《传感器与检测技术》课程实验指导书（共十四个实验）

传感器与检测技术实验指导书2018

传感器与检测技术实验指导书 2018

目录实验一金属箔式应变片一一单臂、半桥和全桥性能实验实验二金属箔式应变片的温度影响实验.8实验三金属箔式应变片直流全桥的应用电子秤实验9实验四电容式传感器测位移实验.10.12实验五霍尔传感器测位移实验....14实验六电涡流传感器测位移实验实验七开关式霍尔传感器测转速实验....17实验八磁电式传感器测转速实验..19实验九光电传感器测转速实验..21.22实验十压电式传感器测振动实验实验十一Pt100铂电阻测温实验.26实验十二K热电偶测温实验..36实验十三振动系统固有频率的测试.41实验十四测试附加质量对系统频率的影响.44

目 录 实验一 金属箔式应变片——单臂、半桥和全桥性能实验. 1 实验二 金属箔式应变片的温度影响实验.8 实验三 金属箔式应变片直流全桥的应用——电子秤实验. 9 实验四 电容式传感器测位移实验.10 实验五 霍尔传感器测位移实验.12 实验六 电涡流传感器测位移实验.14 实验七 开关式霍尔传感器测转速实验.17 实验八 磁电式传感器测转速实验.19 实验九 光电传感器测转速实验.21 实验十 压电式传感器测振动实验.22 实验十一 Pt100 铂电阻测温实验. 26 实验十二 K 热电偶测温实验.36 实验十三振动系统固有频率的测试.41 实验十四测试附加质量对系统频率的影响.44

实验一金属箔式应变片一一单臂、半桥和全桥性能实验一、实验目的1.掌握金属箔式应变片的工作原理2.了解单臂、半桥和全桥工作特点及电路输出性能3.比较单臂、半桥和全桥电路输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、实验装置CSY2000系列传感器与检测技术实验台：机箱中的土2V～土10V（步进可调）直流稳压电源、土15V直流稳压电源、电压表；模块单元：应变式传感器实验模板、托盘、码。三、基本原理1.金属箔式应变片的电阻应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。由欧姆定理可知，金属丝的电阻R：LR=PA(1-1)式中，R为金属丝的电阻（Q）；P为金属丝的电阻率（Q㎡/m）；L为金属丝的长度（m）；A为金属丝的截面积（m2）。可见，若L、A及P发生变化，R也发生变化，下面推导一下电阻丝的应变和电阻变化之间的关系。一段长度为L的金属丝，当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dA，电阻率受金属晶格发生变形等因素的影响也将随之改变dp，将式（1-1）两边取对数并微分得金属丝电阻变化量dR为dR_dpdLdARPLA(1-2)设金属丝半径为r，dA=2元rdr有dA_2drAr(1-3)令&=dl/L为金属丝的轴向应变；“,=dr/r为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为g=-ex(1-4)式中，μ为金属材料的泊松系数。将式（1-3）、式（1-4）代入式（1-2）得dR_ dp+e, +2μexRp=(1+ 2)e, + pp(1-5)

实验一 金属箔式应变片——单臂、半桥和全桥性能实验 一、实验目的 1.掌握金属箔式应变片的工作原理； 2.了解单臂、半桥和全桥工作特点及电路输出性能； 3.比较单臂、半桥和全桥电路输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、实验装置 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台：机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳 压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；模块单元：应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 三、基本原理 1.金属箔式应变片的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称 为金属的电阻应变效应。由欧姆定理可知，金属丝的电阻 R： L R ρ A  （1-1） 式中，R 为金属丝的电阻（Ω）； ρ 为金属丝的电阻率（Ω·m 2/m）；L 为金属丝的长 度（m）；A 为金属丝的截面积（m 2）。 可见，若 L、A 及 ρ 发生变化，R 也发生变化，下面推导一下电阻丝的应变和电阻变 化之间的关系。 一段长度为 L 的金属丝，当金属丝受拉而伸长 dL 时，其横截面积将相应减小 dA，电 阻率受金属晶格发生变形等因素的影响也将随之改变dρ ，将式（1-1）两边取对数并微分 得金属丝电阻变化量dR为 dR dρ dL dA R ρ L A    （1-2） 设金属丝半径为 r，dA  2πrdr 有 2 dA dr A r  （1-3） 令 x ε  dL L 为金属丝的轴向应变； ε dr r y = 为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿 轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为  x     y （1-4） 式中，μ为金属材料的泊松系数。 将式（1-3）、式（1-4）代入式（1-2）得   2 1 2 x x x dR dρ ε με R ρ dρ μ ε ρ       （1-5）

dp/p1+2μ +=KCs令(1-6)K.称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，K：越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。由式（1-6）可看出，金属丝的灵敏系数K，受两个因素影响：第一项(1+21)是由于金属丝受拉伸后，几何尺寸发生变化而引起的，金属丝的灵敏系数K，主要取决于其几何效应；第二项dp/P是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这一项对金属丝的灵敏系数K，影K响非常小。故，金属导体的灵敏系数s可取为：K,=1+2μ(1-7)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.金属箔式应变片的测量电路金属箔式应变片利用电阻丝的应变效应工作的。通过将应变片接入电桥电路，将其阻值的变化转换为电压或电流信号输出。电桥电路是非电量电测系统中最常用的测量方法。根据电桥的供桥电压不同，分为直流电桥和交流电桥，见图1-1。BDu,=Umsinot1/+U（a）直流电桥（b）交流电桥图1-1电桥本实验是以直流电桥为条件进行测试的见图1-1（a）。当直流电桥平衡时，即R,R,=R,R4，电桥输出为零。当电桥的四臂R、R、R、R测量时分别产生电阻变化△R、AR，、△R、△R时，可得输出电压为：I(ARi_AR+AR_ ARL)1.U.=-U.((1-8)40RRR,R2

2 令 s x K ε dρ ρ 1+ 2μ + = （1-6） Ks 称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显 然，Ks 越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。由式（1-6）可看出，金属丝的灵敏系 数 Ks 受两个因素影响：第一项1 2μ是由于金属丝受拉伸后，几何尺寸发生变化而引起 的，金属丝的灵敏系数 Ks 主要取决于其几何效应；第二项 dρ ρ 是由于材料发生变形时， 其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这一项对金属丝的灵敏系数 Ks 影 响非常小。故，金属导体的灵敏系数 Ks 可取为： Ks 12 （1-7） 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.金属箔式应变片的测量电路 金属箔式应变片利用电阻丝的应变效应工作的。通过将应变片接入电桥电路，将其阻值 的变化转换为电压或电流信号输出。电桥电路是非电量电测系统中最常用的测量方法。根据 电桥的供桥电压不同，分为直流电桥和交流电桥，见图 1-1。 A Ui B C U0 R1 R2 R4 R3 B D D A C Z1 Z2 Z4 Z3 u i=Umsint U0 （a）直流电桥 （b）交流电桥 图 1-1 电桥 本实验是以直流电桥为条件进行测试的见图 1-1（a）。当直流电桥平衡时，即 R1R3  R2R4 ,电桥输出为零。当电桥的四臂 R1、R2 、R3、R4 测量时分别产生电阻变化 R1、 R2 、 R3、 R4 时，可得输出电压为： 1 2 3 4 0 1 2 3 4 1 ( ) 4 i R R R R U U R R R R         （1-8）

对于等臂电桥，即R=R,=R=R=R，则上式可写成1(AR+AR_AR,_AR,U。=.U(1-9)4CRRRRAR由于=K，则式（1-9）可写成R1U。.K.(8,+8,-8-84)U(1-10)4单臂电桥工作：即只有一只电阻R产生△R变化时，电桥输出电压为：1 △R.U.=--.K-8.U,U.=(1-11)4R4半桥工作：半桥工作时不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，设R产生正△R的变化，R2产生负AR的变化，且变化的绝对值相等，即6,=8，62=-8，6,=0,84=0，则电桥输出电压为：1 AR1U。=.U.=-.K.&.U.(1-12)2R2全桥工作：R、R产生正△R的变化，R、R产生负AR的变化，且△AR绝对值相等，则电桥的输出为：ARU. =.U.=K.-.U,(1-13)R3.金属箔式应变片单臂、半桥和全桥实验原理图Uo电压表R8差动放大器Rui-4V+4VoF图1一2应变片单臂电桥性能实验原理图AR20电压表Re差动放大器Rw1-4VE+4Vo图1-3应变片半桥特性实验原理图3

3 对于等臂电桥，即 R1  R2  R3  R4  R ，则上式可写成 1 3 2 4 0 i 1 4 R R R R U U R R R R                 （1-9） 由于 R K R    ，则式（1-9）可写成 0  1 3 2 4  i 1 4 U  K        U （1-10） 单臂电桥工作：即只有一只电阻 R 产生ΔR 变化时，电桥输出电压为： 0 i i 1 1 4 4 R U U K U R          （1-11） 半桥工作：半桥工作时不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，设 R1产生正ΔR 的 变 化 ， R ２ 产 生 负 Δ R 的 变 化 ， 且 变 化 的 绝 对 值 相 等 ， 即 1 2 3 4    ,    ,   0,   0 ，则电桥输出电压为： 0 i i 1 1 2 2 R U U K U R          （1-12） 全桥工作：R1、R3产生正ΔR 的变化，R2、R4产生负ΔR 的变化，且ΔR 绝对值相等，则 电桥的输出为: 0 i i R U U K U R        （1-13） 3.金属箔式应变片单臂、半桥和全桥实验原理图 图 1—2 应变片单臂电桥性能实验原理图 图 1—3 应变片半桥特性实验原理图

UeV电压表R8差动放大器Rw1-ANE+4Vc图1一4应变片全桥特性实验原理图图1-2、1-3、1-4中R5、R6、R7为350Q固定电阻，R1、R2、R3、R4为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源土4V。四、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350Q固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臀电桥（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。五、实验步骤1.将托盘安装到传感器上，如图1一5所示。应变片托盘引出线弹性体限程螺丝固定垫图棋板83989828589固定螺丝加热丝应变片图1-5传感器托盘安装示意图2.实验模板中的差动放大器调零：按图1一6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。4

4 图 1—4 应变片全桥特性实验原理图 图 1-2、1-3、1-4 中 R5、R6、R7 为 350Ω固定电阻，R1、R2、R3、R4 为应变片； RW1 和 R8 组成电桥调平衡网络，E 为供桥电源±4V。 四、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 350Ω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。 五、实验步骤 1.将托盘安装到传感器上，如图 1—5 所示。 图 1—5 传感器托盘安装示意图 2.实验模板中的差动放大器调零：按图 1—6 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

主机箱应变片0直流稳压电源口故障灯故障灯加热器加热器oO+15)复位15V复位R1OeR3OeOE809电压表8.8.8.82ngORin量程热开关wGCO应变传感器实验模板CT图1一6差动放大器调零接线示意图七费直流稳压电源应变片toyO加热器加热器KOSSRI?PL+15V电压表8.8.8.8VolAfeH200y1g0v量程切换开关C应变传感器实验模板2宝图1一7应变片单臂电桥实验接线示意图3.应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图1一7示意图接线，将土2V～土10V可调电源调节到土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：在传感器的托盘上依次增加放置一只20g码（尽量靠近托盘的中心点放置），读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1-1。实验完毕，关闭主机箱电源。4.应变片半桥实验：重复步骤2实验。差动放大器调零完成后，关闭主机箱电源，按图1-8示意图接线，其它按步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表1-2中。实验完毕，关闭主机箱电源。5.应变片全桥实验：重复步骤2实验。差动放大器调零完成后，关闭主机箱电源，按图1一9示意图接线，其它按步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表1-3中。实验完毕，关闭主机箱电源

5 图 1—6 差动放大器调零接线示意图 图 1—7 应变片单臂电桥实验接线示意图 3. 应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图 1—7 示意图接线，将±2V～±10V 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；在传感器的托盘上依次增加放置一只 20g 砝码(尽量靠 近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表 1-1。实验完毕， 关闭主机箱电源。 4.应变片半桥实验：重复步骤 2 实验。差动放大器调零完成后，关闭主机箱电源，按图 1— 8 示意图接线，其它按步骤 4 实验。读取相应的数显表电压值，填入表 1-2 中。实验完毕， 关闭主机箱电源。 5.应变片全桥实验：重复步骤 2 实验。差动放大器调零完成后，关闭主机箱电源，按图 1— 9 示意图接线，其它按步骤 4 实验。读取相应的数显表电压值，填入表 1-3 中。实验完毕， 关闭主机箱电源

王盘直流稳压电源应变片oOA加热器加热器1R+15V电压表3EBleakl8.8.8.8fECI14200p1govR3RRwd量程切换开关O应变传感器实验模板机箱图1—8应变片半桥实验接线示意图托盘直流稳压电源应变片+2±30oyO2口加热器加热器?oQQ-1515+5VRI1RR+15V151电压表EE88.8.8.8.C3.4HCC200m80程切换开C应变传感器实验模板Q主机箱图1一9应变片全桥性能实验接线示意图六、实验数据处理表1-1单臂电桥测量时，输出电压与加负载重量数据表重量(g)电压(mv)表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量数据表重量(g)电压 (mv)表1-3全桥测量时，输出电压与加负载重量数据表重量(g)电压(mv)AV根据表1-1、1-2和1-3的数据分别作出曲线并计算系统灵敏度S=（AV输出电AW6

6 图 1—8 应变片半桥实验接线示意图 图 1—9 应变片全桥性能实验接线示意图 六、实验数据处理 表 1-1 单臂电桥测量时，输出电压与加负载重量数据表 重量(g) 电压（mv) 表 1-2 半桥测量时，输出电压与加负载重量数据表 重量(g) 电压（mv) 表 1-3 全桥测量时，输出电压与加负载重量数据表 重量(g) 电压（mv) 根据表 1-1、1-2 和 1-3 的数据分别作出曲线并计算系统灵敏度 W V S    （ΔV 输出电

会m×100%式中Am为输出值（多次测量时压变化量，W重量变化量）和线性度8，（0=Ys为平均值）与拟合直线的最大偏差：Yrs满量程输出平均值，此处为200g。七、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.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R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。4.比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论7

7 压变化量，ΔW 重量变化量）和线性度δ， 100%   YFS m  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。 七、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.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。 4.比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论

实验二金属箔式应变片的温度影响实验一、实验目的了解温度对应变片测试系统的影响。二、实验装置主机箱中土2V～土10V（步进可调）直流稳压电源、土15V直流稳压电源、电压表：应变传感器实验模板、托盘、码、加热器（在实验模板上，已粘贴在应变传感器左下角底部）。三、基本原理电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。四、实验步骤1按实验一中步骤2，将差动放大器调零，按图1一9全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位Rm，使数显表显示0.00V；2.放200g码加于码盘上，在数显表上读取某一整数值Uol；3.将5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数U。，Ut-Uo即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差Uo. -UoL ×100%8=(2-1)Uot五、思考题1.金属箱式应变片温度影响有哪些消除方法？2.应变式传感器可否用于测量温度？8

8 实验二 金属箔式应变片的温度影响实验 一、实验目的 了解温度对应变片测试系统的影响。 二、实验装置 主机箱中±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；应 变传感器实验模板、托盘、砝码、加热器（在实验模板上，已粘贴在应变传感器左下角底部）。 三、基本原理 电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系 数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被 测体受力状态不变时，输出会有变化。 四、实验步骤 1．按实验一中步骤 2，将差动放大器调零，按图 1－9 全桥接线，合上主控台电源开关，调 节电桥平衡电位 RW1，使数显表显示 0.00V； 2．放 200g 砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一整数值 UO1； 3．将 5V 直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定 后，记下读数 Uot ,Uot-U01即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差 0 01 0 t 100% t U U U     （2-1） 五、思考题 1.金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？2.应变式传感器可否用于测量温度？