列传感器系统实验仪的认识

一．实验目的

1.学习CSY系列传感器系统实验仪的组成及实验项目简介；

2.了解常用传感器信号转换及处理电路基本知识；

3.复习实验数据处理相关知识。

二．原理说明（仪器介绍）

除了连接导线和配件外，本实验用到的传感器、测量电路都组装在CSY型传感器系统实验仪上。

如图所示，该实验仪分为实验台、激励源与显示、信号处理三大部分。

1.实验台部分

如图，实验台的左侧装有一副双平行等截面悬臂梁，悬臂梁的自由端装有永久磁铁（置于内部激励线圈中），自由端旁还可安装测微螺旋。

装上测微螺旋时，可通过旋转测微螺旋带动自由端产生位移。

取走测微螺旋时，可先在自由端放上载物平台，然后通过放置重物使自由端产生位移；也可将低频振荡信号接入“激振Ⅱ”来驱动梁振动。

四个金属箔式应变片、两个半导体应变片和两个金属箔式补偿片分别粘贴在上梁的上表面和下梁的下表面，其接线孔位于信号处理电路部分的左上角，如图15。

此外，悬臂梁上还装有本实验用不到的热电偶、热敏式、PN结、压电式传感器以及电热式加热器。

实验台的右侧也是一副悬臂梁，只不过它安装于机箱内，外部只能看到置于悬臂梁自

由端上的振动平台（其下安装的永久磁铁置于内部激励线圈中）。

装上测微螺旋时，可通过旋转测微螺旋带动平台产生位移。

取走测微螺旋时，可将重物放在振动平台上使平台产生位移；也可将低频振荡信号接入“激振I”来驱动平台振动。

在平台的周围依次排列着电感式、电容式、磁电式、霍耳式、电涡流式/光纤等传感器，它们的位置可以通过安装螺丝来调整。

2.激励源及显示部分

这部分包括直流稳压电源、低频信号发生器、音频信号发生器、数字电压/频率两用表、指针式毫伏表。

本次实验将用到：

直流稳压电源

直流稳压电源可以输出±2V、±4V、±6V、±8V、±10V和±15V的电压。

±2V、±4V、±6V、±8V或±10V可用于各类传感器的测量电路，输出电压的高低由面板上的选择开关来调节；按下实验仪的电源开关后，立即有电压输出。

±15V用于向电热式加热器和仪器内部处理电路供电；±15V的控制开关位于信号处理部分的左下角。

改变测量电路时，必须先关上±15V的控制开关。

数字电压/频率两用表

实验仪的面板上有一个3位半的数字电压／频率两用表，量程分别是2V、20V和2KHz、20KHz，可根据待测量的类型和大小由面板上的转换开关来选择。

测量时，只有最高位显示“1”表示待测量超过所选量程。

3.信号处理部分

信号处理部分的上边一排是各类传感器的接线插孔，下边一排是不同传感器信号的处理电路。

本次实验将用到：

电桥电路

信号处理部分的电桥电路如下图所示，其中精密电阻R1=R2=R3=350Ω（等于金属箔式应变片的初始电阻），可根据需要接入电路。

精密线绕电位器WD=WA=22KΩ，WD与1KΩ的电阻r构成电桥的直流平衡调节网络，WA与3000PF的电容C构成电桥的交流平衡调节网络。

虚线是桥路构成示意图，虚线电阻在系统内部并不存在。

差动运算放大器（简称差放）

差放是由集成运算放大器组成的增益可调的交直流放大器，可用于将各类传感器输出的微弱信号放大，放大倍数约1～100。

差放的接线面板如图，其中精密线绕电位器W1（=10KΩ）为零点调节电位器，W2（=510KΩ）为增益调节电位器。

测量时，必须先将差放的两个输入端同时接地进行调零。

三、实验设备

CSY型传感器系统实验仪、导线及附件。

四、实验内容

学习并熟悉实验台的使用。

五．实验注意事项

测试中若无法提取信号，请认真信号通道是否连接正确。

六．预习思考题

1.复习《模拟电子技术》课程中关于差动放大电路的相关知识；

2.复习《电子测量》课程中关于电平转换电路的相关知识；

3.复习《大学物理》课程中关于实验数据处理相关知识；

七．实验报告

测得某压力传感器的一组输入输出数据如下：

（20分）

X

0.9

2.5

2.3

4.5

5.7

6.7

Y

1.1

1.6

2.6

3.2

4.0

5.0

试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度

提示：

设

则有

实验二电阻应变传感器实验

一．实验目的

1.了解电阻应变传感器的工作和组成原理，比较单臂、半桥及全桥应变式传感器工作情况，了解影响应变片精度的原因及消除方法；

2.学习非平衡电桥的测量原理；

3.测试电阻应变片等几种传感器的特性曲线。

二．原理说明

1.电阻应变传感器的组成

电阻应变传感器是目前国内外应用较为普遍的一类传感器，它具有结构简单、体积小、精度高、线性好、灵敏度高、测量范围广等特点。

电阻应变传感器一般由电阻应变片、弹性敏感元件、测量电路和壳体四个部分组成。

2.电阻应变片的工作原理

电阻应变片是基于金属或半导体材料的电阻应变效应（金属或半导体材料受到外力作用发生机械形变时其电阻值将发生改变）而工作的。

由电阻定律可知，长为L、横截面积为S、电阻率为ρ的电阻的阻值R为：

（1）

如图1，当电阻两端受到外力F的作用时，电阻的几何尺寸和电阻率将发生变化，进而引起电阻的阻值发生改变。

为了表征电阻阻值的变化，可将

（1）式先取对数再求微分：

（2）

式中，

表征电阻阻值的相对变化量，

表征电阻长度的相对变化量（亦称纵向应变）。

当电阻的横截面是半径为r的圆时，

（2）式中：

（3）

其中，

为电阻的横向应变。

由材料力学知，材料的横向应变

与其纵向应变

之间满足：

（4）

其中的比例系数μ称为泊松比。

随

的变化关系则由电阻应变片的材料决定。

对于金属材料：

（5）

式中，V是金属材料的体积，C是与金属材料及其加工方法有关的常数。

将（3）～（5）式代入

（2）式有：

（6）

式中的比例系数

称为金属材料的应变灵敏度。

在弹性限度内K的取值主要取决于泊松比μ和比例系数C，一般介于-12～＋6之间。

对于半导体材料：

（7）

式中

是半导体的压阻系数（与半导体的种类、应力和晶轴方向之间的夹角有关），Y是半导体沿某个晶轴方向的杨氏弹性模量。

将（3）、（4）和（7）式同时代入

（2）式有：

（8）

半导体的应变灵敏度（60～170）远远高于金属材料的应变灵敏度。

3.弹性敏感元件

将电阻应变片粘贴在被测材料上时，可以测量被测材料在外力作用时产生的应变；将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上时，可以通过测量弹性敏感元件的应变来测量力、位移等各种形式的非电量。

弹性敏感元件是指受到外力作用时尺寸（或形状）发生变化、外力撤除后又能恢复原有尺寸（或形状）的物体，它能将感受到的各种形式的非电量转换成元件的应变或位移。

图2所示的等截面悬臂梁就是一种常用的弹性敏感元件，它可以将自由端的位移X或所受的外力F转换为梁的纵向应变EL。

将电阻应变片R1、R2、R3、R4沿l0方向（纵向）贴在距悬臂梁自由端的上下表面时，就可以通过测量电阻应变片电阻值的变化量来获取自由端的位移X或所受外力F。

这种悬臂梁具有结构简单、方便、灵敏度高等特点，适于测量小荷重和小位移。

由材料力学知识可知，应变片粘贴处梁的纵向应变EL与悬臂梁的长l0、宽b、厚h、密度ρ、杨氏弹性模量Y，以及外力F、自由端位移X之间满足：

（9）

只要测得应变片的电阻变化量，就可以获取悬臂梁自由端的位移X或所受外力F；实际应用时，一般先用已知的位移X或外力F定标后再进行测量。

4.测量电路

电阻应变片虽可以将应变转换为电阻变化，但由于电阻变化量非常小，不利于直接检测和显示，常需借助辅助电路转换成电压/电流信号，经调制、放大、解调、滤波等变换环节后，再进行观测和处理。

在应变片众多的测量电路中，应用最广的是非平衡电桥，它具有灵敏度高、测量范围宽、结构简单、精度高、易实现温度补偿等特点。

图3为常用的直流单臂非平衡电桥的电路图，电桥的输出端连接一个输入阻抗极高的放大器是为了提高电桥的电压灵敏度、减小外接电路对电桥的影响。

设R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻。

应变片不承受应变时，电桥处于平衡状态，R2/R1=R4/R3=n，电桥输出U0=0；应变片感受到应变时，电阻值由

，此时电桥的输出电压：

（10）

当应变引起的电阻变化ΔR1<

（11）

式中单臂电桥的灵敏度Sd与电桥的供电电压U、桥臂电阻的比值n有关。

U一定时，与n=1相对应的电桥灵敏度最大，此时Sd＝U/4。

这种对称电路（R1=R2、R3=R4）在非电量电测技术中应用非常广泛。

由（10）式可知，U0随ΔR1/R1的变化是非线性的，将其按（11）式近似处理存在非线性误差。

测量精度要求较高、电阻应变片的相对电阻变化量较大以及使用高灵敏度的半导体应变片时，必须采用差动半桥或全桥对非线性误差进行补偿。

图4为直流差动半桥的电路图。

R1、R2是两个材料和制作工艺完全相同的电阻应变片（一个受拉、一个受压，二者感受到的应变大小相等、方向相反），R3、R4为固定电阻。

平衡时，R1/R2=R3/R4=1，电桥输出U0=0；不平衡时，ΔR1=ΔR2，电桥输出：

（12）

图5为直流差动全桥的电路图。

R1、R2、R3、R4是四个材料和制作工艺完全相同的电阻应变片，两个受拉、两个受压（相对桥臂的应变片感受到的应变相同，相邻桥臂的应变片感受到的应变大小相等、方向相反）。

平衡时，R1=R2=R3=R4，电桥输出U0=0；不平衡时，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，电桥输出：

（13）

差动半桥或全桥，除了弥补非线性误差，还可以提高电桥的电压灵敏度（分别是单臂电桥的两倍和四倍）。

为了保证电阻应变片不承受应变时电桥处于平衡状态，需要设置平衡调节装置。

图6虚框所示的电阻网络就是平衡调节装置，测量前先调节电位器WD使电桥平衡。

电阻网络中，R决定电桥的平衡范围，电位器WD决定电桥的平衡速度。

图6电桥平衡调节电路

三、实验设备

CSY型传感器系统实验仪、导线及附件。

四、实验内容

1.差放调零

将数字表的量程拨至2V、将差放的增益电位器W2顺时针旋转到底（增益最大）。

用导线将差放的正、负输入端与地“┻”相连，将差放的输出端与数字电压表的输入端相连。

开启实验仪的总电源和±15V电源，调节差放的零点电位器W1使数字电压表读数为零。

2.测试应变片的性能

根据前面介绍的实验原理和实验仪器，自己设计金属箔式应变片差动全桥的测量电路和半导体应变片差动半桥的测量电路（课前预习时完成）。

测试金属箔式应变片的性能

a.按自己设计的全桥电路接线。

接线前，先关上±15V的电源开关；接线时，先连接电阻网络、差放和数字电压表，检查无误后再接入±4V稳压电源。

b.将数字表的量程拨至±20V档，开启±15V电源。

c.预热数分钟，调整测微螺旋的安装位置及读数使悬臂梁处于水平状态的同时测微螺旋的读数为10.000mm，调节电位器WD使数字电压表读数为零。

d.将数字表的量程拨至±2V档，再次调节电位器WD使数字电压表读数为零。

e.旋转测微螺旋，相对于10.000mm产生+5.000mm～-5.000mm的位移，每位移0.500mm记录一次数字电压表的读数U。

3.单臂、半桥及全桥应变式传感器比较实验

先将差动放大器调零，按照以下实验步骤分别完成实验

、

、

。

关闭主、副电源，按照图7、8接线，R1、R2、R3为电桥固定电阻：

R4=Rx为应变片；调整测微头使平行梁水平；直流稳压电源置±4V档；选择适当放大增益，调节电桥W1，使表头指示0；旋转测微头，使粱移动，每隔0.5mm读一个数并记录。

位移（mm）

电压（mV）

保持放大器增益不变，将固定电阻R3换为与R4工作状态相反的应变片，形成半桥；调整测微头使平行梁水平；调节电桥W1，使表头指示0；旋转测微头，使粱移动，每隔0.5mm读一个数并记录。

位移（mm）

电压（mV）

保持放大器增益不变，再将固定电阻R1和R2换成另2片受力方向不同的应变片，即确保对臂应变片受力方向相同，邻臂相反，形成全桥；调整测微头使平行梁水平；调节电桥W1，使表头指示0；旋转测微头，使粱移动，每隔0.5mm读一个数并记录。

位移（mm）

电压（mV）

五．实验注意事项

1.改变测量电路前必须先关上±15V电源；接线时，先连接其他外部电路，检查正确无误后再接入电源。

2.连接金属箔式应变片的差动全桥时，要分清应变片的受力方向。

3.预习时，要求设计相关的测量电路、实验步骤、根据自己所作的内容设计原始数据表格。

六．预习思考题

1.在连接金属箔应变传感器的全桥测量电路时，不考虑应变片的受力方向，对测量结果有何影响？

2.学习并熟悉实验台的使用。

七．实验报告

1.按实验内容完成实验项目并记录数据，填写表格。

2.在坐标纸上绘制各类传感器的U～x曲线，由图解法求电压灵敏度S（=ΔU/Δx）。

3.由实验曲线总结传感器特性的特点；

实验六热敏、湿敏、光敏电阻实验

一．实验目的

1.了解NTC热敏电阻现象；

2.了解湿敏电阻的原理和应用；

3.了解光敏电阻的工作原理、结构及性能。

二．原理说明

1.热敏电阻

利用金属导体电阻值随温度变化而改变的特性，从而实现对温度进行测量。

通常热敏电阻根据温度系数的正负分为：

PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）两类。

2.湿敏电阻

湿敏膜是高分子电解质，其电阻值（RH）的对数与相对湿度是近似线性关系。

通过对湿敏电阻上电量的变化，来实现相对湿度的感应测量。

3.光敏电阻

入射光使物质的导电率发生变化的现象，称为光电效应。

硫化镉（Cds）光敏电阻就是利用光电效应的光电探测器的典型元件。

三、实验设备

CSY型传感器系统实验仪、附件及双踪示波器。

四、实验内容

1.热敏电阻（不做）

按图18接线，组成一个测量电路；F/V表置2V档，直流稳压电源置±2V档；开启主、副电源，调整W1（RD）电位器，使F/V指示为100mV左右，此时显示为室温的电压值Vi；

将-15V电源接入加热器，观察电压表变化，电压表的输入电压：

根据温度和电压表示值填写下表6.1。

表6.1

℃

RT

Vi

2.湿敏电阻的实验

按图19接线，组成一个测量电路；

取2种不同湿度的吸潮材料，分别轻轻地与传感器接触，观察电压表示数的变化，电压表示数变，则RH值变。

3.光敏电阻

按图20接线，直流稳压电源置±4V档（仪器顶部光敏类传感器盒±4V端口）；

光强调节旋纽置小位，F/V表置2V档，调整W1电位器使F/V表示值最小；

缓慢调节光强旋纽，逐步增加发光二极管亮度，观察F/V表数字，每旋转

20°，记录一次数据。

表6.2

光强

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

输出

五．实验注意事项

1.实验2，取湿材料不宜太湿，否则会产生饱和现象，观察不出变化；

2.实验3，注意外界光对光敏元件的影响。

六．预习思考题

1.NTC热敏电阻测温范围是多少？

其特点是什么？

2.湿敏电阻的测温范围及阻值范围是多少？

七．实验报告

按实验内容完成实验项目并记录数据，填写表格6.1和6.2；