传感器实验指导书

1、传感器与检测技术实验指导教师：陈劲松实验一金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、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：R 丄（1）当金S属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长I，横截面积相应减小 S，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 R。对式（1）全微分，并用相对变化 量来表示，则有： S 一（2）式中的ll为电阻丝R I S71的轴向应变，用&表示，常用单位（1 =1 X 1。5%口）。若径向应变为 %，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关

2、系用泊松比表示为rr （ | ），因为SS=2（%），贝9（2）式可以写成：R|-（1 2 ）（1 2 -） k（3）R IIllI式（3）为“应变效应”的表达式。ko称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，ko 受两个因素影响，一个是（1 + 2 ），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ko 1 2 ，对半导体，ko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k0=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

3、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E（4）式中（T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：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、土 15V电源、土 5V电源、万用表（自备）。四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位置如图（1 1）所

4、示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。 传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R仁 R2=R3=R4=350Q。图11应变式传感器安装示意图2、接入模板电源 15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，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，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3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Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3、 按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片

5、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接上桥路电源土 5V,此时应将土 5V地与土 15V地短接（因为不共地）如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1使数显表显示为零4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并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。燃OP07图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图表1-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)正行020406080100120140160180200电压(m

6、v)程1重量(g)反行020406080100120140160180200电压(mv)程1重量(g)正行020406080100120140160180200电压(mv)程II重量(g)反行020406080100120140160180200电压(mv)程II5、根据表1- 1计算系统灵敏度、非线性误差(端基法或最小二乘法)、迟滞误差和重 复性误差。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、电桥的电压为土 5V，绝不可错接成土 15V,否则可能烧毁应变片六、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

7、）应变片（ 3）正、负应变片均可以。七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出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。实验二 金属箔式应变片 -全桥性能实验及电子秤实验一、实验目的：了解全桥测量电路的原理及优点。了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：半桥测量电路中， 把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边， 电桥输出灵敏 度提高，非线性得到改善。全桥测量电路中， 将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边， 当应变片初始阻值： R1 = R2= R3 = R4,其变化值厶R1 = R2=A R3=A R4时，其桥路输出电压 Uo3= KE 。其输出灵敏度

8、比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。电子秤实验原理为利用全桥测量原理， 通过对电路调节使电路输出的电压值为重量 对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、土 15V电源、土 5V电源。四、实验内容与步骤：（一）、半桥性能实验1、接入模板电源 15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，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，输出端与主控箱面板上 数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器 Rw3使数显表显示为零，（数 显表的切换开关打到2V档）。关闭主控

9、箱电源。2、根据图2-1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。接入桥路电源土 5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5,将实验数据记入表2-1。若实验时显示数值不变化说明 R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片图2-1应变式传感器半桥实验接线图按放kLl略表2-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程02040608010012014016018020

10、0电压(mv)(二)、全桥性能实验根据图2-2接线，实验方法与实验一相同，注意保持RW2的位置不动。将实验结果填入表2-2;进行灵敏度和非线性误差计算表2 2全桥输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)搖诫大lh略rJiqk+5VflOK心RWl图2-2应变式传感器全桥实验接线图(三)电子秤实验利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始的电子秤1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零

11、，按图 2-2全桥接线，合上主控箱电 源开关，调节电桥平衡电位器 Rwl，使数显表显示(2V档)。2、 将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2 (增益即满量程调节) 使数显表显示为或一。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 Rw1 (零位调节)使数显表显示为。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改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表 2-3。表2 3电桥输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程02040608010012014016

12、0180200电压(mv)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、电桥的电压为土 5V,绝不可错接成土 15V。六、思考题:1、全桥测量中，当两组对边（Ri、R3为对边）值R相同时，即Ri = R3，R2= R4, 而Rim R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻呂ft呂呂呂呂3 J R R n D图2-3 应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求：1根据所记录的数据绘制出传感器的特性曲线。2、计算并比较半桥、全桥输出时的

13、灵敏度、非线性度和迟滞误差，并从理论上加 以分析比较，得出相应的结论。3、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏 度，应采取哪些措施。实验三电容式传感器的位移特性实验、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点、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

14、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:In r2ri式中I 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；2、外圆筒内半径和内圆柱外半径。(1)当两圆筒相对移动I时，电容变化量 C为C 2 I 2 I I 2 IIn r2ri Inr2n Inp2ri可得其静态灵敏度为：(2)于是,kg2_I1_2_IIn JIn / I In r2ri可见灵敏度与r2ri，有关，2与Pi越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度 I与灵敏度无关，但l不可太小，否则边

15、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。二、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。三、实验步骤:1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板 的插座中。2、将电容传感器实验模板的输出端 Vol与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。3、接入土 15V电源，旋动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3-1。表3- 1电容传感器位移与输出电压值X(m

16、m)正行程0V(mv)X(mm)反行程0V(mv)4、根据表3-1数据计算电容传感器的系统灵敏度、非线性误差和迟滞误差 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，不要接触传感器，否则将会使线性变差图3-1电容传感器位移实验接线图六、思考题：1、简述什么是传感器的边缘效应，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？七、实验报告要求：1、整理实验数据，根据所得得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，计算该传感器得非线性误差。2、根据实验结果，分析引起这些非线性得原因，并说明怎样提高传感器得线性度。实验四

17、Pt100 热电阻测温实验一、实验目的：了解热电阻的特性与应用。二、基本原理： 利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系 数大，而稳定，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂 电阻在0 630. 74C以内，电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro（1+At+Bt 2）Ro 系温度为 0C时的电阻。本实验 Ro= 100C。A10 2/C, B= X 10 7/C 2,铂电阻内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种， 两线制中引线电阻对测量的影响 大，用于测温精度不高的场合， 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻 因环境温度变化所

18、引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响， 用于 高精度温度检测。 本实验是三线制连接， 其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测 量的影响。三、需用器件与单元：Pti00热电阻（温度模块上）、1A恒流源、温度控制单元（温控器）、温度传感器实 验模板、数显单元、万用表。四、实验步骤：1、将温度模块中的实验Pt100接入a b间，把b、c连接起来，这样，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就组成了一种直流单臂电桥，再把 Rw2逆时针旋到底（增益最小）2、 把温度模块的土 15V和主控箱的土 15V输出连接起来，差动放大器的Vo与主控 箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接

19、，调节 Rw3使差动放大器的输出 为零。3、按图4-1连接好线，在端点a与地之间加+5V的直流电源，按图11-1将电桥的 输出与差动放大器相连，温度控制器的 SV窗口设定为500C （设置方法见附录2），然 后调节Rw1使电桥平衡，即使差放的输出为零。4、在500C的基础上，以后每隔50C设定一次，即 t=50C，读取数显表值，将 结果填入下表。表5- 1TC)正行50556065707580859095100V(mV)程T (C)反行50556065707580859095100V(mV)程5、根据上表计算Pt100的灵敏度、非线性误差、迟滞误差五、实验注意事项：加热器温度不能加热到120C

20、以上，否则将可能损坏加热器。六、思考题 ：如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？七、实验报告要求：1 、根据实验所得的数据，做出传感器的特性曲线。2、总结 Pt100 热电阻传感器有哪些优缺点。附录 1 实验箱温度控制简要原理当总电源开关合上， 并且温度控制器的开关也闭合时， 如果温度控制器测得的温度低于设定的 温度值，那么温度控制器面板上 ALM2 灯亮（ ALM2 为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开 触点串联的） ，内部继电器闭合，温度模块开始加热，加热电源为1A 恒流源，当温度加热到略高与设定温度值时， ALM2 灯灭，内部继电器断开，温度模块停止加热，但由于温度的惯性比较大，因

21、此当温度模块停止加热后，仍有一定的向上的冲量。附录 2 温度控制器使用说明1 、仪表通电显示窗先显示 PV 窗输出代码、 SV 窗输入代码，后显示 PV 窗量程上限、 SV 窗量程下限（ N 型显示 PV 窗 Jd 0 5、SV 窗 2003），随后即进入工作状态，其中 PV 显示的为测量的温度值， SV 显示的为设定的温度值，当 SV 的值大于 PV 的值时 ALM2 灯亮，恒流源有输出， 当 PV 的值大于 SV 的值时， ALM1 灯亮，恒流源无输出， 按 SET 键秒 SV 显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按 SET 键秒确认，如需要修改其 他参数，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜

22、单，可按要求逐一修改内容（见操作 流程表），修改完毕再按 SET 键秒若干下，退出菜单，如 15 秒内无键按下（该窗内新 设置的数据无效）自动进入新的工作状态。2、 当输入信号大于量程上限时，仪表显示，当输入信号小于超出量程下限10%以上时，仪表仍显示，并切断主控输出； 当输入信号略小于量程下限时，仪表显示。3、当温度控制效果不够理想时，可以通过人工后自整定来改变 PID 参数。操作方法如 下：人工修正：将仪表进入B菜单至P窗，再用温度控制器下面的三个箭号键来修正 P值，再按进入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按 SET键若干下返回正常工作 状态，即开始新的PID参数。自整定修正：先把主控设定再实际使用值后实用值的80流右，再将仪表进入B菜单至ATU窗后选择（1）选号按SET键确认后仪表即进入自 整定状态，同时AT灯亮，带自整定完成AT灯灭仪表即按新的自整定PID参数工作。用 自整定修正 PID 值时应该注意当负载为多段串联加热方式（如挤出机械） ，其中某段进 入自整定过程时，应尽量保持相邻前后二段的温度不变，否则会影响自整定效果。4、PID 参数的设置原则：P比例带设定，一般取上过冲值的 2倍，当