英才学院传感器实训指导

第一部分传感器与检测技术的理论基础 7第一章电阻式传感器 7第一节电阻应变式传感器 第二节湿敏电阻传感器 15第三节气敏电阻传感器 16第二章电感式传感器 第一节差动变压器 第二节自感传感器 第三节电涡流传感器 21第三章电容传感器 24第四章压电传感器 28第五章霍尔传感器 32第二部分传感器实验指导 第一章CSY998型传感器实验仪简介 33一、CSY998型传感器实验仪简介 33二、主要技术参数、性能及说明 33第二章CSY998型传感器实验 36实验一（A）金属箔式应变片性能—单臂电桥 36实验一（B）金属箔式应变片性能—单臂电桥 37实验二（A）金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 38实验二（B）金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 39实验三（A）应变片的温度效应及补偿 40实验三（B）应变片的温度影响 41实验四（A）热电偶原理及现象 41实验四（B）热电偶原理及现象 42实验五移相器实验 44实验六相敏检波器实验 45实验七（A）金属箔式应变片一交流全桥 47实验七金属箔式应变片一交流全桥 48实验八交流全桥的应用一振幅测量 49实验九（A）交流全桥的应用一电子秤之一 49实验九（B）交流全桥的应用一电子秤之一 50实验十差动变压器性能 51实验十一差动变压器零点残余电压的补偿 52实验十二差动变压器的标定（静态位移性能） 53实验十三差动变压器的应用—振动测量 54实验十四差动变压器的作用—电子秤之二 55实验十五差动螺管式电感传感器的静态位移性能 56实验十六差动螺管式电感传感器振动时的动态性能 57实验十七电涡流式传感器的静态标定 58实验十八被测体材料对电涡流传感器特性的影响 59实验十九电涡流式传感器的应用－振幅测量 59实验二十电涡传感器应用－电子秤之三 60实验二十一霍尔式传感器的特性—直流激励 61实验二十二霍尔式传感器的应用—电子秤之四 62实验二十三霍尔式传感的特性—交流激励 62实验二十四霍尔式传感器的应用—振幅测量 63实验二十五磁电式传感器的性能 64实验二十六压电传感器的动态响应实验 65实验二十七压电传感器的引线电容对电压放大器的影响、电荷放大器 66实验二十八差动变面积式电容传感器的静态及动态特性 67实验二十九扩散硅压阻式压力传感器实验 67实验三十光纤位移传感器静态实验 69实验三十一光纤位移传感器的动态测量一 70实验三十二光纤位移传感器的动态测量二 71实验三十三PN结温度传感器测温实验 72实验三十四热敏电阻演示实验 73实验三十五气敏传感器（MQ3）实验 74实验三十六湿敏电阻（RH）实验 76实验三十七光电传感器（反射型）测转速实验（选配） 77第三章CSY2000型传感器与检测技术实验台简介 78一、CSY2000型传感器实验仪简介 78二、电路原理 78三、使用方法 78四、仪器维护及故障排除 79五、注意事项 79第四章CSY2000型传感器实验 80实验一金属箔式应变片一一高精度单臂电桥性能实验 80实验二金属箔式应变片—半桥性能实验 82实验三金属箔式应变片—高精度、高灵敏度全桥性能实验 84实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较 85实验五直流全桥的应用—电子秤实验 86实验六金属箔式应变片的温度影响实验 88实验七交流全桥的应用—振动测量实验 88实验八压阻式压力传感器的压力测量实验 90实验九差动变压器的性能实验 92实验十激励频率对差动变压器特性的影响 94实验十一差动变压器的应用—振动测量实验 94实验十二电容式传感器的位移实验 96实验十三直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 97实验十四交流激励时霍尔式传感器的位移实验 98实验十五霍尔测速实验 实验十六磁电式转速传感器测速实验 实验十七压电式传感器测振动实验 实验十八电涡流传感器位移实验 实验十九被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验 实验二十光纤传感器的位移特性实验 实验二十一光电转速传感器测速实验 实验二十二利用光电传感器控制电机转速 实验二十三温度源的温度控制调节实验 119实验二十四APT100铂电阻测温特性实验 实验二十四BPT100铂电阻测温特性实验 实验二十五A铜热电阻测温特性实验 126实验二十五B铜热电阻测温特性实验 127实验二十六AK型热电偶测温性能实验 实验二十六BK型热电偶测温性能实验 实验二十七AK型热电偶冷端温度补偿实验 实验二十七BK型热电偶冷端温度补偿实验 实验二十八AE型热电偶测温性能实验 实验二十八BE型热电偶测温性能实验 实验二十九A集成温度传感器(AD590)温度特性实验 实验二十九B集成温度传感器(AD590)温度特性实验 实验三十气敏传感器实验 实验三十一湿敏传感器实验 实验三十二数据采集系统实验—静态采集举例 实验三十三数据采集系统实验—动态采集举例 实验三十四发光二极管（光源）的照度标定实验 实验三十五光敏电阻特性实验 实验三十六光敏二极管的特性实验 实验三十七光敏三极管特性实验 实验三十八硅光电池特性实验 实验三十九光电开关实验 附表：常用热电阻、热电偶分度表 参考文献 第一部分传感器与检测技术的理论基础第一章电阻式传感器第一节电阻应变式传感器一、应变片的类型和材料应变片可分为金属电阻应变片及半导体应变片两大类。这里以金属电阻应变片为例。金属电阻应变片分金属丝式、金属箔式和金属薄膜式三种。1.金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。图1-1所示为回线式应变片，它的敏感栅丝的直径在0.012mm～0.05mm，以0.025mm左右为最常用，丝线的曲率半径r为0.1mm～0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），用黏结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。引线多用0.15mm～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。为了克服横向效应，有短接式应变片。两端用直径比栅丝直径粗5～10倍的镀银丝短接而成。由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用较少。丝式应变片敏感栅的材料要求是：灵敏系数高，电阻率高,稳定性好，温度系数小，机械强度高，抗氧化，耐腐蚀。常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。2．金属箔式应变片图1-2为金属箔式应变片。金属箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003mm～0.01mm的电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状，图1-2金属箔式应变片它的优点是1）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求。（2）与被测试件接触面积大，黏结性能好。散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度。（3）横向效应可以忽略。（4）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。它的主要缺点是电阻值的分散性大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值调整。3.金属薄膜应变片金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在-197℃~317℃温度下工作。主要问题是，尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。二、应变片的工作原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为L、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为（1-1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变Δρ,故引起电阻值变化ΔR。对式（1－1）全微分，并用相对变化量来表示，则有:图1-3电阻丝拉伸应变示意图式中的为电阻丝的轴向应变，用ε表示。若径向应变为Δr/r，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比μ表示为：因为ΔS/S＝2(Δr/r)，则（1－2）式可以写成公式（1－3）为“应变效应”的表达式。k0称为金属电阻的灵敏度系数，由式（1－3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2μ),它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是Δρ/(ρε),是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则k0≈1+2μ,对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常金属丝的灵敏度系数k0=2～7左右。三、应变片的常用材料及粘贴技术1．常用材料（1）4YC3：4YC3是Fe-Cr-Al系550℃高应变电阻合金，其电阻率高，电阻温度系数低，热稳定性好，主要用于工作温度≦550℃的电阻应变计。（2）4YC4：4YC4是Fe-Cr-Al系750℃高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数低，尤其是在600℃以上有较好的热输入和重现性低的零飘。合金主要用作工作温度≦750℃的电阻应变计，用于大型汽轮机、航空、原子反应堆等领域中静态和准静态测量。（3）4YC8：4YC8铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电阻应变计，其温度自补偿性能及其它技术指标符合《电阻应变计》标准规定的A级产品质量要求。箔材平均热输出系数ct<1με/℃,用它制成箔式应变计，可以在钛合金、普通钢、不锈钢、铝合金、镁合金等多种材料制成的试件上达到良好的温度自补偿效果，优于国外同类合金箔材，技术性能达到国外先进水平。（4）4YC9：4YC9是Ni-Mo系500℃自补偿应变电阻合金，它的ρ值高，电阻温度系数小，热输出、热稳定性好，适用于制作在≦500℃工作的自补偿电阻应变计。2．应变片的粘贴工艺步骤（1）应变片的检查与选择首先要对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。（2）试件的表面处理为了获得良好的黏合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的结果。为了表面的清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴应尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。（3）底层处理为了保证应变片能牢固地贴在试件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。（4）贴片将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在试件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的黏合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶锟加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。(5)固化黏合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层，防潮层一般可采用稀释的粘合胶。(6)粘贴质量检查首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。(7)引线焊接与组桥连线检查合格后既可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。四、测量电路应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通常金属电阻应变片灵敏度系数K很小，机械应变一般在10×10-6～3000×10-6之间，可见，电阻相对变化是很小的。例如，某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变ε=1000×10-6，应变片的电阻值为120Ω,灵敏度系数K=2,则电阻的相对变化量为Kε=2×1000×10-6=0.002，电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化，用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化。最常用的电路为电桥电路。（一）直流电桥如图1-4所示，电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4，U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R1=R2=R3=R4=R时，成为等臂电桥；当R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R,R2=R3=R’(R≠R’)时，称为电源对称电桥。电阻应变片接入电桥电路通常有以下接法：如果电桥一个臂接入应变片，其他三个臂采用固定电阻，称为单臂工作电桥；如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥，又称半桥形式；如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。UAUABR1R1R4R2R3ABURDCaEE'RgR'b图1-4直流电桥图1-5直流电桥的电流输出1.直流电桥的电流输出当电桥的输出信号较大，输出端有接入电阻值较小的负载如检流计或光线示波器进行测量时，电桥将以电流形式输出，如图1-5a所示，负载电阻为Rg。由图中可以看出所以，电桥输出端的开路电压UAB为应用有源——端口网络定理，电流输出电桥可以简化成图1-5b所示的电路。图中E’相当于电桥输出端开路电压UAB，R’为网络的入端电阻由图1-5b可以知道，流过负载Rg的电流为当Ig=0时，电桥平衡。故电桥平衡条件为当电桥负载电阻Rg等于电桥输出电阻时，即阻抗匹配时，有这时电桥输出功率最大，电桥输出电流为输出电压为当桥臂R1为电阻应变片且有电阻增量ΔR时，略去分母中的ΔR项，则对于输出对称电桥，R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)，则有对于电源对称电桥，R1=R4=R,R2=R3=R’(R≠R’)，则有：对于等臂电桥，R1=R2=R3=R4=R，则有由以上结果可以看出，三种形式的电桥，当ΔR<<R时，其输出电流都与应变片的电阻变化率及应变成正比，它们之间呈线性关系。2.直流电桥的电压输出当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以，可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为设电桥为单臂工作状态，即R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1感受应变产生电阻增量ΔR1时，由初始平衡条件R1R3=R2R4得代入式（1-9则电桥由于ΔR1产生不平衡引起的输出电压为对于输出对称电桥，此时R1=R2=R，R3=R4=R´,当R1臂的电阻产生变化ΔR1=ΔR，根据式（1-10）可得到输出电压为对于电源电桥，R1=R4=R，R2=R3=R´,当R1臂产生电阻增量ΔR1=ΔR时，由式（1-10）得对于等臂电桥R1=R2=R3=R4=R，当R1的电阻增量ΔR1=ΔR时，由式（1-10）可得输出电压为由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当ΔR<<R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出，在桥臂电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，即它们的灵敏度要高。因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥。在实际使用中，为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个应变片接成两个差动对称的全桥工作形式，如图1-6所示。由图1-4可见R1=R+ΔR，R2=R-ΔR，R3=R+ΔR，R4=R-ΔR，将上述条件代入式（1-9）得由式（1-14）看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作的4倍，所以大大提高了测量的灵敏度。R+△R+△RR-△RR-△RR+△RUoUUUo图1-6等臂电桥图1-7应变片等臂交流电桥（二）交流电桥交流电桥通常是采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电容的影响。1．电桥的平衡条件设交流电桥的电源电压为式中，Um为电源电压的幅值；⑴为电源电压的角频率，⑴=2πf,f为电源电压的频率，一般取被测应变最高频率的5~10倍。在测量中，电桥的桥臂由应变片或固定无感精密电阻组成。由于分布电容的影响（分布电感的影响很小，可不予考虑当四个桥臂均为应变片时，电桥如图1-7所示。此时交流电桥的输出电压为式中：Z电桥平衡的条件则为Z1Z3=Z2Z4（1-17）2．流电桥的输出电压由于电桥是交流电压，因此它的输出电压也是交流电压，电压的幅值和应变的大小成正比。可见，可以通过电桥输出电压的幅值来测量应变的大小，但无法通过输出电压来判断应变的方向。例如，一个单臂接入应变片的等臂电桥，即Z1=Z2=Z3=Z4=Z,Z1=Z+ΔZ,当ΔZ<<Z时，忽略分母中的ΔZ的影响，根据式（1-16）可以得到对于一个相邻两个桥臂接入差动变化的应变片的等臂桥，即Z1=Z2=Z3=Z4=Z,Z1=Z+ΔZ,Z2=Z_ΔZ时，根据式（1-16）得式（1-19）与式（1-18）比较灵敏度提高了一倍，即双臂差动比单臂工作效率提高一倍。（三）电桥的线路补偿1.零点补偿电桥的电阻应变片虽经挑选,但要求四个应变片阻值绝对相等是不可能的。即使原来阻值相等，经过贴片后将产生变化，这样就使电桥不能满足初使平衡条件，即电桥有一个零位输出（U0≠0）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个小电阻进行补偿，如图1-8所示。例如当R1R3<R2R4时，初始不平衡输出电压U0为负，这时可在R1桥臂上接入R0，使电桥输出达到平衡。R2R2R1FR4R3UU0FR0R0R2U0R4R3R1U图1-8零点补偿电路图1-9温度补偿电路2.温度补偿R0R0RTU0RE/2RE/2U环境温度的变化也会引起电桥的零点漂移。产生漂移的原因有：电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料间的膨胀率不一致；电阻应变片的粘贴情况不一致。温度补偿的方法一般采取用补偿片法和热敏元件法。所谓补偿片法，即用一个应变片作工作片，贴在试件上测应变。在另一块和被测试件结构材料相同而不受应力的补偿块上贴上和工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的温度环境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂，如图1-9所示环境温度的变化也会引起电桥的零点漂移。产生漂移的原因有：电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料间的膨胀率不一致；电阻应变片的粘贴情况不一致。温度补偿的方法一般采取用补偿片法和热敏元件法。对于温度所引起的零漂移也可认为是由四个桥臂电阻的温度系数不一致所引起的，因此可以在某一桥臂中连接一个图1-10零漂移补偿电路温度系数较大的金属电阻。如图1-10所示，在桥臂R2中串入一个铜电阻RT。3．弹性模量补偿弹性元件承受一定载荷且温度升高时，弹性模量要减小，因此导致了传感器输出灵敏度变大，使电桥输出增大。补偿的方法可使电桥的输出随温度升高而减小。通常将RE/2分别接入桥路两个输入端，以保证桥路对称，见图1-10所示。第二节湿敏电阻传感器湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。氯化锂湿敏电阻（图1-11）氯化锂湿敏电阻，即电解质湿敏电阻，利用物质吸收水分子而导电率变化检测湿度。在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高。溶液中的离子导电能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率ρ上升，反之RH下降，溶液失去水分子使浓度上升，电阻率ρ下降（如图1-12）。通过测量溶液电阻值R实现对湿度的测量。图1-11氯化锂湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻半导体湿敏电阻通常用两种以上的金属——氧化物——半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正温度系数和负温度系数两种。负特性半导体瓷湿敏电阻（如ZnO-Li-V2O5电阻随温度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当于表面电势变负（P型半导体电势下降，N型半导体出现反型层），电阻率随湿度增加而下降。正特性半导体瓷湿敏电阻（如Fe3O4材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。a.负特性b.正特性图1-13正、负特性图第三节气敏电阻传感器在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200℃~300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。第二章电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此，根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。第一节差动变压器一、差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测唯一改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常通称差动变压器。如图2-1所示。41图2-1差动变压器的结构示意图...U1~~~图2-2差动变压器的等效电路差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响它的等效电路如图（2-2）所示。图中U1为一次绕组励磁电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组的互感；L1\R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。与两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1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，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动时，差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，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。由图2-2可以看出一次绕组的电流为二次绕组的电动势为E21=_j⑴M1I1E22=_j⑴M2I1由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为其有效值为二、测量电路1．差动相敏检波电路图2-3是差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的3~5倍。2．差动整流电路差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远距离传输。图2-4是差动整流的两种典型电路。图2-4a是简单方案的电压输出型。为了克服上述电路中二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响，可以采用图2-4b所示电路。移相器移相器VVa图2-3差动相敏检波电路bbV图2-4差动整流电路第二节自感传感器自感式电感传感器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型。一、螺管型电感式传感器工作原理CSY系列传感系统所用的为螺管式传感器图2-5为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为二、测量电路ll2r2ra1图2-5螺管型电感传感器1-线圈2-衔铁交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图2-6是交流电桥的几种常用形式。MLL.UUU.Uc)紧耦合电感臂电桥a)电阻平衡臂电桥b)c)紧耦合电感臂电桥图2-6交流电桥的几种形式1．电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥如图2-6a所示。Z1、Z2为传感器阻抗。设L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=R’+jwl,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为：当ωL＞＞R’时，上式可近似为：（2-2-2）由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。2．变压器式电桥变压器式电桥如图2-6b所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则有：（2-2-4）同理，当衔铁上移时，则有2-2-5）由式（2-2-4）和式（2-2-5）可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。图2-7带相敏整流的交流电桥图2-7是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点电位，电表指示为零。当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支路中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支路中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。可见，采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。3．紧耦合电感臂电桥该电桥如图2-6c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。第三节电涡流传感器电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强，特别是有非接触测量的优点，因此，在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。一、电涡流式传感器的工作原理当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。如图2-8所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。R1R2M1H图2-8电涡流传感器原理图图2-9电涡流传感器等效电路图一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图2-9的等效电路。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为：线圈的等效电感为：（2-3-1）2-3-2由式（2-3-1）和（2-3-2）可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。二、测量电路电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图2-10是电桥法的电原理图，图中线圈A和B为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。△△振荡器~RABCC检测器221图2-10电桥法测量电路原理图2．谐振法这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化。传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。并联谐振回路的谐振频率为:且谐振时回路的等效阻抗最大，等于：式中，R’为回路的等效损耗电阻。当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。图2-11为调幅式测量电路原理框图。由图中可以看出，LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为：u=i0F(Z)（2-3-3）式中，i0为高频激励电流；Z为LC回路的阻抗。可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的输出电压越大。调频式测量电路的原理是：被测量变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率发生变化。频率变化间接反映了被测量的变化。这里，电涡流传感器的线圈是作为一个电感元件接入振荡器中的。图2-12是调频式测量电路的原理图，它包括电容三点式振荡器和射极输出器两个部分。为了减小传感器输出电缆的分布电容Cx的影响，通常把传感器线圈L和调整电容C都封装在传感器中，这样，电缆分布电容的影响并联到大电容C2、C3上，因而对谐振频率的影响大大减小了。输出输出高频放大器检波器滤波器C晶体振荡器RL图2-11调幅式测量电路原理框图RRVRLRCRCVCCRCRCC+UCL44x6622233551111图2-12调频式测量电路原理框图第三章电容传感器电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用。一、电容传感器工作原理A电容式传感器的基本工作原理可以用图3-1所示的平板电容器来说明。设两极板相互覆盖的有效面积为A（m2两极板间的距离为d（m极板间介质的介电常数为ε（F·m-1在忽略板极边缘影响的条件下，平板电容器的电容量C（F）为Add图3-1平板电容由式（3-1-1）可以看出，ε,A，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。1．变面积式电容传感器工作原理bdbdxa图3.1.2直线位移型电容式传感器xxxxxxaaa)角位移型b)齿形极板型c)圆筒型图3-2是一直线位移型电容式传感器的示意图。当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为：K可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。图3-3是此类传感器的几种派生形式。图3-3a是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为图3-3b中极板采用了锯齿板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿板极板的齿数为n，移动△x后，其电容量为其灵敏度为：3-1-4由前面的分析可得出结论，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。二、电容传感器常用的测量电路用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有：普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。在此主要介绍后四种电路。1．双T电桥电路这种测量电路如图3-4所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。电路的工作原理如下：当电源电压U为正半周时，V1导通，V2截止，于是C1充电；当电源负半周时，V1截止，V2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、V2，这时流过RL的电流为i1。L图3.2.1双T电桥电路C-ui+u0图3.2.2运算放大器式测量电路到了下一个正半周，V1导通，V2截止，C1又被充电，而C2则要放电。放电回路一路通过RL、R2，另一路通过V1、R1、R2，这时流过RL的电流为i2。如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。此时输出电压值为当R1=R2=R，RL为已知时，则：RL=KK为一个常数，故式（3-2-1）又可写成u0≈KUf(C1-C2)(3-2-2)双T电桥电路具有以下特点：I.信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。II.二极管V1和V2工作在伏安特性的线性段。III.输出电压较高。IV.电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。V.可以用作动态测量。2．运算放大器式测量电路电路的原理图如图3-5所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为：以Cx代入上式，则有：u0=_uid(3-2-3)式中，u0为运算放大器输出电压；为信号源电压；Cx为传感器容量；C0为固定电容器。由式（3-2-3）可以看出，输出电压u0与动极片机械位移d呈线性关系。3．脉冲调制电路图3-6所示为差动脉冲宽度调制电路。这种电路根据差动电容式传感器电容C1和C2的大小控制直流电压的通断，所得方波与C1和C2有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。图3-6差动脉冲宽度调制电路当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A）为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲，使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管V2导通，电容C2放电至零。以上过程周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。图3-7为电路上各点的波形。由图3-7看出，当C1=C2时，两个电容充电时间常数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。当差动电容传感器处于工作状态，即C1≠C2时，两个电容的充电时间常数发生变化，T1正比于C1，而T2正比于C2，这时输出电压的平均值不等于零。输出电压为(3-2-4)(3-2-4)当电阻R1=R2=R时，则有(3-2-5)可见，输出电压与电容变化呈线性关系。4.(3-2-5)可见，输出电压与电容变化呈线性关系。4.调频电路调频振荡器的振荡频率由下式决定TTtTtTtTtTtTt振荡回路的总电容一般包括传感器C0±△C，谐振回路中的固定电容C1和传感器电缆分布电容C。以变间隙式电容器为例，如果没有被测信号，则△d≠0，△C≠0，这时C=C1+C0+CCf(3-2-6)f0一般应选在此MHz以上。当传感器工作时，△d≠0，则△C≠0，振荡频率也相应改变△f，则有振荡器输出的高频电压产将是一个受被测信号调制的调制波，其频率由式（3-2-7）决定。第四章压电传感器某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图4-1是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。（a）(b)(c)图4-1天然石英晶体的外形图从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为qxx＝dxxFx(4-1)式中，qxx为垂直于X轴平面上的电荷，dxx为压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；Fx为沿晶轴X方向施加的压力。由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。横向压电效应产生的电荷为qXY=dXYFY(4-2)式中，qXY为了轴向施加压力，在垂直于X轴平面上的电荷dXY为压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以qXY=_dXXFY（4-3)由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图4-2所示（a）(b)(c)(d)图4-2晶片受力方向与电荷极性的关系(a)(b)图4-3石英晶体的压电效应石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷？可以解释如下：石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如图4-3a所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象。如果在X轴方向施加压力，如图4-3b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在B表面上出现负电荷。如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图4-3c所示。施加拉力时，电荷的极性与它相反。若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现，因而不产生压电效应。一、等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为Ca（4-4)式中，ε0为真空介电常数：ε为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图4-4a所示，也可以等效为—个电压源，如图4-4b所示。压电传感器与测量仪表连接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。图4-5画出了压电传感器完整的等效电路。ua=Q/Caua=Q/Cau0a)电荷源b)电压源图4-4压电传感器的等效电路QCaQCaRaCcRiCiQRaCcRiCi图4-5压电传感器实际的等效电路二、基本测量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；RC+-R1R2RaCcRia)b)图4-6压电传感器接电压放大器的等效电路1．电压放大器压电传感器接电压放大器的等效电路如图4-6a所示。图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大F=Fmsinωt(4-5)则在压电元件上产生的电压为而在放大器输入端形成的电压为当1<<ωR(Ci+Cc+Ca)时，放大器的输压为dFiC+C+iC+C+C(4-8)由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而引起放大器的输出电压也发生变化。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必须重新校正电压灵敏度值。2．电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。图4-7是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中C为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。NNQCaRaCcRiCiRC图4-7电荷放大器等效电路如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为Qi=Q-Qf式中，A为开环放大系数。所以有Cf故放大器的输出电压为当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示为U（4-9）由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为K(4-10)放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。第五章霍尔传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前，霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。一、霍尔效应在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个横向电位差，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。见图5-1，半导体材料的长、宽、厚分别为l、b和d。在与x轴相垂直的两个端面c和d上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压u,材料中便形成一个沿x方向流动的电流I,称为控制电流。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在z轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿y轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用F1表示，大小为：FL=qvB(6-2-1)式中，q为载流子电荷；v为载流子的运动速度；B为磁感应强度。在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有qEH=qvB霍尔电场的强度为EH=vB(6-2-2)在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示UH=EHb=vBb(6-2-3)由式(6-2-3)可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征／所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/l。这时式(6-2-3)可改写为:UHbB(6-2-4)第二部分传感器实验指导第一章CSY998型传感器实验仪简介一、CSY998型传感器实验仪简介实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒。备注：CSY系列传感器实验仪的传感器具体配置根据需方的合同安装。显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源(±2V~±10V挡位调节）、F／V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV～500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。二、主要技术参数、性能及说明（一）传感器安装台部分双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器，可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。传感器：1．差动变压器量程:≥5mm直流电阻：5Ω~10Ω,由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。2．电涡流位移传感器量程:≥1mm。直流电阻：1Ω~2Ω。多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。3．霍尔式传感器量程:±≥2mm。直流电阻：激励源端口800Ω~1.5KΩ,输出端口300Ω~500Ω。日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。4．热电偶直流电阻：10Ω左右，由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。5．电容式传感器量程：±≥2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容传感器。6．热敏电阻半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25℃时为10KΩ。7．光纤传感器由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。红外线发射、接收，直流电阻：500Ω~1.5kΩ,2×60股丫形、半圆分布。8．压阻式压力传感器量程：10KPa(差压)。供电：≤6V。直流电阻：Vs+---Vs-：350Ω~450Ω,Vo+---Vo-：美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。9．压电加速度计PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：≥10KHZ，电荷灵敏度：q≥20pc/g。10．应变式传感器箔式应变片阻值：350Ω,应变系数：211．PN结温度传感器利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：-2.1mV/℃。12．磁电式传感器直流电阻：30Ω~40Ω。由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s13．气敏传感器MQ3：酒精：测量范围：50ppm～2000ppm。14．湿敏电阻高分子薄膜电阻型：RH：几兆Ω~几KΩ。响应时间：吸湿、脱湿小于10秒。湿度系数：0.5RH%/℃。测量范围：10％～95％。工作温度：0℃~50℃。（二）信号及变换1．电桥用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。2．差动放大器通频带0kHz～10kHz可接成同相、反相，差动输入结构，增益为1～100倍的直流放大器。3．电容变换器由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。4．电压放大器增益约为5倍，同相输入，通频带0kHz~10kHz。5．移相器允许最大输入电压10Vp-p，移相范围≥±20º(5kHz时)。6．相敏检波器可检波电压频率0kHz－10kHz允许最大输入电压10Vp-p。极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。7．电荷放大器电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。8．低通滤波器由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。9．涡流变换器输出电压≥|8|V(探头离开被测物变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件10．光电变换座由红外发射、接收管组成。（三）二套显示仪表敏度≥50mV。2．指针式毫伏表85c1表，分500mV、50mV、5mV三挡，精度2.5%。（四）二种振荡器1．音频振荡器0.4KHz～10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，180°、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。2．低频振荡器1Hz～30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。（五）二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。（六）电加热器二组电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。（七）测速电机一组由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。（八）二组稳压电稳直流±15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。±2V—10V分五挡输出，最大输出电流1.5A。提供直流激励源。（九）计算机连接与处理数据采集卡：十二位A/D转换，采样频率20次/秒～25000次/秒，采样速度可控制，分单次采样与连续采样。标准RS-232接口，与计算机串行工作。良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。第二章CSY998型传感器实验实验一（A）金属箔式应变片性能—单臂电桥型实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。旋钮初始位置：直流稳压电源打到±2V挡，F/V表打到2V挡，差动放大增益最大。实验步骤：1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正、负、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。Rx为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V挡，F／V表置20V挡。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V挡，再调电桥W1（慢慢地调使F／V表显示为零。3．将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平行梁的自由端（与自由端磁钢吸合调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V表显示为零（细调零这时的测微头刻度为零位的相应刻度。4．——往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移，记下F／V表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：位移（mm）电压（mv）据所得结果计算灵敏度S=ΔV/ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F／V表显示的电压相应变化）。5．实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。注意事项：1．电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。2．为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出，适当减小差动放大增益，此时差动放大器不必重调零。3．做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。4．电位器W1、W2，在有的型号仪器中标为RD、RA。问题：本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？实验一（B）金属箔式应变片性能—单臂电桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、F/V表、主、副电源。旋钮初始位置：直流稳压电源打倒±2V挡，F/V表打到2V挡，差动放大增益最大。实验步骤：1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正、负、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。Rx为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V挡，F／V表置20V挡。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，等待数分钟后将F／V表置2V挡，再调电桥W1（慢慢地调使F／V表显示为零。3．在传感器托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度S=ΔV/ΔW，并作出V-W关系曲线，ΔV为电压变化率，ΔW为相应的重量变化率。重量（g）电压（mV）注意事项：1．电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。2．为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出，适当减小差动放大增益，此时差动放大器不必重调零。3．做