传感器与检测技术实验
传感器与检测技术实验
目录金属箔式应变片一一单臂电桥性能实验1·.2电容式传感器的位移特性实验3直流激励时霍尔传感器的位移特性实验·5
目 录 1 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验.1 2 电容式传感器的位移特性实验.3 3 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验.5
实验一金属箔式应变片一一单臂电桥性能实验实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、实验仪器双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、码、数显电压表、土5V电源、差动放大器、电压放大器、万用表（自备）三、实验原理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AR=k·6(1-1)R式中驾为电阻丝电阻相对变化；Rk为应变灵敏系数；兴为电阻丝长度相对变化。S:1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组件。如图1-1所示，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。托盘应变片固定支座悬臂梁应变片图1-1双杆式悬臂梁称重传感器结构图通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R6=R7=R8=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压U.=E._ARIR(1-2)1+.AR42R1
1 实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一、 实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器 双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、±5V 电源、差动放 大器、电压放大器、万用表（自备） 三、实验原理 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 （1-1） k R R 式中 为电阻丝电阻相对变化； R R k 为应变灵敏系数； 为电阻丝长度相对变化。 l l 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组件。如图 1-1 所示，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的 上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。 图 1-1 双杆式悬臂梁称重传感器结构图 通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并 联组成电桥。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图 1-2 所示 R6=R7=R8=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 （1-2） R R E R R U 2 1 1 / 4 0
E为电桥电源电压：1△R2.100%。式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=，2RRW2+5VUW35RWRW增益调节调零增益调节图1-2单臂电桥面板接线图四、实验内容与步骤1.悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Q2。2.按图1-2只接好差动放大器”和电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连，“电压放大器"输出端接数显电压表（选择2V档），开启直流电源开关。将“差动放大器"增益电位器与“电压放大器”增益电位器调至最大位置（顺时针最右边），调节调零电位器使电压表显示为0V。关闭直流开关电源。（两个增益调节的位置确定后不能改动）3.按图1-2接好所有连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R6、R7、R8构成一个单臂直流电桥。电桥输出接到差动放大器”的输入端，电压放大器的输出接数显电压表。预热五分钟。4.加托盘后调节Rw2使电压表显示为零。5.在应变传感器托盘上放置一只码，读取数显表数值，依次增加码和读取相应的数显表值，直到200g码加完，记录实验数据填入表1-1。表 1-1重量(g)电压(mV)6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。五、实验报告2
2 E 为电桥电源电压； 式 1-2 表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为 L= 100% 。 2 1 R R 图 1-2 单臂电桥面板接线图 四、实验内容与步骤 1．悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的 R1、R2、R3、R4 上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。 2．按图 1-2 只接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输 入端短接并与地相连，“电压放大器”输出端接数显电压表（选择 2V 档），开启 直流电源开关。将“差动放大器”增益电位器与“电压放大器”增益电位器调至最大 位置（顺时针最右边），调节调零电位器使电压表显示为 0V。关闭直流开关电源。 （两个增益调节的位置确定后不能改动） 3．按图 1-2 接好所有连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如 R1） 接入电桥与 R6、R7、R8 构成一个单臂直流电桥。电桥输出接到“差动放大器”的 输入端，电压放大器的输出接数显电压表。预热五分钟。 4．加托盘后调节 Rw2 使电压表显示为零。 5．在应变传感器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，记录实验数据填入表 1-1。 表 1-1 重量(g) 电压(mV) 6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告
1.根据实验所得数据计算系统灵敏度S=△UI△W（△U输出电压变化量，△W重量变化量；2.计算单臂电桥的非线性误差m=△m/yF.s×100%。式中Am为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；JF-s为满量程（200g）输出平均值。六、注意事项实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大（称重传感器量程为0.5Kg），以免造成应变传感器的损坏！实验二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：C-S-506-S(2-1)dd式中，S为极板面积，d为极板间距离，为真空介电常数，&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&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2-1，两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。3
3 1．根据实验所得数据计算系统灵敏度 S＝ΔU/ΔW（ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）； 2．计算单臂电桥的非线性误差 δf1=Δm/yF.S ×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；yF·S 为 满量程（200g）输出平均值。 六、注意事项 实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传 感器上的压力不应过大（称重传感器量程为 0.5Kg），以免造成应变传感器的损 坏！ 实验二 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： (2-1) d S d S C r 0 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 2-1，两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
上极板2下极板上极板1图2-1电容传感器内部结构示意图四、实验内容与步骤1.按图2-2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。模板测微头测量架电容传感器绝缘护套七0图2-2电容传感器安装示意图Uo电容变换器电容传感器图2-3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），左右各移动1cm,每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表2-14
4 图 2-1 电容传感器内部结构示意图 四、实验内容与步骤 1．按图 2-2 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 2-2 电容传感器安装示意图 图 2-3 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），左右各移动 1cm,每隔 0.2mm 记下位移量 X 与输出电压值 V 的变化，填入下表 2-1
X(mm)V(V)五、实验报告根据表2-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差6f实验三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Ui=KHIB，其中K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3-1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3-1X (mm)U(mV)+5VOR5RW3RW2RcOH亚RWIGL-5V图3-1霍尔传感器直流激励接线图5
5 X(mm) V(V) 五、实验报告 根据表 2-1 的数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差 δf。 实验三 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 3-1 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 3-1 X（mm） U(mV) 图 3-1 霍尔传感器直流激励接线图
五、实验报告做出U-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。6
6 五、实验报告 做出 U－X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差