图8-1扩散硅压力传感器原理图
图8-2扩散硅压力传感器接线图
四、实验内容与步骤
1．按图8-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接数显直流电压表，选择20V档，打开直流开关电源。
2．调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到适当位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使直流电压表20V档显示为零。
3．取下短路导线，并按图8-2连接“压力传感器”与“分压器”。
4．气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将“压力传感器”的输出接到差动放大器的输入端，调节Rw1使直流电压表20V档显示为零。
5．填入下表。
P（kP）
U（V）
6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
实验九 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，因此作用在膜片上是△P=P1-P2，从而可以进行差压测量。
三、需要器件与单元
实验八所用器件与单元、压力气囊。
四、实验步骤
1.扩散硅压力传感器MP×10已安装在压力传感器模块上，将气室1、2的活塞退到20ml处，并按图4-1接好气路系统。
其中P1端为正压力输入、P2端为负压力输入，P×10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo＋、3脚接+5V电源、4脚为Uo﹣；当P1＞P2时，输出为正；当P1＜P2时，输出为负。
2.检查气路系统，分别推进气室1、2的两个活塞，对应的气压计有显示压力值并能保持不动。
3.接入+4V、±15V直流稳压电源，模块输出端Uo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。
4.调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。
5.退回气室1、2的两个活塞，使两个气压计均指在“零”刻度处，将MP×10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。
6.保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。
直到P1的压力达到0.095Mpa；填入表4-1。
P（KP）
Uo2（V）
7.保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。
直到P2的压力达到0.095Mpa；填入表4-2。
P（KP）
Uo2（V）
8.保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。
直到P1的压力达到0.0Mpa；填入表4-3。
P（KP）
Uo2（V）
9.保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。
直到P2的压力达到0.0Mpa；填入表4-4
P（KP）
Uo2（V）
实验十四电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解电容传感器的结构及特点。
二、实验仪器
电容传感器、电容变换器、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套
三、实验原理
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：
（14-1）
式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：
改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图14-1，两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。
图14-1电容传感器内部结构示意图
四、实验内容与步骤
1．按图14-2安装好电容传感器，并将电容传感器引出线与“电容插座”相连接。
图14-2电容传感器安装示意图
图14-3电容传感器接线图
2．将底面板上电容传感器与电容变换器相连，电容变换器的输出接到数显直流电压表。
3．打开直流电源开关。
将电容传感器的下极板调至中间位置，调节电容变换器的增益调节旋钮，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。
（增益调节电位器确定后不能改动）
4．旋动测微头推进电容传感器的中间极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表14-1
X（mm）
V（V）
实验十六 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔传感器的原理与应用。
二、实验仪器
霍尔传感器、测微头、分压器、电桥、差动放大器、数显电压表
三、实验原理
根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为灵敏度系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。
四、实验内容与步骤
1．将霍尔传感器安装到传感器固定架上，传感器引线接到对应的霍尔插座上。
按图16-1接线。
2．开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“10mm”处，手动调节测微头的位置，先使霍尔片基本在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw2使数显表显示为零。
3．分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表16-1
X（mm）
U（mV）
图16-1霍尔传感器直流激励接线图
实验二十九光纤传感器位移特性实验
一、实验目的
了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。
二、实验仪器
Y型光纤传感器、测微头、反射面、差动放大器、电压放大器、数显电压表
三、实验原理
反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。
其原理如图29-1所示，光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。
光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。
当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。
显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。
随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。
反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
图29-1反射式光纤位移传感器原理图29-2光纤位移传感器安装示意图
四、实验内容与步骤
1．光纤传感器的安装如图29-2所示，将Y型光纤结合处安装在传感器固定支架上，光纤分叉两端插入“光纤插座”中。
探头对准镀铬反射板（铁质材料圆盘），固定在测微头上。
按图29-3接线，电压放大器的输出接直流电压表。
2．将测微头起始位置调到10cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。
3．将“差动变压器”与“电压放大器”的增益调节旋钮调到中间位置。
打开直流电源开关。
4．将“电压放大器”输出端接到直流电压表（20V档），仔细调节调零电位器使电压表显示为零。
5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值，
填入下表29-1
X（mm）
Uo（V）
图29-3光纤位移传感器接线图
数据处理
（1）实验八 压阻式压力传感器的压力测量实验
1.记录数显表数值于数据记录纸上。
2.由所得数据，用Matlab绘出压阻式压力传感器的特性曲线如下：
图1压阻式压力传感器特性曲线
线性拟合的程序：
clear
x=[56789101112131415];
y=[-0.101-0.170-0.415-0.689-0.921-1.183-1.455-1.790-1.964-2.18-2.42];
p=polyfit（x,y,1）;一次拟合;
yfit=polyval（p,x）;求拟合后的y值;
figure
（1）;
plot（x,y,'r*',x,yfit,'b-'）;作拟合图像;
xlabel（'P/kPa'）
ylabel（'Vo/mV'）
gridon
在计算非线性误差过程中，需要求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差，这也可通过编程实现，
figure
（2）;
plot（x,y-yfit,'b*',x,y-yfit,'r-'）;求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差;
xlabel（'P/kPa'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
图2
可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为0.12mV。
3.计算灵敏度S和非线性误差δf：
S=∆V/∆P=（2.42-0.101）/（15-5）=2.40mV/kPa
δf=Δ（V-Vfit）m/Vfs×100%=0.12/2.42×100%=5.17%
（2）实验十四电容式传感器的位移特性实验
1.记录数显表数值于数据记录纸上。
2.由所得数据，用Matlab绘出电容式传感器的特性曲线如下：
正程数据：
红点，蓝线；
返程数据：
紫点，绿线。
图3电容式传感器特性曲线
线性拟合的程序：
clear
x=[1.61.82.02.22.42.62.83.03.43.23.63.84.04.24.44.64.85.05.25.4];
y1=[-1.8-1.3-0.8-0.4-0.00.20.50.71.01.11.21.51.82.12.43.12.93.13.23.4];
y2=[-1.8-1.3-0.9-0.5-0.4-0.10.10.30.61.21.41.71.92.12.22.42.63.03.13.4];
p1=polyfit（x,y1,1）;
yfit1=polyval（p1,x）;
p2=polyfit（x,y2,1）;
yfit2=polyval（p2,x）;
figure
（1）;
plot（x,y1,'r*',x,yfit1,'b-'）
gridon
holdon
plot（x,y2,'m*',x,yfit2,'g-'）
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
在计算非线性误差过程中，需要求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差
figure
（2）;
plot（x,y1-yfit1,'b*',x,y1-yfit1,'r-'）;
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
图4
可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为0.46mV。
在计算回差过程中，需要求输出值正程数据与返程数据的最大偏差
figure（3）;
plot（x,y1-y2,'b*',x,y1-y2,'r-'）;
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
图5
可求输出值正程数据与返程数据的最大偏差为0.7mV。
3.计算灵敏度S和非线性误差δf：
S=∆V/∆X=（3.4-（-1.8））/（5.4-1.6）=1.37mV/mm
δf=Δ（V-Vfit）m/Vfs×100%=0.46/5.2×100%=8.85%
计算回差
=ΔHmax/Vfs×100%=0.7/5.2=13.5%
（3）实验十六 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验
1.记录数显表数值于数据记录纸上。
2.由所得数据，用Matlab绘出直流激励时霍尔传感器的特性曲线如下：
正程数据：
红点，蓝线；
返程数据：
紫点，绿线。
图6直流激励时霍尔传感器特性曲线
线性拟合的程序：
clear
x=[1.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0];
y1=[-24.9-21.1-19.5-16.7-14.3-11.8-9.3-7.0-4.5-2.20.02.14.76.89.111.413.916.318.821.324];
y2=[-24.9-22.3-19.7-17.1-14.6-12.1-9.7-7.3-4.9-2.60.12.54.97.49.612.214.616.919.521.924]
p1=polyfit（x,y1,1）;
yfit1=polyval（p1,x）;
p2=polyfit（x,y2,1）;
yfit2=polyval（p2,x）;
figure
（1）;
plot（x,y1,'r*',x,yfit1,'b-'）
gridon
holdon
plot（x,y2,'m*',x,yfit2,'g-'）
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
在计算非线性误差过程中，需要求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差
figure
（2）;
plot（x,y1-yfit1,'b*',x,y1-yfit1,'r-'）;
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
图7
可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为0.98mV。
在计算回差过程中，需要求输出值正程数据与返程数据的最大偏差
figure（3）;
plot（x,y1-y2,'b*',x,y1-y2,'r-'）;
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
图8
可求输出值正程数据与返程数据的最大偏差为1.20mV。
3.计算灵敏度S和非线性误差δf：
S=∆V/∆X=（24-（-24.9））/（5.0-1.0）=12.225mV/mm
δf=Δ（V-Vfit）m/Vfs×100%=0.98/48.9×100%=2.00%
计算回差
=ΔHmax/Vfs×100%=1.20/48.9=2.5%
（4）实验二十九光纤传感器位移特性实验
1.记录数显表数值于数据记录纸上。
2.由所得数据（前坡区），用Matlab绘出光纤传感器的特性曲线如下：
图9光纤传感器特性曲线
线性拟合的程序：
clear
x=[1515.51616.51717.51818.51919.52020.52121.522];
y=[8.78.78.78.78.78.88.88.88.98.98.98.99.09.19.1];
p=polyfit（x,y,1）
yfit=polyval（p,x）
figure
（1）;
plot（x,y,'r*',x,yfit,'b-'）
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
在计算非线性误差过程中，需要求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差，这也可通过编程实现，
figure
（2）;
plot（x,y-yfit,'b*',x,y-yfit,'r-'）;
xlabel（'X/mm'）
ylabel（'V/mV'）
gridon
图10
可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为0.073mV。
3.计算灵敏度S和非线性误差δf（前坡区）：
S=∆V/∆P=（9.1-8.7）/（22-15）=0.06mV/kPa
δf=Δ（V-Vfit）m/Vfs×100%=0.07/0.4×100%=17.5%
思考题
用压阻式压力传感器如何测真空度？
答：
测量之前，校零测量仪器的真空度时的零度，即当仪器放在真空中时，应该保证仪器显示的数字是零。
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？
答：
当X变化时，实际上变化的是梯度磁场B，所以霍尔元件位移的线性度实际上反映的是磁场梯度B在空间上的变化。
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些是什么要求？
答：
对于环境稳定性的要求，温度、振动等。
实验结论
通过本次实验，了解了扩散硅压阻式压力传感器、电容传感器、直流激励时霍尔传感器和反射式光纤位移传感器测量压力的原理与方法。
对实验数据进行比较，可知反射式光纤位移传感器的灵敏度S最高和非线性误差δf最低，最为理想。
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