传感器技术实验指导书.doc

实验一：金属箔式应变片性能及应用实验一、 实验内容 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 金属箔式应变片半桥性能实验 金属箔式应变片全桥性能实验二、 实验目的及要求 掌握应变片的工作原理和电桥电路的测量原理和方法。 比较各电桥的性能输出灵敏度及其非线性的差异。三、 实验条件及要求应变式传感器实验模板、应变式传感器电子秤、砝码、数显表、15V电源、4V电源。四、 实验相关知识点电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当外力作用到弹性敏感元件上时，弹性敏感元件表面将产生微小的机械变形，而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生微小的机械变形，根据材料力学中的虎克定律即，又由金属的应变效应可知应变片的应变与其电阻值的相对变化率成正比，因此电阻应变片的阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电路把电阻的变化转换为相应电压或电流的变化，这样就可以唯一确定被测量和电压或电流的关系。再利用这一关系，进行实际的测量。当然，测量其他物理量如力、压力、加速度等，需要将这些物理量通过弹性敏感元件转换为应变，这样就可以利用应变片进行测量。五、 实验实施步骤(一) 金属箔式应变片单臂电桥性能实验1、根据图1.1应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右。图1.1 应变式传感器安装示意图2、 接入模板电源15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定不能改变，一直到做完实验为止）。3、 将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源4V（从主控台引入）如图1.2所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。 图1.2应变式传感器单臂电桥实验接线图说明：模板上实线表示内部有导线连接，相应的电子元件接于模板内部。4、 在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。(二) 金属箔式应变片半桥性能实验1、传感器安装同实验上，做实验步骤2，实验模板差动放大器调零。2、根据图1.3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，重复实验步骤3、4，将实验数据记入表1-1。 图1.3应变式传感器半桥差动电路实验接线图（三）金属箔式应变片全桥性能实验1、传感器安装同上，做实验步骤2，实验模板差动放大器调零。2、根据图1.4接线，实验方法与半桥实验相同。将实验结果填入表1-1。 图1.4应变式传感器全桥差动电路实验接线图表1-1 输出电压与加负载重量值重量(g)20406080100120140160180200电压(mV)/单臂电压(mV)/半桥电压(mV)/全桥(四) 直流全桥的应用电子秤实验1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图1-4全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。把砝码依次放在托盘上，填入下表1-2。表1-2 电子秤实验数据表重量(g)20406080100120140160180200电压(mV)六、思考问题 根据实验数据分别计算单臂、半桥、全桥系统的灵敏度，其中(U为电压变化量；W为重量变化量)，比较单臂、半臂、全臂的灵敏度、稳定性并说明原因。 如果连接全桥时应变片的方向接反会是什么结果，为什么？ 测量时，电桥不平衡会对测量产生什么影响，为什么每次测量前要重新检查平衡？七、实验成绩评定办法主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。实验二：电容式传感器特性实验一、实验内容 电容式传感器的位移实验 电容式传感器动态特性实验二、实验目的及要求 掌握电容传感器的原理及结构 熟悉电容传感器的静态特性 了解其在动态测量中的应用三、实验条件及要求电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源、示波器。四、实验相关知识点利用平板电容决定于极板的正对面积、极板间距离以及极板间的电介质这几个因素如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化会引起电容器极板正对面积、两板间的距离以及极板间的电介质等物理量的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，作这种用途的传感器称为电容式传感器将其变化量送到电容传感器的实验摸板上，转化成电压信号由数显表显示出来。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。五、实验实施步骤(一) 电容式传感器的位移实验1、将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线：二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。2、将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图2.1）。 图2.1电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。4、接入15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表2-1。表2-1电容传感器位移与输出电压值X(mm) V(mv)实验三 差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理：差动变压器同一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接(同名端连接)，就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器，音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。四、实验步骤：1、根据图3-1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。图3-1 差动变压器电容传感器安装示意图2、在模块上按图3-2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为45KHz(可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值Vp-p=2V(可用示波器监测：X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div)。图3-2 双线示波与差动变压器连结示意图3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰一峰值Vp-p为最小。这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一方向位移为负。从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值填入下表(3-1)。再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。表(3-1)差动变压器位移X值与输出电压Vp-p数据表V(mv)-0mm+X(mm)Vp-p最小4、实验过程中注意差动变压输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表3-1画出Vop-p-X曲线，作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性误差。五、思考题：1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？2 激励频率对差动变压器特性的影响一、实验目的：了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。二、基本原理：差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式：表示，式中Lp、Rp为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若Rp22L2P，则输出电压U0受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2L2P Rp2时输出U0与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。三、需用器件与单元：与实验三相同。四、实验步骤：1、差动变压器安装和接线图同上。2、选择音频信号输出频率为1KHz从Lv输出，(可用主控箱的数显表频率档显示频率)移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1、Rw2使输出变得更小。3、旋动测微头，每间隔0.2mm在示波器上读取一数据Vp-p。4、分别改变激励频率为3KHz、5KHz、重复实验步骤1、2将测试结果记入表3-2表3-2不同激励频率时输出电压(峰-峰值)与位移X关系。XV0f(khz)135作出每一频率时的U-X曲线，并计算其灵敏度Si，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。实验四：光敏电阻基本特性实验一、 实验内容 光电特性实验 伏安特性实验 光谱响应实验二、实验目的及要求 熟悉光敏电阻的光电特性，即供电电压一定时，电流照度的关系。 掌握光敏电阻的伏安特性，即入射光照度一定时，电流偏压的关系。 了解光敏电阻对于不同波长的入射光具有不同的响应灵敏度。三、实验条件及要求光敏电阻、光敏电阻实验模块、直流稳压电源、电压表、电流表四、 实验相关知识点光敏电阻是常用光敏器件之一，它具有灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性能高、体积小以及制造工艺简单等特点, 因此作为开关式光电信号传感元件广泛应用在自动化技术中。光敏电阻没有极性，给其两极加上一定电压后, 当光照射在光电导体时, 由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流, 达到了光电转换的目的。制造光敏电阻的材料主要有金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料，在可见光范围内, 常用的光敏电阻是硫化镉(CdS) , 本实验即采用了该种光敏电阻。五、 实验实施步骤（一）光电特性实验1、光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度表实验架上传感器安装孔，导线另一端插入光敏电阻实验模块Ti插口，并将模板上输出指示开关置于照度指示。2、Vcc从实验台的直流稳压电源处引入，置10伏档，按照图4.1连线。3、依次调节光强为200Lx、400Lx、600Lx、800Lx、1000Lx时，记下电流表读数，并填入下表，关闭电源。 图4.1 光电特性接线图表4-1 照度电流数据表光强（Lx）02004006008001000电流（mA）（二）伏安特性实验1、按照图4.1接线不变，开启电源，将光强调节为1000Lx，逐渐改变Vcc的值，测量相应的电流表读数，并填入下表。2、将光强开关调至600Lx、800Lx，测量不同偏压下电流表读数，关闭电源，记录读数。表4-2 伏安特性数据表电压（V）+24+6+8+10电流（mA）/（光强1000 Lx）说明：读数最大的那一点必须记下，为使实验直观，该实验没有在封闭的黑盒