傳感器原理及應用實驗指導

1、傳感器原理及應用實驗指導書自動控制技術教研室編者：張春芳 王海榮實驗一 金屬箔式應變片-單臂、半臂、全橋性能實驗一、 實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂、半臂、全電橋工作原理和性能。二、 基本原理：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：R/R=K式中：R/R為：R/R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，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，通過它轉換被測部件受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。對單臂電橋輸出電壓U1=Ek/

2、4。在半橋性能實驗中，不同受力方向的兩只應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。當應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出電壓U2=Ek/2。在全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應變片接入電橋對邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其變化值R1=R2=R3=R4時，其橋路輸出電壓U3=Ek。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。三、 實驗設備：應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V、±4V直流電源、萬用表。四、 實驗方法和要求：1、 根據(jù)電子電路知識，實驗前設計出實驗電路連線圖。2、 獨

3、力完成實驗電路連線。3、 找出這三種電橋輸出電壓與加負載重量之間的關系，并作出Vo=F(m)的關系曲線。4、 分析、計算三種不同橋路的系統(tǒng)靈敏度S=U/W（U輸出電壓變化量，W重量變化量）。五、 思考題1、 單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可以。2、 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，應放在：（1）對邊（2）鄰邊。3、 全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1=R3，R2=R4，而R1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。實驗二 壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗一、 實驗目的

4、：了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和方法。二、 基本原理：擴散硅壓阻式壓力傳感器在單晶硅的基片上擴散出P型或N型電阻條，接成電橋。在壓力作用下，根據(jù)半導體的壓阻效應，基片產(chǎn)生應力，電阻條的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化，我們把這一變化引入測量電路，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。三、 實驗設備：壓力源、壓力表、壓阻式壓力傳感器、壓力傳感器實驗模板、流量計、三通連接導管、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源±4V、±15V。四、 實驗方法和要求：1、 根據(jù)電子電路知識完成電路連接，主控箱內(nèi)的氣源部分、壓縮泵、儲氣箱、流量計在主控箱內(nèi)部已接好。將標準壓力表放置傳感器支架上

5、，三通連接管中硬管一端插入主控板上的氣源快速插座中（注意管子拉出時請用雙指按住氣源插座邊緣往內(nèi)壓，則硬管可輕松拉出）。其余兩根軟導管分別與標準表和壓力傳感器接通。將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座中。2、 先松開流量計下端進氣口調(diào)氣閥的旋鈕，開通流量計。3、 合上主控箱上的氣源開關，啟動壓縮泵，此時可看到流量計中的滾珠浮子在向上浮起懸于玻璃管中。4、 逐步關小流量計旋鈕，使標準壓力表指示某一刻度，觀察數(shù)顯表顯示電壓的正、負，若為負值則對調(diào)傳感器氣咀接法。5、 仔細地逐步由小到大調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使壓力顯示在414KP之間，每上升1KP分別讀取壓力表讀數(shù)，記下相應的數(shù)顯表值。6、 計算本系統(tǒng)的靈敏

6、度和非線性誤差。五、 思考題：如果本實驗裝置要成為一個壓力計，則必須對其進行標定，如何標定？實驗三 壓電式傳感器測震動實驗一、 實驗目的：了解壓電式傳感器的測量震動的原理和方法。二、 基本原理：壓電式傳感器由慣性量塊和受壓的壓電片等組成。（仔細觀察實驗用壓電加速度計結構）工作時傳感器感受與試件相同頻率的震動，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應，壓電晶片上產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷。三、 實驗設備：震動臺、壓電傳感器、檢波、移相、低通濾波器模板、壓電式傳感器實驗模板、雙線示波器。四、 實驗方法和要求：1、 壓電傳感器已裝在震動臺面上。2、 將低頻震蕩器信號接入到臺面三源

7、板震動源的激勵插孔。3、 將壓電傳感器輸出兩端插入到壓電傳感器實驗模板兩輸入端，與傳感器外殼相連的接線端接地，另一端接R1。將壓電傳感情實驗模板電路輸出端Vo1接R6。將壓電傳感器實驗模板電路輸出端V02接入低通濾波器輸入端Vi，低通濾波器輸出Vo與示波器相連。4、 合上主控箱電源開關，調(diào)節(jié)低頻震蕩器的頻率和幅度旋鈕使震動臺震動，記錄示波器波形。5、 改變低頻震蕩器的頻率，記錄輸出波形變化。6、 用示波器的兩個通道同時記錄低通濾波器輸入端和輸出端波形。7、 求出壓電傳感器的振動方程。五、 思考題： 根據(jù)壓電傳感器的振動方程，是否能得到其速度和加速度方程。實驗四 差動變壓器的性能實驗一、 實驗目

8、的：差動變壓器的工作原理和特性。二、 基本原理：差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段和三段式，本實驗是三段式結構。當傳感器隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應電勢增加，另一只感應電勢則減少，將兩只次級反向串接（同名端連接），就引出差動輸出。其輸出電勢反映出被測體的移動量。三、 實驗設備：差動變壓器實驗模板、測微頭、雙線示波器、差動變壓器、音頻信號源（音頻震蕩器）、直流電源、萬用表。四、 實驗方法和要求：1、 將差動變壓器裝在差動變壓器實驗模板上。2、 將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座中，

9、接好外圍電路，音頻震蕩器信號必須從主控箱中的Lv端子輸出，調(diào)節(jié)音頻震蕩器的頻率，輸出頻率為45KHZ（可用主控箱的頻率表輸入Fin來檢測）。調(diào)節(jié)輸出幅度為峰-峰值Vp-p=2V（可用示波器檢測）3、 旋轉測微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰-峰值Vp-p最小，這時可以左右位移，假設其中一個方向為正位移，另一個方向位移為負，從Vp-p最小開始旋動測微頭，每隔0.2mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，至少記錄一個周期的數(shù)據(jù)。在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關系。4、 在實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓大小。畫出輸出電壓峰值Vop-p位移X曲線，作

10、出量程為±1mm、±3mm靈敏度和非線性誤差。五、 思考題：1、 用差動變壓器測量較高頻率的振幅，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？2、 試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？實驗五 位移傳感器特性實驗-霍爾式、電渦流式、電容式（一）霍爾式傳感器位移特性實驗一、 實驗目的：了解霍爾式傳感器原理與應用。二、 基本原理：根據(jù)霍爾效應，霍爾電勢U=KIB，當霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測量。三、 實驗設備：霍爾傳感器實驗模板、霍爾傳感器、直流電源、測微頭、數(shù)顯單元。四、 實驗方法和要求：1、 將霍爾傳感器安裝于實驗模板的支架上。再將傳感器引線插頭接入

11、實驗模板的插座中，完成實驗電路的連線。2、 開啟電源，調(diào)節(jié)測微頭使霍爾片在磁鋼中間位置并使數(shù)顯表指示為零。3、 測微頭向軸向方向推進，每轉動0.2mm記下一個輸出電壓讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變。4、 作出VX曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。五、 思考題：本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？ （二） 電渦流傳感器位移實驗一、 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：通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，因此可以進行位移測量。三、 實驗設備：電渦流傳感器實驗模板、電渦

12、流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片。四、 實驗方法和要求：1、 將電渦流傳感器安裝在實驗模板的支架上。2、 觀察傳感器結構，這是一個平繞扁線圈。3、 將電渦流傳感器輸出線接入實驗模板標有L的兩端插孔中，作為震蕩器的一個元件。4、 在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。5、 用連接導線從主控臺接入±15V直流電源接到模板上標有+15V的插孔中。6、 使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出電壓幾乎不變?yōu)橹埂?、 畫出VX曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進行正、負位移測量時的最佳工作點，試計算量程為1m

13、m、3mm及5mm時的靈敏度和線性度（可以用端基法或擬合直線法）。六、 思考題：1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關?2、電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據(jù)量程選用傳感器。（三） 電容式傳感器的位移實驗一、 實驗目的：了解電容式傳感器結構及其特點。二、 基本原理：利用平板電容C=A/d和其它結構的關系式，通過相應的結構和測量電路可以選擇 、 A、d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（d變）和測量液位（A變）等多種電容傳感器。三、 實驗設備：電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭、相敏檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓電源。四、 實

14、驗方法和要求：1、 將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模板上，將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座中。2、 將電容傳感器實驗模板的輸出端Vo1與數(shù)顯表單元Vi相接，Rw調(diào)節(jié)到中間位置。3、 接入±15V電源，旋轉測微頭推進電容傳感器動極板位置，每間隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值。4、 計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差f。五、 思考題：試設計利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結構？能否敘述一下在設計中應考慮哪些因素？實驗六 轉速的測量-磁電式、光電式、霍爾式(一) 磁電式轉速傳感器測速實驗一、 實驗目的：了解磁電式傳感器測量轉速的原理。二、 基本原理：基于電磁感應原理，N匝線圈所

15、在磁場的磁通變化時，線圈中感應電勢=d/dt發(fā)生變化，因此當轉盤上嵌入N個磁棒時，每轉一周線圈感應電勢產(chǎn)生次的變化，通過放大、整形和計數(shù)的電路即可以測量轉速。三、 實驗設備：磁電式傳感器、數(shù)顯單源測速檔、直流電源224V。四、 實驗方法和要求：1、 根據(jù)磁電式傳感器原理，獨立完成實驗電路的連線。磁電式傳感器端面離轉動盤面2mm左右，并且將磁電傳感器中心對準磁鋼中心。2、 使轉速電機帶動轉盤旋轉，將轉速電源從5V起，每增加5V電壓記錄一組轉速數(shù)椐。3、 作出轉速與轉速電壓關系曲線。五、思考題：為什么說磁電式傳感器不能測很低速的轉動，請說明理由。(二) 光電轉速傳感器測速實驗一、實驗目的：掌握光電

16、轉速傳感器測量轉速的原理及方法。二、基本原理：光電式轉速傳感器有反射型和透射型兩種，在透射型的實驗裝置上，傳感器端部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光通過轉盤上開孔透射后，由光電管接收并轉換成電信號。由于轉盤上有相間的6個孔，轉動時將獲得與轉速及孔數(shù)有關的脈沖，將電脈沖計數(shù)處理可得到轉速值。三、實驗設備：光電轉速傳感器、直流電源+5V、轉動源及224V直流電源、數(shù)顯單元。四、實驗方法和要求：1、將光電傳感器安裝在三源板上，利用電子電路知識，把三源板上的電源+5V、地、輸出與主控箱上的電源+5V、地、數(shù)顯表上的輸入端相連。數(shù)顯表轉換開關打到轉速檔。將轉速源電源224V輸出旋到最小，接到轉動源電源2

17、4V插孔上。完成電路接線，并畫出電路接線圖。2、 將轉速源電源輸出旋到4V開始記錄電機轉速，以后每增加2V記一次電機轉速，到20V為止。3、作出轉速源電源電壓與電機轉速的關系曲線。4、分析、計算轉盤上單孔時電機轉速五、思考題：光電轉速傳感器測速與磁電轉速傳感器測速、霍爾式傳感器測速比較哪種方法最簡單、方便。（三） 霍爾測轉速實驗一、實驗目的：了解霍爾轉速傳感器的應用。二、基本原理：利用霍爾效應表達式：當被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉一周磁場就變化N次。每轉一周霍爾電勢就同頻率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉物的轉速。需用器件與單元：霍爾轉速傳感器、直流源+5V

18、、轉動源2-24V、轉動源單元、數(shù)顯單元的轉速顯示部分。三實驗步驟：1.將霍爾轉速傳感器裝于傳感器支架上，探頭對準反射面內(nèi)的磁鋼。2.將5V直流源加于霍爾轉速傳感器的電源端（1號接線端）。3.將霍爾轉速傳感器輸出端（2號接線端）插入數(shù)顯單元FIN端，3號接線端接地。4.將轉速調(diào)節(jié)中的+2V-24V轉速電源接入三源板的轉動電源插孔中。5.將數(shù)顯單元上的開關撥到轉速檔。6.調(diào)節(jié)轉速調(diào)節(jié)電壓使轉動速度變化。觀察數(shù)顯表轉速顯示的變化。思考題：1、 利用霍爾元件測轉速，在測量上有否限制？2、 本實驗裝置上用了六只磁鋼，能否用一只磁鋼？實驗七 集成溫度傳感器的特性實驗一、 實驗目的：了解常用的集成溫度傳感

19、器基本原理、性能與應用。二、 基本原理：集成溫度傳感器將溫敏晶體管與相應的輔助電路集成在同一芯片上，它能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于-50±150之間溫度測量，溫敏晶體管是利用管子的集電極電流恒定時，晶體管的基極、發(fā)射極電壓與溫度成線性關系。為克服溫敏晶體管b電壓生產(chǎn)時的離散性，均采用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器有電壓型和電流型兩種，電流輸出型集成溫度傳感器，在一定溫度下，它相當于一個恒流源。因此它具有不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾。具有很好的線性。本實驗采用的是國產(chǎn)的AD590。它只需要一種電源（+4V+30V）。即可實現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在

20、終端使用一只取樣電阻（本實驗中為R2）即可實現(xiàn)電流到電壓的轉換。它使用方便且電流型比電壓型的測量精度更高。三、 實驗設備：溫度控制單元、加熱源、集成溫度傳感器、溫度傳感器實驗模板、數(shù)顯單元、萬用表。四、 實驗方法和要求：1、 將K型熱電偶測試端插入臺面三源板加熱源的一個傳感器安置孔中，做環(huán)境溫度監(jiān)控用。2、 集成溫度傳感器接入實驗模板。根據(jù)電子電路知識，完成實驗電路的所有接線,并畫出接線電路圖。3、 實驗中設定溫度從40開始，建議溫度控儀表每隔5設定一個點（至少十個點），并記下數(shù)顯表上相應的讀數(shù)電壓值，注意上線不能超過125。4、 作出集成溫度傳感器的輸出電壓與溫度變化的關系曲線。5、 據(jù)誤差

21、與數(shù)據(jù)處理知識，對實驗數(shù)據(jù)分析、處理。計算出在所得數(shù)據(jù)范圍內(nèi)集成溫度傳感器的非線性誤差。五、 思考題：我們知道在一定的電流模式下PN結的正向電壓與溫度之間具有較好的線性關系，因此就有溫敏二極管。利用開關二極管或其它溫敏二極管在50100之間，作溫度特性，然后與集成溫度傳感器相同區(qū)間的溫度特性進行比較，從線性看溫度傳感器線性優(yōu)于溫敏二極管，試說明理由。實驗八 鉑電阻測溫特性實驗一、 實驗目的：了解鉑電阻的特性與應用。二、 基本原理：利用導體電阻隨溫度變化的特性，熱電阻用于測量時，要 求 其材料電阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性好，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線 性關系。常用鉑電阻和銅電阻、鉑電阻在0630.74以內(nèi)，電阻Rt與溫 度t的關系為：Rt=Ro(1+At+Bt²)，Ro系溫度為0時的電阻。本實驗Ro=100，At=3.9684