实验54-传感器实验-大学物理实验

1、实验五十四 传感器实验 实验目的1、了解几种传感器的结构和原理2、熟悉几种传感器测试电路3、了解传感器的应用方法实验仪器传感器实验仪如图54-1所示。图54-1仪器可分为四个部分：A、几种不同类型传感器装置。B、电源及电表。电源包括直流电源和交流电源。电表包括直流电压表，频率表和交流毫伏表。C、传感器接线端口。D、几种功能电路。本实验按照不同类型的传感器分为五个不同的部分，各部分内容可单独进行。第一部分 电阻应变片传感器实验原理一、电阻应变片电阻应变片是最常用的测力传感元件，其结构是将金属丝或半导体丝制成栅形贴在基底上，如图54-2所示。图54-2 电阻应变片结构栅形结构部分称为应变片的敏感栅

2、。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面。当测试体受力发生形变时，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测试电路，将测试体的形变信息转换成电信号输出显示。二、测试电路电桥电路是最常用的测试电路，电桥测试电路可以接成三种形式：单桥，四个桥臂电阻中有一个是应变片，如图54-3(a)所示，其中R1为应变片。半桥，四个桥臂电阻中有两个相邻桥臂电阻为应变片，如图54-3(b)所示，其中R1和R2为应变片。使用时，R1和R2应贴在测试体的不同部位，使得当测试体发生形变时，R1和R2的阻值变化方向是相反的。全桥，四个桥臂电阻均为应变片，如图54-3(c)所示。四个应变片的粘贴部

3、位应满足：当测试体发生形变时，任意两相邻桥臂的阻值变化方向都是相反的。图54-3 三种形式的桥式测试电路当电桥平衡时，桥路输出为零。若桥臂电阻R1=R2=R3=R4=R，且当测试体发生形变时个电阻的变化量均为，则各测试桥路的电阻相对变化量不同，单桥为，半桥为，全桥为。由电桥原理可知，单桥，半桥，全桥测试电路的灵敏度将依次增大。三、测试电路的温度补偿当温度变化时，会引起应变片阻值的变化，导致测量误差，因此在测试电路中，必须进行温度补偿。补偿片法是温度补偿的一种方法，如图54-4所示。图54-4图中R1和R2均为应变片，R1=R2。粘贴时R1的敏感栅方向与测试体应变方向相同，R2的敏感栅方向与测试

4、体应变方向垂直，R1称为工作片，R2称为补偿片。当测试体发生应变时，只有R1的阻值发生变化。当温度变化时，两应变片的阻值变化相同。如果桥路原来是平衡的，温度变化后，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出。因此这种方法可以有效地抑制温度变化的影响。四、不同材料的电阻应变片实验中所用有两种材料的电阻应变片，一种是金属应变片，一种是半导体应变片。应变片的电阻，当应变片发生形变时，其电阻的相对变化量为 （54-1）式中是因形变而产生的电阻变化量，是敏感栅长度的变化量，是敏感栅的原长，为敏感栅的横截面积，若横截面为圆形，有，其中为截面半径。而半径的相对变化量与其长度的相对变化量的关系为，则 （54-2）式中

5、为应变片材料的泊松系数。代入（54-1）式可得 （54-3）定义电阻应变片的灵敏度，则。对于金属应变片，电阻的变化主要由形变引起，其灵敏度。对于半导体应变片，电阻的变化主要由电阻率变化引起，其灵敏度。由于半导体材料的“压阻效应”非常明显，可以反映出很微小的形变，所以。但半导体应变片受温度的影响较大。实验内容一、单桥测试电路1、仪器调整。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“+、-”输入端对地短路，输出端接数字电压表。调整差动放大器的“调零”电位器，使差动放大器输出电压为零，实验中保持调零电位器在此位置不变。调好后关闭电源。将测微头与装于悬臂梁前端的永久磁钢吸合，调节测微

6、头使悬臂梁大致处于水平状态。2、按图54-5连接测试电路。桥路中R1为应变片（可任选上、下梁中的一片）、R2、R3、R4为固定电阻，WD为直流调平衡电位器。电桥输出电压经差动放大器放大后送电压表显示。图54-53、确认连线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电位器WD，使测试系统输出为零。4、旋动测微头带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，在水平位置上下各5mm范围内，每移动0.5mm记录一个电压值。根据所测数据作出V-X曲线，计算电桥灵敏度。二、三种桥路性能比较1、在完成单桥实验的基础上，不改变差动放大器的增益和调零电位器，依次将图54-4中的单桥改接为半桥和全桥，重复前面的测量。2、在同一坐

7、标纸上作出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度。三、观测和检验温度补偿作用1、电路如图54-5，用加热器加热，观察并记录电压表的示数。2、将图54-5电路中的桥路部分改接为如图54-4所示的带有温度补偿功能的电路。用加热器加热，观察并记录电压表的示数。3、比较以上两种情况的观测结果。四、半导体应变片的性能1、将半导体应变片分别接入单桥和半桥测试电路，重复一、二中的测量。注意此时直流激励电压改用2V，以免引起半导体应变片自热。2、观测温度补偿作用，重复前述的测量。注意事项1、实验前应检查实验接插线是否完好，连接电源时应尽量使用较短的接插线，以免引入干扰。2、应变片接入电桥时应注意其受力方向，在半桥和

8、全桥中一定要接成差动形式，即当测试体发生形变时，相邻两桥臂的阻值变化方向应是相反的。3、直流激励电压不能过大，以免造成应变片发热损坏。第二部分 差动变压器传感器 实验原理一、差动变压器结构与原理差动变压器由铁芯、初级线圈和次级线圈组成，如图54-6所示。初级线圈L1为差动变压器的激励线圈。次级线圈由两个结构尺寸和参数完全相同的线圈L0反相串接而成。三个线圈绕在同一个骨架上，中间为初级线圈，两边为次级线圈。差动变压器是开磁路，铁芯可以在线圈中沿轴线方向移动，如图中虚线所示。图54-6 差动变压器结构当初级线圈上有激励电压输入时，在次级线圈上将产生感应电压。如果铁芯刚好处于两个次级线圈中间，则在两

9、个次级线圈上产生的感应电动势相同。由于两个次级线圈是反相串接，所以这时差动变压器输出为零。如果铁芯偏离中间位置，由于铁芯的磁导率比空气高，所以在离铁芯较近的线圈上产生较大的感应电动势，这时差动变压器的输出不再为零，输出电压等于两个次级线圈上的感应电动势之差。差动变压器的输出特性如图54-7所示。图54-7 差动变压器输出特性二、差动变压器的零残电压补偿零残电压的存在会造成差动变压器在零点附近出现不灵敏区，零残电压还会影响测试电路的正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿，以减小或消除零残电压的影响。零残电压中主要包含两种波形成分：1、基波分量。这是由于差动变压器二个次级线圈因材料或工艺差异等原

10、因造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，以及线圈线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。2、高次谐波。主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。为减小零残电压的影响，在设计和制作工艺上应尽量保证线路和磁路的对称。同时在测试电路中可加入补偿电路。图54-8为带有补偿网络的差动变压器电路。图中由WD、WA、R、C组成一个桥式补偿网络。图54-8 带有补偿网络的差动变压器电路实验内容一、差动变压器的基本特性研究1、按图54-9

11、接线，差动变压器初级线圈接音频振荡器功率输出端LV，双踪示波器的两个通道分别接差动变压器的输入端和输出端。图54-9 差动变压器基本特性测试电路2、音频振荡器输出频率选定为4KHZ，输出电压峰峰值Vp-p2V。3、用手提压变压器铁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。4、旋动测微头，带动差动变压器的铁芯在线圈中移动，从示波器上读出次级输出电压V0p-p，并读取测微头的相应读数。读数过程中应该注意初，次及波形的相位关系。5、作出Vop-pX曲线，指出差动变压器的线性工作范围。二、差动变压器零残电压的补偿1、根据图54-8接线。示波器第一通道500mv/格，第

12、二通道1v/格，差动放大器增益100倍，音频LV端输出Vp-p值2V。2、调节测微头带动衔铁在线圈中运动，使差动放大器输出电压最小，调整电桥网络，是输出更趋于减小。如果补偿效果不好则可在电桥交流插口另并联一个数f的电容。3、提高示波器第二通道灵敏度，将零残电压波形与激励电压波形比较。三、差动变压器的标定1、按图54-10接线，差动放大器增益适度，音频振荡器LV端输出，f5KHZ，Vp-p2V。图54-10 差动变压器的标定2、调节电桥W，W电位器，调节测微头带动铁芯改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。3、旋动测微头使铁芯在线圈中上下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称。

13、如果不对称，则需反复调节铁芯位置、电桥和移相器，做到正负输出对称。4、旋动测微头，带动铁芯上下移动，移动范围上下各5mm，每旋一周（0.5mm）记录一次电压值和测微头读数。5、作出V-X曲线。注意：系统标定需要调节电桥、移相器和铁芯三者位置，要反复调节才能做到系统输出为零并正负对称。四、测定悬臂梁的固有频率作为差动变压器的一个应用，测量悬臂梁的固有频率。1、按图54-10接线，调节好系统各部分。2、低频振荡器与“激振 = 1 * ROMAN I”连接，使圆盘并带动铁芯振动。调节低频振荡器输出，保持适当振幅。3、用示波器观察低通滤波器的输出，用电压/频率表测量低频振荡器输出频率。维持低频振荡器输

14、出幅度不变，在5HZ30HZ范围内改变振荡频率，读取Vop-p值。4、作出Vop-p-f特性曲线，确定悬臂梁的固有频率。第三部分 电涡流传感器 实验原理电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成。当线圈中通以高频交变电流时，在与其平行的金属片上产生电涡流。电涡流的大小反过来会影响线圈的阻抗Z。电涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及相对于线圈的距离等因素相关。在平面线圈、金属涡流片和激励源均已确定，并保持环境温度不变的情况下，线圈阻抗Z只与金属涡流片相对于线圈的距离X有关。将线圈阻抗的变化经涡流变换器转换成电压V信号，则输出电压V是距离X的单值函数。实验内容一、电涡流传感器的工作特

15、性1、安装电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表。2、用测微头将电涡流线圈和金属涡流片分开一定距离，此时涡流变换器输出端有一电压输出。示波器接涡流变换器输入端，观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。3、用测微头带动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。4、旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起，每位移0.25mm纪录一个电压值。做出V-X曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度。二、电涡流传感器的应用（一）称重实验1、按图54-11接线，根据前面实验结果

16、，将电涡流传感器调整到线性工作范围。图54-11 电涡流传感器实验电路2、调整电桥WD，使系统输出为零。3、在平台中间依次放上砝码，纪录V，W值，做出V-W曲线，计算灵敏度。4、取下砝码，放上一未知重量物体，根据V-W曲线大致确定被称物体的重量。（二）电机测速实验1、电涡流线圈支架转一角度，安装在电机转盘上方，线圈与转盘面平行，在不碰擦的情况下相距越近越好。2、开启电机开关，调节转速，用示波器观察涡流变换器输出波形。调整平面线圈在转盘上方的位置，使变换器输出的脉动波形较为对称。3、仔细观察两相邻波形的峰值是否一样，如有差异则说明线圈与转盘面或是不平行，或是电机有振动现象。4、用电压/频率表测量

17、涡流变换器输出电压的频率，并与示波器读取的频率作比较。转盘的转速=频率/2第四部分 霍尔传感器 实验原理霍尔传感器由两个环形磁钢及霍尔元件组成。两个环形磁钢间形成梯度磁场，即在磁场中的不同位置磁感应强度不同。霍尔元件位于梯度磁场中，当霍尔元件中通过电流时，霍尔元件就有电势输出。当霍尔元件在梯度磁场中上下移动时，输出的霍尔电势V取决于其所在的位置X，测得霍尔电势的大小，便可以确定霍尔元件位置。根据霍尔电势的变化可以确定霍尔元件的位移量。实验内容一、霍尔传感器的直流激励特性1、按图54-12接线，装上测微头，调节振动圆盘上下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置。开启电源，调节测微头和电位器WD，使

18、差放输出为零。上下移动振动台，使差动放大器输出的电压正负对称。图54-12 霍尔传感器的直流激励系统2、上下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取一次相应的电压值。做出V-X曲线，求出灵敏度。注意：直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意增大，以免损坏霍尔元件。二、霍尔传感器的应用-电子秤1、按图54-12接好测量系统，使输出为零，系统灵敏度尽量大。2、以振动圆盘作为秤重平台，依次放上砝码，记录电压表读数，作出V-W曲线。3、移去砝码，在平台上放置一未知重量的物品，根据电压表读数从V-W曲线上确定其重量。第五部分 光纤传感器 实验原理一、反射式光纤传感器-位移测量反射式光纤传感器的工作

19、原理如图54-13所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤的作用是传输光信号。由光发射器发生的红外光经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤传至光电转换元件。光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。图54-13 反射式光纤传感器原理电信号的大小与光信号的强度成比例，而光信号的强度决定于反射体距光纤探头的距离。通过对电信号的检测可以得到反射体的位移量。反射式光纤传感器的输出特性如图54-14所示。图54-14 反射式光纤传感器输出特性曲线二、反射式光纤传感器-转速测量在一个做定轴旋转的物体上贴上一块反射面，使光纤探头与反射面相对放置，当旋转体转动时，光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化，则光电变换器输出的电信号也同时发生相应的变化，经V/F电路将周期变化的电信号变换成方波信号，根据方波信号的频率可以确定旋转