传感器技术实验指导书Word格式文档下载.docx

传感器技术实验指导书Word格式文档下载.docx

《传感器技术实验指导书Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术实验指导书Word格式文档下载.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

；

对于半桥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

对于全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。

当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压

。

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、需用器件与单元：

主机箱（±

4V、±

15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4

位数显万用表（自备）。

图1应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图

四、实验步骤：

1、单臂：

应变传感器实验模板说明：

实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。

1、根据图1〔应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。

传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。

传感器左下角应变片为R1；

右下角为R2；

右上角为R3；

左上角为R4。

当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。

常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。

〕安装接线。

2、放大器输出调零：

将图1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi＝0）；

调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先顺时针旋到底，再逆时针旋转1圈）；

将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；

调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

3、应变片单臂电桥实验：

拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原（见图1接线图）。

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；

在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。

记下实验结果（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线。

表1

重量（g）

电压（mv）

4、根据表1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；

非线性误差δ，δ=Δm/yFS×

100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yFS满量程输出平均值，此处为200g；

重复性；

迟滞误差。

2、半桥：

根据图2接线。

注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

实验方法与单臂相同，记下实验数据（重复三次正反行程）填入表2画出实验曲线，计算灵敏度；

非线性误差δ；

（可以验证相对臂）

表2

图2应变式传感器半桥接线图

3全桥：

根据图3接线。

实验方法与单臂相同，将实验数据（重复三次正反行程）填入表3画出实验曲线；

计算灵敏度；

实验完毕，关闭电源。

表3

图3全桥性能实验接线图

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、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：

（1）电桥测量原理上存在非线性

（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。

4、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。

5、根据试验所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。

阐述理由（注意：

单臂、半桥、全桥的放大器增益必须相同）。

实验二电容式传感器

了解电容式传感器结构及其特点。

利用电容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中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：

它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。

设圆筒的半径为R；

圆柱的半径为r；

圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln（R／r）。

图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量

的变化量为∆C=C1－C2=ε22∆X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图1差动变面积型电容式传感器结构图

主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

附：

测微头的组成与使用：

测微头组成和读数如图2

图2测位头组成与读数

测微头组成：

测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。

测微头读数与使用：

测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），另一排是半毫米刻线（０.５ｍｍ／格）；

微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（０.０１ｍｍ／格）。

用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。

微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。

测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；

再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图9—1甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；

遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图9—1乙已过零则读２.５１４ｍｍ；

如图9—1丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。

测微头使用：

测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。

当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

1、按图3将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线（实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ）。

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：

逆时针转到底再顺时传３圈）。

3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档，合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ，再转动测微头（同一个方向）6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。

以后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数（这样转12圈读取相应的电压表读数），将数据填入表6并作出Ｘ—Ｖ实验曲线（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。

4、将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；

图3电容传感器位移实验安装、接线图

表1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

实验三电感式传感器

——差动变压器的性能实验

了解差动变压器的工作原理和特性。

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，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使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），就引出差动电势输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。

测微头组成和读数如图1

图1测位头组成与读数

1、将差动变压器和测微头（参照附：

测微头使用）安装在实验模板的支架座上，差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；

L2、L3为次级线圈；

＊号为同名端，如图2（实验模块中的K=5）。

2、按图2接线，差动变压器的原边Ｌ１的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4KHz－5KHz（可用主机箱的频率表输入Fin来监测）；

调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div）。

3、松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p为较小值（变压器铁芯大约处在中间位置），拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值（零点残余电压）并定为位移的相对零点。

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的微分筒，每隔0.2mm（可取10—25点）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表5，再将测位头退回到Vp-p最小处开始反方向做相同的位移实验。

在实验过程中请注意：

⑴从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；

所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。

⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化（没有回到原来起始位置）是正常的，做实验时位移取相对变化量△Ｘ为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。

4、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。

将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；

5、按图3、图4连接线路，重复2—4步，理解残余电压的补偿及其方法。

表1

X（mm）

图2差动变压器性能实验安装、接线图

图3零点残余电压补偿电路接线图之一

图4零点残余电压补偿电路接线图之二

实验四霍尔式传感器

了解霍尔式传感器原理与应用。

根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。

主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。

1、按图1示意图接线（实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ），将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档。

2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。

图1霍尔传感器（直流激励）位移实验接线示意图

3、以某个方向调节测微头2ｍｍ位移，记录电压表读数作为实验起始点；

再反方向调节测微头每增加0.1mm记下一个读数（建议做2-3ｍｍ位移），将读数填入表1。

表7

实验五压电式传感器

了解压电传感器的测量振动的原理和方法。

压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。

（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振动，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。

主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。

1、按图1所示将压电传感器安装在振动台面上（与振动台面中心的磁钢吸合），振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。

图1压电传感器振动实验安装、接线示意图

2、将低频震荡器幅度旋钮逆时针转到底（幅度为零），合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出的波形。

3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；

在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。

4、改变振动源的振荡频率（调节主机箱低频振荡器频率），观察输出波形变化（共振点、共振点前后各两个点，一共5个点）。

实验六、热电式传感器

——热电阻测温特性实验

一、实验目的

1、理解热电传感器的工作原理和特点。

2、掌握热电传感器测量温度的方法。

3、了解温度控制系统的设计。

二、基本原理

利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。

常用铂电阻和铜电阻在0—630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=R0（1+At+Bt2）

R0系温度为0℃时的电阻。

本实验R0=100欧姆，At=3.9684×

10-2/℃，Bt=-5.847×

10-7/℃2，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

三、实验器件与单元

加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、Cu50热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表

1、注意：

首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说”，学会基本参数设定。

2、将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。

将Ｋ型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶EＫ插孔中，红线为正极，注意热电偶护套中已安置了二支热电偶，Ｋ型（红黑）和E型（蓝绿），它们热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别Ｋ型和Ｅ型（Ｅ型热电势大）热电偶。

3、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的220V控制电源插座上。

4、将主控箱的风扇源（2-24V）与三源板的冷风扇对应相连，电机转速电压旋至最大。

5、将Pt100铂电阻三根线引入“Rt”输入的a、b上：

用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线接b端。

这样Rt与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

Rw1中心活动点与R6相接，见图5-1。

6、在端点a与地之间加直流源2V，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。

7、加±

15V模块电源，调Rw3使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。

图1热电阻测温特性实验

8、设定温度值50℃将PT100探头插入加热源另一个插孔中开启加热开关，待温度控制在50℃，时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50℃+n·

Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值，将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；

t（℃）

9、选择铜热电阻。

1、如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？

实验七电涡流传感器

——电涡流传感器位移实验

1、理解电涡流传感器的工作原理和特点。

2、掌握利用电涡流传感器测量位移的方法。

电涡流传感器通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电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、实验器件与单元

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。

1、根据图１安装电涡流传感器。

图１电涡流传感器安装示意图

图２电涡流传感器位移实验接线图

2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有Ｌ的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。

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、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选择电压20V档。

6、用连接导线从主控台接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。

7、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，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表1。

表1电涡流传感器位移X与输出电压数据

V（v）

8、根据表1数据（重复三次正反行程），画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点，试计算量程为2mm时的灵敏度、线性度、重复性、迟滞。

9、选择不同材料、不同面积材料重复完成。

1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±

5mm的量程应如何设计传感器？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。