传感器原理及应用实验指导书09级电气

1、桂林电子科技大学2011-2012学年第一学期实验教学进度计划分院、系、部：一系 实验中心（室）：测试技术室 课程名称：传感器原理与应用 填表人：黄伟 填表日期：2011 年 8月 31日 班级 教师时间实验项目 课号：1111091 实验地点：实训楼319周次星期节次批次指导老师周次星期节次批次指导老师周次星期节次批次指导老师周次星期节次批次指导老师周次星期节次批次指导老师周次星期节次批次指导老师电感式传感器特性测试4一16:30-18:30A黄伟4二14:30-16:30B黄伟4二16:30-18:30C黄伟4四14:30-16:30D黄伟4四16:30-18:30E黄伟4五14:30-1

2、6:30F4五16:30-18:30G4六8:30-10:30H4六10:30-12:30I4六12:30-14:30J4六14:30-16:30K4磁电式传感器应用实验5一12:30-14:30A5一16:30-18:30B5二14:30-16:30C5二16:30-18:30D5四14:30-16:30E5四16:30-18:30F5五14:30-16:30G5五16:30-18:30H6四14:30-16:30I6四16:30-18:3J6五14:30-16:30K6五16:30-18:30应变式传感器特性测试7一16:30-18:30A7二14:30-16:30B7二16:30-18:

3、30C7四14:30-16:30D7四16:30-18:30E7五14:30-16:30F7五16:30-18:30G7六8:30-10:30H7六10:30-12:30I7六12:30-14:30J7六14:30-16:30K7说明：1、为统一起见，填写本表时星期用一、二、三；节次和周次用1，2，3，批次用A，B，C。实验相关说明，请仔细阅读：1. 实验过程中请自带U盘2. 做好预习，每次实验前检查预习报告。3. 迟到10分钟以上的同学，另选批次补做实验，并对实验成绩做降级处理。4. 实验均在实训楼319进行。5. 请严格按照系统中所选批次来实验室做实验，如确实有事无法按时进行实验，请联系其

4、他同学进行调换，并在实验前与指导老师说明情况。除机房实验外，每批实验最多10人。6. 未能按时进行实验的同学，请关注每个实验中最后一批的实验时间，缺做实验者将取消实验成绩，没有实验成绩将无法参加本门课程考试，希望大家引起重视。7. 实验报告完成后请在下一次实验时带到实验室交给老师。传感器原理及应用实验指导书（09级电气专业）指导教师：黄伟桂林电子科技大学二九年十一月目 录实验一 电感式传感器特性测试 2实验二 磁电式传感器应用实验 6实验三 应变式传感器特性测试 13实验一 电感式传感器特性测试及应用预习要求：1、学习理解电涡流传感器的结构及工作原理，并掌握电涡流传感器用于位移测量时的测量电路

5、和测试原理。2、根据实验要求，作好实验前的准备（测试方法及测试点选择、数据记录的格式等）。一、实验目的1、了解电涡流传感器的结构、特点，掌握其工作原理和使用方法；2、通过测量电涡流传感器的输入输出关系曲线，深入理解电涡流传感器的特性及其指标的含义；3、利用电涡流传感器进行传感器静态特性的测量；4、利用机械结构、传感器、数据采集卡、虚拟仪器平台构建测试系统。二、 实验原理1、电涡流的形成原理如图2-1所示，由物理学知识可知，若在线圈中通入交变电流I，在线圈周围的空间就产生了交变磁场i，将金属导体置于此交变磁场范围内，导体表面层产生涡电流，涡电流的高频磁场e以反作用于传感器电感线圈，从而改变了线圈

6、的阻抗ZL或线圈的电感和品质因素。ZL的变化取于线圈到金属板之间的距离x、金属板的电阻率、磁导率以及激励电流的幅值A和频率f。图2-1 电涡流传感器的工作原理2、电涡流位移传感器原理电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈中，线圈将产生一个高频电磁场。当被测金属体靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，既电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参

7、数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率 、磁导率 、尺寸因子 、头部体线圈与金属导体表面的距离 D、电流强度 I 和频率 参数来描述。则线圈特征阻抗可用 Z=F(, , , D, I, )函数来表示。通常我们能做到控制 , , , I, 这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗 Z 就成为距离 D 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器对信号进行处理，将线圈阻抗 Z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离 D 的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大

8、小随探头到被测体表面之间的间距的变化而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的磁场强度也发生变化，磁场强度的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。所以探头与被测金属体表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。图 2-2 为电涡流传感器的工作原理示意图。图2-2 电涡流传感器工作示意图主要技术指标：供电电压探头直径线性量程输出方式

9、24V11mm4mm1-5V3、最小二乘法拟合原理：给定平面上一组点（xi,f(xi)）(i=1,2,3n)，用直线拟合。即求得f(x),使得偏差Vm达到最小。三、实验仪器和设备1计算机 1 台 2LabVIEW8.2 以上版本 1 套3数据采集模块 1 台 4电涡流特性实验模块 1 台5. 电源模块 1 台 6. 操作工具 1 套四、 实验内容与实验步骤1、电气连通及数据采集通道检测（1） 关闭数据采集卡电源，将电涡流传感器连接到采集卡的数据采集一个 AD 通道上。注意不要在带电的情况下从采集卡上插拔传感器，以免对采集卡和传感器造成损坏。（2）电涡流传感器的工作电源为 24V，把电涡流传感器

10、的电源接到试验台的 24V 电源口，并把数据线接到采集卡的某一通道上，接通试验台和数据采集卡的电源。（3）运行 LabVIEW 程序，打开文件“动态显示单通道模拟信号.vi”。设置采样参数。其程序界面如下图2-3 所示。图2-3信号连通情况检测设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数后点击如下图 2-4 所示的运行按钮运行程序，观察各部分运行灯的亮灭情况，在导轨上移动滑块，观察波形图中显示的电压信号。运行按钮图 2-4 程序运行按钮（4）将千分尺归零，将滑块上反射圆片紧紧靠在电涡流探头表面，观察此时的电压值。（5）滑块渐渐远离传感器，观察电压数值的变化，观测传感器的最大测量距离。2

11、、测绘并求出传感器的线性区范围：电涡流传感器的线性区定义为：不在此测量范围内时，其函数将不成线性关系。(1) 联接好测量系统中传感器及其采集卡等模块的通道号及其电源，调整滑块到一个初始位置，记录下读数 X0。(2) 打开“试验一 电涡流静态特性试验.vi”，设置每次移动千分尺的距离为 0.1mm，将这两个数值输入到“实验一电涡流静态特性试验.vi”的“采样间隔”控制变量里。图 2-5为电涡流静态特性曲线的程序截图。设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数。图2-5 电涡流静态特性试验（3）运行“试验一 电涡流静态特性试验.vi”，点击“第 1 次采集”按钮，指示灯亮后，程序将自动记

12、录对应电涡流传感器的读数。（4）将千分尺向远离探头方向移动 0.1mm，点击“第 2 次采集”按钮，依次改变测量的距离进行50 次测量，采集 50 组数据。注：图上只有10个采样按钮，可反复使用，也可只反复使用一个，将数据记录在Excel表格中，进行绘图。（5）数据采集完成后，将采集到的50组位移与电压数据在Excel中进行电涡流传感器的特性曲线的绘制。（6）观测出传感器的线性区范围，并对线性区进行拟后，将拟合直线的表达式记录，并同时记录拟合直线、斜率K和截距b待用。3、利用测得结果进行距离反测和误差分析：(1) 打开“试验一 电涡流距离测量及误差分析试验.vi”，图 2-6为电涡流距离测量及

13、误差分析程序截图。设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数。图 2-6 电涡流距离测量及误差分析程序（2）设置千分尺读数到观测到的线性区的起点处，并将此值输入的实验界面的起点坐标框中，计算采样间隔为整个线性区长度的1/10； （3）照此采样间隔的值调节千分尺，分别点击实验界面中的10个采集按钮，采集10组数据，直接采集在实验界面中，不必再记录在Excel中。 （4）数据采集完成后，点击拟合按钮，得出线性区拟合线在波形显示框中。（5）将上一步中得到的拟合线的斜率K和截距b填入实验界面相应的框中，点击距离计算得到由实验程序反测出的千分尺的距离读数。（6）将千分尺的实际读数填入界面的最后

14、一行的相应位置，点击误差分析按钮，得到实验反测的相对误差。（7）将具有结果的整个实验界面拷入Word文档备用。五、实验报告要求1、拷贝实验系统的运行结果页面，插入到 word 格式的实验报告中。2、求出所用传感器的线性区范围。3、对所用传感器的输出特性进行线性拟合，求出拟合直线、斜率K和截距b。4、求出所用传感器的线性误差和灵敏度。六、 参考与提示1、测试系统的输入输出特性曲线图2-7 测试系统的输入输出特性曲线2、电涡流传感器的静态特性指标分析方法（各参量如上图2-7中） 线性区范围： x1x2 (mm)对 线性区对应的电压值： V1V2 (mV) 线性误差： 灵 敏 度： (mV/mm)七

15、、 思考题1、电涡流传感器为什么可作为位移传感器用？2、电涡流的大小还与那些因素有关？3、试想电涡流传感器还可以用来测量那些物理量？实验二 磁电式传感器的应用实验一 实验目的：1、了解霍尔开关集成传感器的工作原理和应用；2、掌握霍尔传感器的基本特性；3、学习霍尔传感器构成的应用电路的基本原理和设计方法。二 基本原理：图31是霍尔开关集成传感器的内部结构框图。当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压Vh，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的Vh电压大于“开启”阀值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使输出三极管导通。当磁场减弱时，霍尔元件输出的Vh电压很小

16、，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，输出三极管关闭。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。当被测电机飞轮上装有N只磁性体时，飞轮每转一周磁场就变化N次，霍尔传感器输出的电平也变化N次，通过计算即可知道电机的转速。图31霍尔开关集成传感器的内部结构三 实验元件和设备：1 实验电路板；2 电机组件；3 霍尔开关传感器CS3020；4 4.7K电阻；5 跳线若干；6 示波器或虚拟平台的实验程序。四 实验步骤：1. 按图3-2、图3-3，在实验电路板上搭建好电路，并仔细检查接线；2. 安装好电机，调整霍尔传感器同电机飞轮的相对位置，使传感器正面同磁体的距离5mm左右；Vout图32实

17、验电路原理图3. 打开Labview实验程序或DRVI实验程序 “开放式传感器-霍尔速度测量”，鸥鹏实验台选用通道5或通道6，Depush实验台选择通道3，打开电源，调节电机的转速，由霍尔传感器的输出来计算电机的转速，输出的波形如图3-4。Labview实验程序窗口如图3-5。图33C3020管脚图图34输出波形之一示例图3-5实验程序窗口4. 由霍尔传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出直流电机的转速。如磁铁个数为N，转速为n，脉冲频率为f，则有：n=f/N 。通常，转速的单位是转/分钟，所以要在上述公式的得数再乘以60，才是转速数据，即n=60×f/N。五思考题：1、霍尔传感器的基

18、本特性及其基本特性曲线如何；2、说明本实验中的霍尔传感器是如何应用霍尔传感器的特性实现正负电平转换的。实验三 应变式传感器特性测试一、 实验目的1、掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能；2、了解学习全桥测量电路的构成及其特点、优点；3、比较单臂电桥与全桥的不同性能、了解其特点。二、 实验用器件与设备1、应变式传感器实验台；2、传感器实验箱；3、砝码；4、跳线；5、万用表等。三、 实验原理 直流电桥原理：在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识。电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。下

19、面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。1、 平衡条件直流电桥的基本形式如图1-1所示。R1， R2，R3 ， R4 为电桥的桥臂电阻，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。当RL时，电桥的输出电压V0应为V0=E() 当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到R1R4=R2R3，或 （1-1） 图1-1直流电桥的基本形式式（1-1）秤为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。2、 平衡状态单臂直流电桥：所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为R，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压V00（此时仍

20、视电桥为开路状态），则不平衡电桥输出电压V0为 V0 (1-2)设桥臂比n=，由于R1R1，分母中可忽略，输出电压便为V"0= 这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差。则其相对线性误差r为： r= = （1-3）由此可见，非线性误差与电阻相对变化有关，当较大时，就不可忽略误差了。 下面来看电桥电压灵敏度SV 。在式（1-2）中，忽略分母中项，并且考虑到起始平衡条件，从式（1-2）可以得到 V0' （1-4）电桥灵敏度的定义为 SV = = （1-5）当n=1时，可求得SV最大。也就是说，在

21、电桥电压E确定后，当R1=R2，R3=R4 时，电桥电压灵敏度最高。此时可分别将式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化简为： V0= （1-6） r = （1-7） V0' （1-8） SV = （1-9）由上面四式可知，当电源电压E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压，非线性误差，电压灵敏度也是定值，与各桥臂阻值无关。差动直流电桥（半桥式）： 若图1-1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即R1和R2为传感器，并且其相应变化为R1和 R2，则该电桥输出电压V00，当R1=R2，R1=R2，R3=R4 时，则得 V0=上式表明，V0与成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电

22、桥无非线性误差，而且电压灵敏度SV为 SV = 比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。双差动直流电桥（全桥式）： 若图1-1中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。若满足R1=R2=R3=R4，则输出电压和灵敏度为 V0= SV = E由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。四、 实验方法与步骤图12，图13是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调

23、整运放增益。仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。其增益可用下式表示：A（1+）图12仪表放大电路图13电压放大电路(一)、电路调零：1. 根据图（1-4）所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上。传感器中各应变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色(或者黄色)，可用万用表测量同一颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350。图1-4 应变式传感器安装示意图2. 接入电源，拨通电源开关，将实验模块板调节增益电位器R29顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差动放大器的正、负输入端（电路板上的TEST1与TEST2）与地短接，输出端OUT与电路板上的IN1或IN2相连，调节电路板上调零电位器R42，输出的电压读数为零，关闭电源。(二)、全桥电路性能测量：1. 关闭实验台总电源，将红色线接入P1或者P5口，黄色线接入P2或者P3口，将黑色线接入P4或者P8口，将蓝色线接入P6或P7口； 2. 用电源线将基础实验台上模块电源引接到传感器开放电路主板上； 3. 开启实验台总电源，分别打开主板上+5V、+12V、-12V电源，用万用表测量T1与T3之间电压是否为零，如不为零，调节R8使两者电压差为零