傳感器原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、實(shí)驗(yàn)一 壓力測量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。2 比較半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點(diǎn)，了解全橋測量電路的優(yōu)點(diǎn)。3 了解應(yīng)變片直流全橋的應(yīng)用及電路標(biāo)定。二、基本原理：1電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： R/R=K式中R/R為電阻絲的電阻相對變化值，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，=l/l為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，用它來轉(zhuǎn)換被測部位的受力大小及狀態(tài)，通過電橋原理完成電阻到電壓的比例變化，對單臂電橋而言，電橋輸出電壓，U01=EK/4。（E為供橋電

2、壓）。2 不同受力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓U02=EK/2，比單臂電橋靈敏度提高一倍。 3全橋測量電路中，將受力狀態(tài)相同的兩片應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?yīng)變片初始阻值是R1= R2= R3=R4，當(dāng)其變化值R1=R2=R3=R4時(shí)，橋路輸出電壓U03=KE，比半橋靈敏度又提高了一倍，非線性誤差進(jìn)一步得到改善。4. 電子秤實(shí)驗(yàn)原理為實(shí)驗(yàn)三的全橋測量原理，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng)值，將電壓量綱(V)改為重量量綱(g)即成為一臺原始電子秤。三、實(shí)驗(yàn)所需部件：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)

3、變式傳感器、砝碼（每只約20g）、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)、自備測試物。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)圖(1-1),應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4標(biāo)志端。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進(jìn)行測量判別，R1=R2=R3=R4=3502 / 12，加熱絲阻值約為50左右。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒?dòng)放大器調(diào)零，方法為:接入模板電源±15V(從主控箱引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逶鲆嬲{(diào)節(jié)電位器Rw3順時(shí)針調(diào)節(jié)到大致中間位置，將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入

4、端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔)，完畢關(guān)閉主控箱電源。 3、參考圖（1-2）接入傳感器，將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R1(即模板左上方的R1)接入電橋作為一個(gè)橋臂，它與R5、R6、R7接成直流電橋(R5、R6、R7在模塊內(nèi)已連接好)，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，先粗調(diào)節(jié)Rw1，再細(xì)調(diào)RW4使數(shù)顯表顯示為零。 4、在傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表（1-1）。表1-1：單臂測量時(shí)，輸出電壓與負(fù)載

5、重量的關(guān)系：5、根據(jù)表（1-1）計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S：S=V/W(V為輸出電壓平均變化量；W重量變化量)，計(jì)算非線性誤差：f1=m/yF·S×100%，式中m為輸出電壓值(多次測量時(shí)為平均值)與擬合直線的最大電壓偏差量：yF·S為滿量程時(shí)電壓輸出平均值。6、保持上述單臂實(shí)驗(yàn)的各旋鈕位置不變。7、根據(jù)圖1-3接線，R1、R2為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即橋路的鄰邊必須是傳感器中兩片受力方向相反(一片受拉、一片受壓)的電阻應(yīng)變片。接入橋路電源±4V，先粗調(diào)Rw1，再細(xì)調(diào)Rw4，使數(shù)顯表指示為零。注意保持增益不變。8、同單臂實(shí)驗(yàn)（4）步

6、驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表（1）-2，計(jì)算靈敏度S=V/W，非線性誤差f2。若實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)值變化很小或不變化，說明R2與R1為受力狀態(tài)相同的兩片應(yīng)變片，應(yīng)更換其中一片應(yīng)變片。 表1-2，半橋測量時(shí)，輸出電壓與負(fù)載重量的關(guān)系2 / 129、保持雙臂實(shí)驗(yàn)的各旋鈕位置不變。10、根據(jù)圖1-4接線，將R1、R2、R3、R4應(yīng)變片接成全橋，注意受力狀態(tài)不要接錯(cuò)調(diào)節(jié)零位旋鈕Rw1，并細(xì)調(diào)Rw4使電壓表指示為零，保持增益不變，逐一加上砝碼。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-3；進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。 1-3，全橋測量時(shí),輸出電壓與負(fù)載重量的關(guān)系11、按圖1-4全橋接線，電壓表置2V檔，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位器R

7、w1，并細(xì)調(diào)Rw4使數(shù)顯表顯示0.00V。12、將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)增益電位器Rw3(即滿量程調(diào)整)，使數(shù)顯表顯示為0.200V或-0.200V。13、拿去所有砝碼,再次調(diào)零。14、重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到滿量程顯示0.200V，空載時(shí)顯示0.000V為止，把電壓量綱V改為重量量綱g，即成為一臺原始的電子秤。 15、把砝碼依次放在托盤上，將相應(yīng)的電壓表數(shù)值填入下表：16、根據(jù)上表計(jì)算非線性差值。17、分析誤差來源，比較一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)三結(jié)果有什么不同點(diǎn)？18、在托盤上放上一未知重量的物體（<200g），根據(jù)電壓表指示值，它有多重？五、思考題：1、半橋側(cè)量

8、時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片在接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：(1)對邊？(2)鄰邊的位置？2、橋路測量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)椋?1)電橋測量原理上存在非線性誤差？(2)應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的？(3)零點(diǎn)偏移？3 / 12實(shí)驗(yàn)二 位移測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 了解電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。2 了解霍爾式位移傳感器原理與應(yīng)用。3 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：1.利用平板電容C=A/d的關(guān)系,在、A、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，就可使電容的容量(C)發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路，將電容的變化量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓量,則可以制成多種電容傳感器，如：變

9、的濕度電容傳感器。變d的電容式壓力傳感器。變A的電容式位移傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用第種電容傳感器,是一種圓筒形差動(dòng)變面積式電容傳感器。2. 根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UH=KHIB，保持KH、I不變，若霍爾元件在梯度磁場B中運(yùn)動(dòng)，且B是線性均勻變化的，則霍爾電勢UH也將線性均勻變化，這樣就可以進(jìn)行位移測量。3. 通以高頻電流的線圈會(huì)產(chǎn)生高頻磁場，當(dāng)有導(dǎo)體接近該磁場時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)，而渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱與該導(dǎo)體與線圈的距離有關(guān)，因此通過檢測渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱即可以進(jìn)行位移測量。三、實(shí)驗(yàn)所需部件：電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測微頭、移相/相敏檢波/濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓電源。霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?/p>

10、、線性霍爾位移傳感器、直流電,±源±4V、15、測微頭、數(shù)顯單元。電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉㈦姕u流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按圖3-1將電容傳感器裝于電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀?、將電容傳感器連線插入電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹瑢?shí)驗(yàn)線路見圖4-1。3、將電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓妮敵龆薞01與數(shù)顯電壓表Vi相接，電壓表量程置2V檔，Rw調(diào)節(jié)到中間位置。4、接入±15V電源，將測微頭旋至10mm處，活動(dòng)桿與傳感器相吸合，調(diào)整測微頭的左右位置，使電壓表指示最小，并將測量支架頂部的鏍釘擰緊，旋動(dòng)測微頭，每間隔0.2mm記下輸出電壓值(V)，填入表4-1。將

11、測微頭回到10mm處，反向旋動(dòng)測微頭，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。5 / 12 表4-1電容式傳感器位移與輸出電壓的關(guān)系5、根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)計(jì)算電容傳感器的靈敏度S和非線性誤差f，分析誤差來源。6、將霍爾傳感器按圖5-1安裝?；魻杺鞲衅髋c實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓倪B接按圖5-2進(jìn)行。、為電源±4，、為輸出,R1與之間聯(lián)線可暫時(shí)不接。7、開啟電源，接入±15V電源，將測微頭旋至10mm處，左右移動(dòng)測微頭使霍爾片處在磁鋼中間位置，即數(shù)顯表電壓指示最小，擰緊測量架頂部的固定鏍釘,接入R1與之間的聯(lián)線，調(diào)節(jié)RW2使數(shù)顯電壓表指示為零（數(shù)顯表置2V檔）。8、旋轉(zhuǎn)測微頭，每轉(zhuǎn)動(dòng)0.2mm或0.5mm記下數(shù)字電壓表讀

12、數(shù)，并將讀數(shù)填入表5-1，將測微頭回到10mm處，反向旋轉(zhuǎn)測微頭，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，填入表5-1。表5-1：霍爾式位移傳感器位移量與輸出電壓的關(guān)系：作出V-X曲線，計(jì)算不同線性范圍時(shí)的靈敏度S和非線性誤差。9、根據(jù)圖安裝電渦流傳感器。10、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)扁平的多層線圈，兩端用單芯屏蔽線引出。11、將電渦流傳感器輸出插頭接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳舷鄳?yīng)的傳感器輸入插口，傳感器作為由晶體管T1組成振蕩器的一個(gè)電感元件。12、在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。13、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆薞0與數(shù)顯單元輸入端Vi相接。數(shù)顯電壓表量程置20V檔。14、用連接導(dǎo)線從主控箱接入15V直流電源到模板上

13、標(biāo)有+15V的插孔中。15、移動(dòng)測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)，旋轉(zhuǎn)測微頭每隔0.2mm讀一個(gè)數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?，將結(jié)果填入表8-1。表8-1：電渦流傳感器位移與輸出電壓數(shù)據(jù)X(mm)V(v)5 / 1216、根據(jù)表8-1數(shù)據(jù)，畫出V-X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及選擇位移測量時(shí)的最佳工作點(diǎn)，試計(jì)算量程為1mm、3mm及5mm時(shí)的靈敏度和非線性誤差（可以用端基法或其它擬合直線）。五、思考題：1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關(guān)，如果需要測量±3mm的量程應(yīng)如何設(shè)計(jì)傳感器處理電路？2、用電渦流傳感器進(jìn)行非接觸位移測量時(shí)，如何根據(jù)量程選用傳感器實(shí)驗(yàn)三

14、 轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解光電轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理及方法。 2.了解磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理。 3.了解霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用。二、基本原理：1.光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和對射型二種，本實(shí)驗(yàn)采用反射型。傳感器內(nèi)部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光在轉(zhuǎn)盤上反射后由光電管接受轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有黑白相間的12個(gè)反射點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將獲得相應(yīng)的反射脈沖數(shù)，將該脈沖數(shù)接入轉(zhuǎn)速表即可得到轉(zhuǎn)速值。2. 基于磁電感應(yīng)原理，當(dāng)一個(gè)n匝的線圈在穿過線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中的感應(yīng)電勢 ，因此當(dāng)轉(zhuǎn)盤上嵌入個(gè)磁鋼，并在磁鋼上方放置一線圈，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周，線圈中的磁通量（ / ）發(fā)生了N次變化，而產(chǎn)生N

15、次感應(yīng)電勢 ，該電勢通過放大、整形和計(jì)數(shù)等電路即可以測量轉(zhuǎn)速。3. 根據(jù)霍爾效應(yīng)表達(dá)式：UH=KHIB, 當(dāng)KHI不變時(shí),在轉(zhuǎn)速圓盤上裝上只磁性體，并在磁鋼上方安裝一霍爾元件。圓盤每轉(zhuǎn)一周經(jīng)過霍爾元件表面的磁場B從無到有就變化N次，霍爾電勢也相應(yīng)變化N次，此電勢通過放大、整形和計(jì)數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。三、 實(shí)驗(yàn)所需部件：1. 光電轉(zhuǎn)速傳感器、5V直流電源、可調(diào)直流電源、轉(zhuǎn)動(dòng)源（2000型）或轉(zhuǎn)動(dòng)測量控制儀（9000型）、數(shù)顯轉(zhuǎn)速頻率表。6 / 122. 磁電傳感器、轉(zhuǎn)速電機(jī)（2000型）或轉(zhuǎn)速測量控制儀（9000型）。3. 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)源（2000型）或轉(zhuǎn)速測量控制儀（90

16、00型）。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、 光電轉(zhuǎn)速傳感器安裝如實(shí)驗(yàn)二十圖5-4所示，在傳感器支架裝上光電轉(zhuǎn)速傳感器，調(diào)節(jié)高度，使傳感器離轉(zhuǎn)盤表面2-3mm，并對準(zhǔn)反射點(diǎn)，將傳感器引線分別插入主控臺上相應(yīng)插孔，其中棕色接直流電源+5V、黑色接地端、蘭色接主控箱fin 端。轉(zhuǎn)速頻率表置“轉(zhuǎn)速”檔。2、 將主控箱轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)+2V-+24V電壓接到轉(zhuǎn)動(dòng)源+2V+24V插孔上（2000型）。3、 合上主控箱電源開關(guān)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并從轉(zhuǎn)速頻率表上觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速情況。如轉(zhuǎn)速顯示不穩(wěn)定，需調(diào)節(jié)傳感器的安裝高度。4、 參照實(shí)驗(yàn)十三圖3-5安裝磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器端面離轉(zhuǎn)動(dòng)盤面約2mm左右，并且對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤內(nèi)的磁鋼。將磁電式傳感

17、器的輸出線插入主控臺fim輸入端，并將轉(zhuǎn)速/頻率表置轉(zhuǎn)速檔。5、 將主控臺上的+2V+24V可調(diào)直流電源接入轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的+2V+24V插口（2000型），調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速電位器使轉(zhuǎn)速變化。觀察數(shù)顯表指示的變化。6、 根據(jù)圖5-4，將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器裝于轉(zhuǎn)動(dòng)源的傳感器調(diào)節(jié)支架上，探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤內(nèi)的磁鋼。7、 將主控箱上的+5V直流電源加于霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的電源輸入端，紅（）、綠（），不要接錯(cuò)。8、 將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出端（黃線）插入數(shù)顯單元fin端，轉(zhuǎn)速/頻率表置轉(zhuǎn)速檔。9、 將主控臺上的+2V+24V可調(diào)直流電源接入轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的+2V+24V輸入插口（2000型）。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速電位器使轉(zhuǎn)速變化，觀察數(shù)顯表指

18、示的變化。思考題：為什么說磁電式轉(zhuǎn)速傳感器不能測很低速的轉(zhuǎn)動(dòng)，能說明理由嗎？磁電式傳感器需要供電嗎？實(shí)驗(yàn)四 溫度測量實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解熱電偶測量溫度的原理與應(yīng)用。7 / 122了解常用的集成溫度傳感器基本原理、性能與應(yīng)用二、 基本原理：1.將兩種不同的金屬絲組成回路，如果二種金屬絲的兩個(gè)接點(diǎn)有溫度差，在回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，這就是熱電效應(yīng)，熱電偶就是利用這一原理制成的一種溫差測量傳感器，置于被測溫度場的接點(diǎn)稱為工作端，另一接點(diǎn)稱為冷端(也稱自由端)，冷端可以是室溫值也可以是經(jīng)過補(bǔ)償后的0、25的模擬溫度場。2. 熱電阻用于測溫時(shí)利用了導(dǎo)體電阻率隨溫度變化這一特性，對于熱電阻要求其材料電

19、阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性好、電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關(guān)系。常用的有鉑電阻和銅電阻，熱電阻Rt與溫度t的關(guān)系為： Rt=R0(1+At+Bt2)。本實(shí)驗(yàn)采用的是Pt100鉑電阻，它的R0=100，At=3.9684×10-2/，Bt=5.847×10-7/2，鉑電阻采用三線連接法，其中一端接二根引線主要為了消除引線電阻對測量的影響三、實(shí)驗(yàn)所需部件：1.K型、E型熱電偶、溫度源、溫度控制儀表、數(shù)顯單元（2000型）或溫度控制測量儀（9000型）。2. 加熱源、K型熱電偶、Pt100鉑熱電阻、溫度控制儀、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉Ｋ?、?shí)驗(yàn)步驟：1、將熱電偶插到溫度源兩個(gè)傳感器插孔

20、中任意一個(gè)插孔中，（K型、E型已裝在一個(gè)護(hù)套內(nèi)），K型熱電偶的自由端接到主控箱面板上溫控部分的EK端，用它作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，配合溫控儀表用于設(shè)定溫度，注意識別引線標(biāo)記，K型、E型及正極、負(fù)極不要接錯(cuò)。2、將E型熱電偶的自由端接入溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蠘?biāo)有熱電偶符號的a、b孔上，作為被測傳感器用于實(shí)驗(yàn)，按圖11-1接線，熱電偶自由端連線中帶紅色套管或紅色斜線的一條為正端,接入“a”點(diǎn)。3、將R5、R6端接地，RW2大約置中，打開主控箱電源開關(guān)，將V02端與主控箱上數(shù)顯電壓表Vi端相接，調(diào)節(jié)Rw3使數(shù)顯表顯示零（電壓表置200mv檔），打開主控箱上溫儀控開關(guān)，設(shè)定儀表控制溫度值T=50，將溫度源的兩芯

21、電源線插入主控箱溫控部分的220V輸出插座中。4、去掉R5、R6接地線，將a、b端與放大器R5、R6相接，觀察溫控儀指示的溫度值，當(dāng)溫度穩(wěn)定在50時(shí)，記錄下電壓表讀數(shù)值。5、重新設(shè)定溫度值為50+n·t，建議t=5，n=110，每隔1n讀出數(shù)顯電壓表指示值與溫控儀指示的溫度值，并填入表11-1。8 / 12表11-1：6、根據(jù)表11-1計(jì)算非線性誤差，靈敏度S。7、將E型熱電偶的自由端連線從實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳喜鹑ゲ⒔拥綌?shù)顯電壓表的輸入端（Vi）直接讀取熱電勢值（電壓表置200mv檔），重復(fù)上述過程，根據(jù)E型熱電偶分度表查出溫度值（加熱源與室溫之間的溫差值）。8、計(jì)算出加熱源的溫度，并與溫控儀的顯示