课内实验讲义传感器

实验一实验一 电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器 一 实验目的 一 实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应 单臂电桥 半桥和全桥的工作原理和性能 二 实验仪器 二 实验仪器 应变传感器实验模块 托盘 砝码 数显电压表 15V 4V 电源 万用表 自备 三 实验原理 三 实验原理 1 单臂电桥 电阻丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值发生变化 这就是电阻应变效应 描 述电阻应变效应的关系式为 R R K 式中 R R 为电阻丝电阻相对变化 K 为应变 灵敏系数 l l 为电阻丝长度相对变化 金属箔式应变片就是通过光刻 腐蚀等工艺 制成的应变敏感组件 如图 1 1 所示 四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧 弹 性体受到压力发生形变 应变片随弹性体形变被拉伸 或被压缩 图 1 1 图 1 2 通过这些应变片转换被测部位受力状态变化 电桥的作用完成电阻到电压的比例变化 如图 1 2 所示 R5 R6 R7 为固定电阻 与应变片一起构成一个单臂电桥 其输出电压 Uo 1 R R RRE 2 1 1 4 1 E 为电桥电源电压 R 为固定电阻值 式 1 1 表明单臂电桥输出为非线性 非线性误 差为 L 100 2 1 R R 2 半桥 不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边 如图 1 3 电桥输出灵敏度提高 非线 性得到改善 当两只应变片的阻值相同 应变数也相同时 半桥的输出电压为 Uo EK 2 1 R RE 2 2 E 为电桥电源电压 式 1 2 表明 半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系 图 1 3 3 全桥 全桥测量电路中 将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边 不同的接入邻边 如图 1 4 当应变片初始值相等 变化量也相等时 其桥路输出 Uo KE 1 3 E 为电桥电源电压 式 1 3 表明 全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍 非线性误差得 到进一步改善 图 1 4 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 单臂电桥 1 图 1 1 应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的 R1 R2 R3 R4 上 可用万用表测量判别 R1 R2 R3 R4 350 2 从主控台接入 15V 电源 检查无误后 合上主控台电源开关 将差动放大器的输 入端 Ui 短接 输出端 Uo2接数显电压表 选择 2V 档 调节电位器 Rw4 使电压表显示 为 0V Rw4 的位置确定后不能改动 关闭主控台电源 3 将应变式传感器的其中一个应变电阻 如 R1 接入电桥与 R5 R6 R7 构成一个 单臂直流电桥 见图 1 2 接好电桥调零电位器 Rw1 直流电源 4V 从主控台接入 电 桥输出接到差动放大器的输入端 Ui 检查接线无误后 合上主控台电源开关 调节 Rw1 使电压表显示为零 4 在应变传感器托盘上放置一只砝码 调节 Rw3 改变差动放大器的增益 使数显 电压表显示 2mV 读取数显表数值 保持 Rw3 不变 依次增加砝码和读取相应的数显表 值 直到 200g 砝码加完 计下实验结果 填入下表 1 1 关闭电源 表 1 1 重量 g 电压 mV 2 半桥 1 应变传感器已安装在应变传感器实验模块上 可参考图 1 1 2 差动放大器调零 从主控台接入 15V 电源 检查无误后 合上主控台电源开关 将差动放大器的输入端 Ui 短接 输出端 Uo2接数显电压表 选择 2V 档 调节电位器 Rw4 使电压表显示为 0V Rw4 的位置确定后不能改动 关闭主控台电源 3 按图 1 3 接线 将受力相反 一片受拉 一片受压 的两只应变片接入电桥的邻边 接入电桥调零电位器 Rw1 直流电源 4V 从主控台接入 电桥输出接到差动放大器的 输入端 Ui 检查接线无误后 合上主控台电源开关 调节 Rw1 使电压表显示为零 4 在应变传感器托盘上放置一只砝码 调节 Rw3 改变差动放大器的增益 使数显 电压表显示 10mV 左右 读取数显表数值 保持 Rw3 不变 依次增加砝码和读取相应的数 显表值 直到 200g 砝码加完 计下实验结果 填入下表 关闭电源 表 1 2 重量 g 电压 mV 3 全桥 1 应变传感器已安装在应变传感器实验模块上 可参考图 1 1 2 差动放大器调零 从主控台接入 15V 电源 检查无误后 合上主控台电源开关 将差动放大器的输入端 Ui 短接 输出端 Uo2接数显电压表 选择 2V 档 调节电位器 Rw4 使电压表显示为 0V Rw4 的位置确定后不能改动 关闭主控台电源 3 按图 1 3 接线 将受力相反 一片受拉 一片受压 的两只应变片接入电桥的邻边 接入电桥调零电位器 Rw1 直流电源 4V 从主控台接入 电桥输出接到差动放大器的输 入端 Ui 检查接线无误后 合上主控台电源开关 调节 Rw1 使电压表显示为零 4 在应变传感器托盘上放置一只砝码 调节 Rw3 改变差动放大器的增益 使数显 电压表显示 0 020V 左右 读取数显表数值 保持 Rw3 不变 依次增加砝码和读取相应的 数显表值 直到 200g 砝码加完 计下实验结果 填入下表 1 3 关闭电源 表 1 3 重量 g 电压 mV 五 实验报告五 实验报告 根据各表中的数据 计算系统灵敏度 S U W U 输出电压变化量 W 重量变 化量 和非线性误差 f1 m yF S 100 式中 m 为输出值 多次测量时为平均值 与拟合直线的最大偏差 yF S为满量程 200g 输出平均值 六 思考题六 思考题 1 引起半桥测量时非线性误差的原因是什么 2 比较单臂 半桥 全桥测量电路的灵敏度和非线性度 得出相应的结论 七 注意事项七 注意事项 加在应变传感器上的压力不应过大 以免造成应变传感器的损坏 实验二实验二 电感式传感器电感式传感器 一 实验目的一 实验目的 了解差动变压器的工作原理和特性 二 实验仪器二 实验仪器 差动变压器模块 测微头 通信接口 差动变压器 信号源 直流电源 三 实验原理三 实验原理 差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成 铁芯连接被测物体 移 动线圈中的铁芯 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的感应电动 势发生变化 一只次级感应电动势增加 另一只感应电动势则减小 将两只次级线圈反向 串接 同名端连接 引出差动输出 输出的变化反映了被测物体的移动量 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 根据图 2 1 将差动变压器安装在差动变压器实验模块上 图 2 1 图 2 2 2 将传感器引线插头插入实验模块的插座中 按图 2 2 接线 1 2 接音频信号 3 4 为差动变压器输出 音频信号由振荡器的 00 处输出 打开主控台电源 调节音 频信号输出的频率和幅度 用频率 转速表和上位机软件监视 使输出信号频率为 4 5KHz 幅度为 Vp p 2V 3 用通信接口的 CH1 观测差动变压器的输出 旋动测微头 使上位机观测到的波形 峰 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 另一个方向位 称为负 从 Vp p 最小开始旋动测微头 每隔 0 2mm 从上位机上读出输出电压 Vp p 值 填 入下表 7 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 五 实验报告五 实验报告 1 实验过程中注意差动变压器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 2 1 画出 Vop p X 曲线 作出量程为 1mm 3mm 灵敏度和非线性误差 表 2 1 差动变压器位移 X 值与输出电压数据表 V mV X mm 实验三实验三 电容式传感器电容式传感器 一 实验目的 一 实验目的 了解电容传感器的结构及特点 二 实验仪器 二 实验仪器 电容传感器 电容传感器模块 测微头 数显直流电压表 直流稳压电源 三 实验原理 三 实验原理 电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是 具有一个可变参数的电容器 利用平板电容器原理 3 d S d S C r 0 1 式中 S 为极板面积 d 为极板间距离 0真空介电常数 r介质相对介电常数 由此可以看出当被测物理量使 S d 或 r发生变化时 电容量 C 随之发生改变 如果保 持其中两个参数不变而仅改变另一参数 就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变 化 所以电容传感器可以分为三种类型 改变极间距离的变间隙式 改变极板面积的变面 积式和改变介质电常数的变介电常数式 这里采用变面积式 如图 3 1 两只平板电容器共 享一个下极板 当下极板随被测物体移动时 两只电容器上下极板的有效面积一只增大 一只减小 将三个极板用导线引出 形成差动电容输出 图 3 1 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 按图 3 2 将电容传感器安装在电容传感器模块上 将传感器引线插入实验模块插座 中 图 3 2 2 将电容传感器模块的输