传感器试验指引

1、 传感器与检测技术实验指南 传感器与检测技术实验室 实验指导老师：徐华结 适用班级：12 电气工程及其自动化 实验一压阻式压力传感器的特性测试实验 2 实验二电容传感器的位移特性实验 5 实验三直流激励线性霍尔传感器的位移特性实验 9 实验四电涡流传感器材料分拣的应用实验 12 实验五光纤传感器位移测量实验 14实验一压阻式压力传感器的特性测试实验 、实验目的 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。 、实验内容 掌握压力传感器的压力计设计。 三、实验仪器 传感器检测技术综合实验台、压力传感器实验模块、压力传感器、导线。 四、实验原理 扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片

2、的压阻效应，在半导体受到力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用 N 型单晶硅为传感器 的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图 13-1 为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。 图 1-1 压阻式压力传感器压力测量实验原理 五、实验注意事项 1、严禁将信号源输出对地短接。 2、实验过程中不要带

3、电拔插导线。 3、严禁电源对地短路。 六、实验步骤 1、将引压胶管连接到压力传感器上，其他接线按图 1-2 进行连接，确认连线无误且打 开主台体电源、压力传感器实验模块电源。主台体上电压表 电电电电电电 RW2 图 1-2 压阻式压力传感器的特性测试实验接线图 2、打开气源开关，调节流量计的流量并观察压力表，压力上升到 4Kpa 左右时，根据 计算所选择的第二级电路的反馈电阻值，接好相应的短接帽；再调节调零电位器 RW2,使 得图 1-3 中 Vx与计算所得的值相符；再调节增益电位器 RW1,使电压表显示为 0.4V 左右。 （进行此步之前，请先仔细阅读：七、实验报告要求） 3、再仔细地反复调

4、节流量使压力上升到 18KPa 左右时，根据计算，电压表将显示 1.8V 左右。 4、重复步骤 2 和 3 过程，直到认为已足够精度时调节流量计使压力在 418KPa 之间， 每上升 1Kpa 气压分别读取电压表读数，将数值列于表 3。 表 3 P(Kpa) Vo(p-p) 5、画出实验曲线。 6、实验完毕，关闭所有电源，拆除导线并放置好。 C1 /四 Vin R12 13 由由由由由由由由由 HZiHZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ; IC1 R2 1=1 Vii R17 1=1 R16 II IC2 R3 R5 R4 1=1 R6 II D1 nm R29R28 1=1im 电

5、电电电 C3 R18 R8 C2R14 国II Vout IC3 O R10 1=1 R7 D2 R21 1c4 GND R9 R30 R20 1R31 R21lI R21 1.2 34 56 78 10K 20K 51K 100K 电电电电电电15V6电 -15VGND+15V D4C4C5D3 D5_I_ E2E1 D6.+D5 RW1 七、实验报告要求 1、要求：当压力为 4Kpa 时，使得差分放大单元的电压输出为 0.4V;当压力为 18Kpa 图 1-3 压力传感器测试电路 2、当压力为 4Kpa 时，测得压力传感器的输出电压 Vout 与 GND 间的电压 Va；当压力为 18Kp

6、a 时，测得压力传感器的输出电压 Vout 与 GND 间的电压 Vb;然后根据图 1-3 列式进 行计算，在第二级放大电路的反馈电阻（10K、20K、51K、100K）中，用跳线帽选择一个 合适的反馈电阻。再根据所选择的反馈电阻，确定 V1 和 Vx的值，便于实验。具体计算公式如下： 当压力为 4Kpa 时： VI0.2x -Va 240.2x V1-VxVx-0.4 10一R 当压力为 18Kpa 时： V1-Vx_Vx-1.8 其中：V1、V1分别为 4Kpa 和 18Kpa 时三运放的输出电压，Vx为调零电位器 RW2 端 的电压；x为 RW1 所需调到的阻值，R 为第二级放大电路的反

7、馈电阻。 3、计算完后，先根据所选择的第二级放大电路的反馈电阻值，接好短接帽，然后再根据计算的电压值 V1 和 Vx分别调节调节电位器 RW1 和 RW2。0.2x 40.2x =-Vb 时，使得差分放大单元的输出为 1.8V。 Vout Q +15V 实验二电容传感器的位移特性实验 、实验目的 了解电容传感器结构及特点。 、实验内容 掌握电容传感器的基本应用。 三、实验仪器 传感器检测技术综合实验台、电容传感器实验模块、电容传感器、振动源实验模块、示波器、导线。 四、实验原理 1、电容传感器是以各种类型的电容为传感元件，将被测物理量转换成电量的变化来实 现测量的。电容传感器的输出是电容的变化

8、量。利用电容 o=A/d 的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择 e、A、do 三个参数中，保持二个参数不变，只改变其中一个参 数，则可以有测干燥度（e 变）、测位移（d 变）和测液位（A 变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱形，虽然还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器。差动 式一般优于单组（单边）式的传感器，它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图 18-1 所 示：它是由二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为 R,圆柱的半径为 r,圆柱的长为 x,则电容量为 C=2Ttx/ln（R/r）。图中

9、C1、C2 是差动连接，当图中的圆柱产生 Ax位移 时，电容量的变化量为 AC=C1-C2=s2 兀 2Ax/ln（R/r），式中&2 兀、ln（R/r）为常数，说明 Ac 与 Ax位移成正比，再配上配套的测量电路就能测量位移。 图 18-1 实验电容传感器结构 2、测量电路（电容变换器）：如图 18-2 所示，测量电路的核心部分是图 18-3 的电路。电电1 C1 C2 电电2 电电 图 18-2 电容测量电路 图 18-3 二极管环形充放电电路 在图 18-3 中，环形充放电电路由 D3、D4、D5、D6 二极管、C5 电容、L1 电感和 Cxi、Cx2 实验差动电容位移传感器组成

10、。 当高频激励电压（f100KHz）输入到 a 点，由低电平 E1跃到高电平 E2 时，电容 Cx1 和 Cx2 两端电压均由 E1 充到 E2。充电电荷一路由 a 点经过 D3 到 b 点，再对 Cx1 充电到 O 点(地)；另一路由由 aC4 D4 E2 Li 1D6 电电 CX2 D5 C6-T RW 电电 0 I电电 V01 NE555 产生输出 500K 方波 1 D3 Cxi 点经过 C5 到 c 点，再经 D5 到 d 点，再经 Cx2 充电到 O 点。此时，D4 和 D6 由于反偏置而截止。在t1 充电时间内，由 a 至 ijc 点的电荷量为： Q1=Cx2(E2-E1)(18

11、-1) 当高频激励电压由高电平 E2 返回到低电平 E1 时， 电容 Cx1 和 Cx2 均放电。 Cx1 经过 b 点、 D4、c 点、C5、a 点、L1 放电到 O 点；Cx2 经过 d 点、D6、L1 放电到 O 点。在 t2 放电时间内由 c 到 a 点的电荷量为： Q2=Cx1(E2-E1)(18-2) 当然，(18-1)式和(18-2)式是在 C5 电容值远远大于传感器的 Cx1 和 Cx2 电容值的 前提下得到的结果。电容 C5 的充放电回路由图 18-3 中实线、虚线箭头所示。 在一个充放电周期内(T=t1+t2),由 c 点到 a 点的电荷量为： Q=Q2-Q1=(Cx1-C

12、x2)(E2-E1)=ACxAE(18-3)式中；Cx1 与 Cx2 的变化趋势是相反的(由传感器的结构决定的，是差动式)。设激励电压频率 f=1/T,则流过 ac 支路输出的平均电流i 为： I=fQ=fACxAE(18-4) 五、实验注意事项 1、严禁将信号源输出对地短接。 2、实验过程中不要带电拔插导线。 3、严禁电源对地短路。 六、实验步骤 1、按图 18-4 示意图接线：电容传感器实验模块电源单元接主台体上的士 15V 电源；将脉 冲调制单元的 Fout 与电容测量放大单元的 Fin 相接；将电容传感器安装在电容传感器实验模块的电容测量放大单元上，即将传感器引线插头插入实验模板的插座

13、中，电容传感器黄色和 红色引线分别接电容模块 J1和 J2,蓝色引线接插孔 GND 将电容测量放大单元的 Vout与 GND 接主台体上的电压表的“+”和“-”极，将电压表选择置于 20V档。rf-r|-f-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-f-r 图 18-4 电容传感器的接线示意图 2、打开主台体电源开关和电容传感器实验模块的电源开关，用示波器观察 Fout 的波形, 调节脉冲调制单元的电位器 W1 使其输出频率为 500KH 才勺方波，再将电容测量单元的电位器 RW 调节到中间位置，旋动测微头推进电容传感器移动至极板中间位置，使电压数显表显示为最小值。 3、旋动测微

14、头，每间隔 0.5mni 己下位移 X 与输出电压值，填入表 8: 表 8 X(mm) V(mV) 4、根据上表数据计算电容传感器的系统灵敏度序口非线性误差汽 5、实验完毕，关闭所有电源，拆除导线并放置好。电电电电电电15V-15VGND15V 电电电电电电 out 口 D2 GND 电电电电电电电电 电电电电电电电电电 C7 R8 11 打电电电电 电电电电 实验三直流激励线性霍尔传感器的位移特性实验 一、实验目的 了解霍尔式传感器原理与应用。 二、实验内容 掌握霍尔传感器的位移测量方法。 三、实验仪器 传感器检测技术综合实验台、霍尔传感器模块、线性霍尔传感器、振动源实验模块、测微头、导线。

15、 四、实验原理 霍尔传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化（或经磁场为媒介）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图19-1 所示，把一块宽为 b,厚为 d 的导电板放在磁感应强度 为 B 的磁场中，并在导电板中通以纵向电流 I,此时在板的横向两侧面 A,A之间就是呈现 出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电 势差 UH称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为： IB URH22-KHIB HHH d 式中；RH=-1/（ne）是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系

16、数；KH=RH/d, 称为灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。 图 19-1 霍尔效应示意图 具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用 N 型半导体材料（金属材 料中自由电子浓度 n很高，因此 RH很小，使输出 UH极小，不宜作霍尔元件），厚度 d 只有 1um 左右。 五、实验注意事项 1、请务必断电连线，否则极易烧坏霍尔传感器。 2、注意霍尔传感器引线的接法。 3、注意 J16 和 R1 上要接上两个短接帽，如下图 19-2 所示。 4、注意按顺序进行调零。A Fe. 土土上 L 土“土士,，FmVd. I UH d T 六、实验步骤 1、将霍尔传感器、测微丝杆固定在振

17、动源实验模块上的测微支架上，并调节测微丝杆使霍尔传感器大约处于磁场的中间位置。 2、根据图 19-2 接线，需要注意的是：将线性霍尔传感器的红线和黑线分别接霍尔传感器实验模块的直流激励实验单元的输入端 J1 和 J2,蓝色和黄色线分别接输出端 J4 和 J3 端； 将电压调节处的旋钮拨至士 4V,并将+Vout 和-Vout 接入到直流激励单元的+4V 和-4V 的端子上；将主台体上的士 15V 接入到霍尔传感器实验模块的电源单元中；调零单元的 OUT2 与 GND 需接到主台体上的电压表的“+”和“-”极；其他部分的接线严格按照接线图进行。 3、调零：先打开主台体电源开关，再打开霍尔传感器模

18、块电源开关。调节霍尔传感器模块上的 RW1电位器，使霍尔传感器的输出 J4 和 J3 间的电压为零，关闭霍尔传感器模块 电源；将 IN1+和 IN1-短接并接到 GND,打开霍尔传感器实验模块电源开关，调节电位器 W3 使调零单元的输出 OUT2 和 GND 间的电压为零，调零完后关闭霍尔传感器实验模块电源，并将 IN1+和 IN1-间的短接线以及与 GND 间的接线拿掉。 图 19-2 直流激励线性霍尔传感器接线图 4、打开霍尔传感器实验模块电源，测微头向轴向方向推进，每转动 元输出电压 OUT2 的读数，直到读数近似不变，将读数填入表 9: R2 R4 1=1II J16 R10 TEST

19、4三I U2OUT2 W3 瓮 电电电电电电电电电 0.5mm 记下调零单 GND +15V D1 2 R14 R15S1 C1C2E2D6-I:+- 由由由由由由由由由 PPPPPPPP1MMjjjj_ 电电电电 电电 -15V J2 +4V ;一【 由由由由由由由由 HZiHZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ; W1 LV J10 J8 由由由由由由由由 GND II 电电 R1 一 R9 W R5 -TEST 1 OUT1 表 9 X(mm) V(nV) 5、根据上表作出 V-X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 6、实验完毕，关闭所有电源，拆除导线并放置好。 七、实验

20、报告要求 必须在断电的情况下接霍尔传感器，霍尔元件的输入电压必须限制在土流激励单元的+4V 和-4V 的端子必须严格的接入+4V 和-4V。 八、思考题 实验步骤 2中 J4和 J3是分别到 IN1+和 IN1-的,如果把 J3 接到 IN1+,J4接到 IN1-,观察输出电压有什么变化？4V 以内，即直 实验四电涡流传感器材料分拣的应用实验 一、实验目的 掌握使用电涡流传感器在材料分拣中的应用方法。 二、实验内容 用铝测体和铜测体验证不同电导率的被测材料对电涡流传感器的特性影响。 三、实验仪器 传感器检测技术综合实验台、电涡流传感器实验模块、振动源实验模块、电涡流传感器、铝圆片、铁圆片、铜圆

21、片、测微头、导线。 四、实验原理 电涡流传感器在被测体上产生的涡流效应与被测导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。基本原理参阅教材。 五、实验注意事项 1、实验过程中不要带电拔插导线。 2、严禁电源对地短路。 3、传感器在初始时可能会出现一段死区。 六、实验步骤 1、根据 24-2 接线图进行接线：先将电涡流传感器安装在振动源实验模块上的测微支架上，在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体；将电涡流传感器实验模 块的电源单元接主台体上的+15V;将电涡流传感器的黄色和绿色引线分别接到电容三点式振荡器的 J1 和GND 之间。电涡流 VCC VOQ W3?H

22、1 1 1- - W W 2 2 R 厂工：力 V 5 5 + + 图 24-2 电涡流传感器接线图 2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。 3、将实验模板输出端 Vout 和 GND 与电压表的“+”和“-”极相连。电压表量程切换到选择电压20V 档。 4、使测微头与传感器线圈端部接触，打开主台体电源开关和电涡流传感器实验模块的 电源开关，此时电压表读数为最小，然后每隔 0.5mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。 将结果列入表 12: 5、按上述步骤做实验，将数据列入表 1315 中。 表 13 被测体为铁圆片时的位移输出电压数据 X(mm) Vo(V) 表 14 被测体为铜时的位移输出电

23、压数据 X(mm) Vo(V) 表 15 被测体为铝圆片时的位移输出电压数据 X(mm) Vo(V) 6、根据上表的实验数据，在同一从标上画出实验曲线进行比较，分别计算灵敏度和线性度。 7、实验完毕，关闭所有电源，拆除导线并放置好。 1=1 R1im J11世 C1 E3 G R51=1 R2 J13 Q2 TEST6 TEST5 TEST4 R9 r*i 1=1 R3 R41=1 rf-r|-f-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-f-r 电电电电电电+15V Ini 电电电电 L1 TEST2 回 TEST1 回 W1 C2 E3 电电电电电电 电电电电 W2

24、 R8 R7 电电电电电电电电 电电电电电电电 电电电电电电电电电 七、思考题 分析铁测片、铝测片、铜测片哪一个的灵敏度高，为什么? 实验五光纤传感器位移测量实验 一、实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、实验内容 掌握光纤用于位移测量的方法。 三、实验仪器 传感器检测技术综合实验台、光纤传感器、光纤传感器实验模块、振动源实验模块、导线。 四、实验原理 本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成丫型光纤，半圆分布即双 D 分 布：一束光纤端部与光源相接发射光束；另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混 合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距 X,由光源发出的光纤传到端部出射后再经 被测体反射回来。另一束光纤将其接收的光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转 换的电量大小与间距 X 有关，因此可用于测量位移。 五、实验注意事项 1、实验过程中不要带电拔插导线。 2、严禁电源对地短路。 六、实验步骤 1、根据图