檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)3 擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器、電容傳感器、直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器和反射式光纖位移傳感器測量實(shí)驗(yàn)

1、上海電力學(xué)院檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)八壓阻式壓力傳感器的壓力測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈹U(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理與方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器壓力傳感器、氣室、氣壓表、分壓器、差動放大器、電壓放大器、直流電壓表三、實(shí)驗(yàn)原理擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理如圖8-1，在X形硅壓力傳感器的一個(gè)方向上加偏置電壓形成電流，當(dāng)敏感芯片沒有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)有剪切力作用時(shí)，在垂直于電流方向?qū)a(chǎn)生電場變化，該電場的變化引起電位變化，則在與電流方向垂直的兩側(cè)得到輸出電壓Uo。 （8-1）式中d為元件兩端距離。實(shí)驗(yàn)接線圖如圖8-2所示，MPX10有4個(gè)引出腳，1腳接地、2腳為Uo+、3腳接+5V電源、4

2、腳為Uo-；當(dāng)P1>P2時(shí)，輸出為正；P1<P2時(shí)，輸出為負(fù)（P1與P2為傳感器的兩個(gè)氣壓輸入端所產(chǎn)生的壓強(qiáng)）。圖8-1 擴(kuò)散硅壓力傳感器原理圖圖8-2 擴(kuò)散硅壓力傳感器接線圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 按圖8-2接好“差動放大器”與“電壓放大器”，“電壓放大器”輸出端接數(shù)顯直流電壓表，選擇20V檔，打開直流開關(guān)電源。2 調(diào)節(jié)“差動放大器”與“電壓放大器”的增益調(diào)節(jié)電位器到適當(dāng)位置并保持不動，用導(dǎo)線將“差動放大器”的輸入端短接，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使直流電壓表20V檔顯示為零。3 取下短路導(dǎo)線，并按圖8-2連接“壓力傳感器”與“分壓器”。4 氣室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使氣室的壓

3、力相對大氣壓均為0，氣壓計(jì)指在“零”刻度處，將“壓力傳感器”的輸出接到差動放大器的輸入端，調(diào)節(jié)Rw1使直流電壓表20V檔顯示為零。5 填入下表。P(kP) U（V）6 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺電源，整理好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)九擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器差壓測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饫脡鹤枋綁毫鞲衅鬟M(jìn)行差壓測量的方法。二、基本原理壓阻式壓力傳感器的硅膜片受到兩個(gè)壓力P1和P2作用時(shí)，由于它們對膜片產(chǎn)生的應(yīng)力正好相反，因此作用在膜片上是P=P1-P2，從而可以進(jìn)行差壓測量。三、需要器件與單元實(shí)驗(yàn)八所用器件與單元、壓力氣囊。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1. 擴(kuò)散硅壓力傳感器MP×10已安裝在壓力傳感器模塊上，將氣室1

4、、2的活塞退到20ml處，并按圖4-1接好氣路系統(tǒng)。其中P1端為正壓力輸入、P2端為負(fù)壓力輸入，P×10有4個(gè)引出腳，1腳接地、2腳為Uo、3腳接+5V電源、4腳為Uo；當(dāng)P1P2時(shí)，輸出為正；當(dāng)P1P2時(shí)，輸出為負(fù)。2. 檢查氣路系統(tǒng)，分別推進(jìn)氣室1、2的兩個(gè)活塞，對應(yīng)的氣壓計(jì)有顯示壓力值并能保持不動。 3. 接入+4V、±15V直流穩(wěn)壓電源，模塊輸出端Uo2接控制臺上數(shù)顯直流電壓表，選擇20V檔，打開實(shí)驗(yàn)臺總電源。 4. 調(diào)節(jié)Rw2到適當(dāng)位置并保持不動，用導(dǎo)線將差動放大器的輸入端Ui短路，然后調(diào)節(jié)Rw3使直流電壓表200mV檔顯示為零，取下短路導(dǎo)線。 5. 退回氣室1、

5、2的兩個(gè)活塞，使兩個(gè)氣壓計(jì)均指在“零”刻度處，將MP×10的輸出接到差動放大器的輸入端Ui，調(diào)節(jié)Rw1使直流電壓表200mv檔顯示為零。 6. 保持負(fù)壓力輸入P2壓力零不變，增大正壓力輸入P1的壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力達(dá)到0.095Mpa；填入表4-1。P(KP)Uo2(V) 7. 保持正壓力輸入P1壓力0.095Mpa不變，增大負(fù)壓力輸入P2的壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力達(dá)到0.095Mpa；填入表4-2。P(KP)Uo2(V) 8. 保持負(fù)壓力輸入P2壓力0.095Mpa不變，減小正壓力輸入P1的

6、壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力達(dá)到0.0Mpa；填入表4-3。P(KP)Uo2(V) 9. 保持負(fù)壓力輸入P1壓力0Mpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力達(dá)到0.0Mpa；填入表4-4P(KP)Uo2(V)實(shí)驗(yàn)十四 電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娙輦鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)儀器電容傳感器、電容變換器、測微頭、數(shù)顯直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、絕緣護(hù)套三、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器是指能將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器它實(shí)質(zhì)上是具有一個(gè)可變參數(shù)的電容器。利用平板電容器原理： （

7、14-1）式中，S為極板面積，d為極板間距離，0為真空介電常數(shù)，r為介質(zhì)相對介電常數(shù)，由此可以看出當(dāng)被測物理量使S、d或r發(fā)生變化時(shí)，電容量C隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變而僅改變另一參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化單值地轉(zhuǎn)換為電容量的變化。所以電容傳感器可以分為三種類型：改變極間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。這里采用變面積式，如圖14-1，兩只平板電容器共享一個(gè)下極板，當(dāng)下極板隨被測物體移動時(shí)，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大，一只減小，將三個(gè)極板用導(dǎo)線引出，形成差動電容輸出。通過處理電路將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，進(jìn)行測量。圖14-1電容傳感器內(nèi)

8、部結(jié)構(gòu)示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 按圖14-2安裝好電容傳感器，并將電容傳感器引出線與“電容插座”相連接。圖14-2 電容傳感器安裝示意圖圖14-3 電容傳感器接線圖2 將底面板上電容傳感器與電容變換器相連，電容變換器的輸出接到數(shù)顯直流電壓表。3 打開直流電源開關(guān)。將電容傳感器的下極板調(diào)至中間位置，調(diào)節(jié)電容變換器的增益調(diào)節(jié)旋鈕，使得數(shù)顯直流電壓表顯示為0（選擇2V檔）。（增益調(diào)節(jié)電位器確定后不能改動）4 旋動測微頭推進(jìn)電容傳感器的中間極板（下極板），每隔0.2mm記下位移量X與輸出電壓值V的變化，填入下表14-1X(mm) V(V)實(shí)驗(yàn)十六直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饣魻?/p>

9、傳感器的原理與應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器霍爾傳感器、測微頭、分壓器、電橋、差動放大器、數(shù)顯電壓表三、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UH=KHIB，其中KH為靈敏度系數(shù)，由霍爾材料的物理性質(zhì)決定，當(dāng)通過霍爾組件的電流I一定，霍爾組件在一個(gè)梯度磁場中運(yùn)動時(shí)，就可以用來進(jìn)行位移測量。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 將霍爾傳感器安裝到傳感器固定架上，傳感器引線接到對應(yīng)的霍爾插座上。按圖16-1接線。2 開啟電源，直流數(shù)顯電壓表選擇“2V”檔，將測微頭的起始位置調(diào)到“10mm”處，手動調(diào)節(jié)測微頭的位置，先使霍爾片基本在磁鋼的中間位置（數(shù)顯表大致為0），固定測微頭，再調(diào)節(jié)Rw2使數(shù)顯表顯示為零。3 分別向左、右不同方向旋動

10、測微頭，每隔0.2mm記下一個(gè)讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入表16-1X（mm）U(mV)圖16-1 霍爾傳感器直流激勵(lì)接線圖實(shí)驗(yàn)二十九 光纖傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夥瓷涫焦饫w位移傳感器的原理與應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器Y型光纖傳感器、測微頭、反射面、差動放大器、電壓放大器、數(shù)顯電壓表三、實(shí)驗(yàn)原理反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖29-1所示，光纖采用型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接收到的光源與反射體表面的性質(zhì)及

11、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射面時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測。圖29-1 反射式光纖位移傳感器原理 圖29-2 光纖位移傳感器安裝示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 光纖傳感器的安裝如圖29-2所示，將Y型光纖結(jié)合處安裝在傳感器固定支架上，光纖分叉兩端插入“光纖插座”中。探頭對準(zhǔn)鍍鉻

12、反射板（鐵質(zhì)材料圓盤），固定在測微頭上。按圖29-3接線，電壓放大器的輸出接直流電壓表。2 將測微頭起始位置調(diào)到10cm處，手動使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定測微頭。3 將“差動變壓器”與“電壓放大器”的增益調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到中間位置。打開直流電源開關(guān)。4 將“電壓放大器”輸出端接到直流電壓表（20V檔），仔細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使電壓表顯示為零。5 旋動測微器，使反射面與光纖探頭端面距離增大，每隔.1讀出一次輸出電壓值，填入下表29-1X（mm）Uo(V)圖29-3 光纖位移傳感器接線圖數(shù)據(jù)處理（1）實(shí)驗(yàn)八壓阻式壓力傳感器的壓力測量實(shí)驗(yàn)1. 記錄數(shù)顯表數(shù)值于數(shù)據(jù)記錄紙上。2. 由所得數(shù)據(jù)，用Mat

13、lab繪出壓阻式壓力傳感器的特性曲線如下：圖1 壓阻式壓力傳感器特性曲線線性擬合的程序：clearx=5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15;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); 一次擬合;yfit=polyval(p,x); 求擬合后的y值;figure(1);plot(x,y,'r*',x,yfit,'b-'); 作擬合圖像;xlabel('P/kPa')ylabel('

14、;Vo/mV') grid on在計(jì)算非線性誤差過程中，需要求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差，這也可通過編程實(shí)現(xiàn)，figure(2);plot(x,y-yfit,'b*',x,y-yfit,'r-'); 求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差;xlabel('P/kPa')ylabel('V/mV')grid on圖2可求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差為0.12mV。3. 計(jì)算靈敏度S和非線性誤差f： S =V/P=（2.42-0.101）/（15-5）=2.40 mV/kPaf=（V-Vfit）m / Vfs

15、 ×100%=0.12 /2.42 ×100%=5.17% （2）實(shí)驗(yàn)十四 電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)1. 記錄數(shù)顯表數(shù)值于數(shù)據(jù)記錄紙上。2. 由所得數(shù)據(jù)，用Matlab繪出電容式傳感器的特性曲線如下：正程數(shù)據(jù)：紅點(diǎn)，藍(lán)線；返程數(shù)據(jù)：紫點(diǎn)，綠線。圖3 電容式傳感器特性曲線線性擬合的程序：clearx=1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.4 3.2 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4;y1=-1.8 -1.3 -0.8 -0.4 -0.0 0.2 0.5 0.7 1.0 1.1 1.2 1.5 1.8

16、 2.1 2.4 3.1 2.9 3.1 3.2 3.4;y2=-1.8 -1.3 -0.9 -0.5 -0.4 -0.1 0.1 0.3 0.6 1.2 1.4 1.7 1.9 2.1 2.2 2.4 2.6 3.0 3.1 3.4;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-')grid onhold onplot(x,y2,'m*',x,yfit2,'

17、g-')xlabel('X/mm')ylabel('V/mV') 在計(jì)算非線性誤差過程中，需要求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差figure(2);plot(x,y1-yfit1,'b*',x,y1-yfit1,'r-');xlabel('X/mm')ylabel('V/mV')grid on 圖4可求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差為0.46mV。在計(jì)算回差過程中，需要求輸出值正程數(shù)據(jù)與返程數(shù)據(jù)的最大偏差figure(3);plot(x,y1-y2,'b*',x,y

18、1-y2,'r-');xlabel('X/mm')ylabel('V/mV')grid on圖5可求輸出值正程數(shù)據(jù)與返程數(shù)據(jù)的最大偏差為0.7mV。3. 計(jì)算靈敏度S和非線性誤差f： S =V/X=（3.4 -（-1.8）/（5.4-1.6）=1.37 mV/mmf=（V-Vfit）m / Vfs ×100%=0.46 /5.2 ×100%=8.85% 計(jì)算回差H=Hmax / Vfs ×100%=0.7/5.2= 13.5%（3）實(shí)驗(yàn)十六直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)1. 記錄數(shù)顯表數(shù)值于數(shù)據(jù)記錄紙上。2. 由

19、所得數(shù)據(jù)，用Matlab繪出直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器的特性曲線如下：正程數(shù)據(jù)：紅點(diǎn)，藍(lán)線；返程數(shù)據(jù)：紫點(diǎn)，綠線。圖6 直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器特性曲線線性擬合的程序：clearx=1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0;y1=-24.9 -21.1 -19.5 -16.7 -14.3 -11.8 -9.3 -7.0 -4.5 -2.2 0.0 2.1 4.7 6.8 9.1 11.4 13.9 16.3 18.8 21.3 24;y2=-24.9 -22.3 -19.7 -1

20、7.1 -14.6 -12.1 -9.7 -7.3 -4.9 -2.6 0.1 2.5 4.9 7.4 9.6 12.2 14.6 16.9 19.5 21.9 24p1=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-')grid onhold onplot(x,y2,'m*',x,yfit2,'g-')xlabel('X/mm')ylabe

21、l('V/mV') 在計(jì)算非線性誤差過程中，需要求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差figure(2);plot(x,y1-yfit1,'b*',x,y1-yfit1,'r-');xlabel('X/mm')ylabel('V/mV')grid on圖7可求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差為0.98mV。在計(jì)算回差過程中，需要求輸出值正程數(shù)據(jù)與返程數(shù)據(jù)的最大偏差figure(3);plot(x,y1-y2,'b*',x,y1-y2,'r-');xlabel('X/mm&

22、#39;)ylabel('V/mV')grid on圖8可求輸出值正程數(shù)據(jù)與返程數(shù)據(jù)的最大偏差為1.20mV。3. 計(jì)算靈敏度S和非線性誤差f： S =V/X=（24 -（-24.9）/（5.0-1.0）=12.225mV/mmf=（V-Vfit）m / Vfs ×100%= 0.98 / 48.9 ×100%=2.00% 計(jì)算回差H=Hmax / Vfs ×100%=1.20/48.9= 2.5%（4）實(shí)驗(yàn)二十九 光纖傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)1. 記錄數(shù)顯表數(shù)值于數(shù)據(jù)記錄紙上。2. 由所得數(shù)據(jù)（前坡區(qū)），用Matlab繪出光纖傳感器的特性曲線如下：圖9 光纖傳感器特性曲線線性擬合的程序：clearx=15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22;y=8.7 8.7 8.7 8.7 8.7 8.8 8.8 8.8 8.9 8.9 8.9 8.9 9.0