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传感器原理及应用实验指导书实验一：压力传感器特性实验（1） 金属箔式应变片一、 实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、 基本原理金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为： （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： （2） 式中的为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1）。若径向应变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为，因为=2（），则（2）式可以写成： （3）式（3）为“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，受两个因素影响，一个是（1+），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则，对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系： （4）式中 测试的应力； E材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元THZK-1型传感器实验模块、砝码（10个）、传感器调理电路挂件（ZK-1）。四、实验内容与步骤1应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装在传感器实验模块上，传感器中各应变片已接入模板上的四个应变片电阻上，可用万用表测量四个电阻都为350。图1-1 应变式传感器安装示意图2打开实验台电源并开启面板上的直流稳压电源开关以及“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER1，调节“应变式传感器实验单元”Rw4使之大致位于中间位置(Rw4为10圈电位器)然后对运放进行调零，调零的方法为：将“应变式传感器实验单元”的“Ui”的两个输入端对地短接， Uo2输出端接实验台的智能直流电压表，调节此单元中的调零电位器Rw6，使Uo2输出电压为零，关闭实验台电源。（注意：当Rw4的位置一旦确定，就不能改变。）3按图1-2将“传感器实验模块”上的“电阻应变式传感器”的其中一个应变片接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw3，接上桥路电源5V，如图2-3所示。检查接线无误后，打开实验台及实验挂箱的开关，调节Rw3电位器，使智能直流电压表显示为零。然后用导线连接Uo2和实验平台上数据采集卡接中的AD1。4打开实验室网络管理系统软件，点击“PCI数据采集卡软件”，然后在系统下方选择单点信号采集，则会打开传感器实验软件界面，选择通道1，在横坐标处输入1，在砝码盘上放置一只砝码，然后点击开始采集，则下方的采集进度会从0到100，在采集进度大约为50时，点击单点采集，则采集进度又会从0到100，最后在界面上出现一个点，此点就在20g砝码的电压值，在操作下点击波形测量，可以测量此点的电压值。接着放入第二个砝码，点击采集单点，则会出现第二个点，依次增加砝码和测量相应的电压值，直到10个共200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，最后点击折线生成，则会出现实验曲线。关闭实验台电源。（此过程也可用实验平台上的智能直流电压表来测量电压值）。 注：每次点击采集按钮时，最好在采集进度为50时采集，此时所采集的点误差小。图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图图1-3 应变式传感器半桥实验接线图 图1-4 应变式传感器全桥实验接线图 表1-1电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mV)5根据表1-1计算系统灵敏度（输出电压的变化量，重量变化量和非线性误差f1=m/yFS 100 式中（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g。五、实验注意事项1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电压为5V，不可接错，否则可能烧毁应变片。3此实验挂箱上的POWER1电源开关是控制差动变压器实验单元、应变式传感器实验单元、移相器、相敏检波、压电式传感器实验单元、低通滤波单元的电源，而POWER2电源开关是控制电容式传感器实验单元的电源。在做实验时，两个电源开关不要同时打开，否则对实验结果有影响。4实验过程中不可触碰连接导线,这样会导致电压的不稳定。 六、思考题1单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 七、实验报告要求1分析单臂电桥时传感器的特性曲线。2从理论上分析产生非线性误差的原因。（2）交流全桥的应用振动的测量一、实验目的 了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。二、基本原理 对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。三、需用器件与单元： 传感器实验模块、低频函数信号发生器、传感器调理电路挂箱四、实验步骤1 打开“传感器调理电路”挂箱电源开关POWER1。2 按照实验一中的步骤（二）进行差动放大器调零。3用应变输出专用连接线将传感器实验模块上的“应变输出”插座和“应变传感器实验”单元上的插座连接起来。4调节低频函数信号发生器，使之输出频率为1KHz左右，幅值为10Vp-p左右的正弦波信号（幅度用虚拟示波器观测）。5按图5-1将各单元连接好线。图5-1 电阻应变式传感器振动测量接线图5调节TH-SG01P型功率函数信号发生器，使之输出频率为10Hz左右的正弦波信号（幅值调节到最大位置），如果幅度为最大时，振动还不明显时，可用功率输出，将信号发生器的功率输出端接到传感器实验模块的“低频输入”端，使振动平台振动较为明显。6用虚拟示波器观察低通滤波器UO的波形 。7仔细调节移相器和相敏检波器的电位器，使示波器显示的波形为一个接近全波整流的波形。8固定信号发生器的幅度不变，调节其频率。观察振动源振动产生的波形。并将输入信号的频率与输出波形的幅值关系填入下表：f(Hz) Vo(p-p)五、思考题1在交流电桥测量中，对音频振荡器和被测梁振动频率之间有什么要求？2请归纳直流电桥和交流电桥的特点。实验二电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容式传感器结构及其特点。二、基本原理利用平板电容C=S/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为： （1）式中 l 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r1、r2 外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动l时，电容变化量C为： （2） 于是，可得其静态灵敏度为： （3） 可见灵敏度与有关，r1与r2越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。三、需用器件与单元传感器实验模块、电容传感器、测微头、传感器调理电路挂箱四、实验步骤1将电容式传感器装于传感器实验模块的黑色支架上，将差动电容传感器引线插头插入传感器调理电路中“电容式传感器实验”单元的“传感器接口”中。2Rw调节到大概中间位置（Rw为10圈电位器），将“电容传感器实验”单元的输出端Uo接入智能直流电压表。3打开“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER2。4旋转测微头，改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表10-1。（此过程也可用采集卡中的传感器实验软件做）表10-1 电容传感器位移与输出电压值X(mm)V(mV)5根据表10-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。五、实验注意事项1传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。六、思考题1简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。2电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？图10-1 电容传感器位移实验接线图七、实验报告要求1整理实验数据，根据所得的实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器的非线性误差。2根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。实验三 霍尔转速传感器测速实验一、实验目的了解霍尔转速传感器的应用。二、基本原理 利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。三、需用器件与单元 传感器实验模块四、实验步骤1霍尔转速传感器及转动源已经安装于传感器实验模块上，其中霍尔转速传感器位于转动源的右边。2将+5V直流稳压源接到霍尔转速传感器的“+5V输入”端。3将霍尔转速传感器的输出接频率/转速表输入端（选择转速）4将实验台的030V直流稳压电源调节到+24V以下。输出接入传感器实验模块上的“024V转动电源”输入端。5调节030V直流稳压电源输出电压（+24V以下），使转盘的转速发生变化，观察频率/转速表显示的变化，并用虚拟示波器观察霍尔转速传感器输出波形。五、注意事项1转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。2转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。 3霍尔转速传感器中+5V电源不能接错,否则会烧霍尔传感器.六、思考题根据上面实验观察到的波形，分析为什么方波的高电平比低电平要宽。实验四 热敏电阻的特性研究一、 实验目的了解热敏电阻的特性与应用。二、基本原理热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC（Negative Temperature coefficient Thermistor）和正温度系数热敏电阻PTC（Positive Temperature Coefficient Thermistor），临界温度系数热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）三种，本实验主要研究前两种，半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高），越来越多的载流子克服禁带（或电离能）引起导电，这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移发生变化，根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于-100300C之间的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为：，式中，R0是在25C时或其他参考温度时的电阻，T0是热力学温度（K）B称为材料的特征温度，其值与温度有关，主要用于温度测量。PTC是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特征曲线是随温度升高而阻值增大，开关型的PTC在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的区段，即电阻值突然迅速升高。PTC适用的温度范围为-50C 150C，主要用于过热保护及作温度开关。NTC和PTC的特征曲线如图所示： 图11-1 NTC、PTC电阻温度曲线图三、需用器件与单元 直流恒流源、实验台上加热源部分、智能毫伏电压表。四、实验内容与步骤1将直流恒流源输出接入实验台上加热源部分中的“恒流输入”端，输入电流越大，加热速度赶快。2将温度控制器右