傳感器原理實驗講義Y

1、傳感器原理實驗報告目錄CSY-XS-01傳感器系統(tǒng)實驗箱說明 . 3一、 傳感器系統(tǒng)實驗箱簡介. 3二、 傳感器實驗箱組成說明. 3三、 實驗箱特點 .4四、 傳感器 4CSY-XS-01傳感器原理實驗 6一、 應變片電阻傳感器設計和應用實驗 . 6實驗一 應變片單臂特性實驗 . 6實驗二 應變片半橋特性實驗 . 13實驗三 應變片全半橋特性實驗 . 14實驗四 應變片單臂、半橋、全橋特性比較實驗 . 15實驗五 應變片直流全橋的應用-電子秤實驗 16二、 電感式和壓電式傳感器設計和應用實驗 18實驗一 電渦流傳感器設計和位移特性實驗 18實驗二 壓電式傳感器設計和測振動實驗 22三、 熱電式

2、傳感器設計和應用實驗 26實驗一 K熱電偶設計和測溫實驗 26實驗二 Pt100鉑電阻（熱電阻）設計和測溫特性實驗（選做）32四、 磁敏傳感器設計和應用實驗 37實驗一 開關式霍爾傳感器設計和測轉速實驗37實驗二 磁電式傳感器設計和測轉速實驗38CSY-XS-01傳感器系統(tǒng)實驗箱說明：一、傳感器系統(tǒng)實驗箱簡介CSY-XS-01傳感器系統(tǒng)實驗箱主要用于各大、中專院校開設的“傳感器原理”“自動檢測技術”“非電量電測技術”“測量與控制”“機械量電測”等課程的實驗教學。實驗箱的傳感器采用原理與實際相結合，便于學生加強對書本知識的理解，并在實驗過程中，通過信號的拾取，轉換，分析，培養(yǎng)學生作為一個科技工作

3、者具有的基本操作技能與動手能力。二、傳感器實驗箱組成說明CSY-XS傳感器實驗箱如下圖所示：主要由機頭、主板、信號源、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC接口、軟件等各部分組成。1、機頭由應變梁(含應變片、PN結、NTC RT熱敏電阻、加熱器等)；振動源(振動臺)；升降調節(jié)桿；測微頭和傳感器的安裝架(靜態(tài)位移安裝架)；傳感器輸入插座；光纖座及溫度源等組成。2、主板部分主板部分有八大單元電路組成：智能調節(jié)儀單元；頻率電壓顯示(F/V表)單元；音頻振蕩器 （1KHz10KHz可調）和低振蕩器 (1Hz30Hz可調)單元；直流穩(wěn)壓電源輸出單元(提供高穩(wěn)定的±15V、5V、±4V、1.2V12

4、V可調等)；數(shù)據(jù)采集和RS232 PC接口單元；傳感器的輸出口單元；轉動源單元；各種傳感器的調理電路單元。3、信號源1） 溫度源150（可調）；、2） 振動源 1Hz30Hz；3） 轉動源 02400r/min4、傳感器：詳見四、傳感器（共十九種傳感器）5、實驗箱：供電：AC 220V 50Hz 功率0.2kW 三、實驗箱特點1、 實驗箱中的傳感器以原理型和工業(yè)型相結合，定性與定量相結合，更便于學生理論與實際相結合。2、 儀器配溫度源等加熱裝置。整個儀器采用手提式箱式結構，便于存放保管與管理。3、 各種公共源也可用于學生課程設計、畢業(yè)設計及進行一些開發(fā)性實驗；電源及信號源設有保護電路，確保學生

5、在誤操作后不會損壞設備并保證學生的安全。四、傳感器序 號傳感器名稱量 程線 性備 注1電阻應變式傳感器0-200g±1%全橋2擴散硅壓力傳感器4-20kpa±1%3差動變壓器±4mm±2%4電容式傳感器±2.5mm±3%5霍爾式位移傳感器±1mm±3%6霍爾式轉速傳感器2400轉/分±0.5%7磁電式傳感器2400轉/分±0.5%8壓電式傳感器9電渦流位移傳感器1mm±2%10光纖位移傳感器1mm±5%11光電轉速傳感器2400轉分±0.5%12集成溫度傳感器常溫-

6、120±4 %13Pt100鉑電阻常溫-150±4%三線制14K型熱電偶常溫-150±4%15氣敏傳感器50-2000PPm對酒清敏感16濕敏傳感器10-95%RH17PN結18NTC熱敏電阻20時，電阻為10K 一、 應變片電阻傳感器設計和應用實驗實驗一 應變片單臂特性實驗一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。二、基本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應，將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的傳感器，此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然后由電阻應

7、變片將變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路進一步將電阻的改變轉換成電壓或電流信號輸出。可用于能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。1、應變片的電阻應變效應所謂電阻應變效應是指具有規(guī)則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產生應變而其電阻值也會產生相應地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應變效應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為時，根據(jù)電阻的定義式得 （1-1）當導體因某種原因產生應變時，其長度L、截面積A和電阻率的變化為dL、dA、d相應的電阻變化為dR。對式（1-1）全微分得電阻變化率 dR/R

8、為： （1-2）式中：dL/L為導體的軸向應變量L; dr/r為導體的橫向應變量r由材料力學得： L= - r （1-3）式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3-0.5左右；負號表示兩者的變化方向相反。將式（1-3）代入式（1-2）得： （1-4）式（1-4）說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。2、應變靈敏度    它是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量。    (1)、金屬導體的應變靈敏度K：主要取決于其幾何效應；可取 （1-5）其靈敏度系數(shù)為：K= 金

9、屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。 (2)、半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；dR/R<d。半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象我們稱之為半導體的壓阻效應 。且不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減?。┑膲鹤栊?。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變

10、化效果。    半導體材料的電阻應變效應主要體現(xiàn)為壓阻效應，可正可負，與材料性質和應變方向有關，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應變片應用在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應用。一般半導體應變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應）傳感器。本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。4、箔式應變片的基本結構應變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如

11、圖1-1所示。(a) 絲式應變片                                         (b) 箔式應變片圖1-1應變片結構圖金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，

12、與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為： RRK 式中：RR為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù),=L/L為電阻絲長度相對變化。5、測量電路   為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號，在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能

13、比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓或電流信號一般都采用雙臂或全橋工作。基本電路如圖1-2（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖1-2 應變片測量電路（a）、單臂UoUU(R4R4)(R4R4R3)R1(R1R2)E（R1R2）（R4R4）R1（R3R4R4）（R3R4R4）（R1R2）E設R1R2R3R4，且R4R4RR1，RRK。則Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE(b)、雙臂(半橋)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全橋同理:Uo(RR)EKE6、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖

14、圖1-3 應變片單臂電橋實驗原理圖圖1-3中R1、R2、R3為350固定電阻，R4為應變片； W1和r組成電橋調平衡網絡，供橋電源直流±4V。橋路輸出電壓Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。三、需用器件與單元：機頭中的應變梁、振動臺；主板中的箔式應變片、電橋、±4V電源、差動放大器、F/V電壓表、砝碼； 4位數(shù)顯萬用表（自備）。四、需用器件與單元介紹：熟悉需用器件與單元在傳感器箱中機頭與主板的布置位置(參閱以上說明書二、實驗箱組成圖)。1、圖1-4為主板中的電橋單元。圖中： 菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參考而設，無其它實際意義)。 R1=

15、R2=R3=350是固定電阻，為組成單臂應變和半橋應變而配備的其它橋臂電阻。 W1電位器、r電阻為電橋直流調節(jié)平衡網絡，W2電位器、C電容為電橋交流調節(jié)平衡網絡。圖1-4 電橋單元2、主板中的差動放大器單元。圖1-5中：左圖是原理圖。其中：IC1-1 AD620是差動輸入的測量放大器(儀用放大器)；IC1-2為調零跟隨器。右圖為面板圖。圖1-5 差動放大器原理與面板圖五、實驗步驟：1、 在應變梁自然狀態(tài)（不受力）的情況下，用4位數(shù)顯萬用表2k電阻檔測量所有應變片阻值；在應變梁受力狀態(tài)（用手壓、提振動臺）的情況下，測應變片阻值，觀察一下應變片阻值變化情況(標有上下箭頭的4片應變片縱向受力阻值有變

16、化；標有左右箭頭的2片應變片橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片)。如下圖1-6所示。圖1-6觀察應變片阻值變化情況示意圖2、 差動放大器調零點：按圖1-7示意接線。將FV表的量程切換開關切換到2V檔，合上實驗箱主電源開關，將差動放大器的撥動開關撥到“開”位置，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉到底后再逆向回轉半圈，調節(jié)調零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調節(jié)完成，關閉主電源。圖1-7 差放調零接線圖3、應變片單臂電橋特性實驗：將主板上傳感器輸出單元中的箔式應變片(標有上下箭頭的4片應變片中任意一片為工作片)與電橋單元中R1、R2、R3組成電橋電路，電橋的一對角接±

17、;4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將W1電位器、r電阻直流調節(jié)平衡網絡接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的±4V電源端、W1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖1-8示意接線(粗細曲線為連接線)。圖1-8 應變片單臂電橋特性實驗接線示意圖檢查接線無誤后合上主電源開關，在機頭上應變梁的振動臺無砝碼時調節(jié)電橋的直流調節(jié)平衡網絡W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0(有小的起始電壓也無所謂，不影響應變片特性與實驗)。在應變梁的振動臺中心點上放置一只砝碼(20g只)，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。表1-1 應變片單臂電橋特

18、性實驗數(shù)據(jù)重量(g)電壓(mV)根據(jù)表1-1數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度SV/W（V輸出電壓變化量，W重量變化量）和非線性誤差，=m/yFS ×100式中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g。實驗完畢，關閉電源。六、思考題：1、R轉換成V輸出用什么方法?2、根據(jù)圖4機頭中應變梁結構，在振動臺放置砝碼后分析上、下梁片中應變片的應變方向(是拉?還是壓?)?實驗二 應變片半橋特性實驗一、實驗目的：了解應變片半橋（雙臂）工作特點及性能。二、基本原理：應變片基本原理參閱實驗一。應變片半橋特性實驗原理如圖1-7所示。不同受力方向的兩片應變片（上、下二

19、片梁的應變片應力方向不同）接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓Uo(12)(RR)E(12)KE 。圖1-7 應變片半橋特性實驗原理圖三、需用器件與單元：機頭中的應變梁、振動臺；主板中的箔式應變片、電橋、±4V電源、差動放大器、F/V電壓表、砝碼。四、實驗步驟：除實驗接線按圖1-8接線即電橋單元中R1、R2與相鄰的二片應變片組成電橋電路外。實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處理方法與實驗一完全相同。實驗完畢，關閉電源。圖1-8 應變式傳感器半橋接線示意圖五、思考題：半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應接在：（1）對邊?（2）鄰邊?為什么?實驗三 應變片全橋

20、特性實驗一、實驗目的：了解應變片全橋工作特點及性能。二、基本原理：應變片基本原理參閱實驗一。應變片全橋特性實驗原理如圖1-9所示。應變片全橋測量電路中，將受力方向相同的兩應變片接入電橋對邊，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓Uo(RR)EKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。圖1-9應變片全橋特性實驗原理圖三、需用器件和單元：機頭中的應變梁、振動臺；主板中的箔式應變片、電橋、±4V電源、差動放大器、F/V電壓表、砝碼。四、實驗步驟：除實驗接線按圖1-10接線，四片應變片組成電橋電路外

21、。實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處理方法與實驗一完全相同。實驗完畢，關閉電源。圖1-10 應變片全橋特性實驗接線示意圖五、思考題：應變片組橋時應注意什么問題?實驗四 應變片單臂、半橋、全橋特性比較實驗一、實驗目的：比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結論。二、基本原理：如圖1-11 （a）、（b）、（c）為應變片單臂、半橋和全橋測量電路原理圖。它們輸出電壓分別為：a）單臂UoUU(R4R4)(R4R4R3)R1(R1R2)E（R1R2）（R4R4）R1（R3R4R4）（R3R4R4）（R1R2）E設R1R2R3R4，且R4R4RR1，RRK。則Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)

22、E(14)KE(b)、雙臂(半橋)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全橋同理:Uo(RR)EKE（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖1-11應變測量電路三、需用器件與單元：機頭中的應變梁、振動臺；主板中的箔式應變片、電橋、±4V電源、差動放大器、F/V電壓表、砝碼。四、實驗步驟：根據(jù)實驗一、二、三所得的結果進行單臂、半橋和全橋輸出的靈敏度和非線性度分析比較（注意：實驗一、二、三中的放大器增益必須相同）。實驗完畢，關閉電源。實驗五 應變直流全橋的應用-電子秤實驗一、實驗目的：了解應變直流全橋的應用及電路的標定。二、基本原理：常用的稱重傳感器就是應用了箔式應變片及其全橋測量

23、電路。數(shù)字電子秤實驗原理如圖1-12。本實驗只做放大器輸出Vo實驗，通過對電路的標定使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始電子秤。圖1-12 數(shù)字電子秤原理框圖三、需用器件與單元：機頭中的應變梁、振動臺；主板中的箔式應變片、電橋、±4V電源、差動放大器、F/V電壓表、砝碼。四、實驗步驟：1、差動放大器調零點：按圖1-13示意接線。將FV表的量程切換開關切換到2V檔，合上實驗箱主電源開關，將差動放大器的撥動開關撥到“開”位置，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉到底后再逆向回轉半圈，調節(jié)調零電位器，使數(shù)顯表顯示0.000V。差動放大器的零點

24、調節(jié)完成，關閉主電源。圖1-13 差放調零接線圖2、按圖1-14接線，檢查接線無誤后合上主電源開關。在振動臺無砝碼時，調節(jié)電橋中的W1電位器，使數(shù)顯表顯示為0.000V。將10只砝碼全部置于振動臺上（盡量放在中心點），調節(jié)差動放大器的增益電位器，使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量)或0.200V。圖1-14電子秤實驗接線示意圖3、拿去振動臺上的所有砝碼，如數(shù)顯電壓表不顯示0.000V則調節(jié)差動放大器的調零電位器，使數(shù)顯表顯示為0.000V。再將10只砝碼全部置于振動臺上（盡量放在中心點），調節(jié)差動放大器的增益電位器，使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量)或0.200V。4、重復3步驟的標

25、定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g，就可以稱重，成為一臺原始的電子秤。5、把砝碼依次放在托盤上，并依次記錄重量和電壓數(shù)據(jù)填入表1-2中。6、根據(jù)數(shù)據(jù)畫出實驗曲線，計算誤差與線性度。表1-2 電子稱實驗數(shù)據(jù)重量(g)電壓(mV)7、在振動臺上放上筆、鑰匙之類的小東西稱一下重量。實驗完畢，關閉電源。二、 電感式和壓電式傳感器設計和應用實驗實驗一 電渦流傳感器設計和位移特性實驗一、實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、基本原理：電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導電體-金屬渦流片）組成，如圖2-1所示。根據(jù)電磁感應

26、原理，當傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz2MHz）I1時，線圈周圍空間會產生交變磁場H1，當線圈平面靠近某一導體面時，由于線圈磁通鏈穿過導體，使導體的表面層感應出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感，從而導致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣就可得到如圖2-2的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線          

27、60;          圖2-1 電渦流傳感器原理圖          圖2-2 電渦流傳感器等效電路圖圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距的減小而增大。根據(jù)等效電路可列出電路方程組：    通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復阻抗為： 線圈的等效電感為： 線圈的等效Q值為：QQ01

28、-(222)/(122)1+(R222)/( R122) 式中：Q0 - 無渦流影響下線圈的值，Q01R1； 22- 金屬導體中產生電渦流部分的阻抗，22R22+2L22。由式Z、L和式可以看出，線圈與金屬導體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質因數(shù)值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導體間距離x(H)的非線性函數(shù)。因此Z、L、均是的非線性函數(shù)。雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為"S"型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實Z、L、的變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的

29、距離有關。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當電渦流線圈、金屬渦流片以及激勵源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關。于此，通過傳感器的調理電路（前置器）處理，將線圈阻抗Z、L、的變化轉化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。 為實現(xiàn)電渦流位移測量，必須有一個專用的測量電路。這一測量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量實驗框圖如圖2-3所示：圖2-3 電渦流位移特

30、性實驗原理框圖根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數(shù)，用相應的測量電路（前置器）來測量。本實驗的渦流變換器為變頻調幅式測量電路，電路原理與面板如圖2-4所示。電路組成： Q1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器，產生頻率為1MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉換成高頻載波信號的幅值變化。 D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調幅信號中傳感器檢測到的低頻信號取出來。Q2組成射極跟隨器

31、。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從010Hz）。當無被測導體時，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且最高，對應的檢波輸出電壓Vo 最大。當被測導體接近傳感器線圈時，線圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移的變化。電渦流傳感器在位移、振動、轉速、探傷、厚度測量上得到應用。圖2-4電渦流變換器原理圖與面板三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位

32、移安裝架、電渦流傳感器、被測體(鐵圓片) 、測微頭、主板FV表、渦流變換器、示波器（自備）。四、實驗步驟：1、觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。調節(jié)測微頭初始位置的刻度值為5mm處，按圖2-5安裝測微頭、被測體、電渦流傳感器（注意安裝順序：先將測微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內，再將被測體套在測微頭的測桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；最后平移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相帖時擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘）并按圖接線。圖2-5 電渦流傳感器安裝、按線示意圖2、將電壓表（FV表）量程切換開關切換到20V檔，檢查接線無誤后將渦流變換器的撥動開關撥到“開”位置，開啟主電源開關，記下電壓表讀數(shù)

33、，然后逆時針調節(jié)測微頭微分筒每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入表2-1 。（在輸入端可接示波器觀測振蕩波形）表2-1 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)X（mm）Vo(V)3、根據(jù)表2-1 數(shù)據(jù)，畫出VX曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域試計算靈敏度和線性度（可用最小二乘法或其它擬合直線）。實驗完畢，關閉所有電源。實驗二 壓電式傳感器設計和測振動實驗一、實驗目的：了解壓電傳感器的原理和測量振動的方法。二、基本原理：壓電式傳感器是一和典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材料的壓電效應為轉換機理實現(xiàn)力到電量的轉換。壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，

34、在聲學、醫(yī)學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。1、 壓電效應：具有壓電效應的材料稱為壓電材料，常見的壓電材料有兩類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電材料受到外力作用時，在發(fā)生變形的同時內部產生極化現(xiàn)象，它表面會產生符號相反的電荷。當外力去掉時，又重新回復到原不帶電狀態(tài)，當作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變，如圖2-6 (a) 、(b) 、(c)所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應。(a) (b) (c)圖2-6 壓電效應2、壓電晶片及其等效電路多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片

35、，金屬膜構成兩個電極，如圖2-7(a)所示。當壓電晶片受到力的作用時，便有電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負電荷。這種情況和電容器十分相似，所不同的是晶片表面上的電荷會隨著時間的推移逐漸漏掉，因為壓電晶片材料的絕緣電阻(也稱漏電阻)雖然很大，但畢竟不是無窮大，從信號變換角度來看，壓電元件相當于一個電荷發(fā)生器。從結構上看，它又是一個電容器。因此通常將壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯(lián)的電路如2-7(b)所示。其中ea=Q/Ca 。式中，ea為壓電晶片受力后所呈現(xiàn)的電壓，也稱為極板上的開路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷；Ca 為壓電晶片的電容。實際的壓電傳感器中，

36、往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進行并聯(lián)或串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時如圖2-7(c)所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負電極在兩側的電極上，因而電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，宜于測量緩變信號并以電荷量作為輸出。(a) 壓電晶片                                (b) 等效

37、電荷源(c) 并聯(lián)                             (d) 壓電式加速度傳感器圖2-7 壓電晶片及等效電路壓電傳感器的輸出，理論上應當是壓電晶片表面上的電荷Q。根據(jù)圖2-7(b)可知測試中也可取等效電容Ca上的電壓值，作為壓電傳感器的輸出。因此，壓電式傳感器就有電荷和電壓兩種輸出形式。3、壓電式加速度傳感

38、器圖2-7(d) 是壓電式加速度傳感器的結構圖。圖中，M是慣性質量塊，K是壓電晶片。壓電式加速度傳感器實質上是一個慣性力傳感器。在壓電晶片K上，放有質量塊M。當殼體隨被測振動體一起振動時，作用在壓電晶體上的力FMa。當質量M一定時，壓電晶體上產生的電荷與加速度a成正比。4、壓電式加速度傳感器和放大器等效電路壓電傳感器的輸出信號很弱小，必須進行放大，壓電傳感器所配接的放大器有兩種結構形式：一種是帶電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。電壓放大器測量系統(tǒng)的輸出電壓對電纜電容Cc敏感。當電纜長度變化時，C

39、c就變化，使得放大器輸入電壓ei變化，系統(tǒng)的電壓靈敏度也將發(fā)生變化，這就增加了測量的困難。電荷放大器則克服了上述電壓放大器的缺點。它是一個高增益帶電容反饋的運算放大器。當略圖2-8 傳感器-電纜-電荷放大器系統(tǒng)的等效電路圖去傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻Ri影響時,有Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf(2-1) 式中，ei為放大器輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓ey=-Kei；K為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)；Cf為電荷放大器反饋電容。將ey=-Kei代入式(2-1)，可得到放大器輸出端電壓ey與傳感器電荷Q的關系式：設C=Ca+Cc+Ci ey=-KQ/(C+C

40、f)+KCf (2-2)當放大器的開環(huán)增益足夠大時，則有KCf>>C+Cf (2-2) 簡化為                                         &

41、#160;ey=-Q/Cf (2-3)式(2-3)表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關，輸出靈敏度取決于反饋電容。所以，電荷放大器的靈敏度調節(jié)，都是采用切換運算放大器反饋電容的辦法。采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的主要優(yōu)點。5、壓電加速度傳感器實驗原理圖 壓電加速度傳感器實驗原理、電荷放大器與實驗面板圖由圖2-9(a)、(b)所示。圖2-9(a) 壓電加速度傳感器實驗原理框圖圖2-9 (b) 電荷放大器原理圖與實驗面板圖三、需用器件與單元：機頭振動臺、壓電傳感器；主板低頻振蕩器、激振、示波器(

42、自備)。四、實驗步驟：1、按圖2-10所示將壓電傳感器放置在振動臺面的中心點上(與振動臺面中心的磁鋼吸合)，并在主板上按圖示意接線。圖2-10 壓電傳感器測振動實驗安裝、接線示意圖2、將主板上的低頻振蕩器幅度旋鈕逆時針轉到底(低頻輸出幅度為零)， 調節(jié)低頻振蕩器的頻率在68Hz左右。檢查接線無誤后合上主電源開關并將電荷放大器、低通濾波器的撥動開關撥到“開”位置。再調節(jié)低頻振蕩器的幅度使振動臺明顯振動(如振動不明顯可調頻率)。3、用示波器的兩個通道正確選擇雙線（雙蹤）示波器的“觸發(fā)”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS20mS范圍內選擇；VOLTS/DIV：1V0.1V范圍內選擇)設置同時

43、觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形；在振動臺正常振動時用手指敲擊振動臺同時觀察輸出波形變化。4、改變低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形變化。實驗完畢，關閉所有電源開關。三、 熱電式傳感器設計和應用實驗實驗一 K熱電偶設計和測溫實驗一、實驗目的：了解熱電偶測溫原理及方法和應用。 二、基本原理：1821年德國物理學家賽貝克（T×J×Seebeck）發(fā)現(xiàn)和證明了兩種不同材料的導體A和B組成的閉合回路，當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應（塞貝克效應）。熱電偶測溫原理是利用熱電效應。 如圖3-1所示，熱電偶就是將A和B二種不同金 圖3-1熱電偶屬材料的一端

44、焊接而成。A和B稱為熱電極，焊接的一端是接觸熱場的T端稱為工作端或測量端，也稱熱端；未焊接的一端處在溫度T0稱為自由端或參考端，也稱冷端(接引線用來連接測量儀表的兩根導線C是同樣的材料，可以與A和B不同種材料)。T與T0的溫差愈大，熱電偶的輸出電動勢愈大；溫差為時，熱電偶的輸出電動勢為；因此，可以用測熱電動勢大小衡量溫度的大小。國際上，將熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干分度號，如常用的(鎳鉻-鎳硅或鎳鋁)熱電偶，并且有相應的分度(見附表)表即參考端溫度為時的測量端溫度與熱電動勢的對應關系表；可以通過測量熱電偶輸出的熱電動勢值再查分度表得到相應的溫度值。熱電偶一般應用在冶金、化工和煉油行業(yè)，

45、用于測量、控制較高的溫度。 三、需用器件與單元：機頭溫度源、Pt100熱電阻(溫度源溫度控制傳感器)、熱電阻熱電偶(溫度特性實驗傳感器)、主板調節(jié)儀單元、FV表顯示單元、電橋單元、直流穩(wěn)壓電源(1.2-12V可調電壓)單元、差動放大器單元。 四、實驗步驟： 熱電偶使用說明：熱電偶由、熱電極材料及直徑(偶絲直徑)決定其測溫范圍，如(鎳鉻-鎳硅或鎳鋁)熱電偶，偶絲直徑3.2mm時測溫范圍1200，本實驗用的熱電偶偶絲直徑為0.5mm，測溫范圍800。由于溫度源溫度120，所以熱電偶實際實驗測溫范圍120。 從熱電偶的測溫原理可知，熱電偶測量的是測量端與參考端之間的溫度差，在參考端溫度為時才真實反映

46、測量端的溫度，否則存在著參考端所處環(huán)境溫度值誤差。 熱電偶的分度表(見附表1)是定義在熱電偶的參考端(冷端)為時熱電偶輸出的熱電動勢與熱電偶測量端(熱端)溫度值的對應關系。熱電偶測溫時要對參考端(冷端)進行修正(補償)，計算公式：E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0, t0) 式中：E(t,t0)-熱電偶測量端溫度為，參考端溫度為t0 = 時的熱電勢值； E(t,t0)-熱電偶測量溫度，參考端溫度為t0(不等于)時的熱電勢值； E(t0,t0)-熱電偶測量端溫度為t0，參考端溫度為t0 = 時的熱電勢值。 例：用一支分度號為(鎳鉻-鎳硅)熱電偶測量溫度源的溫度，工作時的參考端溫度(熱電偶輸

47、出端)t0= 20，而測得熱電偶輸出的熱電勢(經過放大器放大的信號，假設放大器的增益=10)32.7mv，則E(t,t0)=32.7mV/10=3.27mV，那么熱電偶測得溫度源的溫度是多少呢? 解：由附表1 熱電偶分度表查得： E(t0,t0)=E(20,0)=0.798mV 已測得 E(t,t0)=32.7mV/10=3.27mV 故 E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0, t0)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV 熱電偶測量溫度源的溫度可以從分度表中查出，與4.068mV所對應的溫度是100左右。 附表1：K熱電偶分度表 分度號：K （參考端溫度為0） 測量端溫度（）

48、0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熱 電 動 勢 （mV） 00.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9491.981502.0222

49、.0642.1052.1462.1882.2292.2702.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.8502.8922.9332.9753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.9303.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.4671104.5084.