广工传感器实验报告.doc

传感器技术及应用实验 实验一金属箔应变片及转换电路性能实验项目名称：金属箔应变片及转换电路性能实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、 实验目的1、 了解应变片的测试原理和应用领域；2、 掌握应变片测试方法及典型转换电路原理；3、 通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态性能特性指标的过程和方法。二、 实验内容和要求1、 观察金属箔式应变片的结构，贴片方式以及桥接方式；2、 测量应变梁形变的应变输出；3、 比较应变片不同桥接方式对电桥输出结果的影响；4、 进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。三、 实验主要仪器设备和材料1、 CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：悬臂梁及金属箔式应变片；电桥模块；差动放大器；直流稳压电源（4V档）；测微头；毫伏表。2、 导线若干3、 万用表四、 实验方法、步骤及结果测试一）、实验原理应变片是最常用的测力传感元件，当使用应变片进行测试时，首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当被测件受力发生形变，应变片敏感栅也同时变形，其阻值也随之发生相应变化。之后，再通过测量转换电路，将电阻值变化转换成电压输出信号显示。直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂电阻阻止乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。若设电桥桥臂四个电阻的初始值分别为：R1=R2=R3=R4=R,当测试体表面发生形变，则其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，可组成半桥单臂电桥，则有U0=U4RR；当使用两个应变片差动联接，组成半桥双臂电桥，则有U0=U2RR；而四个应变片组成全桥形式，则输出电压为U0=URR。由此可见，单臂电桥，双臂电桥，全臂电桥的灵敏度是依次增大的。通过本次实验，可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂，半桥双臂电桥和全桥的原理及工作性能。电路图;二）实验步骤及结果测试1、仪表及电路调零任何测试仪器或仪表，在使用前均需调零。本实验需要调零的部件是毫伏表，直流电桥和差动放大器。毫伏表调零。将综合试验仪上的毫伏表输入端对地短接，调整“调零”电位器，使指针居“零”位，拔掉短接线指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。差动放大器调零。开启仪器电源，将差动放大器的“、”输入端用实验线对地短路，放大器输出端接毫伏表或数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压至零，然后拔掉短接实验线。2、半桥半臂接桥方式测试接桥。按图1半桥单臂电桥测试接线原理图，将实验模拟块用实验线连接成测试电桥。桥路中R1、R2、R3和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为箔式应变片。直流激励电源为4V。测微头置位。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上。初始时，测微头一般位于悬臂梁上方，不与梁接触。测微头置位，即是调节测微头旋转，通过顶杆使应变梁处于基本水平状态。此时可认为悬臂梁上的应变片不受力，其电阻为应变片的初始值。直流电桥平衡调整确定按图1接线无误后，开启仪器电源，并预热数分钟。调整直流电桥WD电位器，使测试系统电压输出为零。此时可认为电桥处于平衡状态。加载测试a、 旋动测微头，带动悬臂梁分别向上或向下移动，以水平状态下输出电压为零。测微头每转一圈，对应垂直移动0.5mm，相应记录差动放大器的一个输出电压值。向上或向下各移动5mm，记录十组数据，记录下表：位移x(mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压U(mV)491216202429333640b、 以与相反的旋转方向（反向加载），用同样的方法测试，记录数据，填入下表：位移x(mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压U(mV)-5-8-12-16-20-23-27-30-34-383、半桥双臂桥接方式测试保持差动放大器增益不变，将R1换成为与应变片R工作状态相反的另一应变片，形成半桥双臂电桥，调好零点，用同样方法测出数据，填入下表：位移x(mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压U(mV)61218263240465461684、全桥接桥方式测试保持放大器增益不变，将R3，R2两个电阻换成另两片应变片，接成一个直流全桥电路，调好零点，将测出数据填入下表：位移x(mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压U(mV)-14-28-40-54-68-81-94-104-118-130五、 实验报告要求1、 实验报告格式严格按照广东工业大学有关规定要求执行。2、 在同一坐标纸上，绘出以上每种测试条件下的测量数据（输入输出）x-U曲线，绘出数据表格要标明物理量和单位。3、 认真分析实验数据，依此计算传感器的灵敏度和线性度？并认真绘制出传感器的性能曲线。4、 比较三种桥接方法的灵敏度。答：结合上面数据，可得到，灵敏度从小到大为：半桥半臂接桥方式半桥双臂桥接方式全桥接桥方式。5、 对实验中存在的问题，进一步的想法等进行讨论。答：实验室的仪器不是很稳定，调零完毕后一开始实验的设备预热总是稳定不下来，后来换了设备来测试，建议设备有问题的机器收集做个标记以方便实验的流畅性。六、 思考题1、 若要计算系统的回程误差，测试数据该如何处理？答：如果要计算回程误差，应该把第二次实验数据的电压值取负值进行数据对比。2、 图1中，若R和R1R3均为应变片，接桥时未能接成差动形式，系统能否正常工作？为什么？答：系统无法正常工作，不接成差动形式，电桥桥臂电阻差值不能通过电压输出，无法表现出来。3、 实验中，在电桥的三种状态下测试，为什么要求保持差动放大器增益不变？答：为了在三种测试状态下测得数据有对比性，有同一个前提，控制变量。实验二电容式传感器静特性测试与动测试观测实验项目名称：电容式传感器静特性测试与动特性观测实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、 实验目的1、 掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。2、 掌握电容式传感器特性的实验测试方法。3、 了解电容式传感器的工程应用。二、 实验内容和要求1、 观察传感器综合试验仪上电容式传感器的结构形式。2、 了解电容变换器的转换原理。3、 电容式传感器静态特性测试。4、 电容式传感器动态测试。5、 进行实验前，先预习附录一“CYC型传感器系统综合试验仪使用指南”，了解该设备的基本结构组成。三、 实验主要仪器设备和材料1、 CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：电容式传感器；电容变换器；差动放大器；低通滤波器；低频振荡器；测微头；毫伏表或数字电压表。2、 双线示波器及实验连接导线若干。四、 实验方法、步骤和结果测试1、 实验原理及方法根据两金属板间电容的计算式C=k*S/d，其中k为电容的两极板的介电常数，可知电容式传感器有三种类型。本实验中的为差动变面积型，电容传感器由两组定片和一组动片组成。安装于振动台上的动片上下改变位置，与两组定片之间的重叠面积发生变化，极间电容也相应发生变化，成为两差动式电容。若将上层定片与动片形成的电容设为Cx1，下层定片与动片形成的电容为Cx2，当将Cx1与Cx2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容接入其他转换电路）时，则电路的输出电压与电容量变化有关，即与振动台的位置有关。电容式传感器的实验原理框图如下：2、 实验步骤及结果测试a) 相关仪表和电路调零差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。b) 电容传感器静态特性测试 按图2原理接线。将电容变换器的增益调至适中。电容变换器的转换原理图详见附录二。 旋动测微头，使测微头与振动台接触，并带动振动台移动。当电容动片位于两电容定片对称位置时，此时差动放大器输出应为零。 以此为起点，向上或向下每次0.5mm移动动片，直至动片与一组定片全部重合位置，记录数据，并作出x-V曲线。位移x(mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V(V)0.1540.3080.4640.6240.7800.9381.101.261.421.58 相反方向转动测微头至初始位置，用与相同的方法记下x(mm)和V(V)。位移x(mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V(V)-1.71-1.52-1.33-1.15-0.972-0.802-0.636-0.474-0.313-0.157c) 电容传感器动态特性观测将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线；接通激振器I（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低通和差放输出波形，并记录波形。改变激振器I频率，重复观测，注意波形的变化。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等特性指标。4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。答：在改变激振器的频率时候（1HZ-30HZ），低通输出的波形随着频率增大，幅值增大，到了一定的频率时候，幅值开始下降，甚至出现了失真的现象。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。答：实验过程中，发现有些设备的激振器的频率无法调试，达不到预期的效果，总体电路还是可以根据电路图接线，原理也易懂。六、思考题1、 实验原理图2中，信号处理是先过滤再放大，能否先放大再滤波？观察两种状态下的波形输出。答：信号先放大，再滤波。因为信号太小本身就不适合滤波，而且放大器本身也有噪声，这样的话后滤波的同时还可以滤除放大器的噪声，减少测量误差。2、 拟合直线的选取方法有几种？不同拟合直线得出的传感器静态特性指标的数值会一致吗？此时该如何合理评价传感器的特性？答：拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，。不同拟合直线得出传感器静态性能数值不一样。实验三霍尔传感器的应用实验项目名称：霍尔传感器的应用位移及振幅测量实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计试验计划学时：2学时一、实验目的1、 了解霍尔位移传感器的工作原理和结构，学会用霍尔传感器进行位移测试；2、 了解霍尔传感器在震动测量中的应用。二、实验内容和要求1、 观察传感器综合试验仪上霍尔式位移传感器的结构。2、 直流激励下，用霍尔位移传感器进行静态位移测试；3、 直流激励下，用霍尔位移传感器进行震动测试；4、 交流激励下，用霍尔位移传感器进行震动测试；5、 进行试验前，先预习信号幅值调制的原理。三、实验主要仪器设备和材料1、 CYS型传感器系统综合试验仪；本次实验所用模块包括：直流稳压电源；霍尔传感器；电桥；差动放大器；毫伏表；测微头；移相器；相敏检波器；低通滤波器、音频振荡器2、 双踪示波器；3、 接插连接实验导线若干。四、实验方法、步骤和结果测试（一）、实验原理及方法实验台上的霍尔传感器，由两个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。当保持霍尔元件的控制电流I恒定，在与霍尔元件控制电流相垂直的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场上下移动时，输出的霍尔电势U0取决于其在磁场中的位移量x，即U0=kx，所以测得电势大小就可知道霍尔元件的位移量。（二）、实验步骤及结果测试1、霍尔传感器位移测试相关仪表和电路调零差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。按图3直流激励接线注意：部分设备霍尔元件的控制端接地，此时只能一端接+2V，另一端接地。否则会烧元器件！ 旋转测微头，使测微头顶杆与振动圆盘接触。调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件输出为零，此时霍尔元件位于磁场梯度场。 开启电源，调节测微头和电位器WD，使差放输出为零。 上下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取响应电压值，并记入下表。位移x(mm)0.511.522.533.532.521.510.5电压Uo(mv)1433094946798118628838628086764943121472、直流激励下霍尔传感器震动测试仍按图3直流激励接线，使系统调零，并松开测微头，使其脱离振动台。将低频振荡器接“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。进一步提高低频振荡器的振幅，用示波器观察差动放大器的输出波形，当波形出现顶部削峰时，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电压已不再随位移量的增加而线性增加。改变激振器I的频率，进行观测，注意波形的变化。记录输出波形。答：通过连接完低频振荡器，利用示波器观察差动放大器输出的波形，经过调试波形得到的是接近正弦波的波形，随着震动的频率增大，波形也会增大慢慢饱和。3、交流激励下霍尔传感器震动测试按图4交流激励接线。图中180为交流电源，从音频振荡器响应端取得。调节电桥与移相器，提压震动圆盘，使低通滤波器输出电压正负对称。接通低频振荡器，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，并加以描述。分别记录差动放大器输出、相敏检波器输出和低通滤波器波形。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上扼要书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据直流激励下静态位移测试数据，在坐标纸上绘出霍尔位移传感器实验曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此