传感器实验指导书-改

0传感器与自动检测技术实验指导书王莉君范程华合肥师范学院电子信息工程学院1目录实验一应变片单臂电桥的特性实验…………………………………2实验二压力传感器的特性实验………………………………………4实验三差动变压器的性能实验………………………………………6实验四电容式传感器的特性实验……………………………………8实验五直流激励时霍尔传感器的位移特性实验……………………10实验六集成温度传感器的温度特性实验…………………………11实验七光纤传感器的位移特性实验…………………………………13实验八电子称的设计实验……………………………………………152实验一应变片单臂电桥的特性实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、实验仪器双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、±5V电源、差动放大器、电压放大器、万用表三、实验原理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kRR（1-1）式中RR为电阻丝电阻相对变化；k为应变灵敏系数；ll为电阻丝长度相对变化。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，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。图1-1双杆式悬臂梁称重传感器结构图通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R6=R7=R8=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压RRRREU211/40（1-2）E为电桥电源电压；式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021RR。3图1-2单臂电桥面板接线图四、实验内容与步骤1．悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。2．按图1-2接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端Ui短接并与地相连，“电压放大器”输出端Uo接数显电压表（选择2V档），开启直流电源开关。将“差动放大器”增益电位器与“电压放大器”增益电位器RW4调至最大位置（顺时针最右边），调节调零电位器RW3使电压表显示为0V。关闭直流开关电源。（两个增益调节的位置确定后不能改动）3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R6、R7、R8构成一个单臂直流电桥。接好电桥调零电位器RW1，直流电源+4V（从主控台接入），电桥输出接到“差动放大器”的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关。电压放大器的输出接数显电压表。预热五分钟。4．加托盘后调节Rw1使电压表显示为零。5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节RW4，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示为2mV，读取数显表数值，保持RE4不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记录实验数据填入表1-1。表1-1重量与电压数据记录表重量(g)电压(mV)6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。五、实验报告1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/yF.S×100％。式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S为满量程（200g）输出平均值。4实验二压力传感器的特性实验一、实验目的了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。二、实验仪器压力传感器、气室、气压表、分压器、差动放大器、电压放大器、直流电压表三、实验原理在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器，如图2-1所示，在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。扩散硅压力传感器的工作原理如图2-1，在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直于电流方向将会产生电场变化iE，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo。idEdUO（2-1）式中d为元件两端距离。实验接线图如图2-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1P2时，输出为正；P1P2时，输出为负（P1与P2为传感器的两个气压输入端所产生的压强）。图2-1扩散硅压力传感器原理图四、实验内容与步骤按图2-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接扩散图2-2硅压力传感器接线图5数显直流电压表，选择20V档，打开直流开关电源。1．调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到适当位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使直流电压表20V档显示为零。2．取下短路导线，并按图2-2连接“压力传感器”与“分压器”。3．气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将“压力传感器”的输出接到差动放大器的输入端，调节Rw1使直流电压表20V档显示为零。4．增大输入压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下“电压放大器”输出的电压值U。直到压强达到0.095Mpa；填入表2-1。表2-1压力与电压数据记录表P(kP)0.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.045U（mV）34.254.874.599.8121.8142.6164.4185.7198.55．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。五、实验报告根据实验所得数据，计算压力传感器输入——输出（P—U）曲线。计算灵敏度S=ΔU/ΔP，非线性误差δf。6实验三差动变压器的性能实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性。二、实验仪器差动电感传感器、测微头、差动放大器（差动电感）、信号源、示波器三、实验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，一只次级线圈的感应电动势增加，另一只次级线圈的感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出，则输出的变化反映了被测物体的移动量。四、实验内容与步骤1．根据图3-1将差动变压器安装在传感器固定架上（传感器固定架为实验通用支架。如果做其他实验，可直接将传感器更换。如做电容传感器实验，可将差动变压器直接换成电容传感器）。图3-1差动变压器安装图图3-2差动变压器接线图2．将传感器引线插头插入“差动电感”插座中，音频信号由信号源的“Us100”处输出，打开电源，调节Us1的频率和幅度（用示波器监测），使输出信号频率为4-5kHz，幅度为Vp-p=2V，按图3-2接线（差动电感接差动放大器输入端）。3．将“差动放大器”的增益调到最大（增益调节电位器顺时针旋到底）。4．用示波器观测“差动放大器”的输出，旋动测微头，使上位机或示波器观测到的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器或上位7机上读出输出电压Vp-p值，填入表3-1，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。表3-1位移与电压数据记录表Vp-p(mV)X(mm)5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。五、实验报告实验过程中注意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。根据表3-1画出Vp-p－X曲线，并作出量程为±1mm、±2mm时系统的灵敏度和非线性误差。六、注意事项实验过程中加在差动变压器原边的音频信号幅值不能过大，以免烧毁差动变压器传感器。8实验四电容式传感器的特性实验一、实验目的了解电容传感器的结构及特点。二、实验仪器电容传感器、电容变换器、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套三、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：dSdSCr0（4-1）式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr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电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图15-1，两只平板电容器共享一个下极板，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。通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。图4-1电容传感器内部结构示意图四、实验内容与步骤1．按图4-2安装好电容传感器，并将电容传感器引出线与“电容插座”相连接。图4-2电容传感器安装示意图9图4-3电容传感器接线图2．将底面板上电容传感器与电容变换器相连，电容变换器的输出接到数显直流电压表。3．打开直流电源开关。将电容传感器的下极板调至中间位置，调节电容变换器的增益调节旋钮，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。（增益调节电位器确定后不能改动）4．旋动测微头推进电容传感器的中间极板（下极板），左右各移动1cm,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4-1位移与电压数据记录表X(mm)V(V)五、实验报告根据表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δf。10实验五直流激励时霍尔传感器的位移特性实验一、实验目的了解霍尔传感器的原理与应用。二、实验仪器霍尔传感器、测微头、分压器、电桥、差动放大器、数显电压表三、实验原理根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为灵敏度系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。四、实验内容与步骤1．将霍尔传感器安装到传感器固定架上，传感器引线接到对应的霍尔插座上。按图5-1接线。2．开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“10mm”处，手动调节测微头的位置，先使霍尔片基本在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw2使数显表显示为零。3．分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5-1.表5-1位移与电压数据记录表X（mm）U(mV)图5-1霍尔传感器直流激励接线图五、实验报告作出U－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。11实验六集成温度传感器的温度特性实验一、实验目的了解常用的集成温度传感器（AD590）基本原理、性能与应用。二、实验仪器智能调节仪、PT100、AD590、温度源、差动放大器、电压放大器、直流电压表三、实验原理集成温度传感器AD590是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量。温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极-发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。本实验仪采用电流输出型集成温度传感器AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻