传感器实验手册

1、目 录实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验1实验二 金属箔式应变片半桥性能实验2实验三 金属箔式应变片全桥性能实验3实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较5实验五 金属箔式应变片全桥温度影响实验5实验六 直流全桥的应用电子秤实验5实验七 电容式传感器的位移实验6实验八 直流激励时接触式霍尔位移传感器特性实验7实验九 霍尔转速传感器测速实验8实验十 热电阻测温特性实验9实验十一 热电偶测温性能实验10温控仪表操作说明12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：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变

2、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为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U02=EK/4。（E为电桥供电电压）。 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、+5V电源、万用表(自备)。 四、实验步骤： 1、根据图1-1，应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1

3、、R2、R3、R4标志端。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350，加热丝阻值约为50左右。图1-1 应变片传感器安装示意图 2、实验模板差动放大器调零，方法为:接入模板电源±15V( 要特别注意±电源的连接)，检查无误后，打开电源开关，将实验模板增益调节电位器RW3顺时针调节到大致中间位置，将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端与数显电压表相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示近似为零(数显表的切换开关打到2V档)，完毕关闭电源。 3、参考图1-2接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥

4、作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7在模块内已连接好)，接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源+5V，检查接线无误后，合上电源开关，先粗调节RW1，再细调RW4使数显表显示为零。图1-2 应变片传感器单臂电桥实验接线图 4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表1-1。表1-1 单臂测量时，输出电压与负载重量的关系 重量（g）电压（mv） 5、根据表1-1计算系统灵敏度S：S=V/W(V为输出电压平均变化量；W重量变化量)，计算非线性误差：f=m/yFS×100%，式中m为输出电压值(多次测量时为

5、平均值)与拟合直线的最大电压偏差量：yFS为满量程时电压输出平均值。 五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。 二、基本原理：不同受力方向的两片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。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。 三、需用器件与单元：同实验一。 四、实验步骤： 1、保持实验（一）的各旋钮位置不变。 2、根据图2-1接线，R1、R2为实验模板左上

6、方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源+5V，先粗调RW1，再细调RW4，使数显表指示为零。注意保持增益不变。 3、同实验一（4）步骤，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度S=V/W，非线性误差f。若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。图2-1 应变片传感器半桥实验接线图表2-1 半桥测量时，输出电压与负载重量的关系重量（g）电压（mV） 五、思考题： 1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？

7、2、桥路测量时存在非线性误差，是因为：(1)电桥测量原理上存在非线性误差？(2)应变片应变效应是非线性的？(3)零点偏移？实验三 金属箔式应变片全桥性能实验 一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。 二、基本原理：全桥测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值R1=R2=R3=R4时，桥路输出电压U02=KE，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。 三、需用器件和单元：同实验一。 四、实验步骤：1、保持实验（二）的各旋钮位置不变。2、根据图3-1接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意受力状态

8、不要接错调节零位旋钮RW1，并细调RW4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。图3-1 应变片全桥性能实验接线图表3-1 全桥测量时,输出电压与负载重量的关系重量（g）电压（mV） 五、思考题： 1、全桥测量中，当两组对边(R1、R3)电阻值相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1R2时，是否可以组成全桥：(1)可以,(2)不可以。 2、图3-2中，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。图3-2 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验四 金属箔式应变片单臂

9、、半桥、全桥性能比较 一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。 二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性误差，从理论上进行分析比较，阐述理由。(注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。实验五 金属箔式应变片全桥温度影响实验 一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。 二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面:敏感栅丝电阻温度系敏感丝的线膨胀系数与弹性体的线膨胀系数不一致。因此当温度变化时，在被测体受力状态及大小不变时，输出电压会有一定的变化。 三、需用器件与单元：应变传感器实验模板、数显表单元、直流

10、源、加热器(已贴在应变片底部) 四、实验步骤： 1、保持实验三实验结果。 2、将200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一数值U01。 3、将+5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔，数分钟后待数显电压表显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1即为温度变化对全桥测量的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。 五、思考题： 1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？ 2、应变式传感器可否用于测量温度？实验六 直流全桥的应用电子秤实验 一、实验目的：了解应变片直流全桥的应用及电路标定。 二、基本原理：电子秤实验原理为实验三的全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，将电压

11、量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、±15V电源、+5V电源。 四、实验步骤： 1、按实验三图3-1全桥接线，电压表置2V档，合上电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，并细调Rw4使数显表显示0.00V。 2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节增益电位器Rw3(即满量程调整)，使数显表显示为0.200V或-0.200V。 3、拿去所有砝码,再次调零。 4、重复2、3步骤的标定过程，一直到满量程显示0.200V，空载时显示0.000V为止，把电压量纲V改为重量量纲g，即成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次

12、放在托盘上，将相应的电压表数值填入表6-1。表6-1 砝码重量与电压关系重量（g）电压（mv）6、根据上表计算非线性差值。 7、分析误差来源，比较一下这个实验结果与实验三结果有什么不同点？ 8、在托盘上放上一未知重量的物体（<200g），根据电压表指示值，它有多重？实验七 电容式传感器的位移实验 一、实验目的：了解电容式传感器的结构及其特点。二、基本原理：利用平板电容C=A/d的关系,在、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可使电容的容量(C)发生变化，通过相应的测量电路（图7-1），将电容的变化量转换成相应的电压量,则可以制成多种电容传感器，如：变的湿度电容传

13、感器。变d的电容式压力传感器。变A的电容式位移传感器。本实验采用第种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。图7-1 电容传感器位移实验接线图 三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显表、直流稳压电源。 四、实验步骤： 1、按图7-2将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图7-1。 3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。 4、接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量

14、支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值(V)，填入表7-1。将测微头回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程。表7-1电容式传感器位移与输出电压的关系X（mm）10mmV（mV）最小图7-2 电容传感器安装示意图 5、根据表7-1数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差f，分析误差来源。五、思考题： 试设计一个利用的变化测谷物湿度的电容传感器？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？实验八 直流激励时接触式霍尔位移传感器特性实验一、 实验目的：了解霍尔式位移传感器原理与应用。二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，保持KH、I不变，若霍尔元件在梯度磁场B中运

15、动，且B是线性均匀变化的，则霍尔电势UH也将线性均匀变化，这样就可以进行位移测量。三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、线性霍尔位移传感器、直流电,±源±4V、15、测微头、数显单元。四、实验步骤： 1、将霍尔传感器按图8-1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图8-2进行。、为电源±4（或单5V），、为输出,R1与之间联线可暂时不接。图8-1 霍尔传感器安装示意图2、将RW1 、RW3旋至中间位置；将测微头旋至10mm处，左右移动测微头使霍尔片处在磁钢中间位置，拧紧测量架顶部的固定镙钉；再按电路图接入R1与和R2与之间的联线；接入±15V电源联线，开启

16、电源；调节RW1 、RW3使毫伏表电压指示为“零”（数显表置200mV档）。 3、旋转测微头，每转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，并将读数填入表8-1，将测微头回到10mm处，反向旋转测微头，重复实验过程，填入表8-1。表8-1 霍尔式位移传感器位移量与输出电压的关系X(mm)10V(mV)0 作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度S和非线性误差f。五、思考题： 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？实验九 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：根据霍尔效应表达式：UH=KHIB, 当KHI不变时,在转速圆盘上装上只磁性体

17、，并在磁钢上方安装一霍尔元件。圆盘每转一周经过霍尔元件表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次，此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、转速测量控制仪。四、实验步骤： 1、根据图9-1，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。图9-1 霍尔转速传感器安装示意图2、将+15V直流电源加于霍尔转速传感器的电源输入端，红（）、绿（），不要接错。3、将霍尔转速传感器输出端（黄线）接示波器或者频率计。4、调节（W1）电机转速电位器使转速变化，用示波器观察波形的变化（特别注意脉宽的变化），或用频率计观察输出频率

18、的变化。五、思考题： 1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？ 2、本实验装置上用了二只磁钢，能否只用一只磁钢？实验十 热电阻测温特性实验一、 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的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，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，铂电阻在此期间0630.74，电阻Rt与温度t的关系为：系温度为0时的电阻。本实验=100，,2,铂电阻现是三线连接，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、 需要器件与单元：加热源、K型热电偶、热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数字电

19、压表。四、 实验步骤：1、 注意：首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，学会基本参数设定。2、 将热电偶插入台面加热源的一个传感器安置孔中。将K型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶插孔中，红线为正极，黑线为负极，注意热电耦护套中已安置了二支热电偶K型和E型，他们的热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别K型和E型（E型热电势大）热电偶。3、 将加热器的220V电源插头插入220V电源插座上。4、 将主控箱的风扇源（2-24V）与三源板的冷却风扇对应相连，电机转速电压旋至最大。5、 将铂电阻三根线引入“Rt”输入的a,b上：用万用表欧姆档测出三根线中短接的二根线接b端。这样Rt与R

20、3、R1、RW1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。RW1中心活动点与R6相接，见图10-1。图10-1 热电阻测温特性实验6、 在端点a与地之间加直流源2V，合上主控箱电源开关，调RW1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。7、 加模块电源，调RW3使VO2=0，接上数字电压表,拨2V电压显示档,使数显为零。8、 设定温度值50，将探头插入加热源另一个插孔中，开启加热开关，待温度控制在50时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50+，建议t=5，n=110，每隔1n读出数字电压表输出电压与温度值。将结果填入下表10-1。表10-1 输出电压与温度关系T()V(m

21、V)9、 根据表10-1值计算其非线性误差。五、 思考题：如何根据测温度范围和精度要求选用热电阻？实验十一 热电偶测温性能实验一、 实验目的：了解热电偶测量温度的性能与应用范围。二、 基本原理：当两种不同的金属组成回路，如二个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0、25。三、 需要器件与单元：热电偶K型、E型、加热源、温度控制仪、数字电压表。四、 实验步骤：1、 将热电偶插到温度源插孔中，K型的自由端接到面板Ek端作标准传感器，用于设定温度。2、

22、将E型热电偶自由端接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，参见实验十图10-1，热电偶自由端连线中带红色套管或者红色斜线的一条为正端。3、 将差动放大器“+”、“”端接地，打开电源开关，将VO2与数字电压表相接。调RW3使数字电压表显示零位，数字电压表波段开关拨到200mV，打开面板上温控开关，设定仪表控制温度值T=50。4、 去掉差动放大器“+”、“”端接地线，将a、b端与放大器“+”、“”端相接打开温控开关，观察温控仪指示的温度值，当温度控制在50时，调RW2，对照分度表将信号放大到比分度值大10100倍的指示值以便读数，并记录读数。5、 重新设定温度值为50+，建议t=5，n

23、=110，每隔1n读出数字电压表输出电压与温度值。将结果填入下表11-1。表11-1 输出电压与温度关系T()V(mV)6、 根据表11-1计算非线性误差。附：分度表 温度°C测量元件-500501001502003004005006008001200140016001800热电偶E(mV)03.0476.3179.78713.41921.03328.94336.99945.08561.066K(mV)02.0224.0956.1378.13712.0273.2614.2345.2377.34511.94714.36816.771热电阻CU50(w)39.245060.771.482

24、.13Pt100(W)80.3100119.4138.5157.31175.84212.02247.04280.90313.59375.57五、 思考题：1、 通过温度传感器的二个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？2、 能否用AD590设计一个直接显示摄氏温度-50-50数字式温度计，并利用本实验台进行实验。温控仪表操作说明1、通电前检查接线正确无误，感温元件与仪表分度号一致，仪表通电5秒内显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗先输出代码，后显示PV窗量程上限、SV 量程下限,随后即进入工作状态，按SET键0.5秒SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5秒确认，如需修改其它参数

25、，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜单，可按要求逐一修改内容(见操作流程表)，修改完毕再按SET键0.5秒若干下，退出B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、在输入信号大于量程上限时,仪表显示，在输入信号小于量程下限时，仪表显示。3、当温度控制效果不够理想时，可以人工或自整定来改变PID参数。操作方法如下：人工修正：将仪表进入B菜单至窗，再用键来修正P值，再按SET键0.5S进入I窗，I、D、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。自整定修正：将仪表进入B菜ATU窗后选择(1)(选0时为不自整定)，选好按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，待整定完成AT灯闪时再按SET键2秒确认后即按新的自整定PID参数工作。用自整修正PID值时应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，应注意保持前拍二段的温度不变，否则会影响自整定效果。4、PID参数的设置原则：P为比例带(加热侧),如过冲大可加大比例带。如希升温快可减小比例带。I为积分时间，如温度波动较大则加长积分，反之则减小积分。一般来说系统滞后现象越严重，积分时间