传感器实验报告

传感器原理及应用试验报告试验目的:了解金属箔式应变片的应变效应，并把握单臂电桥工作原理和性能。根本原理:1所谓电阻应变效应是指具有规章外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地转变，这一物理现象称为“电阻应变效电阻的定义式得RL/AL/(r^2) 〔1—1〕LA和电阻率ρ的变化为dR/RdL/L2dr/rd/〔1—2〕式中：dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr。由材料力学得：εL=-μεr(1—3)，式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式〔1—3〕代入式〔1—2〕dR/R(12)d/〔1—4〕式〔1—4〕说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变〔几何效应〕和本身特有的导电性能〔压阻效应〕。2它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。金属导K：主要取决于其几何效应；可取dR/R(12) 〔1—5〕dR/(R(12)KdR/(R)(12)23、箔式应变片的根本构造0.025mm1—1是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R,ε=ΔL/L4对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。三、需用器件与单元：应变式传感器试验模板、应变式传感器、砝码、数显表、试验步骤：1、依据图(1-3)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的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进展R1=R2=R3=R4=350Ω，50Ω左右。2、接入模板电源±15V(试验模板调整增益电位器Rw3顺时针调整大致到中间位置，再进展差动放大器压输入端Vi相连，调整试验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显2V档)。关闭主控箱电源。3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一4V(1-4Rw1。4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数，yF·S试验数据：02002040608010012014016018020003.16.29.312.515.618.722.025.228.431.5电 (mv)由上图可知：平均电压变化量：u((18.7-3.1)/5+(22.0-6.2)/5+(25.2-9.3)/5+(28.4-12.5)/5+(31.5-15.6)/5)/5=3.164mv重量(g)020406080100120重量(g)020406080100120140160180200电压(mv)系统灵敏度：S=Δu/ΔW=3.164mv/20g=0.1582mv/g线性误差：拟合直线为：Δu=0.1579ΔWm0.240mv，yF·S=31.58mvδf1=Δm/yF·S×100%≈0.785%思考题：03.16.29.312.515.618.722.025.228.431.5拟合电压0.003.1586.3169.47412.63215.7918.94822.10625.26428.42231.58(mv)|差|(mv)0.000.058-0.116-0.174-0.132-0.19-0.248-0.106-0.064-0.0220.08变片时，所得电压为负值，需要做确定的变换才后比较直观。七、总结：通过这次试验，我了解金属箔式应变片的应变效应,把握单臂电桥工作原理和性能，并了解了电子秤的工作原理，对敏感元件有了确定的生疏。一、试验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量一样时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。三、需用器件与单元：应变式传感器试验模板、应变式传感器、砝码、数显表、四、试验步骤：1、传感器安装同试验一。做试验(一)2的步骤，试验模板差动放大器调零。2、将适当的两片应变片接入桥路。R1、R2为试验模板左上方的应变片，留意R2和R1受力状态相反，马上传感器中两片受力相反的电阻应变片作为电桥的相Rw1344、52-1，S=ΔU/ΔW，非δf2R2R1换另一个应变片。四、试验数据表2-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值02040608010012014016018020006.312.819.125.431.738.144.550.757.063.2重量(g)电重量(g)电压(mv)平均电压变化量：u((38.1-6.3)/5+(44.5-12.8)/5+(50.7-19.1)/5+(57.0-25.4)/5+(63.2-31.7)/5)/5=6.328mvm20g系统灵敏度：S=Δu/ΔW=6.328mv/20g=0.317mv/g重量(g)020406080100120140160180200电压(mv)06.312.819.125.431.738.144.550.757.063.2拟合电压0.006.32812.65618.98425.31231.64037.96844.29650.62456.95263.280(mv)|差|(mv)0.000.0280.1440.1160.0880.0600.0320.2040.0760.048-0.080线性误差：m0.204mv，yF·S=63.280mv1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：对边。2线性(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。一、试验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，理解全桥测量电路优点。R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件和单元：同试验一。四、试验步骤：1、传感器安装同试验一。21-4接线，将四片应变片按正确的方式接入桥路。将试验结果填入表3-1；试验后进展灵敏度和非线性误差计算。表3-1全桥输出电压与加负载重量值重 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200电0.0电0.012.224.836.949.261.073.185.298.0110.122.压26由上图可知：平均电压变化量：u((73.1-12.2)/5+(85.2-24.8)/5+(98.0-36.9)/5+(110.2-49.2)/5+(122.6-61.0)/5)/5=12.2mvm20g线性误差：S=122.28mvδf1=Δm/yF·S×100%≈0.242%重量(g)电压00.02012.24024.86036.98049.210061.012073.114085.216098.0180110.2200122.6(mv)拟合电0.00012.22824.45636.68448.91261.1473.36885.49697.824110.05122.28压(mv)2|差0.000-0.0280.3440.2160.288-0.14-0.268-0.2960.1760.1480.32|(mv)R3RR1=R3,R2=R4,R1≠R2(1)可以(2)不行以。答：可以。这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。见图3-2。组成一个全桥电路，不需要外加电阻。结论。二：试验原理4〔a〕、〔b〕、〔c〕作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度，四、试验数据1、试验一、二、三所得的数据重量(g) 0 20

40

80 100 120 140 160 180 200单臂电压0(mv)

3.1

6.2

9.3

12.5 15.6 18.7 22.0 25.2 28.4 31.5半桥电压0(mv)全桥电压0.0(mv)

6.3 12.8 19.1 25.4 31.7 38.1 44.5 50.7 57.0 63.212.2 24.8 36.9 49.2 61.0 73.1 85.2 98.0 110.2122.62、单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线3、灵敏度和非线性度灵敏度非线性度单臂0.15820.785%半桥0.31640.3224%全桥4、结论0.61000.242%确的。一、试验目的二、根本原理(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：应变式传感器试验模板、应变式传感器、砝码、±15V电源、±4V四、试验步骤：1-40.000V。Rw3(增益即满量0.200V(2V3Rw〔零位调整0.000V。Vg，就可秤重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，记录试验数据。〔如手机等〕，称出其实际重量记录下来。五、试验数据重量(g)020406080100120140160180200电压(mv)019.440.157.777.898.4120140.6161.1178.2200放入手机，称出其实际重量为211g。试验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。二、根本原理：6-1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变〔＊同名端相接以差动电势输出，变压器工作在抱负状况下〔无视涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响〕，它的等效电路如图6-2所示。图中U1为一次绕组鼓舞电压；M1、M2绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21L22R21R22分别为两个二次绕组的有因而由一次侧鼓舞引起的感应电动势一样。由于两个二次绕组反向串接，所以L21M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向转变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。6-2二次绕组的感应动势为：由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：其有效值为：差动变压器的输出特性曲线如图6-3所示.图中E21、E22分别为两个二E0素所造成的。零点剩余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点四周不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。三、需用器件与单元：器，音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。四、试验步骤：16-4，将差动变压器装在差动变压器试验模板上。Lv端子输出，Fin输入来监测)。调整幅度使输出幅度为峰一峰值Vp-p=2V(可用示波器监测：X名端，按图6-5与初级圈波形(LvVp-p=2V中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的试验插孔。3、旋动测微头，使示波器其次通道显示的波形峰一峰值Vp-p为最小。这时可Vp-pVp-p波形的相位关系。Vop-p-X±1mm、±3mm差。五、试验数据位移(mm)-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20电压(mv)284240192144964812位移(mm)0.20.40.60.81.01.2电压(mv)52100148196240284、Vop-p-X、量程为±1mm、量程为±3mm由于试验测量时只测到量程为±1.2mm的数据，所以只绘制了量程为±1.2mm4、灵敏度和非线性误差误差。数据如下：灵敏度非线性误差0-1mm231.431.349%0-3mm六、思考题：230.001.207%1KHz动变压器测量频率的上限受什么影响？性区域了，得到的结论也不准了，需要修正才行。2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？出被测体的位移量。而一般电源变压器是是把两个线圈套在同一个铁心上构成的。一、试验目的：了解电容式传感器构造及其特点。利用平板电容C=εA/d和其它构造的关系式通过相应的构造和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只转变其中一(εd)A)等多种电容传感器。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器试验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。四、试验步骤：16-427-1。图7-1电容传感器位移试验接线图3V01ViVi)，Rw0.2mmX7-1。7-1X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6V(v)00.0220.0470.0740.1010.1280.1570.1850.212X(mm)1.82.02.22.42.62.83.03.23.4V(v)0.2400.2670.2970.3250.3550.3830.4120.4420.474X(mm)3.63.84.04.24.44.64.85.05.2V(v)0.5010.5300.5580.5880.6190.6470.6720.6960.719X(mm)5.45.65.86.06.26.46.66.87.0V(v)0.7410.7640.7830.8040.8250.8430.8580.8730.886X(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4-1.6V(v)0-0.022-0.047-0.074-0.101-0.127-0.159-0.183-0.214X(mm)-1.8-2.0-2.2-2.4-2.6-2.8-3.0-3.2-3.4V(v)-0.238-0.267-0.295-0.324-0.355-0.380-0.414-0.442-0.474X(mm)-3.6-3.8-4.0-4.2-4.4-4.6-4.8-5.0-5.2V(v)-0.510-0.528-0.553-0.583-0.626-0.642-0.677-0.689-0.716X(mm)-5.4-5.6-5.8-6.0-6.2-6.4-6.6-6.8-7.0V(v)-0.738-0.764-0.788-0.812-0.828-0.843-0.855-0.875-0.89347-1Sδf。由图可知，拟合曲线方程为V=0.13477x-0.00011S=0.13477v/mmδf=0.031/0.886=3.5%五、思考题：ε考虑哪些因素？用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而推断出谷物的湿度，当电容的S与D传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。感器之间穿过，而且要留意直板传感器的边缘效应。一、试验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将〔或以磁场为媒体〕转换成电动势输出。依据霍尔效应，霍尔UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进展位移测量。8-1测微头、数显单元。四、试验步骤：18-28-31、34Ｖ，2、4图8-2霍尔传感器安装示意图RW2零。8-330.2mm8-1。8-1X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6V(v)00.110.210.320.430.540.660.770.89X(mm)1.82.02.22.42.62.83.03.23.4V(v)1.021.141.271.401.541.681.811.952.10X(mm)3.63.84.04.24.44.64.85.05.2V(v)2.242.372.472.572.652.722.772.792.79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。由图可知，拟合曲线为V=0.592*x-0.01291所以霍尔传感器的系统灵敏度即其斜率S=0.592v/mmδf=0.27594/2.79=9.8%五、思考题：本试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？答：由霍尔传感器的工作原理可知，U=KIB；即霍尔元件实际感应的是所在位置线性分布，提示了元件测量处磁场的线性分布。一、试验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。移测量。图9-1电涡流传感器原理图 图9-2电涡流传感器等效电路图单元、测微头、铁圆片。四、试验步骤：19-3图9-3电涡流传感器安装示意图9-42、观看传感器构造，这是一个扁平绕线圈。一个元件〔传感器屏蔽层接地〕。4、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。Vi20V6、用连接导线从主控台接入＋15V+15V0.2mm9-1。9-1XX(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6V(v〕00.190.450.720.991.271.561.852.16X(mm)1.82.02.22.42.62.83.03.23.4V(v)2.472.793.123.453.794.124.464.805.13X(mm)3.63.84.04.24.44.64.85.05.2V(v〕5.475.816.136.466.777.097.387.687.96X(mm)5.45.65.86.06.26.46.66.87.0V(v〕8.228.398.428.448.458.468.478.478.47、3mm5mm〔可以用端基法或其它拟合直线〕。量程为1mm时的灵敏度和线性度的计算由图可知，拟合曲线为V=1.2886*x-0.04095所以电涡流传感器的系统灵敏度即其斜率S=1.2886v/mmδf=0.02677/1.27=2.1%量程为3mm时的灵敏度和线性度的计算由图可知，拟合曲线为V=1.5063*x-0.1725所以电涡流传感器的系统灵敏度即其斜率S=1.5063v/mmδf=0.1136/4.46=2.55%量程为5mm时的灵敏度和线性度的计算由图可知，拟合曲线为V=1.5854*x-0.26692所以电涡流传感器的系统灵敏度即其斜率S=1.5854v/mmδf=0.13984/7.68=1.82%五、思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，假设需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？答：电涡流的大小与金属导体的电阻率c，厚度t，线圈的励磁电流角频率ω以及线圈与金属块之间的距离x等参数有关。2、用电涡流传感器进