传感器原理2014

传感器原理及应用传感器原理及应用 实验指导书实验指导书 黄黄 敏敏 姜姜丽丽波波 陕西科技大学电气与信息工程学院陕西科技大学电气与信息工程学院 2012 10 传感器原理及应用实验指导书 2 目目 录录 实验一 热电偶测温 8 实验二 应变片性能及电桥 设计性实验 12 实验三 半导体应变片性能检测 16 实验四 霍尔式传感器直流激励特性 20 实验五 压电传感器动态特性实验 22 实验六 差动变压器性能检测 24 实验七 磁电式传感器性能检测 27 实验八 差动变面积电容传感器特性 29 实验九 电涡流传感器静态性能检测 31 实验十 扩散硅压力传感器实验 33 实验十一 光电器件特性测量 一 36 实验十二 光电器件特性测量 二 40 实验十三 光纤位移传感器实验测量 45 实验十四 热释电红外传感器特性实验 49 实验十五 温度变送器的校验 设计性实验 51 附录 铂电阻分度表 传感器原理及应用实验指导书 3 实验仪简实验仪简介介 CSY 传感器系统实验仪上采用的大部分传感器虽是教学传感器 透明结构便于教学 但其结构与线路是工业应用的基础 实验帮助广大学生加深理解课本知识 学会作为一 个科技工作者应具有的动手能力 操作技能及分析与解决问题的能力 实验指导书每个 实验中都有注意事项 希望学生认真阅读 谨慎操作 否则容易引起器件损坏 实验仪主要由四部分组成 传感器安装台 显示与激励源 传感器符号及引线单元 处理电路单元 传感器安装台部分 装有双平行振动梁 应变片 热电偶 PN 结 热敏电阻 加热 器 压电传感器 梁自由端的磁钢 激振线圈 双平行梁测微头 光纤传感器的光电变 换座 光纤及探头 小电机 电涡流传感器及支座 电涡流传感器引线 3 插孔 霍 尔传感器的二个半圆磁钢 振动平台 圆盘 测微头及支架 振动圆盘 圆盘磁钢 激 振线圈 霍尔片 电涡流检测片 差动变压器的可动芯子 电容传感器的动片组 磁电 传感器的可动芯子 半导体扩散硅压阻式差压传感器 气敏传感器及湿敏元件安装盒 热释电传感器 光电开关 硅光电池 光敏电阻元件安装盒 具体安装部位参看附录 显示及激励源部分 电机控制单元 主电源 直流稳压电源 土 2V 一土 10V 分 档调节 F V 显示表 可作为电压表和频率表 动圈毫伏表 5 V 500 V 音频振 荡器 低频振荡器 土 15V 不可调稳压电源 实验主面板上传感器符号单元 所有传感器 包括激振线圈 的引线都从内部引到 这个单元上的相应符号中 实验时传感器的输出信号 包括激励线圈引入低频激振器信 号 按符号从这个单元插孔引线 处理电路单元 电桥单元 差动放大器 电容变换放大器 电压放大器 移相器 相敏检波器 电荷放大器 低通滤波器 涡流变换器等单元组成 CSY 实验仪配上一台双线 双踪 通用示波器可做几十种实验 也可以利用传感器及 处理电路开发实验项目 二 主要技术参数 性能及说明 一 传感器安装台部分 双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢 通过各自测微头或激振线圈接 入低频激振器 Vo 可做静态或动态测量 应变梁 应变梁采用不锈钢片 双梁结构端部有较好的线性位移 或采用标准双孔 悬臂梁传感器应变梁 传感器 1 差动变压器 电感式 量程 5mm 直流电阻 5 10 由一个初级 二个次级线圈绕制而成的透 明空心圈 铁芯为软磁铁氧体 传感器原理及应用实验指导书 4 2 电涡流位移传感器 量程 1mm 直流电阻 1 2 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组 成 3 霍尔式传感器 量程 2mm 直流电阻 激励源端口 800 1 5K 输出端口 300 500 日本 JVC 公司生产的线性半导体霍尔片 它置于环形磁钢构成的梯度磁场中 4 热电偶 直流电阻 10 左右 由两个铜一康铜热电偶串接而成 分度号为 冷端温度 为环境温度 5 电容式传感器 量程 土 2mm 由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容 6 热敏电阻 半导体热敏电阻 NTC 温度系数为负 25 时为 10K 7 光纤传感器 由多模光纤 发射 接收电路组成的导光型传感器 线性范围 2mm 8 半导体扩散硅压阻式压力传感器 量程 10KPa 差压 供电 美国摩托罗拉公司生产的 MPX 型压阻式差压传感器 9 压电加速度计 PZT 5 压电晶片和铜质量块构成 谐振频率 10KHz 电荷灵敏度 20PC G 10 应变式传感器 箔式应变片电阻值 350 应变系数 2 平行梁上梁的上表面和下梁的下表面 对应地贴有 片应变片 横向所贴的两片为温度补偿片 11 PN 结温度传感器 利用半导体 PN 结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器 能直接显示被测 灵敏度 2 1mV 12 磁电式传感器 0 21 1000 直流电阻 30 0 由线圈和动铁 永久磁钢 组成 灵敏 度 0 5 M S 13 气敏传感器 MQ3 酒精 测量范围 50 2000PPM 14 湿敏电阻 高分子薄膜电阻型 几兆 一几 K 响应时间 吸湿 脱湿小于 10 秒 湿度系数 0 5 测量范围 10 95 工作温度为 0 50 15 光电开关 反射型 传感器原理及应用实验指导书 5 16 光敏电阻 CDS 材料 几 一几 M 17 硅光电池 SI 日光型 18 热释电红外传感器 远红外式 二 信号及变换 1 电桥 用于组成直流或交流电桥 提供组桥插座 标准电阻和交 直流调平衡网络 2 差动放大器 通频带 0 10 Hz 可接成同相 反相 差动结构 增益为 1 100 倍的直流放 大器 3 电容变换器 由高频振荡 放大和双 电桥组成的处理电路 4 电压放大器 增益约为 倍 同相输入 通频带 0 10 KHz 5 移相器 允许最大输入电压 10Vp p 移相范围 20 5 时 6 相敏检波器 可检波电压频率 0 10KHz 允许最大输入电压 10VP P 极性反转整形电路 与电子开关构成的检波电路 7 电荷放大器 电容反馈型放大器 用于放大压电传感器的输出信号 8 低通滤波器 由 50 z 陷波器和 滤波器组成 转折频率 35 Z 左右 9 涡流变换器 输出电压 181 探头离开被测物 变频调幅式变换电路 传感器线圈是振 荡电路中的电感元件 10 光电变换座 由红外发射 接收组成 三 二套显示仪表 数字式电压 频率表 位半显示 电压范围 0 V 0 20V 频率范围 3Hz 2KHz 10 Hz 20KHz 灵敏度 50mV 指针式毫伏表 85CL 表 分 500 mV 50 mV 5mV 三档 精度 2 5 四 二种振荡器 音频振荡器 0 4 KHz 10KHz 输出连续可调 p p 值 20V 输出连续可调 180 0 反 相输出 LV 端最大功率输出电流 0 5 传感器原理及应用实验指导书 6 低频振荡器 30 Z 输出连续可调 值 0V 输出连续可调 最大输出电流 0 5 端可提供用做电流放大器 五 二套悬臂梁 测微头 双平行式悬臂梁二副 其中一副为应变梁 另一到副在内部与振动圆盘相连 梁 端装有永久磁钢 激振线圈和可拆卸式螺旋测微头 可进行位移与振动实验 右边 圆盘式工作台由 激振 带动 左边平行式悬臂梁由 激振 带动 六 电加热器二组 电热丝组成 加热时可获得高于环境温度 左右的升温 七 测速电机一组 由可调的低噪声高速轴流风扇组成 与光电开关 光纤传感器配合进行测速实验 八 二组稳压电源 直流 15 主要提供温度实验时的加热电源 最大激励 1 5 2V 10V 分 五档输出 最大输出电流 1 5 提供直流激励源 九 计算机联接与处理 数据采集卡 十二位 转换 采样速度 10000 点 秒 采样速度可控制 采样 形式多样 标准 RS 232 接口 与计算机串行工作 良好的计算机显示界面与方便实用处理软件 实验项目的选择与编辑 数据采集 数据处理 图形分析与比较 文件存取打印 使用仪器时打开电源开关 检查交 直流信号源及显示仪表是否正常 仪器下部 面板左下角处的开关为控制处理电路 15 的工作电源 进行实验时请勿关掉 为保 证仪器正常工作 严禁 15 电源间的相互短路 建议平时将此两插口封住 指针式毫伏表工作前需对地短路调零 取掉短路线后指针有所偏转是正常现象不 影响测试 注意注意 本仪器是实验性仪器 各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做 定性的验证 而非工业应用型的传感器定量测试 各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常 1 应变片及差动放大器 进行单臂 半桥和全桥实验 各应变片是否正常可用万 用表电阻档在应变片两端测量 各接线图两个节点间即一实验接插线 接插线可多 根迭插 为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转 2 热电偶 接入差动放大器 打开 加热 开关 观察随温度升高热电势的变化 3 热敏式 进行 热敏传感器实验 电热器加热升温 观察随温度升高 电阻两 端的阻值变化情况 注意热敏电阻是负温度系数 4 结温度传感器 进行 结温度传感器测温实验 注意电压表 2V 档显 示值为绝对温度 5 进行 移相器实验 用双踪示波器观察两通道波形 传感器原理及应用实验指导书 7 6 进行 相敏检波器实验 相敏检波器端口序数规律为从左至右 从上到下 其 中 端为参考电压输入端 7 进行 电容式传感器特性 实验 当振动圆盘带动动片上下移动时 电容变换 器 端电压应正负过零变化 8 进行 光纤传感器位移测量 光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上 固定 端面垂直于镀铬反射片 旋动测微仪带动反射片位置变化 从差动放大器输 出端读出电压变化值 9 进行光纤 光电 式传感器测速实验 从 表 o 端读出频率信号 表置 2 档 10 低通滤波器 将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端 输出端用示波器 观察 注意根据低通输出幅值调节输入信号大小 11 进行 差动变压器性能 实验 检查电感式传感器性能 实验前要找出次级线 圈同名端 次级所接示波器为悬浮工作状态 12 进行 霍尔式传感器直流激励特性 实验 直流激励信号不能大于 2 13 进行 磁电式传感器 实验 磁电传感器两端接差动放大器输入端 用示波器 观察输出波形 14 进行 压电加速度传感器 实验 此实验与上述第十一项内容均无定量要求 15 进行 电涡流传感器的静态标定 实验 其中示波器观察波形端口应在涡流变 换器的左上方 即接电涡流线圈处 右上端端口为输出经整流后的直流电压 16 进行 扩散硅压力传感器 实验 注意 MPX 压力传感器为差压输出 故输出 信号有正 负两种 17 进行 气敏传感器特性 实验 观察输出电压变化 18 进行 湿敏传感器特性演示 实验 19 进行 光敏电阻 实验 20 进行 硅光电池 实验 21 进行 光电开关 反射 实验 22 进行 热释电传感器 实验 以上第 17 项起实验均为演示性质 无定量要求 23 如果仪器是带微机接口和实验软件的 请参阅 微机数据采集系统软件 使用 说明 数据采集卡已装入仪器中 其中 转换是 位转换器 仪器后部的 接口与计算机串行口相接 信号采集前请正确设置串口 否 则计算机将收不到信号 仪器工作时质量需良好的接地 以减小干扰信号 并尽量远离电磁干扰源 上述检查及实验能够完成 则整台仪器各部分均为正常 实验时请非常注意实验任务书中实验内容后的 注意事项 要在确认接线无误的 情况下再开启电源 要尽量避免电源短路情况的发生 实验工作台上各传感器部分 如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整 以按下振动梁松手 各部分能随梁上下 传感器原理及应用实验指导书 8 振动而无碰擦为宜 附件中的称重砝码是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久 磁钢上方 实验开始前请检查实验连接是否完好 以保证实验顺利进行 本实验仪器需防尘 以保证实验接触良好 仪器正常工作温度 40 传感器原理及应用实验指导书 9 实验一热电偶测温 一 实验目的 1 掌握热电偶测温原理 了解其测温过程 2 学会分度表的应用 3 了解 热敏电阻的热敏特性现象 二 实验原理 1 热电偶的基本工作原理是热电效应 二种不同的导体互相焊接成闭合回路时 当两个接点温度不同时回路中就会产生电流 这一现象称为热电效应 产生电 流的电动势叫做热电势 通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶 具体热 电偶原理参考教课书 当工作端与参比端的温度不同时 通过测量热电势即可 知道两端温差 如固定某一端温度 一般固定冷端为室温或零摄氏度 则另一 端的温度就可知 从而实现温度测量 实验仪所配的热电偶是由铜 康铜组成的 简易热电偶 分度号为 本实验仪有二个热电偶 它们封装在双平行梁的上 片梁的上表面 在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点 就是热电偶 和下片 梁的下表面 二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和 2 热电偶一般测高温时线性较好 而热敏电阻则用于 200 以下温度较为方便 热 敏电阻的温度系数有正有负 因此分成两类 正温度系数 CTR 临 界温度系数 与 负温度系数 热敏电阻 一般 热敏电阻测量范 围较宽 主要用于温度测量 而 PTC 和 CTR 属突变型热敏电阻 温度范围较窄 一般用于恒温控制或温度开关 通常的 NTC 热敏电阻测温范围为 50 300 一般只适用于低精度的温度测量 三 实验所需部件 1 主副电源 2 15 直流稳压电源 3 可调直流稳压电源 4 差动放大器 5 F 数显表 6 加热器 7 热电偶及双孔悬臂梁 热敏电阻 传感器原理及应用实验指导书 10 四 实验任务与步骤 一 热电偶测温 一 热电偶测温 1 了解热电偶 差动放大器 F 数显表 15V 电源在实验仪上的位置及符号 按图示 1 接线 15V 电源先不要接 2 注意旋钮初始位置 数显表 置于 2 档 差动放大器 将两输入端对地短路 增益旋钮顺时针调到最大 开启主 副电源 调节差动放大器调零旋钮 使 表显示为零 F F V V数数显显表表 15V 热热电电偶偶 差差动动放放大大器器 Vi 加加热热器器 图 1 热电偶测温电路图 3 将 15 直流电源接入加热器的一端 加热器的另一端接地 观察 表显示值 的变化 待显示值稳定不变时记录下 表显示的读数 记录实验室内的室 温 4 用玻璃管温度计测出此时上梁表面热电偶处的温度 并记录下来 注意 温度 计不要触到应变片 只要触及热电偶处附近的梁体即可 5 实验完毕后关闭主 副电源 尤其是加热器 电源 玻璃管温度计测出 温度后马上拆去 15 电源连接线 其它旋钮置原始位置 6 根据热电偶的热电势与温度之间的关系式 E t toE t tnE tn to 其中 热电偶的热端 工作端或称测温端 温度 tn 热电偶的冷端 自由端 温度 也就是室温 to 0 7 热端温度为 t 冷端温度为室温 tn 时的热电势 Et E t tn KN 其中 Et F V 表显示值 K 差动放大器的放大倍数 此处 K 100 N 热电偶串联数目 此处 N 2 8 热端温度为室温 tn 冷端温度为 铜 康铜热电势 tn to 可以从以下所附 的铜 康铜热电偶分度表中得到 传感器原理及应用实验指导书 11 9 根据以上计算结果得到热端温度为 冷端温度为 时的热电势 to 然 后查分度表得到上梁表面温度 t 10 将热电偶测得温度值与玻璃管温度计测得温度值相比较 注意 本实验仪所配 的热电偶为简易热电偶 并非标准热电偶 只是了解热电势现象 二 热敏电阻测温 二 热敏电阻测温 1 了解热敏电阻在实验仪的所在位置及符号 它是一个蓝色元件 封装在加热器 旁的方塑料盒内 2 将 F V 数显表置于 2 档 直流稳压电源切换开关置 2 档 按图示 2 接线 3 开启主 副电源 调整 1 电位器 使 数显表指示为 200mV 左右 4 将 15 电源接入加热器 观察电压表的读数变化 并得出当温度升高时 温敏 电阻 Rt 是增大还是减小 由此判断出本次使用的是何种温度系数的热敏电阻 加加热热器器 15V F F V V数数显显表表 V r W1 Rt热热敏敏电电阻阻 Vi 图 2 热敏电阻测温电路图 五 数据记录 1 热电偶 加热前温度 加热前电压 V 加热后温度 加热后电压 V 2 热敏电阻 加热前电压 V 加热后电压 V 结论 传感器原理及应用实验指导书 12 六 思考 1 为什么差动放大器接入热电偶后需再调差放零点 2 即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有很大误差 为什么 3 如果你手上有这样一个热敏电阻 想把它作为一个 0 50 的温度测量电路 你 认为该怎样来实现 铜铜 康铜热电偶分度 康铜热电偶分度 0 分度号 T 0123456789工作端工作端 温度温度 热热 电电 动动 势势 mv 10 0 308 0 421 0 4590 4960 5340 5710 6080 6460 6830 720 00 0000 0390 0770 1160 1540 1930 2310 2690 3070 345 00 0000 0390 0780 1470 1560 1950 2340 2730 3120 351 100 3910 4300 4700 5100 5490 5890 6290 6690 7090 749 200 7890 8300 8700 9110 9510 9921 0321 0731 1141 155 301 1961 2371 2791 3201 3611 4031 4441 4861 5281 569 401 6111 6531 6951 7381 7801 8221 8651 9071 9501 992 502 0352 0782 1212 1642 2072 2502 2942 3372 3802 424 602 4672 5112 5552 5992 643 2 6872 7312 7752 8192 864 702 9082 9532 9973 0423 0873 1313 1763 2213 2663 312 803 3573 4023 4473 4833 5383 5843 6303 6763 7213 767 903 8273 8733 9193 9654 0124 0584 1054 1514 1984 244 1004 2914 3384 3854 4324 4794 5294 5734 6214 6684 715 传感器原理及应用实验指导书 13 实验二应变片性能及电桥 设计性实验 一 实验目的 1 了解金属箔式应变片的应变特性 2 掌握和理解应变片单桥 双桥和全桥的性能和相互关系 二 设计要求 1 熟悉悬臂梁受力实验系统 测量悬臂梁上 下两个金属箔式应变片在无受力情 况下的阻值 2 设计完成用金属箔式应变片构成单臂电桥测量电路的实验方案 检测悬臂梁 系统的受力输出情况 3 设计完成用金属箔式应变片构成双臂电桥测量电路的电路图 在电路图上标明 应变片阻值在受力情况下的阻值变化方向 检测悬臂梁系统的受力输出情况 4 设计完成用金属箔式应变片构成全桥测量电路的电路图 在电路图上标明应变 片阻值在受力情况下的阻值变化方向 检测悬臂梁系统的受力输出情况 5 根据单 双臂和全桥所测数据 计算每一个砝码所对应灵敏度 并取 U S P 平均值 6 绘出电桥输出与砝码数量 U N 的关系曲线 并对三种电桥的线性输出情况和 灵敏度进行分析和比较 7 试对比分析由应变片构成的三种电桥电路如果受温度影响下的输出情况 三 所需部件 1 直流稳压电源 2 电桥及应变片 3 差动放大器 4 悬臂梁及称重砝码 5 电压 数显表 传感器原理及应用实验指导书 14 四 实验原理 应变片是最常用的测力传感元件 当测试体受力发生形变时 其应变主要由电 阻率变化引起 如果用应变片检测物体受力情况 应变片要牢固地粘贴在检测物体 表面 当检测物体受力时 其电阻值也随之发生相应的变化 通过测量电路 可转换 成电信号输出 电桥电路是最常用的非电量转换电测电路中的一种 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 当使用一个应变片时 应变 1 1 R R 2 2 R R 5 5 R R 4 4 R R 当使用两个应变片组成差动状态工作 则有 用四个应变 R R R 2 R R R 片组成二个差动对工作 且R1 R2 R3 R4 R 则有 由此可知 4 R R R 单臂电桥 半桥 全桥电路的灵敏度依次增大 五 注意事项 1 实验前应检查实验接插线是否完好 连接电路时应尽量使用较短的接插线 以 避免引入干扰 2 接插线插入插孔 以保证接触良好 切忌用力拉扯接插线尾部 以免造成线 内导线断裂 3 在更换应变片时应将电源关闭 4 稳压电源不要对地短路 直流激励电压不要过大 以免造成应变片自热损坏 5 直流电源电压 4V 不能过大 以免损坏应变片或造成严重自热效应 6 接全桥时要注意区别各应变片的工作状态方向 六 实验思考 1 测量悬臂梁上 下应变片的阻值为何会不一致 阻值大的应变片在悬臂梁上方 还是下方 2 由应变片构成的电桥电路中 固定电阻应该如何选取才比较合适 3 由应变片构成的三个电桥电路中 应变片如何布局在电桥桥臂中才能获得最大 的差动输出 传感器原理及应用实验指导书 15 七 参考文献 1 黄贤武 郑筱霞编著 传感器原理与应用 成都 电子科技大学出版社 2 王家桢 王俊杰编著 传感器与变送器 北京 清华大学出版社 3 丁镇生编著 传感器与传感技术应用 北京 电子工业出版社 4 何希才编著 传感器及其应用 北京 国防工业出版社 传感器原理及应用实验指导书 16 附录 实验提示 1 各旋钮初始位置 直流稳压电源 4V 档 F V 表 2V 档 差动放大器增益旋钮 顺时针旋至最大 了解所需单元 部件在实验仪上所在的位置 观察 应变梁上的应变片 2 差动放大器调零 将差动放大器 增益 旋钮顺时针方向旋到最大 放大器 输入端用 实验线对地短路 输出端接数字电压表 接通实验仪电源 用 调零 电位器调 整差动放大器使输出电压为零 调零后关闭仪器电源 拔掉短路实验线 调零后 不要再动 调零 电位器 3 测量单臂电桥输出 图 1 单臂电桥实验电路 1 按图 1 将实验部件用实验线连接成测 量桥路 桥路中的R为均固定电阻 W1为直流调平衡电位器 Rw1为应变片 可任选上 下梁中的一片工作片 直流电源为 4V 确认接线无误后开启仪器正 副电源 并预热数分钟 调 整电桥 W1电位器 使测试系统输出为零 2 在悬臂梁称重平台上依次放上砝码 记录对应的输出电压 并将结果填 入表 1 内 注 砝码重量P 20g 表表 1 1 砝码 N 123456 电压 U V 1 UU nn 4V 4V 数数字字电电压压表表 R W1 RR Rw1 r 传感器原理及应用实验指导书 17 实验三半导体应变片性能检测 一 实验目的 1 了解半导体应变片的应变特性 2 掌握和理解半导体单臂电桥和双臂电桥的输出特性 3 了解半导体单臂电桥和双臂电桥的温度补偿状况 二 实验原理 应变片是最常用的测力传感元件 由于材料阻值为 对于半导体应变 s l R 计 当测试体受力发生形变时 其应变主要由电阻率变化引起 由于半导体材料的 压阻效应 特别明显 灵敏度比较大 可以反映出很微小的形变 但是受温度影 响大 如果用应变片检测物体受力情况 应变片要牢固地粘贴在检测物体表面 当 检测物体受力时 其电阻值也随之发生相应的变化 通过测量电路 可转换成电信号 输出 电桥电路是最常用的非电量 转换电测电路中的一种 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 当使用一个应变片时 应变 1 1 R R 2 2 R R 5 5 R R 4 4 R R 当使用两个应变片组成差动状态工作 则有 用四个应变 R R R 2 R R R 片组成二个差动对工作 且R1 R2 R3 R4 R 由此可知 单臂 4 R R R 半桥 全桥电路的灵敏度依次增大 三 实验所需部件 1 直流稳压电源 2 电桥及半导体应变计 3 差动放大器 4 悬臂梁及称重砝码 5 电压 数显表 2 加热器 传感器原理及应用实验指导书 18 四 实验内容 1 观测由半导体单臂电桥构成悬臂梁受力系统的受力输出情况及所受温度的影响 2 观测由半导体双臂电桥构成悬臂梁受力系统的受力输出情况及所受温度的影响 五 实验步骤 1 差动放大器调零 开启仪器电源 差动放大器 增益 顺时针方向旋到最大 放大器 输入端 用实验线对地短路 输出端接数字电压表 用 调零 电位器调整差动放大器使 输出电压为零 然后拔掉短路实验线 调零后电位器位置不要变化 调零后关闭 仪器电源 2 观察半导体应变片应变阻值 1 用数字万用表电阻档 测量标有的半导体应变片两端 记录Rw1阻值 然后在悬臂梁上添加两个砝码 根据其阻值变化情况 说明此应变片在悬臂梁 的上表面还是下表面 2 用数字万用表电阻档测量标有的半导体应变片两端 记录Rw2阻值 然后在悬臂梁上添加两个砝码 根据其阻值变化情况 说明此应变片在 悬臂梁 的上表面还是下表面 受力前Rw1 受力后 Rw1 结论 受力前Rw2 受力后 Rw2 结论 3 测量单臂电桥的输出 2V 2V 数数字字电电压压表表 R WD RR Rw1 R 传感器原理及应用实验指导书 19 图 1 单臂电桥实验电路 1 按图 1 将实验部件用实验线连接成测 量桥路 桥路中的R为均固定电阻 WD为 直流调平衡电位器 Rw1为半导体应变片 可任选上 下梁中的一片工作片 直流 电源为 2V 确认接线无误后开启仪器电源 并预热数分钟 调整电桥 WD电位器 使测试系统输出为零 2 在悬臂梁称重平台上依次放上砝码 记录对应的输出电压并将结果填入表内 砝码 N 12345 电压 U V 1 UU nn 砝码 N 678910 电压 U V 1 UU nn 3 去掉悬臂梁称重平台上的砝码 并调节平衡电位器WD输出为零 打开 加热器 电源开关 同时开始计时 记录 1 分钟内升温电压 之后断开加热器和仪器总 电源 图 2 双臂电桥实验电路 2V 2V 数数字字电电压压表表 R WD R Rw1 R Rw2 传感器原理及应用实验指导书 20 4 测量双臂电桥的输出 按图 2 将实验部件用实验线连接成测 量桥路 待半导体应变片温度平衡后 重复 以上单臂电桥的 1 2 3 步骤 并将结果填入表内 注 砝码重量P 20g 砝码 N 12345 电压 U V 1 UU nn 砝码 N 678910 电压 U V 1 UU nn 六 实验要求 1 根据单 双臂电桥所测数据 计算每一个砝码所对应灵敏度 之后取 U S N 平均值 2 在坐标图上绘出 U N 关系曲线 并对两种电桥进行比较 3 对两种电桥受温度影响的输出进行比较 并说明哪 种电桥具有温度补偿作用 七 注意事项 1 实验前应检查实验接插线是否完好 连接电路时应尽量使用较短的接插线 以 避免引入干扰 2 接插线插入插孔 以保证接触良好 切忌用力拉扯接插线尾部 以免造成线 内导线断裂 3 稳压电源不要对地短路 直流激励电压不要过大 以免造成应变片自热损坏 传感器原理及应用实验指导书 21 实验四霍尔式传感器直流激励特性 一 实验目的 1 了解传感器的结构和工作原理 2 学会用传感器做静态位移测量 二 实验原理 霍尔式传感器是由两个半环形磁钢组 成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔 元件组成 如图 1 和图 2 所示 当霍 尔元件通过恒定电流 霍尔元件在梯 度磁场中上 下移动时 输出的霍尔电势 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 静位移量 三 实验所需部件 1 霍尔片 磁路系统 2 电桥 差动放大器 3 数显表 直流稳压电源 主 副电源 4 测微头 振动平台 四 实验任务与步骤 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 两个半圆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 旋钮初始位置旋钮初始位置 1 差动放大器 增益旋钮适度 2 F V 数显表 置于 档 3 直流稳压电源 置于 2 档 3 根据图示 2 接线 1 为电桥单元的直流电桥平衡网络 仔细检测线路 传 感器的电源端与信号端绝对不能接错 N NS S 环环形形磁磁铁铁 霍霍尔尔元元件件 霍霍尔尔元元件件运运动动方方向向 图1 环形磁钢与霍尔传感器结构图 U V 0 X mm 图2 环形磁钢内梯度磁场的分布图 传感器原理及应用实验指导书 22 4 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 5 开启电源 调整 1使 F V 数显表指示为零 此时勿动差动放大器调零旋钮 6 向上旋动测微头 每隔 5mm 记下 F V 数显表的读数 并填入表内 7 作出 曲线 指出线性范围 求出灵敏度 S 得出实验结论 可见 不实 验测出的实际上是磁场情况 磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异 位移 测量的线性度 灵敏度与磁场分布也有很大关系 8 实验结束后 关闭主 副电源 各旋钮置初始位置 F F V V数数显显表表 差差动动放放大大器器 r V 2V V 2V W1 霍霍尔尔元元件件 Vi 图 2 霍尔元件实验接线图 上行12345 X mm V V 上行678910 X mm V V 下行12345 X mm V V 下行678910 X mm V V 五 五 注意事项 1 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 2 一旦调整好后 测量过程中不能移动磁路系统 3 激励电压绝对不能超过 2 以免损坏霍尔片 传感器原理及应用实验指导书 23 4 注意上行与下行之间的空程问题 传感器原理及应用实验指导书 24 实验五压电传感器动态特性实验 一 实验目的 了解压电传感器的工作原理 结构和应用 二 实验原理 压电传感器是一种典型的有源传感器 发电型传感器 压电传感器元件是力敏感元 件 在压力 应力 加速度等外力作用下 在电介质表面产生电荷 从而实现非电量 的电测 三 实验所需部件 1 压电传感器 2 电荷放大器 单芯屏蔽线 3 F 数显表 示波器 4 低通滤波器 低频振荡器 5 激振线圈 振动平台 四 实验任务及步骤 低低频频振振荡荡器器 激激振振线线圈圈 Vo F V数数显显表表 Vi 电电荷荷放放大大器器 低低通通滤滤波波器器 压压电电传传感感器器 示示波波器器 图 1 压电传感器动态实验电路 1 了解所需单元 部件 传感器的符号及在仪器上的位置 观察了解压电式加速度 传感器原理及应用实验指导书 25 传感器的结构 由 PZT 双压电陶瓷晶片 惯性质量块 压簧 引出电极组装于 塑料外壳中 2 各旋钮初始位置 数显表切换开关置于 2K 档 低频振荡器的幅度旋钮逆时针旋至最小 3 根据图 1 的电路结构 压电式传感器 电荷放大器 低通滤波器和双踪示波器连 接起来 组成一个测量线路 将低频振荡器的输出端与激振线圈和 F V 数显表相 连接 4 打开主 副电源 调整好示波器 将低频振荡器的幅度旋钮缓缓调至最大 调节 其输出频率 并用 F V 数显表监测 用示波器观察低通滤波器输出波形 读出 其峰峰值并填入下表 5 示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形 并与压电波形相比较 并观察 其波形和相位差 当振动平台处于谐振状态时振幅最大 此时示波器所观察到的 波形 Vp p 也最大 由此可以得出结论 压电传感器是一种对外力作用变化敏感 的传感器 6 将压电式传感器与电荷放大器之间的连接导线改用普通的单芯导线 调节低频振 荡器的频率并用示波器观察波形 与前面的实验进行比较 F Hz Vp p 五 思考 1 根据实验结果 可以知道振动台的自振频率大致是多少 2 压电式传感器的特点是什么 比较磁电式传感器输出波形的相位差是多少 六 注意事项 做此实验时 振动平台的振动频率不能过低 1 3Hz 否则电荷放大器将无法输出 传感器原理及应用实验指导书 26 实验六差动变压器性能检测 一 实验目的 1 了解差动变压器的基本结构及 工作原理 2 通过实验验证差动变压器的基本 输出特性 3 掌握使用差动变压器测量小位移的方法 二 实验原理 差动变压器是由衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈骨架等组成 的互感式位移传 感器 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的 在铁心位于中央位置时 差动信号输出电压为零 当铁心因位移而偏离中央位置时 差动信号的输出为与位移成正比的交流电压 其 原理及输出特性见图 1 图 2 图 1 差动变压器等效电路 图 2 差动变压器输出特性 r1 Li 铁铁心心 L0 r2 r3 L0 e1 e2 e3 e2 e3 e0 X X m mm m U U V V 0 0 传感器原理及应用实验指导书 27 三 实验所需部件 1 差动变压器 2 音频振荡器 3 螺旋测微头 4 双通道示波器 四 实验内容 1 在差动变压器的初级线圈上加一音频信号 转动螺旋测微头 用示波器观测其次 级线圈的输出情况 并记录其输出与位置的关系 2 根据表格所列结果 画出输出 Vop p 与位移 X 的关系曲线 指出线性工作范围并求 出灵敏度 S 图 3 差动变压器实验电路 五 实验步骤 1 按图 3 接线 差动变压器初级线圈必须从音频振荡器 LV 端功率输出 音频振荡 器输出频率 5KHZ 左右 输出值峰峰值 VP P 为 2V 2 双线示波器第一通道灵敏度 500mv 格接差动变压器的初级线圈 Li 第二通道灵 敏度 10mv 格接差动变压器的次级线圈 Lo 3 用手提压差动变压器磁芯 观察示波器第二通道波形是否能过零翻转 如不能则 改变两个次级线圈 Lo 的串接端 4 仔细调节螺旋测微头使次级线圈的输出波形至不能再小 记录此位置的电压值 Li 音音频频振振荡荡器器 示示波波器器第第一一 通通道道 示波器第二 通道 Lo Lo Lv 电感线圈 传感器原理及应用实验指导书 28 这就是零点残余电压 可以看出它与输入电压的相位差约为 2 是基频分 量 5 旋动螺旋测微头 带动差动变压器衔铁在线圈中移动 每增加 0 5mm 从示波器中 读出次级输出电压 VP P值并填入表 1 6 重复以上步骤每减少 0 5mm 从示波器中读出次级输出电压 VP P值并填入表 1 读 数过程中应注意初 次级电压波形的相位关系 表表 1 1 位移 mm 电压 V 位移 mm 电压 V 六 注意事项 示波器第二通道为悬浮工作状态 传感器原理及应用实验指导书 29 实验七磁电式传感器性能检测 一 实验目的 通过实验了解磁电式传器的原理 结构 性能及应用 二 实验原理 磁电式传感器是一种能将非电量的变化转为感应电动势的传感器 所以也称为感应式 传感器 根据电磁感应定律 匝线圈中的感应电动势 的大小决定于穿过线圈的 磁通 的变化率 d dt 在本实验装置中的磁电式传感器是由动铁与感应 线圈组成 永久磁钢做成的动铁产生恒定的直流磁场 当动铁与线圈有相对运动时 线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势 与磁通变化率成正比 所以是一种动态传 感器 三 实验所需部件 1 磁电式传感器 差动放大器 2 低通滤波器 示波器 F 数显表 3 激振线圈 低频振荡器 振动平台 主 副电源 四 实验任务及步骤 1 有关旋钮初始位置 差动放大器增益旋钮置于中间 低频振荡器的幅度旋钮置 于最小 F V 数显表置 2K 档 2 观察磁电式传感器的结构 根据图 1 的电路结构 将磁电式传感器 差动放大 器 低通滤波器和双线示波器连接起来 组成一个测量线路 将低频振荡器的 输出端与激振线圈和 F 数显表的输入端相连 3 开启主 副电源 调整好示波器 低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置 调 节频率 调节时用 F 数显表监测频率 用示波器观察低通滤波器输出波形 记录峰峰值填入下表 F Hz Vp p 4 拆去磁电传感器的引线 把涡流传感器经涡流变换器接入低通滤波器 再用示 波器观察输出波形 波形好坏与涡流传感器的安装位置有关 参照涡流传感器 的实验 并与磁电传感器的输出波形相比较 传感器原理及应用实验指导书 30 5 通过观察 可以得出结论 磁电式对速度敏感 电涡流式传感器则对位置敏感 速度的变化对它影响不大 低低频频振振荡荡器器 激激振振线线圈圈 Vo F V数数显显表表 Vi 示示波波器器差差动动放放大大器器 低低通通滤滤波波器器 磁磁电电线线圈圈 N S 图 1 磁电式传感器实验电路 四 思考 1 试回答磁电式传感器的特点 2 比较磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位 为什么 传感器原理及应用实验指导书 31 实验八差动变面积电容传感器特性 一 实验目的 1 了解差动变面积电容传感器的工作原理 2 掌握差动变面积电容传感器的输出特性和性能指标 二 实验原理 电容式传感器有多种形式 本次实验中使用的是差动平行变面积式电容式传感器 它由两组定片和一组动片构成 当安装于振动台上的动片上下改变位置时 与两组静片 之间的重叠面积发生变化 极间电容也发生相应变化 成为差动电容 如果将上层定片 和动片形成的电容定为 Cx1 下层定片和动片形成的电容定为 Cx2 当将 Cx1 和 Cx2 接 入双 T 型桥路作为相邻两桥臂时 桥路的输出电压与电容量的变化有关 即与振动台的 位移有关 三 实验所需部件 1 平板电容传感器 电容放大器 2 差动放大器 F 数显表 示波器 3 低通滤波器 低频振荡器 4 激振线圈 振动平台 测微头 四 实验任务及步骤 F F V V数数显显表表差差动动放放大大器器 电电容容放放大大器器 Vo 低低通通滤滤波波器器 Cx1 Cx2 图 1 电容传感器静态实验电路 1 了解所需单元 部件 传感器的符号及在仪器上的位置 按图示 1 接线 2 各旋钮初始位置 数显表切换开关置于 2 档 差动放大器增益旋钮顺时 针旋至最大 电容放大器增益增益旋钮顺时针旋至最大 3 打开主 副电源 调节测微头带动振动平台位移 使电容动片位于两动片中部 此时调节差动放大器调零旋钮使输出为零 传感器原理及应用实验指导书 32 4 以此中心点 旋转测微头向下移动电容动片 每移动 0 5mm 记录一组数据并填 入表内 直至电容动片与静片完全重合为止 5 退回测微头至中心点位置 并开始反方向向上移动电容动片 方法同上 6 作出位移 X 与电压输出 U 的关系曲线 分析其线性情况和确定线性范围 根据 所得结果计算系统灵敏度 X 示示波波器器差差动动放放大大器器 电电容容放放大大器器 Vo 低低通通滤滤波波器器 CX1 CX2 低低频频振振荡荡器器 激激振振线线圈圈 图 2 电容传感器动态实验电路 7 将测微头向上移开 并使其与振动平台分离 按图 2 接通低频振荡器和激振线 圈 调节低频振荡器的输出幅度和频率范围 用示波器观察 记录和分析输出 波形 X mm 电压 V X mm 电压 V X mm 电压 V X mm 电压 V 五 注意事项 1 电容动片与两定片之间的片间距离须相等 必要时可稍做调整 位移和振动时 均应避免擦片现象 否则会造成输出信号突变 2 如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波 请将电容变换器增益进 一步减小 3 由于悬臂梁弹性恢复的滞后 进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置 但系 传感器原理及应用实验指导书 33 统输出电压可能并不回到零 此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起 始位置 待系统输出为零后进行反方向的采集 实验九电涡流传感器静态性能检测 一 实验目的 1 了解电涡流传感器的结构和工作原理 2 学会检测电涡流传感器并了解其输出特性 二 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 的大小与金属涡流片的电阻率 导磁率 厚度 温度以及与线圈的距离 X 有关 当平面线圈 被测体 涡流片 激励源已确定 并保持环境温度 基本不变 阻 抗 Z 只与 X 距离有关 将阻抗变化经涡流变换器变换成电压 V 输出 则输出电 压是距离 X 的单值函数 三 实验所需部件 1 电涡传感器 电涡流变换器 2 金属涡流片 测微头 振动平台 3 示波器 F V 数显表 四 实验内容 1 作出电涡流传感器输出特性 V X 曲线 分析其线性情况 指出线性范围 2 求出电涡流传感器在其线性范围内的灵敏度 3 分析两种金属涡流片的输出特性和相关参数 五 实验步骤 1 观察电涡流传感器的结构 确认安装好电涡流线圈并将其对准金属涡流片 注 意两者必须保持平行 必要时可稍许调整探头角度 2 安装好测微头 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 传感器原理及应用实验指导书 34 F V 数显表 20V 档 如图 1 图 1 涡流线圈与电涡流变换器接线示意图 3 开启仪器电源 旋动测微头带动振动平台使电涡流线圈与涡流片分开一定距离 此时输出端有一电压值输出 用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器 的高频波形 信号频率约为 1MHZ 4 用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片 此时涡流变换器输出 F V 数显表为零 涡流变换器中的振荡电路停振 5 旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片 每移 动 0 5mm 记录一读数 将 V X 数据填入表中 并用示波器观察变换器的高频振荡波形 直至线性严重 变坏为止 6 更换另一种涡流片 重复以上步骤 位 移 X mm 电 压 U V 位 移 X mm 电 压 U V 六 注意事项 涡涡流流线线圈圈 F F V V数数显显表表 电电涡涡流流 变变换换器器 Vi 示示波波器器 传感器原理及应用实验指导书 35 当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时 接入示波器会影响线圈的阻抗 使 变换器的输出电压减小 如果示波器探头阻抗太小 甚至会使变换器电路停振而无 输出 或是使传感器在初始状态有一死区 实验十扩散硅压力传感器实验 一 实验目的 1 了解半导体扩散硅压力传感器的工作原理和使用方法 2 掌握半导体扩散硅压力传感器的输出特性和性能指标 3 学会使用 U 形管压力计测量压力 二 实验原理 压阻式扩散硅压力传感器 MPX 是利用单晶硅的压阻效应 并采用集成工艺技术 制成的器件 也就是在单晶硅基片上用扩散工艺技术 或离子注入及溅射工艺 制成由 四个呈 X 型的等值电阻构成的应变元件 并进行激光修正和温度补偿 由此制造出的传 感器电路线性好 灵敏度高 重复性好 当它受到压力作用时 应变元件的电阻发生变 化 从而使输出电压变化 三 实验所需部件 1 主 副电源 直流稳压电源 2 差动放大器 F 数显表 3 压阻式差压传感器 4 U 形管 气压皮囊及加压配件 四 实验任务及步骤 1 了解所需单元 部件 传感器的符号及在仪器上的位置 观察并分析扩散硅压力 传感器的受压情况 传感器原理及应用实验指导书 36 F F V V数数显显表表 差差动动放放大大器器 V 2V 压压力力 传传感感器器 Vo Vo Vs Vs V 2V Vi 图 1 压力传感器实验电路 2 各旋钮初始位置