華中科技大學自控傳感器課程實驗報告

1、傳感器與檢測技術實驗報告小組成員班級學號杜雄自動化1405班U201414355徐航自動化1405班U201414372 實驗時間：2016年10月21日 2016年10月28日實驗目錄實驗一金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗 ··························(2)實驗二金屬箔式應變片半橋性能實驗 ··

2、································(7)實驗三金屬箔式應變片全橋性能實驗 ··············

3、3;···················(8)實驗四金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較實驗 ·········(9)實驗五直流全橋的應用電子秤實驗··············

4、·······················(10)實驗六差動變壓器的性能實驗 ························

5、······························(11)實驗七電容式傳感器的位移特性實驗 ················

6、83;·························(15)實驗八直流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗 ····················&

7、#183;(16)實驗九電渦流傳感器的位移特性實驗 ··········································(18)實驗十被測體材質對電渦流傳感器的特性

8、影響實驗（選做） (20)實驗十一一光纖傳感器的位移特性實驗 ·············································

9、;·(21)4實驗一金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的:了解金屬箔式應變片的應變效應，并掌握單臂電橋工作原理 和性能。二、基本原理:電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。 一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的傳感 器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形， 然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電 阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的各種非電 物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建 筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。1、應變

10、片的電阻應變效應 所謂電阻應變效應是指具有規(guī)則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生應變而其電阻值也會產(chǎn)生相應地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應變效 應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為 r、材料的電阻率為時，根據(jù)電阻的定義式得（11）當導體因某種原因產(chǎn)生應變時，其長度 L、截面積 A 和電阻率的變化為 dL、dA、d相應的電阻變化為 dR。對式（11）全微分得電阻變化率 dR/R 為：（12）式中：dL/L 為導體的軸向應變量 L;dr/r 為導體的橫向應變量 r由材料力學得：L= - r(13)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為 0.30.5 左右；負號表 示兩者的變

11、化方向相反。將式（13）代入式（12）得：（14）式（14）說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特 有的導電性能（壓阻效應）。2、應變靈敏度 它是指電阻應變片在單位應變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。(1)、金屬導體的應變靈敏度 K：主要取決于其幾何效應；可?。?5）其靈敏度系數(shù)為：K =金屬導體在受到應變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在 2 左右。 (2)、半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；dR/R<d。半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻 效應

12、。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性，因而改變了半導體 的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效 應 。不同材質的半導體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減小）的壓阻效應。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。 半導體材料的電阻應變效應主要體現(xiàn)為壓阻效應，其靈敏度系數(shù)較大，一般在 100 到 200 左右。3、貼片式應變片應用 在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應用。一般半導體應變采用 N 型單晶硅為傳感器的彈

13、性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應）傳感器。本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。4、箔式應變片的基本結構 金屬箔式應變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm 左右 的金屬絲或金屬箔制成，如圖 11 所示。(a) 絲式應變片(b) 箔式應變片 圖 1-1 應變片結構圖金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，與絲式應變 片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化， 這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為： RRK 式中： RR 為電阻絲電阻相對變化，K 為應變靈敏系

14、數(shù),=L/L 為電阻絲長度相對 變化。5、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖 圖 1-2 應變片單臂電橋性能實驗原理圖 對單臂電橋輸出電壓 U01=EK/4。三、需用器件與單元：應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器、砝碼、數(shù)顯 表、±15V 電源、±4V 電源、萬用表(自備)。四、實驗步驟：1、根據(jù)圖(1-3)應變式傳感器已裝于應變傳感器模板上。傳感器中各應變片 已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進 行測量判別，R1=R2=R3=R4=350，加熱絲阻值為 50左右。圖 1-3應變式傳感安裝示意圖2、接入模板電源±15V(從主控箱

15、引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開 關，將實驗模板調節(jié)增益電位器 Rw3 順時針調節(jié)大致到中間位置，再進行差動放 大器調零，方法為將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù) 顯表電壓輸入端 Vi 相連，調節(jié)實驗模板上調零電位器 RW4，使數(shù)顯表顯示為零 (數(shù)顯表的切換開關打到 2V 檔)。關閉主控箱電源。3、將應變式傳感器的其中一個應變片 R1(即模板左上方的 R1)接入電橋作為一個橋臂與 R5、R6、R7 接成直流電橋(R5、R6、R7 模塊內已連接好)，接好電橋 調零電位器 Rw1，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)如圖 1-4 所示。檢查接線無 誤后，合上主控箱電源

16、開關。調節(jié) Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。圖 1-4應變式傳感器單臂電橋實驗接線圖4、在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應 的數(shù)顯表值，直到 200g 砝碼加完。記下實驗結果填入表 1-1，關閉電源。表 1-1重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)3.16.39.612.616.019.122.425.928.932.15、根據(jù)表 1-1 計算系統(tǒng)靈敏度 S，S=u/W(u 輸出電壓變化量；W重量變化量)計算線性誤差：f1=m/yF·S×100%式中m 為輸出值(多次測量時 為平均值)與擬合直線的最大偏差，yF

17、83;S 滿量程輸出平均值。如下圖所示，虛線為擬合后的直線，我們得到的擬合公式為： y = 0.1616x - 0.1733其中縱坐標V 為測得電壓值，單位為mv ，橫坐標m為砝碼質量，單位為g；擬合優(yōu)度R=0.9999 ，接近1，說明擬合效果很好。砝碼重量/g20406080100120140160180200實驗值/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1理論值/mv3.2326.4649.69612.92816.1619.39222.62425.85629.08832.32偏差/mv0.1320.1640.0960.3280.160.2920.224-0

18、.0440.1880.22其中理論值是根據(jù)擬合直線公式計算得所以可得靈敏度即斜率 S=0.1616 mv/g；線性度=m/yF·S×100%=0.328/（32.32-3.1）*100%=1.12%綜上所述得到結論：靈敏度為0.1616，線性度為1.12%.五、思考題：單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：(1)正(受拉)應變片(2)負(受壓)應變 片(3)正、負應變片均可以。答：（3）正、負應變片都可以，因為正負對單臂電橋的傳感器的特性無影響。43實驗二金屬箔式應變片半橋性能實驗一、實驗目的：比較半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點。二、基本原理：不同受力方向的兩片應變片

19、接入電橋作為鄰邊，電橋輸出 靈敏度提高，非線性得到改善。當兩片應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸 出電壓 U02=EK/2。圖 2-1應變片半橋特性實驗原理圖三、需用器件與單元：同實驗一。四、實驗步驟：1、傳感器安裝同實驗一。做實驗(一)2 的步驟，實驗模板差動放大器零。2、將適當?shù)膬善瑧兤尤霕蚵?。R1、R2 為實驗模板左上方的應變片，注意 R2 和 R1 受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反的電阻應變片作為電橋的 相鄰邊。接入橋路電源±4V，調節(jié)電橋調零電位器 Rw1 進行橋路調零，實驗步 驟 3、4 同實驗一中 4、5 的步驟，將實驗數(shù)據(jù)記入表 2-1，計算靈敏度 S=U/

20、 W，非線性誤差f2。若實驗時無數(shù)值顯示說明 R2 與 R1 為相同受力狀態(tài)應變 片，應更換另一個應變片。下表 半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值重量(g)20406080100120140160180200電壓/(mv)6.112.3212834.841.148.354.961.367.4重量/g20406080100120140160180200實驗值/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4理論值/mv6.85613.71220.56827.42434.2841.13647.99254.84861.70468.56偏差/mv0.7561.412-0.43

21、2-0.576-0.520.036-0.308-0.0520.4041.16利用excel 對數(shù)據(jù)進行處理擬合得到數(shù)據(jù)圖像如下：其中縱坐標V 為測得電壓值，單位為mv ，橫坐標m為砝碼質量，單位為g；擬合優(yōu)度R=0.9988，接近1，說明擬合效果很好。所以可得靈敏度即斜率 S=0.3428 mv/g；其中理論值是根據(jù)擬合直線公式計算得線性度=1.412/（68.56-6.1）*100%=2.26%綜上所述得到結論：靈敏度為0.3428，線性度為2.26%.五、思考題：1、半橋側量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在：(1)對邊(2)鄰邊。2、橋路(差動電橋)測量時存在非線性誤差，是

22、因為：(1)電橋測量原理上存 在非線性(2)應變片應變效應是非線性的(3)調零值不是真正為零。 答： 1.鄰邊 2.電橋測量原理上存在非線性誤差實驗三金屬箔式應變片全橋性能實驗一、實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，理解全橋測量電路優(yōu)點。二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對 邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其變化值R1=R2=R3=R4 時，其橋路輸出電壓 U03=KE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。 圖 3-1 應變片全橋特性實驗接線示意圖三、需用器件和單元：同實驗一。四、實驗步驟：1、傳感器

23、安裝同實驗一。2、參考圖 1-4 接線，將四片應變片按正確的方式接入橋路。將實驗結果填 入表 3-1；實驗后進行靈敏度和非線性誤差計算。下表全橋輸出電壓與加負載重量值重量(g)20406080100120140160180200電壓/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6重量/g20406080100120140160180200實驗值/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6理論值/mv12.84825.69638.54451.39264.2477.08889.936102.784115.632128.48

24、偏差/mv0.3480.6960.5440.1920.740.4880.4360.2840.1320.88利用excel 對數(shù)據(jù)進行處理擬合得到數(shù)據(jù)圖像如下：其中縱坐標V 為測得電壓值，單位為mv ，橫坐標m為砝碼質量，單位為g；擬合優(yōu)度R=1，說明擬合效果很好。所以可得靈敏度即斜率 S=0.6424mv/g；其中理論值是根據(jù)擬合直線公式計算得線性度=0.88/（128.48-12.5）*100%=0.76%綜上所述得到結論：靈敏度為0.6424，線性度為0.76%.五、思考題：1、全橋測量中，當兩組對邊(R1、R3 為對邊)電阻值 R 相同時，即 R1= R3, R2= R4,而 R1R2

25、時，是否可以組成全橋：(1)可以(2)不可以。2、某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如何 利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。見圖 3-2。圖 3-2 應變片傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖答： 1、可以組成全橋電路。 2、將這兩組應變片按照兩個不同方向貼在棒材上，利用兩組不同的測量 值即可組成一個全路電橋，不需要外加電阻。實驗四金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較一、實驗目的：比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應 的結論。二：實驗原理：如圖 4（a）、（b）、（c）4（a）單臂4（b）半橋4（c）全橋三、實驗步驟：根據(jù)上面實驗一、二、三所

26、得的數(shù)據(jù)，事后在同一坐標系中分 別作出單臂、半橋和全橋的電壓/重量輸出曲線，分別計算其靈敏度和非線性度， 從中能得出什么實驗結論？ (注意：實驗一、二、三中的放大器增益必須相同)。四、數(shù)據(jù)處理與分析經(jīng)過測量，我們得到的實驗數(shù)據(jù)如下：砝碼質量/g20406080100120140160180200單臂電壓/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1半橋電壓/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4全橋電壓/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6利用excel 對數(shù)據(jù)進行處理擬合得到數(shù)據(jù)圖

27、像如下最終結果如下實驗單臂半橋全橋靈敏度0.16160.34280.6424線性度1.12%2.26%0.76%五、實驗總結從三個實驗對比來看，從單臂到半橋再到全橋，靈敏度依次增大，且大致遵循2 倍關系；從理論分析而言，非線性誤差全橋電路<半橋電路<單臂電路，但由于實驗偶然誤差，實測半橋電路非線性誤差大于單臂。實驗五直流全橋的應用電子秤實驗一、實驗目的：了解應變片直流全橋的應用電路的標定。 二、基本原理：電子秤實驗原理為實驗三全橋測量原理，通過對電路調節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱(V)改為重量量綱(g)即成為一臺原始電子秤。 三、需用器件與單元：應變式傳感器實驗模板、

28、應變式傳感器、砝碼、±15V 電源、±4V 電源。 四、實驗步驟：1、按實驗一中 2 的步驟將差動放大器調零：參考圖 1-4 將四個應變片按正 確的接法接成全橋形式，合上主控箱電源開關調節(jié)電橋平衡電位器 Rw1，使數(shù)顯表顯示 0.000V。2、將 10 只砝碼輕輕地全部置于傳感器的托盤上，調節(jié)電位器 Rw3(增益即 滿量程調節(jié))，使數(shù)顯表顯示為 0.200V(2V 檔測顯)。3、拿去托盤上的所有法碼，調節(jié)電器 Rw4（零位調節(jié)），使數(shù)顯表顯示為0.000V 或。4、重復 2、3 步驟的標定過程，一直到精確為止，把電壓量綱 V 改為重量 量綱 g，就可秤重，成為一臺原始的電子

29、秤。5、把砝碼依次放在托盤上，填入下表 5-1： 表 5-1 標定后的應變片全橋輸出電壓和重量對應重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)29.747.664.88299.6117.6135.1153.1171.8189.26、放入重量稍輕的一件隨身物品（如手機等），稱出其實際重量記錄下來。此外，我們測量手機（梁）的數(shù)據(jù)如下：手機質量： 150g；輸出電壓值： 144.1mv用excel繪制如下：從數(shù)據(jù)中我們看到，所測的值在誤差允許范圍內，大致滿足標定要求，即大約每20g 砝碼對應直流全橋應用電路電壓輸出值17.72mv。從這個實驗中，我們深刻的領會了應變片直

30、流全橋應用電路的標定過程，對于傳感器的學習有了更深刻的理解與興趣。實驗六差動變壓器的性能實驗一、實驗目的：了解差動變壓器的工作原理和特性。二、基本原理：差動變壓器的工作原理電磁互感原理。差動變壓器的結構如圖6-1 所示，由一個一次繞組 1 和二個二次繞組 2、3 及一個銜鐵 4 組成。差動變 壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位 移改變而變化。由于把二個二次繞組反向串接（同名端相接），以差動電勢輸 出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。當差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等 影響），它的等效電路如圖 6-2

31、 所示。圖中 U1 為一次繞組激勵電壓；M1、M2 分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1 分別為一次繞組的電感和有 效電阻；L21、L22 分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22 分別為兩個二次繞 組的有效電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感 相同，因而由一次側激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接， 所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組 L21，這時互感 M1 大，M2 小，圖 6-1 差動變壓器的結構示意圖 圖6-2 差動變壓器的等效電路圖 因而二次繞組 L21 內感應電動勢大于二次繞組 L22 內感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零

32、。在傳感器的量程內，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。 同樣道理，當銜鐵向二次繞組 L22 一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于 移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小 和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖 6-2 可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應動勢為：由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為： 其有效值為：差動變壓器的輸出特性曲線如圖 6-3 所示.圖中 E21、E22 分別為兩個二次繞 組的輸出感應電動勢，E2 為差動輸出電動勢，x 表示銜鐵偏離中心位置的距離。 其中 E2 的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0 為

33、零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所 造成的。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏， 給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。圖 6-3差動變壓器輸出特性 三、需用器件與單元：差動變壓器實驗模板、測微頭、雙線示波器、差動變壓 器，音頻信號源(音頻振蕩器)、直流電源、萬用表。四、實驗步驟1、根據(jù)圖 6-4，將差動變壓器裝在差動變壓器實驗模板上。圖 6-4差動變壓器電容傳感器安裝示意圖2、在模塊上按圖 6-5 接線，音頻振蕩器信號必須從主控箱中的 Lv 端子輸出， 調節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為 45KHz(可用主控箱的

34、數(shù)顯表的頻率檔 Fin 輸入來監(jiān)測)。調節(jié)幅度使輸出幅度為峰一峰值 Vp-p=2V(可用示波器監(jiān)測：X 軸 為 0.2ms/div、Y 軸 CH1 為 1V/div、CH2 為 20mv/div)。判別初次級線圈及次級線 圈同名端方法如下：設任一線圈為初級線圈，并設另外兩個線圈的任一端為同 名端，按圖 6-5 接線。當鐵芯左、右移動時，觀察示波器中顯示的初級線圈波形， 次級線圈波形，當次級波形輸出幅值變化很大，基本上能過零點，而且相位與 初級圈波形(Lv 音頻信號 Vp-p=2V 波形)比較能同相和反相變化，說明已連接的初、 次級線圈及同名端是正確的，否則繼續(xù)改變連接再判別直到正確為止。圖中(

35、1)、 (2)、(3)、(4)為模塊中的實驗插孔。圖 6-5雙線示波與差動變壓器連結示意圖3、旋動測微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰一峰值 Vp-p 為最小。這時 可以左右位移，假設其中一個方向為正位移，則另一方向位移為負。從 Vp-p 最 小開始旋動測微頭，每隔 0.2mm 從示波器上讀出輸出電壓 Vp-p 值填入下表 6-1。 再從 Vp-p 最小處反向位移做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次 級波形的相位關系。4、實驗過程中注意差動變壓輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓大小。根據(jù)表 6-1 畫出 Vop-p-X 曲線，作出量程為±1mm、±3mm 靈

36、敏度和非線性 誤差。五、數(shù)據(jù)處理與分析位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8電壓(mv)184256328392440536584664712808位移(mm)22.22.42.62.8-0.2-0.4-0.6-0.8-1電壓(mv)864936102010801150240280360400440位移(mm)-1.2-1.4-1.6-1.8-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3電壓(mv)520600680740760880960104011201200下面是Excel繪制的數(shù)據(jù)分析 +3mm時的擬合直線 靈敏度為344.39mv/mm -3mm時的擬合曲線 靈敏

37、度為339.26mv/mm 位移與電壓分布圖 零點電壓為184mv。 +1mm的擬合曲線 靈敏度為339.43mv/mm -1mm的擬合曲線 靈敏度為262.86mv/mm根據(jù)非線性度誤差公式用Excel處理后有如下結果實驗0-1mm-1-0mm0-3mm-3-0mm靈敏度339.43262.86344.39339.26非線性誤差6.52%7.35%4.12%4.45%從結論中我們可以看出， 在誤差允許范圍內， 實驗結果滿足較大的精度要求；且對比得到的兩組靈敏度、非線性誤差，我們得到結論：所取數(shù)據(jù)越多，實驗結果的靈敏度越低，非線性誤差越大。六、思考題1、用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如 1

38、KHz 的振動幅值，可以嗎？ 差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？2、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？答：1.不可以。骨架形狀和尺寸的精確性， 線圈的排列， 鐵芯的尺寸和材質，激 勵頻率和負載狀態(tài)等都會影響頻率的測量上限。 2.差動變壓器的工作是基于電磁感應原理， 這兩者差距極大， 不可以互相替代。差動變壓器一般用于作為檢測元件，而一般變壓器一般作為電源變換部件或者信號轉換部件實驗七電容式傳感器的位移實驗一、實驗目的：了解電容式傳感器結構及其特點。二、基本原理：利用平板電容 C=A/d 和其它結構的關系式通過相應的結 構和測量電路可以選擇、A、d 中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改

39、變 其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度(變)測微小位移(變 d)和測量液位(變 A) 等多種電容傳感器。三、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭、相敏 檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、實驗步驟：1、按圖 6-4 安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模板上。2、將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗模板，實驗線路見圖 7-1。圖 7-1電容傳感器位移實驗接線圖3、將電容傳感器實驗模板的輸出端 V01 與數(shù)顯表單元 Vi 相接(插入主控箱Vi 孔)，Rw 調節(jié)到中間位置。4、接入±15V 電源，旋動測微頭推進電容傳感器動極板位置，每間隔 0.2mm記下位移 X

40、 與輸出電壓值，填入表 7-1。位移(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8電壓(mv)0-28.4-58.2-85.6-114.7-148.7-177.9-206-233-265位移(mm)-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3-3.2-3.4-3.6電壓(mv)-296-321-346-373-399-425-450-474-500位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8電壓(mv)034.36098.2126149.3177.7218251280位移(mm)22.22.42.62.833.23.43.6電壓(mv)31334

41、4379412444477510544577下面是excel擬合后的曲線 靈敏度為140mv/mm 反方向上電壓與位移的關系 靈敏度為160.11mv/mm 正方向上電壓與位移的關系考慮到越到后面線性度越差，就截取了線性度較好的兩部分根據(jù)非線性誤差求出最大偏差后結果總結如下：實驗正位移負位移靈敏度160.11mv/mm140mv/mm線性度1.05%2.26%5、根據(jù)表 7-1 數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度 S 和非線性誤差f。五、思考題：試設計利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結構，并敘述一 下在此設計中應考慮哪些因素？答：濕度傳感器采用的是平板電容器結構, 在絕緣基片上用平面工藝分別形成

42、上電極、介質層和下電極。介質層由谷物組成, 其介電常數(shù)隨其相對濕度呈線性關系, 即 x=0+ku Cx=xS/4 kd=0S/ +kus/式中：x材料在不同相對濕度下的介電常數(shù);00%RH介電常數(shù);k 常數(shù);u 相對濕度;Cx元件在不同相對濕度時的電容量;s電容極板面積;d 介質層厚度;K 靜電力常量由上式可以看出,Cx 與u 呈線性關系, 從而由傳感器電容量的大小即可決定環(huán)境中的相對濕度設計中應該考慮的問題： 傳統(tǒng)的谷物測濕方法是通過稱量烘干前后谷物的質量來求濕度, 這種方法的缺點是測量速度慢。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法, 也早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的精度的要求。近年來, 國

43、內外在濕度傳感器研發(fā)方面取得了長足的進步。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化和智能化檢測的方向迅速發(fā)展, 將濕度測量技術提高到新的水平。由于濕度傳感器的測量受環(huán)境溫度和谷物密度的影響, 導致這種設計會有一定的局限性。實驗八直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗一、實驗目的：了解霍爾式傳感器原理與應用。 二、基本原理：霍爾式傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應原理工作。它將被測量的磁場變化（或以磁場為媒體）轉換成電動勢輸出。根據(jù)霍爾效應， 霍爾電勢 UH=KHIB，當霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測量。 圖 8-1 霍爾效應原理三、需用器件與單元：霍爾傳感器實驗模板、霍爾傳感器、直

44、流源±4V、±15、測微頭、數(shù)顯單元。四、實驗步驟：1、將霍爾傳感器按圖 8-2 安裝?；魻杺鞲衅髋c實驗模板的連接按圖 8-3 進行。 1、3 為電源±4，2、4 為輸出。圖 8-2霍爾傳感器安裝示意圖2、開啟電源，調節(jié)測微頭使霍爾片在磁鋼中間位置再調節(jié) RW2 使數(shù)顯表指示為零。圖 8-3霍爾傳感器位移直流激勵實驗接線圖3、 旋轉測微頭向軸向方向推進，每轉動 0.2mm 記下一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似 不變，將讀數(shù)填入表 8-1。作出 V-X 曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。數(shù)據(jù)記錄如下位移(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.8電壓

45、(v)0.120.250.380.510.640.770.911.041.18位移(mm)22.22.42.62.833.23.43.6電壓(v)1.321.461.611.761.912.072.232.412.56位移(mm)3.844.24.44.64.855.25.4電壓(v)2.712.852.953.063.143.213.273.293.29位移(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6電壓(v)0-0.12-0.23-0.35-0.48-0.59-0.73-0.86-1.01位移(mm)-1.8-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3-3.2-3.4

46、電壓(v)-1.15-1.29-1.44-1.58-1.73-1.87-1.98-2.06-2.15位移(mm)-3.6-3.8-4-4.2-4.4-4.6-4.8-5電壓(mv)-2.22-2.28-2.32-2.35-2.38-2.41-2.42-2.42利用Excel分析如下全部正方向時的擬合 全部負方向時的擬合 正方向時2mm內的擬合 負方向上2mm內的擬合 正方向時的1mm內的擬合 負方向時1mm內的擬合再根據(jù)公式求出靈敏度與線性度綜合如下實驗-1,0mm0,1mm-2,0mm0,2mm負方向全部正方向全部靈敏度0.59290.64290.64450.66050.53350.6702

47、線性度誤差1.45%1.25%0.92%0.77%9.54%7.27%所以在超過一定范圍時，線性度會變差。五、思考題：本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？答：是實際的輸入、輸出與擬合的理想的直線的偏離程度的變化，當X不同的時候，實際的輸出值與根據(jù)擬合直線得到的數(shù)值的偏離值是不相同的。實驗九電渦流傳感器位移實驗一、 實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、基本原理：通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當有導電體接近時，因導電體 渦流效應產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，因此可以進行位移測量。圖 9-1 電渦流傳感器原理圖圖 9-2 電渦流傳感器等效電路

48、圖三、需用器件與單元：電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、直流電源、數(shù) 顯單元、測微頭、鐵圓片。四、驗步驟：、 根據(jù)圖 9-3 安裝電渦流傳感器。圖 9-3電渦流傳感器安裝示意圖圖 9-4電渦流傳感器位移實驗接線圖2、觀察傳感器結構，這是一個扁平繞線圈。、將電渦流傳感器輸出線接入實驗模板上標有的兩端插孔中，作為振蕩器 的一個元件（傳感器屏蔽層接地）。、在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。、將實驗模板輸出端 V0 與數(shù)顯單元輸入端 Vi 相接。數(shù)顯表量程切換開關選 擇電壓 20V 檔。、用連接導線從主控臺接入15V 直流電源到模板上標有+15V 的插孔中。、使測微頭與傳感器線

49、圈端部接觸，開啟主控箱電源開關，記下數(shù)顯表讀數(shù)， 然后每隔 0.2mm 讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結果列入表 9-1。 電渦流傳感器位移 X 與輸出電壓數(shù)據(jù)如下：位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.6電壓(v)00.370.711.011.311.631.922.252.57位移(mm)1.822.22.42.62.833.23.4電壓(v)2.93.223.533.874.174.484.85.115.41位移(mm)3.63.844.24.44.64.855.2電壓(v)5.766.286.566.827.077.337.567.78位移(mm)5.45.65.866.26.46.66.87電壓(v)88.078.238.268.288.298.318.328.33位移(mm)7.27.47.67.888.28.4電壓(v)8.338.348.348.358.358.368.368、根據(jù)表 9-1 數(shù)據(jù)，畫出 V-X 曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進行正、負位移測量時的佳工作點，試計算量程為 1mm、3