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20 20 第 学期传感器原理实验目录实验一、金属箔式应变片性能研究实验二、霍尔式传感器实验三、电涡流式传感器及其应用实验四、压电传感器性能研究传感器原理实验指导书宋卫星编实验一、金属箔式应变片性能研究一、实验目的 1. 了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。2. 验证单臂电桥的输出特性二、实验设备CSY998B传感器系统实验仪；所需电路单元：直流稳压电源；电桥；差动放大器；双平行悬臂梁；应变片；F/V表；主、副电源。有关旋钮的初始位置：直流稳压电源：2V档；F/V表：2V档；差动放大增益最大。三、实验原理实验系统由应变片、双平行悬臂梁、测微头组成。其中，应变片是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件；双平行悬臂梁由两片弹性良好的不锈钢片组合而成，在实验中充当试件，其左端固定，右端装有磁钢且能够在外力作用下活动；四片相同的箔式应变片，用常温固化快干胶分别粘贴在双平行悬臂梁的固定端附近表面，其中两片贴在上表面，两片贴在对应位置的下表面。当装有磁钢的一端受力向下移动，双平行悬臂梁弯曲时，上表面二片应变片的敏感栅被拉长，电阻变大，而下面的被压缩，电阻变小，每个应变片的电阻变化率R/R与悬臂梁受力或形变情况有关，设法测出R/R值与梁的受力和形变之间的关系，即可推出梁的受力和形变的大小，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测量电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4，当使用一个应变片时，电阻相对变化量为RR/R；当二个应变片组成差动状态工作，则有R2R/R；用四个应变片组成二个差动状态工作，且R1R2R3R4R, R4R/R。由此可见，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。四、实验步骤1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。2.将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（）、负（）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零(2V档），关闭主、副电源。3.根据图1接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；R4Rx为应变片,将稳压电源的切换开关置4V档，F/V表置20V档；4.调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），并记下此刻测微头的高度读数；开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F/V表显示为零，等待数分钟后将F/V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。图1 实验电路5向上或向下旋转测微头，使梁的自由端产生位移，将测微头高度值、F/V表示值记入下表。注：X=0.5mm(测微头旋转一周)测微头高度(mm)109.598.587.576.565.5F/V表示值(V)06关闭主、副电源，保持放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一应变片，形成半桥，测微头回到最初的水平位置，电桥重新调零。重复5步骤。*7关闭主、副电源，保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个电阻换成另两片工作片，接成一个直流全桥，测微头回到最初的水平位置，电桥重新调零。重复5步骤。8根据实验结果，在坐标纸上描出XV曲线，计算灵敏度（为梁的自由端位移变化，为相应F/V表的示值变化），并比较两种或三种接法的灵敏度。五.分析与讨论本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？注意事项：1.电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。2.做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减少其对直流电桥的影响。实验二、霍尔式传感器一实验原理霍尔位移传感器可制成图21（a）所示结构。在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx为一常数，如图21（b）所示，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变化为 (41)式中K位移传感器的输出灵敏度。对式（41）积分得 （42）式（42）说明霍尔电势与位移量成线性关系。其输出电势的极性反映了元件位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。当x = 0时，则元件置于磁场中心位置，。这种位移传感器一般可测量12mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无触点测量。利用这一原理可以测量与之相关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。（a）结构 （b）磁场变化图21 霍尔传感器原理图22 霍尔传感器实验装置本实验所用的霍尔传感器如图22所示，它由两个产生梯度磁场的环形磁钢和霍尔元件组成。霍尔元件通以恒定电流时，霍尔电势的大小正比于磁场强度，当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，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。二实验内容：1霍尔式传感器的直流激励特性1.1实验目的了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。1.2实验所需部件霍尔传感器、直流稳压源（2V）、电位器、差动放大器、数字电压表、测微仪。1.3实验方法步骤注意事项：直流激励电压只能是2V，否则霍尔元件会烧坏。1)了解霍尔式传感器的结构及其在实验仪上的位置，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，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成图22所示的霍尔传感器。图23实验装置调整电路2)有关旋钮的初始位置：差动放大器的增益调至最小(旋钮按逆时针方向旋到底)，F/V表置2V档，直流稳压电源置2V档。3) 将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（）、负（）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零(2V档），关闭主、副电源。图24实验装置及电路4)连接图23所示电路，接通主、副电源，调节测微头，使F/V表显示为零；注意测微头的高度值，再微调测微头，使其高度值为0.5mm的整数倍，记下此高度值并将其作为测量的起点，关闭主、副电源。5) 连接图24所示电路，接通主、副电源，调节W1，使F/V表显示为零.6)分别向上、向下旋转测微头，使霍尔片产生位移，将测微头高度值、F/V表示值记入下表。注：X=0.2mm(测微头旋转一周为0.5mm), V/mV,41个测试点X(起始值)V0XV7)根据实验结果，在坐标纸上描出X-V曲线，计算灵敏度（为霍尔片位移，为相应F/V表的示值变化），指出霍尔传感器的线性工作范围，并对实验所的曲线作一讨论。2霍尔传感器的应用电子秤2.1实验目的：说明线性霍尔传感器的实际应用。2.2实验所需部件：霍尔传感器、直流稳压源（2V）、电位器、差动放大器、电压表、砝码。2.3实验步骤1）实验线路同上。移开测微仪，使输出为零。系统灵敏度尽量大(输出以不饱和为标准)，且工作在线性区。2）以振动圆盘作为称重平台，逐个放上砝码，依次记下表头读数，填入自拟表，并做出V-W曲线。3）移走称重砝码，在平台上放置一未知重量的物品，记下表头读数，根据V-W曲线求得其重量。注意事项：1）称重时，霍尔式传感器应工作在梯度磁场中，所以砝码和被称重物都不应太重。2）砝码应置于平台的中间部分，避免平台倾斜。实验三、电涡流式传感器及其应用一实验原理电涡流传感器由平面线圈和金属片组成，它是基于电磁感应原理制成的。由电磁场理论可知，在受到交变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。电涡流传感器的作用原理如左下图：H1H2I1I2U1R2L1L2I1I2U1 R1M涡流式传感器与被测金属的等效电路等效金属片把线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈，如右上图所示。设R1为线圈的电阻；L1为线圈电感；R2为短路环的电阻；L2为短路环电感；M为线圈与短路环间的互感，随二者之间距离X减少而增大；U1为激励电压。由等效电路可写出两个电压平衡方程式：解上面的联立方程可得到，从而求出受金属影响后空心线圈的等效阻抗为从上式可看出线圈阻抗的实部即有效电阻随M的增加而增加；虚部即等效电感随M的增加而减少，这样使线圈阻抗发生了变化。在本实验中，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X都有关。当平面线圈、被测体（金属片）、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，将阻抗变化通过“涡流变换器”转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。二实验内容1.电涡流传感器的静态标定1.1 实验目的：了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。1.2 实验所需部件：电涡流传感器、涡流变换器、螺旋测微仪、电压表、铁测片、振动平台、主副电源、示波器。1.3 实验步骤：（1）安装好电涡流线圈与金属片，注意两者必须保持平行，安装好测微仪。图31电涡流实验系统（2）按图31连接测量电路（将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接数字电压表20V档）。（3）开启主机电源，调节测微仪带动涡流片，使铁测片向涡流线圈接近，当输出电压为零时，记下测微尺的高度值，以此为测量起点，然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，每隔0.2mm记录一个电压值U（注意：为了读数方便，可取第一个），并将U、X数值填入表31。表31（为了描绘出完整的曲线，至少测量40组数据）X (mm)U（V）0（4）作出U-X曲线，讨论其线性范围，求出灵敏度。（5）将示波器接图31中涡流变换器输入端，按步骤（3），观测电涡流传感器的激励信号频率，并将X、f数值填入表32，作出Xf曲线，讨论其线性范围，求出灵敏度。表32(X取值与表31相同)X (mm)f（kHZ）注意：涡流变换器输入端接入示波器时,示波器的输入阻抗将使输出电压变小。2.被测材料对电涡流传感器特性的影响（选做）2.1实验目的：了解不同的金属材料对电涡流传感器的影响2.2实验所需部件：电涡流传感器、铝测片、涡流变换器、电压表、测微仪。2.3实验步骤：（1）按内容1的要求对铝涡流片进行测试与标定，记录数据，在同一坐标系中作出U-X曲线。（2）找出铝材料被测体的线性工作范围，灵敏度，最佳工作点（双向或单向）。注意事项：换上铝或其他金属涡流片时，线圈紧贴涡流片时输出电压并不为零，这是因为电涡流线圈的尺寸是为配合铁涡流片而设计的，换了不同材料的涡流片，只有改变线圈尺寸输出才能为零。实验四、压电传感器性能研究一、实验目的 了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、基本原理 压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、实验所需器件与单元 双平行悬梁、（双平行梁）激振器、低频振荡器、压电传感器（压电加速度计）、电压放大器、低通滤波器、双踪示波器。四、实验内容及步骤 1、观察装于双平行梁上的压电传感器（压电加速度计）的结构，它主要由压电陶瓷片及惯性质量块组成。图41 压电传感器测量电路2、如图41所示，将压电传感器的输出端接至电荷放大器的输入端，然后将电荷放大器输出端接到低通滤波器的输入端（注：压电传感器下端应接地）。3、调节测微头，使其与双平行梁分离。图42 双平行梁激振线路4、如图42所示，联接低频振荡器的输出端与（双平行梁）激振线圈（实验台水平面板右上部）。5、开启主、副电源，将低频振荡器的输出电压调至最大，观察双平行悬梁的振动情况，用示波器Y1通道观察低通滤波器的输出电压波形；用示波器Y2通道观测低频振荡器输出电压的频率f。6、按表4-1改变低频振荡器的频率f，观察并记录对应的uo波形及uopp值。表4-1 f-uopp测量低频振荡器1213141516171819202122232425频率f(HZ)输出电压uopp(V)7、用手轻击实验台，观察输出波形的变化。可见敲击时输出波形会产生“毛刺”，试解释原因。五、实验报告综述你对本实验的认识。注意：（1）双平行梁振动时应无碰撞现象，否则将严重影响输出波形。（2）若低频振荡器的输出电压幅度过大造成不正常振动时，应适当减小其输出电压幅度。实验四、压电传感器性能研究（原）一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、实验所需器件与单元：双平行悬梁、（双平行梁）激振器、低频振荡器、压电传感器（压电加速度计）、电压放大器、低通滤波器、双踪示波器。四、实验步骤： 图41 压电传感器测量电路1、观察装于双平行梁上的压电传感器（压电加速度计）的结构，它主要由压电陶瓷片及惯性质量块组成。图42 双平行梁激振线路2、如图41所示，将压电传感器的输出端接至电压放大器的输入端，然后将电压放大器输出接到低通滤波器的输入端。3、调节测微头，使其与双平行梁分离。4、将低频振荡器的输出电压调至最小，如图42所示，联接低频振荡器的输出端与（双平行梁）激振线圈（实验台水平面板右上部）。5、开启主、副