2015传感器技术实验指导书

传感器与检测技术实验指导书陈树越，吴志敏，杨小英编信息科学与工程学院2013年5月1目录实验一金属箔式应变片——半桥、全桥性能实验..........................2实验二压阻式压力传感器的压力测量实验......................................5实验三热电偶、热电阻特性测试......................................................7实验四电涡流传感器特性实验..........................................................102实验一金属箔式应变片——半桥、全桥性能实验一、实验目的：1、了解金属箔式应变片的应变效应。2、掌握单臂电桥、半桥和全桥的工作原理及线路连接方法。3、了解单臂电桥、半桥和全桥的不同性能，区分其优缺点。二、基本原理：1、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/式中RR/为电阻丝电阻的相对变化，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元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。2、单臂电桥：输出电压UO14/EK。3、半桥：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uo2=2/EK。4、全桥：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uo3=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。（以防重复，单臂电桥为选做内容，实验方法自己设计。）三、需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。应变片引出线固定垫圈固定螺丝限程螺丝模块弹性体托盘加热丝应变片图1-1应变式传感器安装示意图3四、实验步骤：（一）、半桥实验（差动电桥）1、图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω左右。2、差动放大器调零：接入模块电源±15V、接地（从主控箱引入），将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端Vo2与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw3调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为调节实验模块上调零电位器Rw4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（实验过程中Rw3,Rw4保持不变）3、电桥调零：R1、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。将应变片R1、R2接入下方的电桥当中，接入桥路电源±4V，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。4、在电子秤上放置一只砝码（20g），读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。接主控箱电源输出接主控箱电源输出接数显表Vi地图1-2应变式传感器半桥实验接线图4表1-1半桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mv）5、根据表1-1画出输出电压与所加砝码重量的关系曲线，观察曲线趋势，得出结论。6、根据表1-1计算系统灵敏度S，S=Wu/（u输出电压变化量；W重量变化量）。（二）全桥实验1、接着上面的半桥实验，电桥调零：将应变片R1、R2、R3、R4接入下方的电桥当中，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。2、根据图1-3接线，实验方法与实验一相同。将实验结果填入表1-2；进行灵敏度计算。表1-2全桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mv）3、根据表1-2画出输出电压与所加砝码重量的关系曲线，观察曲线趋势，得出结论。4、根据表1-2计算系统灵敏度S，S=Wu/（u输出电压变化量；W重量变化量）。五、思考题：1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可。图1-3全桥实验接线52、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。3、比较半桥、全桥输出时的灵敏度，得出结论并阐述理由（放大器增益必须相同）。实验二压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：1、了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。二、实验仪器设备：1、YL系列传感器与测控技术综合实验台2、压阻式压力传感器三、基本原理：1、扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。2、硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。储气箱压缩泵220ACK3调气阀快速接头三通压力传感器显示单元处理电路低压端高压端主控箱内部外接部分流量计单相阀图3-1压阻式压力传感器测量系统压力显示6四、实验步骤：1、根据图3-1连接管路和电路，主控箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好。将硬管一端插入主控板上的气源快速插座中（注意管子拉出时请用手按住气源插座边缘往内压，则硬管可轻松拉出）。另一端软导管与压力传感器接通。这里选用的差压传感器两只气咀中，一只为高压咀(接软导管)，另一只为低压咀（不接，为大气压）。本实验模块连接见图3-2，压力传感器有4端：3端接+4V电源，1端接地线，2端接Uo+，4端接Uo-，2端与4端为电桥输出端。1、2、3、4端顺序排列见图3-2。2、实验模块上Rw2用于调节零位，Rw1可调节放大倍数，按图3-2接线，模块的放大器输出Vo2引到主控箱数显表的Vi插座。将显示选择开关拨到20V档，反复调节Rw2（Rw1旋到满度的1/3）使数显表显示为零。3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。4、合上主控箱上的气源开关，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠浮子向上浮起悬于玻璃管中，压力表显示的压力为传感器所受压力。5、逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度。6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使在5~20KP之间每上升1KP分别读取压力表读数，记下相应的数显表值列于表3-1。接主控箱电源输出Vi地接主控箱数显表正面地1234oVoVsV高压咀低压咀图3-2压力传感器压力实验接线图7表3-1压力传感器输出电压与输入压力值P（KP）VO（p-p）7、计算本系统的灵敏度和非线性误差。实验三热电偶、热电阻特性测试一、实验目的：1、了解热电偶测量温度的性能与应用。2、了解Cu50温度传感器的特性与应用。3、了解Pt100温度传感器的特性与应用。二、实验仪器设备：1、YL系列传感器与测控技术综合实验台2、Cu50温度传感器（铜热电阻）3、Pt100温度传感器（铂热电阻）4、K型、E型热电偶（K型：镍硌-镍硅，E型：镍硌-铜镍）三、基本原理：1、当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0ºC、25ºC。E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)2、热电阻是利用导体电阻随温度变化的特性。热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻。81）一些测量精度要求不高且温度较低的场合，一般采用铜电阻，可用来测量-50ºC~+150ºC的温度。铜电阻有下列优点：a)在上述温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系Rt=R0(1+at)b)电阻温度系数高，a=4.25~4.28×10-3/ºCc)容易提纯，价格便宜2）铂电阻在0-630.74ºC以内，电阻Rt与温度t的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系温度为0ºC时的铂热电阻的电阻值。本实验R0=100欧，A=3.90802×10-3ºC-1，B=-5.080195×10-7ºC-2。3）工业热电阻常用三线连接，其中一端接两根引线主要是为了消除引线电阻对测量的影响。3、在热电阻实验中，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化。四、实验步骤：内容一：热电偶测量温度的性能与应用1)选择温度源控制方式为内控方式，将K型热电偶插到温度源模块的一个插孔中，冷端引线接入传感器插孔中，红线为正极。所测温度从温度源控制器的测量值显示窗显示出来（红字）。设定温控模块仪表控制温度值T=50ºC（绿字）。2)将E型热电偶插入加热源的另一个插孔中，冷端接入温控模块上标有热电偶符号（最左边）的a、b孔上。热电偶冷端连线中带红色套管的一端为正端。3)差动放大器调零：加±15V模块电源，将R5、R6端接地，打开主控箱电源开关，将Vo2与数显表单元上的Vi相接。将Rw2逆时针调至较小，然后调Rw3使数显表显示零位。即当输入为零时，输出也为零。4)去掉R5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，并把b端与地相接，观察温控仪指示的温度值，当温度控制在50ºC时，调Rw2，对照分度表将信号放大到合适值以便读数，并记录下读数。5)重新设定温度值为50ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压V（mv）与温度值，同时用万用表毫伏档直接测E型热电偶热电势值E(T,T室温)，并记入表1-1。9表1-1E型热电偶电势（经放大）与温度数据T+n·ΔtV（mv）E(T,T室温)6）根据表1-1的检测结果在平面坐标上标出点，然后连接这一组点，观察其曲线趋势，得出结论。7）思考：假若温控箱温度为未知，如何估算温控箱温度？8）思考：以上实验方法可做出参比端为室温时的分度表，那么如果给出修正值E(T室温，0)，如何列出参比端为0ºC时的分度表，并请列表表示。内容二：Pt100温度传感器的特性与应用1)同内容一的第一步。2)差动放大器调零，方法见内容一的第三步。3)在端点a与地之间接直流源2V，pt100热电阻尾部红色线为正端，插入实验模块标有Rt的a端，见图1-1，另一端黑色插入标有Rt的b端上，这样Rt与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。4）调节电桥平衡：调Rw1使电桥平衡，即用万用表测量桥路输出端b和中心活动点Rw1之间在室温下输出为零。5)Pt100热电阻另一端蓝色插入R5的一端，中心活动点Rw1与R6端相连，这样就使得电桥输出端与差动放大器输入端相连。6）开启加热开关，设定温度值50ºC，将Pt100热电阻加热端插入加热源的另一个接主控箱电源输出接主控箱数显表Vi地2V图1-1热电阻测温特性实验10插孔中，待温度控制在50ºC时记录下电压表读数值（数显表选择合适的档位），重新设定温度值为50ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值。将结果填入表1-2。表1-2t（ºC）V（mv）6）据表1-3的检测结果在平面坐标上标出点，然后连接这一组点，观察其曲线趋势，得出结论，并从理论上进行分析。7）计算其非线性误差。附录：镍铬－铜镍(E型)热电偶简易分度表ºC102030405060708090100uv591119218012419304736834329498356466317五、思考题：1、用Pt100设计一