傳感器實驗指導(dǎo)書

1、傳感器與檢測技術(shù)實驗指導(dǎo)教師：陳勁松實驗一金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理：金屬絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬的電阻表達式為：R -（ 1）S當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力 F作用時，將伸長I ,橫截面積相應(yīng)減小 S， 電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化 R。對式（1）全微分，并用相對變化量來表示，則有：仝 -S R I S（2）式中的l I為電阻絲的軸向應(yīng)變，用表示，常用單位（1=1 × 10 6mmmm）。若徑向應(yīng)變?yōu)閞r，電阻絲的縱向伸長

2、和橫向收縮的關(guān)系用泊松比 表示為 %（ %）,因為 %=2 （ %），則（2）式可以寫成：RIII-（1 2 ） （1 2）k。（3）R IIIII式（3）為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達式。k0稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3） 可見，ko受兩個因素影響，一個是（1 + 2 ），它是材料的幾何尺寸變化引 起的，另一個是（），是材料的電阻率 隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對于金屬材料而言，以前者為主，則 ko 1 2 ,對半導(dǎo)體，ko值主要是由 電阻率相對變化所決定。實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相 對變化與軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù) ko=2左右。用應(yīng)變片測量受力時，將應(yīng)變片粘貼于被

3、測對象表面上。在外力作用 下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形時，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)（3） 式，可以得到被測對象的應(yīng)變值,而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系E（4）式中 測試的應(yīng)力； E 材料彈性模量?？梢詼y得應(yīng)力值。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓 力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測量上述各量，從而做成各種 應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片可分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金 屬薄膜應(yīng)變片。三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、砝碼、數(shù)顯表、士 15V電源、士 5V電源、萬 用表（自備）。四、實驗內(nèi)容與步驟：1、應(yīng)變片

4、的安裝位置如圖（1 1）所示，應(yīng)變式傳感器已裝到應(yīng)變 傳感器模塊上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的 R1、R2 R3 R4 可用萬用表進行測量，R仁R2=R3=R4=30°R1R2R4R3圖1 1應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2、接入模板電源士 15V （從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控箱 電源開關(guān)，順時針調(diào)節(jié) Rw2使之大致位于中間位置，再進行差動放大器調(diào) 零，方法為：將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào)零電位器 Rw3使數(shù)顯表顯示 為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到 2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。（注意：當(dāng)Rw2 的位置一旦確定，就

5、不能改變。）3、 按圖1-2將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片 R1 （即模板左上方的 R1）接入電橋作為一個橋臂與 R5 R6 R7接成直流電橋，（R5 R6 R7模 塊內(nèi)已接好），接好電橋調(diào)零電位器Rw1接上橋路電源士 5V,此時應(yīng)將士 5V 地與士 15V地短接（因為不共地）如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上 主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié) Rw 1使數(shù)顯表顯示為零。4、在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，以后每次增加一個砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完。記下實驗結(jié)果填入表1-1 ,關(guān)閉電源。表1-1單臂電橋輸出電壓與所加負載重量值重量(g)正 行程I020406080100120

6、140160180200電 壓(mv)重量(g)反 行程I020406080100120140160180200電 壓(mv)重量(g)正 行 程II020406080100120140160180200電 壓(mv)重量(g)反 行 程II020406080100120140160180200電 壓(mv)5、根據(jù)表1- 1計算系統(tǒng)靈敏度、非線性誤差(端基法或最小二乘法)、遲滯誤差和重復(fù)性誤差五、實驗注意事項:1、不要在砝碼盤上放置超過 1kg 的物體，否則容易損壞傳感器。2、電橋的電壓為士 5V,絕不可錯接成士 15V,否則可能燒毀應(yīng)變片。六、思考題：1 、單臂電橋時，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)

7、選用： （ 1 ）正（受拉）應(yīng)變片 （2）負（受壓）應(yīng)變片（ 3）正、負應(yīng)變片均可以。七、實驗報告要求：1、記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出單臂電橋時傳感器的特性曲線。2、從理論上分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。實驗二 金屬箔式應(yīng)變片 - 全橋性能實驗及電子秤實驗一、實驗?zāi)康模毫私馊珮驕y量電路的原理及優(yōu)點。 了解應(yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。二、基本原理： 半橋測量電路中，把不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊， 電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩個應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng) 變片初始阻值：R1= R2= R3= R4,其變化值 R1= R2= R3= R4時， 其橋路

8、輸出電壓U03 = KE。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明顯改善。電子秤實驗原理為利用全橋測量原理，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的 電壓值為重量對應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始 的電子秤。三、需用器件和單元：應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、砝碼、數(shù)顯表、士 15V電源、士 5V電源。四、實驗內(nèi)容與步驟：（ 一 ） 、半橋性能實驗1、接入模板電源士 15V （從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控箱 電源開關(guān)，進行差動放大器調(diào)零，方法為：將差放的正、負輸入端與地短 接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端 Vi 相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào) 零電位器Rw3使數(shù)顯表顯

9、示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉 主控箱電源。2、根據(jù)圖2-1接線。R1、R2為實驗?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意 R2應(yīng) 和 R1 受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓） 的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源士 5V,調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位 器Rwl進行橋路調(diào)零，重復(fù)實驗一中的步驟 4、5,將實驗數(shù)據(jù)記入表2-1 O 若實驗時顯示數(shù)值不變化說明 R1與R2兩應(yīng)變片受力狀態(tài)相同。則應(yīng)更換 應(yīng)變片。圖2-1應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖表2-1半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值重量(g)正 行 程020406080100120140160180200電 壓(mv)重量(g

10、)反 行 程020406080100120140160180200電 壓(mv)(二)、全橋性能實驗根據(jù)圖2-2接線，實驗方法與實驗一相同，注意保持RW位置不動 將實驗結(jié)果填入表2-2 ;進行靈敏度和非線性誤差計算。表2-2全橋輸出電壓與加負載重量值重量(g)正 行 程020406080100120140160180200電 壓(mv)重量(g)反 行 程020406080100120140160180200電 壓(mv)搖大電路5圖2-2應(yīng)變式傳感器全橋?qū)嶒灲泳€圖（二）電子秤實驗利用全橋測量原理，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng) 值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始的

11、電子秤。1、按實驗一中2的步驟，將差動放大器調(diào)零，按圖2-2全橋接線，合 上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位器 Rwl使數(shù)顯表顯示（2V檔）。2、 將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rw2（增益即 滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為或一。3、拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器 Rwl （零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯 示為。4、 重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱 V改為 重量量綱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，填入下表2-3表2 3電橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）正 行 程020406080100120140160180200電 壓(mv)重量（

12、g）反 行 程020406080100120140160180200電 壓(mv)五、實驗注意事項：1、不要在砝碼盤上放置超過Ikg的物體，否則容易損壞傳感器2、電橋的電壓為士 5V,絕不可錯接成士 15V。六、思考題：1、全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R、R3為對邊）值R相同時，即R = R3, R2= R4,而R RZ時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。2、某工程技術(shù)人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應(yīng)變片， 如何利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖2-3 應(yīng)變式傳感器受拉時傳感器周面展開圖 七、實驗報告要求：1、根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)繪制出傳感器的特性曲線。2、計算并比

13、較半橋、全橋輸出時的靈敏度、非線性度和遲滯誤差, 并從理論上加以分析比較，得出相應(yīng)的結(jié)論。3、分析什么因素會導(dǎo)致電子秤的非線性誤差增大，怎么消除，若要增加輸出靈敏度，應(yīng)采取哪些措施實驗三電容式傳感器的位移特性實驗 一、實驗?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。一、基本原理：利用平板電容C= S/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量 電路可以選擇£、S、d中三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中 一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（變）測微小位移（變d）和測量液位（變S）等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對極距 特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影

14、響很小， 且理論上具有很好的線性關(guān)系，（但實際由于邊緣效應(yīng)的影響，會引起極板 間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極 距型好得多。）成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量 C在 忽略邊緣效應(yīng)時為：(1)式中I 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；D、A 外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對移動I時，電容變化量Crc 2 I 2 I I 2 IC -In% Inr2r1Inh(2)于是，可得其靜態(tài)靈敏度為:kg2_II_2_I_In 人 In r24_In r2r1(3)可見靈敏度與r2r,有關(guān)，r2與r越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋 長度I與靈敏度無

15、關(guān)，但I不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。 本實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對測量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器 的靈敏度。二、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)０?、測微頭、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。三、實驗步驟：1、將電容式傳感器裝于電容傳感器實驗?zāi)０迳?，將傳感器引線插頭 插入實驗?zāi)０宓牟遄小?、將電容傳感器實驗?zāi)０宓妮敵龆?Vol與數(shù)顯單元Vi相接（插入主 控箱Vi孑L） RW調(diào)節(jié)到中間位置。3、接入士 15V電源，旋動測微頭改變電容傳感器動極板的位置，每隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表3-1 O表3

16、1電容傳感器位移與輸出電壓值X(mm)正 行 程0V(mv)X(mm)反 行 程0V(mv)4、根據(jù)表3-1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度、非線性誤差和遲滯誤差 五、實驗注意事項:1、傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2、做實驗時，不要接觸傳感器，否則將會使線性變差。R1IlRl iD;0.0 IUFIN414T4HPr0.1UFLMMS 74im410«OI CXft -ISV G¼ID +1VC：IlJFRw3.3K1圖3-1電容傳感器位移實驗接線圖六、思考題：1、簡述什么是傳感器的邊緣效應(yīng)， 它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。 2、電容式傳感器和電感式傳感器相比，有

17、哪些優(yōu)缺點？七、實驗報告要求：1、整理實驗數(shù)據(jù)， 根據(jù)所得得實驗數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線，并利用最 小二乘法做出擬合直線，計算該傳感器得非線性誤差。2、根據(jù)實驗結(jié)果，分析引起這些非線性得原因，并說明怎樣提高傳感器得 線性度。實驗四 Pt100 熱電阻測溫實驗一、 實驗?zāi)康模毫私鉄犭娮璧奶匦耘c應(yīng)用。二、 基本原理： 利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化這一特性，熱電阻用于測量時，要求其材料 電阻溫度系數(shù)大，而穩(wěn)定，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關(guān)系。 常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在 0 630.74 C以內(nèi)，電阻Rt與溫度t的關(guān) 系為：2Rt=Ro（1+At+Bt2）Ro系溫度為0C時的電阻。本實驗Ro=

18、100C。A=× 102C, B= X 107C 2，鉑電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種，兩線制中 引線電阻對測量的影響大，用于測溫精度不高的場合，三線制可以減小熱 電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。 四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用于高精度溫度檢測。本實 驗是三線制連接， 其中一端接二根引線主要為消除引線電阻對測量的影響。三、需用器件與單元：Pt100熱電阻（溫度模塊上）、1A恒流源、溫度控制單元（溫控器）、溫 度傳感器實驗?zāi)０濉?shù)顯單元、萬用表。四、實驗步驟：1、將溫度模塊中的實驗 Pt100接入a、b間，把b、C連接起來，這

19、樣，R1、R3 R4 Rwl Pt100就組成了一種直流單臂電橋，再把 Rw2逆時 針旋到底（增益最?。?。圖4-1PtIOO熱電阻測溫實驗接線圖2、把溫度模塊的士 15V和主控箱的士 15V輸出連接起來，差動放大器 的Vo與主控箱的電壓表相連，再將差動放大器的輸入端與地短接，調(diào)節(jié) Rw3使差動放大器的輸出為零。3、按圖4-1連接好線，在端點a與地之間加+5V的直流電源，按圖11-1將電橋的輸出與差動放大器相連，溫度控制器的SV窗口設(shè)定為500c（設(shè)置方法見附錄2）,然后調(diào)節(jié)Rw1使電橋平衡，即使差放的輸出為零。4、在50°C的基礎(chǔ)上，以后每隔5°C設(shè)定一次，即 t= 5&

20、#176;C，讀取數(shù)顯 表值，將結(jié)果填入下表。表5- 1T (C)正 行 程50556065707580859095100V(mV)T (C)反 行 程50556065707580859095100V(mV)5、根據(jù)上表計算Pt100的靈敏度、非線性誤差、遲滯誤差 五、實驗注意事項：加熱器溫度不能加熱到120C以上，否則將可能損壞加熱器 六、思考題：如何根據(jù)測溫范圍和精度要求選用熱電阻？七、實驗報告要求：1、根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)，做出傳感器的特性曲線。2、總結(jié) Pt100 熱電阻傳感器有哪些優(yōu)缺點。附錄 1 實驗箱溫度控制簡要原理 當(dāng)總電源開關(guān)合上，并且溫度控制器的開關(guān)也閉合時，如果溫度控制 器

21、測得的溫度低于設(shè)定的溫度值， 那么溫度控制器面板上 ALM2丁亮（ALM2 為一繼電器的常開觸點， 恒流源是與這個常開觸點串聯(lián)的） ，內(nèi)部繼電器閉 合，溫度模塊開始加熱，加熱電源為1A恒流源，當(dāng)溫度加熱到略高與設(shè)定 溫度值時，ALM2丁滅，內(nèi)部繼電器斷開，溫度模塊停止加熱，但由于溫度 的慣性比較大，因此當(dāng)溫度模塊停止加熱后，仍有一定的向上的沖量。附錄 2 溫度控制器使用說明1 、儀表通電顯示窗先顯示 PV 窗輸出代碼、 SV 窗輸入代碼，后顯示 PV 窗 量程上限、SV窗量程下限（N型顯示PV窗Jd05、SV窗2003）,隨后 即進入工作狀態(tài)，其中 PV顯示的為測量的溫度值，SV顯示的為設(shè)定的

22、溫 度值，當(dāng)SV的值大于PV的值時ALM2丁亮，恒流源有輸出，當(dāng)PV的值大 于SV的值時，ALM1燈亮，恒流源無輸出，按SET鍵秒SV顯示窗閃爍，此 時可改變設(shè)定值，再按SETa秒確認，如需要修改其他參數(shù)，必須按住SET 鍵大于3秒，即進入B菜單，可按要求逐一修改內(nèi)容（見操作流程表），修 改完畢再按SET鍵秒若干下，退出菜單，如15秒內(nèi)無鍵按下（該窗內(nèi)新設(shè) 置的數(shù)據(jù)無效）自動進入新的工作狀態(tài)。2、 當(dāng)輸入信號大于量程上限時，儀表顯示 ，當(dāng)輸入信號小于超出量 程下限10%以上時，儀表仍顯示 ，并切斷主控輸出；當(dāng)輸入信號略 小于量程下限時，儀表顯示 。3、 當(dāng)溫度控制效果不夠理想時，可以通過人工后

23、自整定來改變PID參數(shù)。 操作方法如下：人工修正：將儀表進入 B菜單至P窗，再用溫度控制器 下面的三個箭號鍵來修正 P值，再按進入I窗，I、d、T的修正方法同上， 然后再按SET鍵若干下返回正常工作狀態(tài)，即開始新的 PID參數(shù)。自整 定修正： 先把主控設(shè)定再實際使用值后實用值的 80%左右，再將儀表進入 B 菜單至ATU窗后選擇（1）選號按SET鍵確認后儀表即進入自整定狀態(tài)，同 時AT燈亮，帶自整定完成AT燈滅儀表即按新的自整定 PID參數(shù)工作。用 自整定修正PID值時應(yīng)該注意當(dāng)負載為多段串聯(lián)加熱方式（如擠出機械）， 其中某段進入自整定過程時，應(yīng)盡量保持相鄰前后二段的溫度不變，否則 會影響自整定效果。4、PID參數(shù)的設(shè)置原則：P比例帶設(shè)定，一般取上過沖值的 2倍，當(dāng)溫度有規(guī)律波動（系統(tǒng)振蕩） 應(yīng)增加比例帶，當(dāng)溫度無規(guī)律漂動時，應(yīng)