传感器实验书2013-10-21版.doc

传感器实验指导书传感器实验指导书一、金属箔式应变片实验单臂电桥、半桥、全桥比较二、差动变压器的标定、应用振幅测量三、电涡流传感器的静态标定、应用电子秤四、差动变面积式电容传感器实验静态特性、动态特性五、霍耳传感器的直流激励特性及应用六、光电开关的转速测量实验七、光敏电阻实验实验一 金属箔式应变片实验金属箔式电阻应变片的单臂电桥、半桥、全桥比较1. 实验目的（1）了解金属箔式应变片，电桥的工作原理及工作情况。（2）验证单臂、半桥、全桥（选做）的性能及相互之间的关系。2. 实验原理本实验说明实际使用的应变电桥的性能及原理。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片进行测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变时，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路的对臂电阻乘积相等或邻臂电阻的比值相等，电桥输出为零，在桥臂的四个电阻R1、R2、 R3、R4（取R1=R2=R3=R4）中，电阻的相对变化率分别为R1/R1=R2/R2=R3/R3=R4/R4=R/R，当使用一个应变片时，R=R/R；当二个应变片组成差动状态工作时，则有R=2R/R，用四个应变片组成二个差动工作，有R=4R/R。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于R，电桥的灵敏度Ku=，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为、和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。3. 所需单元和部件直流稳压电源、差动放大器，电桥、F/V表、测微头、双平衡梁、应变片、主、副电源。4. 旋钮的初始位置直流稳压电源打到2V档，F/V打到2V档，差动变压器的增益打到最大（顺时针旋转到底）。5. 实验步骤（1）了解所需单元、部件在实验仪上所在的位置，观察梁上的应变片，上下二梁的外表面各贴两片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平衡梁前面的支座上，可以上下调节。（2）将差动放大器调零：按图1接线，用连线将差动放大器的正（+）、负（-）和地短接。将差动放大器的输出与F/V的输入口Vi相连；检查连线无误后，开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置（注：调零时，差放增益在最大，实验过程中，差放增益应选在中间适当位置），然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭主、副电源。图1 差动放大器调零电路（3）根据图2进行接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；Rx=R4为应变片。将稳压电源的切换开关置4V档，F/V表置20V档，检查接线无误后，开启主、副电源，调整测微头使双平衡梁处于水平位置（水平位置目测，测微头10mm刻度附近，选择一个合适的刻度，方便读数），使双平衡梁的自由端与自由端磁钢吸合，将稳压电源的切换开关置4V档，选择合适的差动放大器的增益（可以选择最大与最小之间的增益；但选定后，后面电桥实验中，该增益不能再改变），然后调整电桥平衡电位器W1使F/V表头的读数为零，此时测微头的刻度为零位的相应刻度（可以作为X-V曲线的坐标原点）。图2 实验接线图（4）旋转测微头，带动梁向上和向下移动。水平状态输出电压为零，向上移动5mm，测微头每移动0.5mm记录一下F/V表读数，填入下表。然后旋动测微头使横梁返回水平位置（向上移动时的初始位置），再次调零后，再向下移动5mm，测微头每移动0.5mm记录一下F/V表读数，填入下表。上移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV下移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV（5）保持放大器的增益不变，将R3换成应变片（箭头方向与R4相反），二者受力方向不同，形成半桥，调节测微头使梁处于水平位置（目测），调整电桥平衡电位器W1使表头显示为零，重复（4），将所得数据填入下表。上移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV下移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV（6）保持放大器的增益不变，将R1、R2换成另两片受力应变片构成全桥电路（组桥时只要掌握电桥对臂应变片的受力方向相同或邻臂应变片的受力方向相反即可。否则相互抵消，没有输出）调节测微头使梁处于水平位置（目测），调整电桥平衡电位器W1使表头显示为零，重复（4），将所得数据填入下表。上移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV下移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV（7）在同一坐标纸上画出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度S（S=U/X）。（8）实验完毕，关闭主、副电源，拆除接线，整理好实验台。6. 注意事项（1）实验前应检查接插线是否完好，连接电路时应尽量用短的接插线，以避免引入干扰。（2）接插线插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也应轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯插线尾部，以免造成内部导线断裂。（3）稳压电源不要对地短路。（4）更换应变片时应将电源关闭。（5）在本实验中如有发现电压表发生过载，应将电压表量程扩大。（6）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能工作。（7）直流稳压电源4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重的自热效应。（8）接全桥时请注意区别各个片子的工作状态方向。（9）由于进行位移测量时，测微头要从零正的最大值，然后要回复到零，再从零负的最大值，容易造成零点偏移。所以计算灵敏度时可将正X的灵敏度和负X的灵敏度分开计算，再求其平均值（在以后的实验中需过零的实验均采用这种方法进行计算）。（10） 差放增益不能太大；接线要牢固；上电后，等F/V表读数稳定后开始读数；读数应迅速准确实验二 差动变压器实验差动变压器的标定和差动变压器的应用振幅测量（一）差动变压器的标定1. 实验目的（1）了解差动变压器的工作原理及特性。（2）了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。2. 实验原理差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边，差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上，其原理及输出特性见图2A。图2A3. 所需单元和部件音频振荡器、差动放大器，差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、F/V表、示波器、主、副电源。4. 旋钮的初始位置音频振荡器4KHz8KHz（5KHz左右），差动放大器的增益最大（顺时针旋转到底），F/V打到2V档，主、副电源关闭。5. 实验步骤（1）将差动放大器调零（调零方法同实验一）。（2）按图2B接好线路。（2）装好测微头，上下调整使差动变压器铁芯处于线圈的中间位置（参照外部黑色圆柱的位置进行调整，差动变压器铁芯位置和外部黑色圆柱的位置是一样的）。（3）开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮，用示波器观察LV输出端波形，并使其输出电压（LV激励电压）峰值（正弦波的最大值）为2V。（4）利用电压表，调整移相器和、，使电压表读数为零。（5）旋转测微头上移。水平状态输出电压为零，测微头每移动0.1mm记录一下F/V表读数，填入下表。（注：此处读数间距是0.1mm，即测微头旋转1/5圈，读一次数。）上移X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0电压V/mV图2B 实验接线图虚线部分是指要用示波器观察这两点的电压波形（7）退回测微头置初始位置（需微调、再次调零）并开始以相反方向移动，同上法，记下X（mm）和V（mV）的值。（注：此处读数间距是0.1mm，即测微头旋转1/5圈，读一次数。）下移X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0电压V/mV（8）做出V-X曲线，并求出灵敏度。（9）实验完毕，关闭主、副电源，保持电路连线不动，以便做实验（二）。（二）差动变压器的应用振幅测量1. 实验目的了解差动变压器的实际应用。2. 所需单元和部件音频振荡器、差动放大器，差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、激振器、电桥、F/V表、示波器、主、副电源。3. 旋钮的初始位置音频振荡器4KHz8KHz（5KHz左右），差动放大器的增益最大（顺时针旋转到底），低频振荡器的频率旋钮最小，幅度旋钮置中。4. 实验步骤（1）按实验（一）连线，卸下测微头，将低频振荡器输出Vo接入激振振动台线圈一端，线圈的另一端接地，开启主、副电源，调节低频振荡器幅度旋钮置中，频率从小慢慢调大，让振动台起振并幅度置中（如振动幅度太小，可调大幅度旋钮）。图2C 谐振平台起振接线图（2）将音频钮置5KHz，幅度旋钮置2V（用示波器观察LV的峰峰值为4V）。用示波器观察各单元：差放、检波、低通输出波形。（3）保持低频振荡器的振荡幅度不变，调节低频振荡器的频率，用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值并记下实验数据填写下表。F/Hz345678910122025Vp-p/V（4）根据实验结果做出梁的振幅-频率（幅频）特性曲线，指出振动平台谐振频率的最大值。（5）实验完毕，关闭主副电源，拆除接线，整理好实验台。5. 注意事项（1）实验前应检查接插线是否完好，连接电路时应尽量用短的接插线，以避免引入干扰。（2）接插线插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也应轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯插线尾部，以免造成内部导线断裂。（3）适当选择低频振荡电压，以免振动台在谐振频率附近振幅过大。实验三 电涡流传感器实验电涡流传感器的标定和应用电子秤（一）电涡流传感器的静态标定1. 实验目的了解涡流式传感器的原理及工作性能。2. 实验原理电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流时，与其平行的金属片上产生涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及线圈的距离X有关。当平行线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关。将阻抗变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数，其输出电压与X的曲线如图3A所示。图3A 输出电压与X的曲线3. 所需单元和部件涡流变换器、测微头、F/V表、铁测片、涡流传感器、振动平台、示波器、主、副电源。4. 实验步骤（1）装好传感器（电涡流传感器对准铁测片安装，距离约几mm）和测微头。（2）观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。（3）用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至F/V表，电压表置于20V档，按图3B进行接线，开启主、副电源。（4）利用示波器观察涡流变换器输入端的波形，如没有发现振荡波形出现，再将传感器远离被测物体。可见波形为 波形，示波器的时基为 us/cm，故振荡频率约为 。（5）调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从接触处开始找有波形的位置，找到后记下这个位置（后续实验要用），从此开始计数，记下示波器及电压表的数值，填写下表。图3B 实验接线图建议每隔0.1mm读数，到线性严重变坏为止，根据实验数据，在坐标纸上画出V-X曲线，指出大致的线性范围，求出灵敏度。可见涡流传感器的最大特点是 ，传感器与被测体间有一个最佳初始工作点。这里采用的变换电路是一种 ， 位移X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Vp-p/mVV/V（6）实验完毕，关闭主、副电源。5. 注意事项（1）实验前应检查接插线是否完好，连接电路时应尽量用短的接插线，以避免引入干扰。（2）接插线插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也应轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯插线尾部，以免造成内部导线断裂。（3）被测体与涡流传感器试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减小涡流损失。（二）电涡流传感器的应用振幅测量1. 实验目的了解电涡流式传感器振荡的原理和方法。2. 所需单元和部件直流稳压电源、涡流变换器、F/V表、差动放大器、电桥、铁测片、电涡流传感器、主、副电源、低频振荡器、激振线圈，示波器。3. 旋钮的初始位置直流稳压电源置4V档，差动放大器的增益最小（逆时针到底）。4. 实验步骤（1）转动测微头，将振动平台中间的磁铁与测微头充分分离，使梁振动时不至于再被吸住（这时振动平台处于自由静止状态），适当调节涡流传感器的高低位置（目测），与实验（一）步骤（5）记下的位置为参考（最好卸下测微头，并调整涡流传感器到线性中间位置）。图3C 电路接线图（2）按图3C的电路结构进行连线，将涡流传感器探头、涡流变换器、电桥平衡网络差动放大器。F/V表、直流稳压电源连接起来，组成一个测量电路（这时直流稳压电源应置于4V档），F/V表置20V档，开启主副电源。（3）调节电桥平衡网络，使电压表的读数为零。（4）去除差动放大器与电压表的连线，将差动放大器的输出与示波器连接起来，连接好谐振平台起振线路（如图3D所示）。图3D 谐振平台起振接线图（5）固定低频振荡器的幅度旋钮至某一位置（以振动平台振动时不碰其他部件为好），调节频率。调节时用F/V表的频率档、Fo口监测频率，用示波器读出峰峰值填写下表。F/Hz345678910122025Vp-p/V （6）实验完毕，关闭主副电源，拆除连线，整理好实验台。5. 思考题（1）根据实验结果，可以知道振荡平台的谐振频率为多少。（2）如果已知被测梁的振幅为0.2mm，传感器是否一定安装在最佳工作点。（3）如果此传感器仅用来测量频率，工作点问题是否仍十分重要。实验四 差动变面积式电容传感器实验差动变面积式电容传感器的静态特性及动态特性1. 实验目的了解差动变面积式电容传感器的原理及特性。2. 实验原理电容式传感器有多种形式，本仪器中为差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上下改变位置，与两静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，形成差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cx1和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容的变化有关，即与振动台的位移有关。3. 所需单元和部件电容传感器、电容放大器，低通滤波器、F/V表。4. 旋钮的初始位置F/V打到2V档，差动放大器的增益旋钮置于中间。5. 实验步骤（1）差动放大器调零（调零方法同实验一）之后按图4进行接线。（2）调节测微头、差放增益、电容放大器增益使F/V表显示为零（需要预热几分钟才能稳定下来）。记下这个水平位置。图4 实验接线图（3）旋转测微头，带动梁向上移动。水平状态输出电压为零，测微头每移动0.1mm记录一下F/V表读数，填入下表，直到电容动片与上静片覆盖面积最大为止。上移X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0电压V/mV（4）退回测微头置初始水平位置，调零（此处只能调动测微头，差放增益和电容放大器增益不能变）。并开始以相反方向移动，同上法，记下X（mm）和V（mV）的值。下移X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0电压V/mV（5）计算系统灵敏度S=V/X（式中V为电压的变化，X为相应梁端的位移变化），并做出V-X曲线。6. 注意事项（1）实验前应检查接插线是否完好，连接电路时应尽量用短的接插线，以避免引入干扰。（2）接插线插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也应轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯插线尾部，以免造成内部导线断裂。（3）稳压电源不要对地短路。（4）电容动片与两静片之间的距离必须相等，必要时可稍作调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成信号的突变。（5）如果差动放大器输出端用示波器观察到中间有杂波，应将电容放大器的增益进一步的调小。实验五 霍尔传感器实验霍尔传感器的直流激励特性及应用（一）霍尔传感器的直流激励特性1. 实验目的了解霍尔式传感器的原理及特性。2. 实验原理霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于磁场中的霍尔元件组成，当霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。3. 所需单元和部件霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F/V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。4. 旋钮的初始位置差动放大器的增益旋钮打至最小（逆时针旋转到底），F/V打到20V档，直流稳压电源置2V档，主副电源关闭。5. 实验步骤（1）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，连个永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。（2）开启主副电源，将差动放大器调零（方法同实验一）后，增益置于最小，关闭主电源，根据图5接线，W，r为电桥单元的直流电桥平衡网络。1-1为控制电极，2-2为霍尔电极。图5 实验接线图（3）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。（4）开启主副电源，调整W1使电压表读数为零。（5）旋转测微头使霍尔片从正中位置向上移动。正中位置时输出电压为零，测微头每移动0.5mm记录一下F/V表读数，填入下表。上移X/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V/mV（6）退回测微头置初始位置。并开始以相反方向移动，同上法，记下X（mm）和V（mV）的值。下移X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0电压V/mV（7）计算系统灵敏度灵敏度S=V/X，并作出V-X曲线指出其线性范围，关闭主副电源。可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场，位移测量的线性度、灵敏度与磁场分布有很大关系。（8）各旋钮置初始位置，保持实验连线不动，以便做实验（二）。6. 注意事项（1）实验前应检查接插线是否完好，连接电路时应尽量用短的接插线，以避免引入干扰。（2）接插线插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也应轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯插线尾部，以免造成内部导线断裂。（3）稳压电源不要对地短路。（4）由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。（5）一旦调整好后，实验过程中不能移动磁路系统。（6）激励电压不能过2V，以免损坏霍尔片。（二）霍尔传感器的应用电子秤1. 实验目的了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。2. 所需单元和部件霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F/V表、直流稳压电源、振动平台、主、副电源、砝码。3. 旋钮的初始位置F/V打到20V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。4. 实验步骤（1）开启主副电源，由于上一实验中差动放大器已经调零，这里不再对其进行调零。（2）调节测微头脱离平台并远离振动台（最好卸下测微头）。（3）开启主副电源，调整W1使系统为零。（4）差动放大器的增益调至最小位置，然后不再改变。（5）在称重平台上放上砝码（每个20g），填写下表。F/g20406080100120140160180200220V /V（6）在平台上放一个未知重量之物（例如钥匙串、手机等，建议150g以内），记下表头读数。根据实验结果做出V-X曲线，求得未知重量。（7）实验完毕，关闭主、副电源，拆除引线，整理好实验台。5. 注意事项（1）霍尔传感器的线性范围较小，所以砝码和重物不能太重。（2）砝码应置于平台的中间部分。（3）实验前应检查接插线是否完好，连接电路时应尽量用短的接插线，以避免引入干扰。（4）接插线插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也应轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯插线尾部，以免造成内部导线断裂。实验六 光电式传感器实验光电开关的转速测量和光敏电阻（一）光电开关的转速测量1. 实验目的了解光电式传感器（反射式）测量专转速的原理与方法。2. 实验原理光电式传感器有反射型和直射型两种，本实验装置是反射型的，传感器端部装有发光管和接收管，发光管发射的光在转盘上反射后被接收管接收转换为电信号，由于转盘上有黑白相间的两个间隔，转动时将获得与黑白间隔有关的脉冲信号，将脉冲信号计数处理即可得到转速值。3. 所需单元和部件光电传感器、直流电源、测速小电机、电机控制单元、主副电源、示波器。4. 实验步骤（1）了解电机在实验仪上的位置及控制单元。（2）差动放大器调零（调零方法同实验一）之后按图6A进行接线，光电开关探头装置上方对准电机的反光纸，调节高度，使传感器端面离反光纸表面2-3mm，调