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传感器原理及测试基础实验指导书西北工业大学明德学院2013年9月实验一 金属箔式应变片及电桥性能实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及电桥工作原理和性能。二、实验仪器传感器实验箱（一）、应变片传感器模块、托盘、砝码、数显直流电压表、直流稳压电源、万用表。三、实验原理1.传感器及电桥电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：，式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，为电阻丝长度相对变化（即纵向应变）。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1图1-2通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化。常用电桥有：单臂电桥、半桥、全桥。如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 （1-1）E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L。2. 仪用放大器由于电桥输出电压较小，为提高传感器测量的分辨率，对输出信号需要放大，放大常采用的电路是仪器测量专用放大器，简称为仪用放大器。该放大器具有输入阻抗高、共模抑制比高、性能稳定性好等特点，被广泛用在精密测量电路中。下图为仪用放大器电路原理图。在满足条件下，其输出与输入关系为 （1-2）四、实验内容与步骤1图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到实验箱(一)左上方的R1、R2、R3、R4上，根据应变片符号上所标的箭头可以判断出应变片在弹性体上的分布情况。4个应变片的标称阻值相等，R1=R2=R3=R4=350。2从实验台上接入15V直流电源到实验箱“直流电源”插座上，。（a） 单臂电桥接线图 （b）半桥接线图（c）全桥接线图图1-2 实验接线图3. 实验步骤(1)电路连接按实验要求分别接成单臂电桥、半桥、全桥形式。接线图分别见图1-2 （a）、（b）、（c）。电桥电源电压为E+5V，放大器电源电压为。（2）调零 首先放大器调零。 将放大器输入端短接，调节RW3，使电压表示数为零。 电桥调零。 在托盘未放砝码的条件下，将电桥输出接放大器的输入，调节RW1，使电压表示数为零。（3）测量。 在应变片传感器托盘上放置一个砝码，读取电压表数值，依次增加砝码和读取相应的电压表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入表1-1。表1-1传感器受力(g)020406080100120140160180200电桥输出电压(mV)单臂半桥全桥 五、注意事项1. 加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！2. 在调零后的测试过程中，RW1、RW3应保持不变。六、实验报告根据表11计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yF.S 100，式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，yFS为满量程（200g）输出平均值。实验三 差动变压器性能实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性。二、实验仪器传感器实验箱（一）、差动变压器模块、测微头、差动变压器、信号源、直流电源、虚拟示波器。三、实验原理1.差动传感器结构工作原理差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。如图所示。根据连接情况有：在理想情况下，当铁芯处在平衡位置（中间位置）时，两个次级线圈感应电压值相等，差动输出；当铁芯偏离平衡位置时， 。由理论推导可知，传感器输出与铁芯偏离平衡位置的位移成线性关系，即：，输出电压的大小反映了铁芯偏离平衡位置的位移，也就是被测物体的移动量。但实际上，由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称、线圈的排列不均匀、不一致、铁芯特性的非线性等因素的影响，在铁芯处于差动变压器线圈中间位置时，实际输出电压并不为零。此电压称为零点残余电压，图中用表示。零点残余电压无法消除，只能采取措施进一步减小。在测量时为减小零点残余电压对测量值的影响，常采用图3-3所示补偿电路。差动变压器输出电压与激励频率关系见教材。2. 千分尺（螺旋测微器）的使用（1）千分尺结构外径千分尺常简称为千分尺，由固定的尺架、测砧、测微螺杆、固定套管、微分筒、测力装置、锁紧装置等组成。固定套管上有一条水平线，在这条上、下各有一列间距为1mm的刻度线，上面的刻度线恰好在下面二相邻刻度线中间。微分筒上的刻度线是将圆周分为50等分的水平线，它是旋转运动的。根据螺旋运动原理，当微分筒(又称可动刻度筒)旋转一周时，测微螺杆前进或后退一个螺距-0.5mm。这样，当微分筒旋转一个分度后，它转过来了1/50周，这时螺杆沿轴线移动了1/500.5mm=0.01mm,因此,使用千分尺可以准确读出0.01mm的数值。（2）外径千分尺的零位校准使用千分尺时先要检查其零位是否校准，因此先松开锁紧装置，清除油污，特别是测砧与测微螺杆见接触面要清晰干净。检查微分筒的端面是否与固定套管上的零刻度线重合，若不重合应先旋转旋钮，直至螺杆要接近测砧时，旋转测力装置，当螺杆刚好与测砧接触时会听到喀喀声，这时停止转动。如量零线仍不重合(两零线重合的标志是：微分筒的端面与固定刻度的零线重合，且可动刻度的零线与固定刻度的水平横线重合)，可将固定套管上的小螺丝松动，用专用扳手调节套筒的位置，使两零线对齐，在把小螺丝拧紧。检查千分尺零位是否校准时，要使螺杆和测砧接触，偶尔会发生向后旋转测力装置量者不分离的情形。这时可用左手手心用力顶住尺架上测砧的左侧，右手手心顶住测力装置，再用手指沿逆时针方向旋转旋钮，可以使螺杆和测砧分开。（3）读数千分尺读数时，先读固定尺架上示数X1，再读微分筒上与固定尺架水平线相对应的示数X2，最终的示数X为：如上图示数为：12mm+31.50.01mm12.315mm。四、实验内容与步骤下图为差动变压器实验模板连接构架图。图3-1 差动变压器实验模板连接构架图图3-21根据图3-1将差动变压器安装在实验箱一的传感器座上。 2将传感器引线插头插入实验模块的插座中，按图3-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出），音频信号由“信号源音频端口”输出，从实验台上接入15V直流电源到实验箱“直流电源”插座上。确保无误后，开启实验台上电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用频率/转速表和虚拟示波器软件监视），使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V。3用虚拟示波器的CH1观测差动变压器的输出，旋动测微头，使虚拟示波器观测到的波形峰峰值Vp-p为最小值（实验中差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小）。这时可以左右移动测微头，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从虚拟示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表31，再从Vp-p最小处反向位移做实验。在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。4.零点参与电压的补偿。按图3-3接线，依次调节RW1和RW2，使输出电压最小。按上面步骤2、3重做测试并做数据记录。表（3-1）差动变压器位移X值与输出电压数据表。V(mV)X(mm)-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81五、实验报告1根据表31画出Vop-pX曲线，作出量程为1mm、3mm时灵敏度和非线性误差分析。2.分析产生非线性误差的原因。六、思考题：1、差动变压器的零点残余电压能彻底消除吗？2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？实验四 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容传感器的结构及特点，电容传感器的位移测量原理。二、实验仪器传感器实验箱（一）、电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源。三、实验原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理：式中，S为极板正对面积，d为极板间距离，0真空介电常数，r介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或r发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图4-1两只铜质圆筒状电容器共享一个筒状极板（下极板），当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。 图4-1圆筒状电容器的电容表达式为式中：X两圆筒间正对部分长度；D外筒的内经；d内筒的外径。四、实验内容与步骤1按图4-2将电容传感器安装在传感器固定架上，将传感器引线插入电容传感器实验模块插座中(引线颜色与插座颜色一一对应)。图4-22将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。3从实验台上接入15V电源到实验箱“直流电源”插座上。检查接线无误后，开启实验台电源，用电压表2V档测量“电容传感器模块”的输出，先调节Rw1和 Rw2大约在中间位置，手动调节电容传感器的共享极板（下极板）使得数显直流电压表大致为零，然后再细调测微头使直流电压表显示为零。4旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表4-1。表4-1X(mm)-1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.0V(mV)五、实验报告1根据表4-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。实验五 压电式传感器振动实验一、实验目的了解压电式传感器测量振动的原理和方法。二、实验仪器传感器实验箱（二）、振动源、低频信号源、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块。三、实验原理压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。四、实验内容与步骤1把压电传感器安装在振动梁的圆盘上。2将信号源的“低频输出”接到传感器实验箱（二）的“低频输入”，并按下图5-1接线，合上实验台上电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅最大（达到共振）。3将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端Ui1，用虚拟示波器观察压电传感器的输出波形Uo。图5-1五、实验报告1改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值。实验六 K型热电偶测温实验一、实验目的了解K型热电偶的特性与应用。二、实验仪器智能调节仪、PT100、K型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。三、实验原理热电偶传感器的工作原理热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图6-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。 图6-1（a） 图6-1（b） 两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图6-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即 ET=SAB（T-T0） （1）SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。热电偶的基本定律：（1）均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。（2）中间导体定律 用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。（3）中间温度定律 如图6-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） （2）式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T1=100，T2=40，T3=0，则EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） （3）图6-2热电偶的分度号热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。加热炉的用法四、实验内容与步骤 1将加热源与智能调节器相连，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入K型热电偶温度传感器。2将15V直流稳压电源接入实验箱上。“温度传感器模块”的输出端“Uo2”接实验台上“直流电压表”。3按图6-3接线，将K型热电偶的两根引线，热端（红色）接a，冷端（蓝色）接b，并从实验台上接+5V电源到a1处。调节电位器Rw2大约在中间位置，用“直流电压表”的2V档测量“Uo2”的电压，并调节电位器Rw1使“直流电压表”显示为零。 图6-34升高温度源的温度，每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表表6-1T（）Uo2（V） 五、实验报告1根据表6-1的实验数据，作出UO2-T曲线，分析K型热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差。 2根据中间温度定律和E型热电偶分度表，用平均值计算出差动放大器的放大倍数A。