东南大学传感器实验报告

东南大学仪器科学与工程学院学院实验报告课程名称：传感器技术实验名称：传感器与检测技术实验院（系）：仪器科学与工程学院专业：测控技术与仪器姓名：刘海波学号：22011112实验室：实验组别：同组人员：刘柄岐实验时间：2013年11月15日评定成绩：审阅教师：试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及单臂电桥工作原理和性能。二．基本原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。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，通过它反映被测部位受力状态的变化。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。单臂电桥输出电压1/4oUEK，其中K为应变灵敏系数，/LL为电阻丝长度相对变化。三．实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。图2-1单臂电桥工作原理图四．实验步骤1.根据上图示接线示意图安装接线。2.放大器输出调零。3.电桥调零。4.应变片单臂电桥实验。测得数据如下：重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）5101520252934394348实验曲线如下所示：204060801001201401601802005101520253035404550分析：由图可以看出，输出电压与加载的重量近似成线性关系，由于一开始调零不好，致使曲线没有经过原点，往上偏离了一段距离。5.根据表中数据计算系统的灵敏度/SUW（U为输出电压变化量，W为重量变化量）和非线性误差/100%myFS，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为满量程输出平均值，此处为200g。答：U=43mv，W=180g，所以43/1800.239/Smvgm=1.9768g，yFS=200g，所以1.9768/180100%1.10%五．思考题单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。答：应变片受拉，所以选（1）正应变片。实验二金属箔片应变片——板桥性能实验一、实验目的比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点二．基本原理不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥暑促灵敏度提高，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2/2oUEK。三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。图2-2半桥工作原理图四．实验步骤1.根据上图是原理图安装接线。2.放大器输出调零。3.电桥调零。4.应变片半桥实验实验结果如下：重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）112131415162728392102实验曲线如下所示：20406080100120140160180200102030405060708090100110分析：从上可见，输出电压与加载重量近似成线性。数据点与拟合直线相对单臂更为接近，即线性性更好。5.计算灵敏度S=U/W，非线性误差。U=91mv，W=180g；所以S=91/180=0.506mv/g.m=0.7525g，yFS=180g，0.7525/180100%0.42%6.利用虚拟仪器进行测量。测量数据结果如下所示：重量（g）020406080100120140电压（mv）-2.67.818.728.939.550.059.970.2绘制实验曲线如下：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。答：（2）邻边。2.半桥测量时，两片相同受力状态的电阻应变片接入点桥时，应放在：（1）对边；（2）邻边。答：（1）对边。3.桥路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。答：（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。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优点二、基本原理全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值R1=R2=R3=R4、其变化值1234RRRR时，其桥路输出电压3oUEK。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都得到了改善。三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。图2-3全桥工作原理图四、实验步骤1.根据接线示意图安装接线。2.放大器输出调零。3.电桥调零。4.应变片全桥实验数据记录如下表所示：重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）19396080101122143164185206实验曲线如下所示：20406080100120140160180200050100150200250分析：从图中可见，数据点基本在拟合曲线上，线性性比半桥进一步提高。5.计算灵敏度S=U/W，非线性误差。U=187mv，W=180g；所以S=187/180=1.039mv/g;m=0.1786g，yFS=180g，0.1786/180100%0.092%五、思考题1.测量中，当两组对边电阻值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。答：（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，能否及如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。答：能够利用它们组成电桥。对于左边一副图，可以任意选取两个电阻接入电桥的对边，则输出为两倍的横向应变，如果已知泊松比则可知纵向应变。对于右边的一幅图，可以选取R3、R4接入电桥对边，则输出为两倍的纵向应变。两种情况下都需要接入与应变片阻值相等的电阻组成电桥。3.金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较基本原理如图2-9（a）、（b）、（c）比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。答：根据实验结果可知：灵敏度：全桥半桥单臂非线性度：单臂单桥全桥理论上：灵敏度：单臂4ES，半桥2ES，全桥SE。非线性度：单臂100%2KK，半桥0，全桥0。因为全桥能使相邻两臂的传感器有相同的温度特性，达到消除温度误差的效果。同时还能消除非线性误差。结论：利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。（a）单臂（b）半桥（c）全桥图2-9应变电桥4.金属箔式应变片的温度影响电阻应变片的温度影响主要有两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致而产生附加应变。当温度变化时，即使被测体受力状态不变，输出也会有变化。①按照全桥性能实验步骤，将200g砝码放在砝码盘上，在数显表上读取数值Uo1。②将主机箱中直流稳压电源＋5V、地（⊥）接于实验模板的加热器＋6V、地（⊥）插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot。（Uot-U01）即为温度变化的影响。温度变化产生的相对误差：③如何消除金属箔式应变片温度影响？答：利用温度补偿片或采用全桥测量。%100011otUUUo实验五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、基本原理差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有两段式和三段式，本实验采用三段式。当被测物体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使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。将两只次级反向串接，引出差动电势输出。其输出电势反映出被测物体的移动量。三、实验器材主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。图3-2差动变压器性能实验原理图四、实验步骤1.按照接线图连接线路。2.差动变压器L1的激励电压从主机箱中的音频振荡器的Lv端引入，音频振荡器的频率为4~5KHz，输出峰峰值为2V。3.松开测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使变压器次级输出的Vp-p较小。然后拧紧螺钉，仔细调节测微头的微分筒使变压器的次级输出Vp-p为最小值（零点残余电压），定义为位移的相对零点。4.从零点开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm从示波器上读出示波器的输出电压Vp-p，记入表格中。一个方向结束后，退到零点反方向做相同的实验。5.根据测得数据画出Vop-p—X曲线，做出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。数据表格如下：X(mm)-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4V(mv)93776246311542037X(mm)0.60.81.01.21.41.61.82.02.2V(mv)536883100116133149165181实验曲线如下：-1.5-1-0.500.511.522.5020406080100120140160180200分析：从图中可见，曲线基本呈线性，关于x=0对称的，在零点时存在一个零点误差。X=±1mm时，80.3672Umv，1Xmm，/80.3672/SUXmvmm；0.0113xmm，2yFSmm，/100%0.56%xyFS。五、思考题1.用差动变压器测量，振动频率的上限受什么影响？答：受导线的集肤效应和铁损等的影响，若频率过大会导致灵敏度下降。2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？答：相同点：利用电磁感应原理工作。不同点：差动变压器为开磁路，一、二次侧间的互感随衔铁移动而变，且两个绕组按差动方式工作；一般变压器为闭合磁路，一、二次侧间的互感为常数。东南大学仪器科学与工程学院学院实验报告课程名称：传感器技术实验名称：传感器与检测技术实验院（系）：仪器科学与工程学院专业：测控技术与仪器姓名：刘海波学号：22011112实验室：实验组别：同组人员：刘柄岐实验时间：2013年11月22日评定成绩：审阅教师：实验十压阻式压力传感器的压力量实试验一、实验目的了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。二、基本原理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，接成电桥。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，把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到得压力变化。三、实验器材主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。四、实验步骤1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据接线图连接管脚和电路。2、实验模板上RW2用于调节放大器调零，RW1调节放大器增益。3、合上主机箱的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调节阀的旋钮，观察电压表和气压表示数的变化。4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。5、仔细调节流量计旋钮，使压力在2~18KPa之间变化，每上升1KPa气压分别读取电压表示数，将数值记录下表：P（KPa）2.23.24.25.26.27.28.29.2Vo（p-p）(V)0.0370.0620.0840.1050.1290.1510.1750.197P（KPa）10.211.212.213.214.215.216.217.2Vo（p-p）(V)0.2160.2400.2610.2850.3050.3280.3510.3736、画实验曲线，计算本系统的灵敏度和非线性误差。灵敏度：0.3339UV，15PKPa所以/0.0223/SUPVKPa。非线性误差：0.0991PKPa，17.2yFSKPa所以/100%0.58%PyFS。实验十一压电式传感器振动测量实验一、实验目的了解压电传感器的测量振动原理和方法。二、基本原理压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。工作时传感器感受与试件相同的振动频率，质量块便有正比于加