THQC-1型典型传感元件

前言THQC-1型典型传感元件实验箱是为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品。本系列传感器力求使传感器结构透明化。能加深学生对传感器原理的认识.THQC-1型典型传感元件实验箱主要用于各大、中专院校及职业院校开设的普通物理中“传感器原理与技术”，“自动化检测技术”，“非电量电测技术”，“工业自动化仪表与控制”，“机械量电测”等课程的实验教学。THQC-1型典型传感元件实验箱上采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础，希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识的理解，并在实验的进行过程中，通过信号的拾取，转换，分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。实验目录实验一金属箔式应变片——单臂性能实验实验二金属箔式应变片——半桥性能实验实验三金属箔式应变片——全桥性能实验实验四金属箔式应变片——电子秤实验实验五差动变压器的性能测定实验六差动变压器零点残余电压测定及补偿实验七激励频率对差动变压器特性的影响实验八电容式传感器的位移特性实验实验九直流激励时霍尔传感器位移特性实验实验十集成温度传感器的特性实验十一Pt100热电阻测温实验实验十二热敏电阻的特性研究实验十三光电二极管和光敏电阻的特性研究附录1实验箱温度控制简要原理附录2温度控制器使用说明实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、基本原理：金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：SlR（1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：SSllRR（2）式中的ll为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位（1=1×mmmm610）。若径向应变为rr，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为）（llrr，因为SS=2（rr），则（2）式可以写成：llkllllllRR02121）（）（（3）式（3）为“应变效应”的表达式。0k称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k受两个因素影响，一个是（1+2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是）（，是材料的电阻率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210k，对半导体，0k值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数0k=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系E（4）式中σ——测试的应力；E——材料弹性模量。可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表（自备）。四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。R1R2R3R4图1－1应变式传感器安装示意图2、接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并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。图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)20406080100120140160180200电压(mv)2.44.16.99.311.513.816.118.320.622.85、根据表1－1计算系统灵敏度WUS/（U输出电压的变化量，W重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值,此处为200g.五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、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、负应变片均可以。七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2、从理论上分析产生非线性误差的原因。实验二金属箔式应变片——半桥性能实验一、实验目的：1、了解半桥的工作原理。2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理：把不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EGε／2。式中E为电桥供电电压。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤：1、接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。2、根据图2-1接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，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。接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度WUS/2，非线性误差2f。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。图2-1应变式传感器半桥实验接线图表2－1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mV）3.88.01216.220.524.728.832.83741.2五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。五、思考题：1、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。2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。实验三金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的原理及优点。二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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U03＝KEε。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明显改善。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤：1、根据3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行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量（g）20406080100120140160180200电压（mV）8.817.225.734.142.55159.56876.384.8图3-1应变式传感器全桥实验接线图五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。六、思考题：1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。图3-2应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求：1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。实验四直流全桥的应用——电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤：1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.000V（2V档）。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V或—0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表4-1。表4－1电桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压(mv)1、根据上表，计算误差与非线性误差。五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。六、实验报告要求：1、记录实验数据，绘制传感器的特性曲线。2、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。实验五差动变压器的性能测定一、实验目的：1、了解差动变压器的工作原理和特性。2、了解三段式差动变压器的结构。二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测体移动时，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感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源。四、实验内容与步骤：1、将差动变压器及测微头按装在差动变压器实验模板上。2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，在模块上按图5-1接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的音频振荡器的端子（正相或反相）输出，调节音频振荡器的频率，使输出频率为4-5KHZ（可用主控箱的频率计来监测）