試驗(yàn)一電阻應(yīng)變片傳感器特性試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一、二電阻應(yīng)變片傳感器特性實(shí)驗(yàn)一、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，全橋測(cè)量電路與單臂電橋的不同性能、了解各自的特點(diǎn)。二、基本原理：敏感元件 金屬箔在外力作用下，其電阻值會(huì)發(fā)生變化。即金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。根據(jù)推導(dǎo)可以得出：Rl（12llR（1 2）l l）k0lll“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式。k 0 稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3）可見， k 0 受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是（ 1+2），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個(gè)是（ ）隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)” ）。對(duì)于金屬材料，是材料的電阻率而言，以前者為主，則 k0 12，對(duì)半導(dǎo)體，k 0 值主要是由電阻

2、率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)k0 =2 左右。用應(yīng)變片測(cè)量受力時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象表面上。在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)（3）式，可以得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值 ，而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系E（ 4）式中 測(cè)試的應(yīng)力；E材料彈性模量。可以測(cè)得應(yīng)力值 。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測(cè)量上述各量，從而做成各種應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片可分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，

3、金屬薄膜應(yīng)變片。單臂電橋： 即應(yīng)變片電阻接入電橋的一臂，測(cè)出其電阻變化值，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是靈敏度較差；半橋： 把不同受力方向的兩只應(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)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓UO2 EG 2。式中 E 為電橋供電電壓。全橋： 測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩個(gè)應(yīng)變片接入電橋?qū)叄?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1 R2R3 R4，其變化值R1 R2 R3R4 時(shí)，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明顯改善三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、砝碼、數(shù)顯表、±15V 電源、±

4、; 5V 電源、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、應(yīng)變片的安裝位置如圖（ 11）所示，應(yīng)變式傳感器已裝到應(yīng)變傳感器模塊上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的 R1 、 R2、R3、R4?？捎萌f用表進(jìn)行測(cè)量， R1=R2=R3=R4=350 。R1R2R4R3圖 1 1應(yīng)變式傳感器安裝示意圖圖 1-2 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖2、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)，順時(shí)針調(diào)節(jié)Rw2 使之大致位于中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為：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)顯電壓表輸入端Vi 相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw3

5、，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V 檔）。關(guān)閉主控箱電源。 （注意：當(dāng)Rw2 的位置一旦確定，就不能改變。）3、按圖 1-2 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)橋臂與R5、R6、1R7 接成直流電橋，（ R5 、R6 、R7 模塊內(nèi)已接好），接好電橋調(diào)零電位器Rw1 ，接上橋路電源 ±5V ，此時(shí)應(yīng)將 ±5V地與 ±15V 地短接（因?yàn)椴还驳兀┤鐖D1-2 所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。4、在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，以后每次增加一個(gè)砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直

6、到200g 砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1，關(guān)閉電源。表 1 1 單臂電橋輸出電壓與所加負(fù)載重量值重量 (g)電壓 (mv)5根據(jù)表 11 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度SU / W （ U 輸出電壓的變化量，W 重量變化量）和非線性誤差 f1=m/yFS ×100 式中 m （多次測(cè)量時(shí)為平均值）為輸出值與擬合直線的最大偏差：yFS 滿量程輸出平均值 ,此處為 200g.6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，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±5V ，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位

7、器Rw1 進(jìn)行橋路調(diào)零，重復(fù)實(shí)驗(yàn)一中的步驟4、5，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表2-1，計(jì)算靈敏度SU /W，非線性誤差f2。若實(shí)驗(yàn)2時(shí)顯示數(shù)值不變化說明R1 與 R2 兩應(yīng)變片受力狀態(tài)相同。則應(yīng)更換應(yīng)變片。圖 1-3應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖圖 1-4應(yīng)變式傳感器全橋?qū)嶒?yàn)接線圖表 1 2 半橋測(cè)量時(shí)，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（ g）電壓（ mV ）7根據(jù) 1-4 接線，實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)二相同。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。表 1 3 全橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（ g）電壓（ mV ）五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：21、不要在砝碼盤上放置超過1kg 的物體，否則容易損壞傳感器。2、電橋的電壓為

8、±5V，絕不可錯(cuò)接成±15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。六、思考題：1、單臂電橋時(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用： （ 1）正（受拉）應(yīng)變片（ 2）負(fù)（受壓）應(yīng)變片（ 3）正、負(fù)應(yīng)變片均可以。2、半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：（ 1）對(duì)邊（ 2）鄰邊。3、橋路（差動(dòng)電橋）測(cè)量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)椋海?1）電橋測(cè)量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。4全橋測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（ R1、 R3 為對(duì)邊）值 R 相同時(shí)，即 R1R3 ，R2 R4，而 R1 R2 時(shí)，是否可以組成全橋：（ 1）可以（ 2）不可以。5、某工程技

9、術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測(cè)試時(shí)在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如何利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖 1-4應(yīng)變式傳感器受拉時(shí)傳感器周面展開圖七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制出單臂電橋時(shí)傳感器的特性曲線。2、從理論上分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。3根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)繪制出半橋和全橋時(shí)傳感器的特性曲線4比較單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，并從理論上加以分析比較，得出相應(yīng)的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)三電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?：了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。一、基本原理： 利用平板電容C Sd 和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇、S、d 中三個(gè)參數(shù)中，保持兩個(gè)參數(shù)不

10、變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度（變）測(cè)微小位移（變d）和測(cè)量液位（變S）等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距特別敏感，測(cè)量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系，（但實(shí)際由于邊緣效應(yīng)的影響，會(huì)引起極板間的電場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。）成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為：C2llnr2 r1式中l(wèi) 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)l時(shí)，電容變化量C 為2l2ll2lC0lCr2 rln r2 rln r2 rlln111于是，可得

11、其靜態(tài)靈敏度為：C2ll2ll/l4kgln r2 r1ln r2lnr2 r1lr1（1）r2、r1 外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。（ 2）（3）3可見靈敏度與r 2有關(guān)，r2與r1 越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長(zhǎng)度l 與靈敏度無關(guān)，但l 不可太小，r1，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。本實(shí)驗(yàn)為變面積式電容傳感器，采用差動(dòng)式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對(duì)測(cè)量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。二、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉y(cè)微頭、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將電容式傳感器裝于電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳希瑢鞲衅饕€插頭插入

12、實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓牟遄小?、將電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓妮敵龆薞o1 與數(shù)顯單元Vi 相接（插入主控箱Vi 孔） Rw 調(diào)節(jié)到中間位置。3、接入± 15V 電源，旋動(dòng)測(cè)微頭改變電容傳感器動(dòng)極板的位置，每隔0.2mm 記下位移X 與輸出電壓值，填入表 3-1 。表 31 電容傳感器位移與輸出電壓值X(mm)V(mv)4、根據(jù)表 3-1 數(shù)據(jù)計(jì)算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S 和非線性誤差f 。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、 傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2、做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要接觸傳感器，否則將會(huì)使線性變差。圖 3-1 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖六、思考題：1、簡(jiǎn)述什么是傳感器的邊緣效應(yīng)，它會(huì)對(duì)傳感器的性能帶來哪些

13、不利影響。2、電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 根據(jù)所得得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線，并利用最小二乘法做出擬合直線，計(jì)算該傳感器得非線性誤差。2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析引起這些非線性得原因，并說明怎樣提高傳感器得線性度。實(shí)驗(yàn)四差動(dòng)變壓器式傳感器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解差動(dòng)變壓器式傳感器的原理和結(jié)構(gòu)（這里是三段式）；2了解差動(dòng)變壓零點(diǎn)殘余電壓組成及其補(bǔ)償辦法；3* 激勵(lì)頻率對(duì)差動(dòng)變壓器輸出的影響（選做）。二、基本原理：差動(dòng)變壓器由一只初級(jí)線圈和二只次線圈及鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實(shí)驗(yàn)采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器隨著被測(cè)體移動(dòng)

14、時(shí)，由于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化，一只次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)增加，另一只感應(yīng)電勢(shì)則減少，將兩只次級(jí)反向串接，即同名端接在一起，就引出差動(dòng)4輸出，其輸出電勢(shì)則反映出被測(cè)體的位移量。零點(diǎn)殘余電壓： 由于傳感器阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)阻抗，有感抗也有阻抗，為了達(dá)到電橋平衡，就要求線圈的電阻R相等，兩線圈的電感 L 相等。實(shí)際上，這種情況是難以精確達(dá)到的，就是說不易達(dá)到電橋的絕對(duì)平衡。在零點(diǎn)有一個(gè)最小的輸出電壓，一般把這個(gè)最小的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，如果零點(diǎn)殘余電壓過大，會(huì)使靈敏度下降，非線性誤差增大，甚至造成放大器末級(jí)趨于飽和，致使儀器電路不能正常工作。造成零殘電壓的原因，總

15、的來說，是兩電感線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱造成的。包括差動(dòng)變壓器二只次級(jí)線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱，初級(jí)線圈的縱向排列的不均勻性，二次級(jí)的不均勻、不一致，鐵芯B H 特性的非線性等。* 激勵(lì)頻率對(duì)其特性的影響：差動(dòng)變壓器的輸出電壓的有效值可以近似用關(guān)系式：( M 1表示 ,式中 L P、M 2 )U iU 02 L2R 2PPRP 為初級(jí)線圈電感和損耗電阻，Ui 、 為激勵(lì)電壓和頻率， M 1、 M 2 為初級(jí)與兩次級(jí)間互感系數(shù)，由關(guān)系式可以看出，當(dāng)初級(jí)線圈激勵(lì)頻率太低時(shí)，若RP2 2LP2，則輸出電壓 Uo 受頻率變動(dòng)影響較大，且靈敏度較低，只有當(dāng)2LP2 RP2 時(shí)輸出 Uo 與 無關(guān)，當(dāng)然 過高會(huì)使

16、線圈寄生電容增大，對(duì)性能穩(wěn)定不利。三、需用器件與單元：差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、雙線示波器、差動(dòng)變壓器、示波器，音頻信號(hào)源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：第一部分基本特性實(shí)驗(yàn)：1、將差動(dòng)變壓器及測(cè)微頭按裝在差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀?、將傳感器引線插頭插入實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓牟遄?，在模塊上按圖4-1 接線，音頻振蕩器信號(hào)必須從主控箱中的音頻振蕩器的端子 （正相或反相） 輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，使輸出頻率為4-5KHZ （可用主控箱的頻率計(jì)來監(jiān)測(cè)）。調(diào)節(jié)輸出幅度為峰峰值Vp-p=2V （可用示波器監(jiān)測(cè)） 。3、旋動(dòng)測(cè)微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰峰值Vp-p 為最小，這時(shí)可以左右位移，假設(shè)其中一個(gè)方向?yàn)檎?/p>

17、移，另一個(gè)方向?yàn)樨?fù)位移，從Vp-p 最小開始旋動(dòng)測(cè)微頭，每0.2mm 從示波器上讀出輸出電壓Vp-p 值，填入下表 4-1 ，再?gòu)?Vp-p 最小處反向位移做實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，注意左、右位移時(shí)，初、次級(jí)波形的相位關(guān)系。圖 4-1雙蹤示波器與差動(dòng)變壓器連接示意圖圖 4-2零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路之一表 4 1 差動(dòng)變壓器位移X 值與輸出電壓數(shù)據(jù)表4、V(mv)X(mm)實(shí)驗(yàn)過程中注意差動(dòng)變壓器輸出的最小值即為差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓的大小，根據(jù)表 4-1 畫出 Vop-pX 曲線，作出量程為± 1mm、± 3mm靈敏度和非線性誤差。第二部分：零點(diǎn)殘余電壓的測(cè)定和補(bǔ)償1、按圖 4

18、2 接線，音頻信號(hào)源從主控箱輸出，實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蟁1 、C1 、RW1 、RW2 為電橋單元中調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。利用示波器調(diào)整音頻振蕩器輸出為2V 峰-峰值。2、調(diào)整測(cè)微頭，使差動(dòng)放大器輸出電壓最小。3、依次調(diào)整Rw1、 Rw2，使輸出電壓降至最小。4、將第二通道的靈敏度提高，觀察零點(diǎn)殘余電壓的波形，注意與激勵(lì)電壓相比較。5從示波器上觀察，差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓值（峰-峰值）。（注：這時(shí)的零點(diǎn)殘余電壓是經(jīng)放大后的零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際零點(diǎn)殘余電壓為Vp-p/K ，K 為放大倍數(shù)。）*第三部分（選做）激勵(lì)頻率對(duì)變壓器特性的影響1、將差動(dòng)變壓器裝在差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀?、按圖 4-2 連接好線。3、選擇音頻

19、信號(hào)輸出頻率為1KHZ （從正相或反向）輸出，（可用主控箱的頻率計(jì)顯示頻率）移動(dòng)鐵芯至中間位置即輸出信號(hào)最小時(shí)的位置，調(diào)節(jié)Rw1 、 Rw2 使輸出變得更小。4、用示波器監(jiān)視第二通道，旋動(dòng)測(cè)微頭，向左（或右）旋到離中心位置。2.50mm 處，有較大的輸出。將測(cè)試結(jié)果記入表4-2。5、分別改變激勵(lì)頻率為1KHZ 9KHZ ，幅值不變將測(cè)試結(jié)果記入下表4 2 中。表 4 2 不同激勵(lì)頻率時(shí)輸出電壓（峰峰值）的關(guān)系。f(Hz)1KHz2KHz3KHz4KHz5KHz6KHz7KHz8KHz9KHzVop-p(V)6、作出幅頻特性曲線。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、在做實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先用示波器監(jiān)測(cè)差動(dòng)變壓器激勵(lì)信

20、號(hào)的幅度，使之為Vp-p 值為 2V ，不能太大，否則差動(dòng)變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2、 模塊上 L2 、 L3 線圈旁邊的“ * ”表示兩線圈的同名端。3、 傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。六、思考題：1、用差動(dòng)變壓器測(cè)量較高頻率的振幅，例如 1KHz 的振動(dòng)幅值， 可以嗎？差動(dòng)變壓器測(cè)量頻率的上限受什么影響？2 試分析差動(dòng)變壓器與一般電源變壓器的異同？3、請(qǐng)分析經(jīng)過補(bǔ)償后的零點(diǎn)殘余電壓波形。4、 本實(shí)驗(yàn)也可用圖4-3 所示的電路，請(qǐng)分析原理。5* 、提高激勵(lì)頻率有哪些優(yōu)點(diǎn)？但是過高的激勵(lì)頻率又會(huì)帶來哪些不利因素？應(yīng)怎樣確定激勵(lì)頻率。6* 、若用差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量振動(dòng)，

21、測(cè)量的頻率受什么限制？圖 4-3零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路之二七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，繪制出測(cè)微頭左移和右移時(shí)傳感器的特性曲線。2、分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。3、分析產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因，對(duì)差動(dòng)變壓器的性能有哪些不利影響。用哪些方法可以減小零點(diǎn)殘余電壓。4、歸納總結(jié)前兩種補(bǔ)償電路的優(yōu)缺點(diǎn)。5* 、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)作出傳感器的幅頻特性曲線。6* 、歸納總結(jié)正確選擇激勵(lì)信號(hào)的幅度和頻率的特點(diǎn)。6實(shí)驗(yàn)五Pt100 熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解熱電阻的特性與應(yīng)用。二、基本原理： 利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化這一特性，熱電阻用于測(cè)量時(shí)，要求其材料電阻溫度系數(shù)大，而穩(wěn)定，電阻率高，電阻與溫

22、度之間最好有線性關(guān)系。常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0630. 74以內(nèi)，電阻Rt 與溫度 t 的關(guān)系為：Rt=Ro(1+At+Bt 2)Ro 系溫度為 0時(shí)的電阻。本實(shí)驗(yàn) Ro100。 A 3.9684×10 2， B 5.847 ×10 7 2 ，鉑電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種，兩線制中引線電阻對(duì)測(cè)量的影響大，用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合，三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，用于高精度溫度檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)是三線制連接，其中一端接二根引線主要為消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響。三、 需用器件與

23、單元：Pt100 熱電阻（溫度模塊上） 、1A 恒流源、溫度控制單元（溫控器）、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shù)顯單元、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)步驟：圖 5-1Pt100 熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)接線圖1、將溫度模塊中的實(shí)驗(yàn) Pt100 接入 a、b 間，把 b、c 連接起來，這樣， R1、R3、R4、Rw1、Pt100 就組成了一種直流單臂電橋，再把 Rw2 逆時(shí)針旋到底（增益最?。?。2、把溫度模塊的± 15V 和主控箱的± 15V 輸出連接起來，差動(dòng)放大器的 Vo 與主控箱的電壓表相連，再將差動(dòng)放大器的輸入端與地短接，調(diào)節(jié) Rw3 使差動(dòng)放大器的輸出為零。3、按圖 5-1 連接好線，在端點(diǎn) a

24、與地之間加 +5V 的直流電源，按圖 11-1 將電橋的輸出與差動(dòng)放大器相連，溫度控制器的 SV 窗口設(shè)定為 500 C （設(shè)置方法見附錄 2），然后調(diào)節(jié) Rw1 使電橋平衡，即使差放的輸出為零。4、在 50 0 C 的基礎(chǔ)上，以后每隔50 C 設(shè)定一次，即t= 50 C ，讀取數(shù)顯表值，將結(jié)果填入下表。表 51T（）V(mV)5、根據(jù)上表計(jì)算Pt100 的非線性誤差。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：加熱器溫度不能加熱到120以上，否則將可能損壞加熱器。六、思考題 ：如何根據(jù)測(cè)溫范圍和精度要求選用熱電阻？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，做出傳感器的特性曲線，并利用最小二乘法做出擬合直線，計(jì)算該傳感

25、器得非線性誤差。2、總結(jié) Pt100 熱電阻傳感器有哪些優(yōu)缺點(diǎn)。7實(shí)驗(yàn)六集成溫度傳感器的特性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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 ：集成溫度傳器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一芯片上，它能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，一般用于50 150 之間測(cè)量，溫敏晶體管是利用管子的集電極電流恒定時(shí)，晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度成線性關(guān)系。為克服溫敏晶體管Ub 電壓生產(chǎn)時(shí)的離散性、均采用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器有電壓型和電流型二種，電流輸出型集成溫度傳感器，在一定溫度下，它相當(dāng)于一個(gè)恒流源。因此它具有不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾。具有

26、很好的線性特性。本實(shí)驗(yàn)采用的是國(guó)產(chǎn)的AD590 。它只需要一種電源（ 4V 30V ）。即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻（本實(shí)驗(yàn)中為 R2）即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便且電流型比電壓型的測(cè)量精度更高。三、需用器件與單元：溫度控制器、加熱源、溫度模塊、數(shù)顯單元、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、將主控箱上總電源關(guān)閉，把主控箱中溫度檢測(cè)與控制單元中的恒流加熱電源輸出與溫度模塊中的恒流輸入連接起來。2、將溫度模塊中的溫控Pt100 與主控箱的Pt100 輸入連接起來。3、將溫度模塊中左上角的AD590 接到 a、 b 上（正端接a，負(fù)端接 b），再將 b、 d 連接起來。4

27、、將主控箱的 +5V 電源接入a 和地之間。5、將 d 和地與主控箱的電壓表輸入端相連（即測(cè)量1K 電阻兩端的電壓） 。6、開啟主電源，將溫度控制器的SV 窗口設(shè)定為 500 C （設(shè)置方法見附錄2），以后每隔50 C 設(shè)定一次，即t= 50 C ，讀取數(shù)顯表值，將結(jié)果填入下表。表 61T（）V(mV)7、根據(jù)上表計(jì)算AD590 的非線性誤差。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、加熱器溫度不能加熱到120以上，否則將可能損壞加熱器。2、不要將AD590的+、 - 端接反，因?yàn)榉聪螂妷嚎赡軗舸〢D590。六、思考題： 大家知道在一定的電流模式下PN 結(jié)的正向電壓與溫度之間具有較好的線性關(guān)系，因此就有溫敏二極管

28、，你若有興趣可以利用開關(guān)二極管或其它溫敏二極管在50 100 之間，作溫度特性，然后與集成溫度傳感器相同區(qū)間的溫度特性進(jìn)行比較，從線性看溫度傳感器線性優(yōu)于溫敏二極管，請(qǐng)闡明理由。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、簡(jiǎn)單說明AD590 的基本原理，討論電流輸出型和電壓輸出型集成溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。2、總結(jié)實(shí)驗(yàn)后的收獲、體會(huì)。實(shí)驗(yàn)七直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解霍爾式傳感器原理與應(yīng)用。二、基本原理 ：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的元件成為霍爾元件，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì)U H K H IB，當(dāng)保

29、持霍爾元件的控制電流恒定，而使霍爾元件在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中沿水平方向移動(dòng)，則輸出的霍爾電動(dòng)勢(shì)為UHkx ，式中 k位移傳感器的靈敏度。這樣它就可以用來測(cè)量位移。霍爾電動(dòng)勢(shì)的極性表示了元件的方向。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度就越好。8三、需用器件與單元：霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、霍爾傳感器?#177;15V 直流電源、測(cè)微頭、數(shù)顯單元。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將霍爾傳感器安裝在霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，將傳感器引線插頭插入實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓牟遄?，?shí)驗(yàn)板的連接線按圖 7-1 進(jìn)行。 1、3 為電源± 5V ，2、 4 為輸出。2、開啟電源，調(diào)節(jié)測(cè)微頭使霍爾片大致在磁鐵中間位置，再調(diào)

30、節(jié)Rw1 使數(shù)顯表指示為零。圖 7-1直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖3、測(cè)微頭往軸向方向推進(jìn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)0.2mm 記下一個(gè)讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入表7-1。表 71 X （ mm ）V(mv)作出 V-X 曲線，計(jì)算不同線性范圍時(shí)的靈敏度和非線性誤差。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、對(duì)傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2、不要將霍爾傳感器的激勵(lì)電壓錯(cuò)接成±15V ，否則將可能燒毀霍爾元件。六、思考題： 本實(shí)驗(yàn)中霍爾元件位移的線性度實(shí)際上反映的時(shí)什么量的變化？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)所得得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線。2、歸納總結(jié)霍爾元件的誤差主要有哪幾種，各自的產(chǎn)生

31、原因是什么，應(yīng)怎樣進(jìn)行補(bǔ)償。附錄 1實(shí)驗(yàn)箱溫度控制簡(jiǎn)要原理當(dāng)總電源開關(guān)合上，并且溫度控制器的開關(guān)也閉合時(shí)，如果溫度控制器測(cè)得的溫度低于設(shè)定的溫度值，那么溫度控制器面板上ALM2 燈亮（ ALM2 為一繼電器的常開觸點(diǎn)，恒流源是與這個(gè)常開觸點(diǎn)串聯(lián)的），內(nèi)部繼電器閉合，溫度模塊開始加熱，加熱電源為1A 恒流源，當(dāng)溫度加熱到略高與設(shè)定溫度值時(shí)，ALM2 燈滅，內(nèi)部繼電器斷開，溫度模塊停止加熱，但由于溫度的慣性比較大，因此當(dāng)溫度模塊停止加熱后，仍有一定的向上的沖量。附錄 2溫度控制器使用說明1、儀表通電顯示窗先顯示PV 窗輸出代碼、 SV 窗輸入代碼，后顯示 PV 窗量程上限、 SV 窗量程下限（ N

32、 型顯示PV 窗 Jd 0 5、 SV 窗 2003 ），隨后即進(jìn)入工作狀態(tài)，其中PV 顯示的為測(cè)量的溫度值， SV 顯示的為設(shè)定的溫度值，當(dāng) SV 的值大于 PV 的值時(shí) ALM2 燈亮，恒流源有輸出，當(dāng)PV 的值大于 SV 的值時(shí)， ALM1 燈亮，恒流源無輸出，按 SET 鍵 0.5秒 SV 顯示窗閃爍，此時(shí)可改變?cè)O(shè)定值，再按SET 鍵 0.5 秒確認(rèn)，如需要修改其他參數(shù)，必須按住 SET 鍵大于 3秒，即進(jìn)入 B 菜單，可按要求逐一修改內(nèi)容（見操作流程表），修改完畢再按 SET 鍵 0.5 秒若干下，退出菜單，如15 秒內(nèi)無鍵按下（該窗內(nèi)新設(shè)置的數(shù)據(jù)無效）自動(dòng)進(jìn)入新的工作狀態(tài)。2、當(dāng)輸

33、入信號(hào)大于量程上限時(shí)，儀表顯示 ，當(dāng)輸入信號(hào)小于超出量程下限10% 以上時(shí)，儀表仍顯示 ，9并切斷主控輸出；當(dāng)輸入信號(hào)略小于量程下限時(shí)，儀表顯示 。3、各參數(shù)功能：面板功能：SET ：功能鍵； PV ：當(dāng)前測(cè)量值；SV ：主控設(shè)定值；OUT ：主控輸出指示ALM1 ： ALM1 報(bào)警輸出指示；ALM2 ： ALM2 報(bào)警輸出指示；AT ：自整定指示向左箭號(hào)：移位鍵；向下箭號(hào)：減鍵；向上箭號(hào)：加鍵選作實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)八光電二極管和光敏電阻的特性研究一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤怆姸O管和光敏電阻的特性與應(yīng)用。二、基本原理：（1）光電二極管：光電二極管是利用PN 結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，結(jié)構(gòu)與一般二極管類似。

34、PN結(jié)安裝在管的頂部，便于接受光照。外殼上有以透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上，為了獲得盡可能大的光生電流，PN 結(jié)的面積比一般二極管要大。為了光電轉(zhuǎn)換效率高，PN 結(jié)的深度比一般二極管淺。光電二極管可工作在兩種狀態(tài)。大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。在這種情況下，當(dāng)無光照時(shí)，處于反偏的二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流，即暗電流。反向電流小的原因是在PN 結(jié)中， P 型中的電子和 N 型中的空穴（少數(shù)載流子）很少。當(dāng)光照射在PN 結(jié)上時(shí)， PN 結(jié)附近受光子轟R+5擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使P 區(qū)和 N 區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增

35、加，在外加反偏電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下， P 區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N 區(qū)， N 區(qū)的少數(shù)載流Vo子渡越阻擋層進(jìn)入 P 區(qū)，從而使通過PN 結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流，反向電流隨光照強(qiáng)度增加而增加。另一種工作狀態(tài)是在光電二極管上不加電壓，利用PN 結(jié)受光照強(qiáng)度增加而增加。N 結(jié)受光照時(shí)產(chǎn)生正向電壓的原理，將其作為微型光電池用。這種工作狀態(tài)一般用作光電檢測(cè)。光電二極管常用的材料有硅、鍺、銻化銦、砷化銦等，使用最廣泛的是硅、鍺光電二極管。光電二極管具有響應(yīng)速度快、精巧、堅(jiān)固、良好的溫度穩(wěn)定性和低工作電壓的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。圖為光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路， Vo=IpR， Ip 為光電流

36、， R 是反饋電阻。（ 2）光敏電阻：光敏電阻是利用光的入射引起半導(dǎo)體電阻的變化來進(jìn)行工作的。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)：在無光照時(shí)，光敏電阻具有很高的阻值；在有光照時(shí)，當(dāng)光電子的能量大于材料禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子空穴對(duì)，使電阻降低，光線愈強(qiáng)，激發(fā)出的電子空穴對(duì)越多，電阻值越低；光照停止后， 自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電能力下降，電阻恢復(fù)原值。制作光敏電阻的材料常用硫化鎘（ CdS）、硒化鎘（ CdSe）、硫化鉛（ PbSe）銻化銦（ InSb）等。由于光導(dǎo)效應(yīng)只限于光照表面的薄層，所以一般都把半導(dǎo)體材料制成薄膜，并賦予適當(dāng)?shù)碾娮柚?，電極構(gòu)造通

37、常做成梳形，這樣，光敏電阻與電極之間的距離短，載流子通過電極的時(shí)間Tc 少，而材料的載流子壽命c(diǎn) 又較長(zhǎng)，于是就有很高的內(nèi)部增益G，從而獲得很高的靈敏度。光敏電阻具有靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，重量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊， 抗過載能力強(qiáng)， 耗散功率大， 以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 光敏電阻的阻值 R 和光的強(qiáng)度呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性。三、實(shí)驗(yàn)器件與單元：光電模塊，主控箱，萬用表，020mA 恒流源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、將主控箱的 020mA 恒流源調(diào)節(jié)到最小。2、把 020mA 恒流源的輸出和光電模塊上的恒流輸入連接起來，以驅(qū)動(dòng)LED 光源。3.1、硅光電池實(shí)驗(yàn)：將恒流源從0 開始每隔 2mA 記錄一次，

38、填入下列相應(yīng)的表格，光電二極管的強(qiáng)度指示在光電模塊的右邊數(shù)顯上。3.2、光敏電阻實(shí)驗(yàn)：由于光敏電阻光較弱時(shí)變化較大，所以在02mA 之間，每隔0.5mA 記錄一次，以后每隔2mA 做一次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的數(shù)據(jù)填入下列相應(yīng)表格。光敏電阻的大小用萬用表測(cè)量光電模塊上的光敏電阻輸出端。（ 1）光電二極管：I （ mA ）V(mv)（ 2）光敏電阻：10I （ mA ）R五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：注意要將主控箱上恒流輸出的正負(fù)端和光電模塊上的正負(fù)端對(duì)應(yīng)接好，否則，光發(fā)送端將不能發(fā)光。六、思考題：1、當(dāng)將硅光電池作為光探測(cè)器時(shí)應(yīng)注意那些問題？2、討論光敏電阻主要應(yīng)用在什么場(chǎng)合。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出光

39、敏電阻和硅光電池的特性曲線圖。2、簡(jiǎn)述光敏電阻和硅光電池的基本特性。直線擬合方法簡(jiǎn)介1112- -習(xí)題與思考題-1.1試述傳感器的定義和組成，傳感器由哪幾種分類方法，各有和特點(diǎn)？1.2衡量傳感器的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)有哪些？它們是如何定義的？1.4某玻璃水銀溫度計(jì)微分方程式為4 dQ02Q02103 Qi ，其中，Q0 為水銀柱高度 （ m）；Qi 被測(cè)溫度（），dt試確定該溫度計(jì)的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度系數(shù)。1.5某壓電式加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性可用下述微分方程描述dq23dq101023.0102.2510 q 11 .0 10a 式中，q 為輸dtdt出電荷（ pC）；a 為輸入加速度 （m/s2）。試確定該測(cè)量裝置的固有振蕩頻率，阻尼系數(shù) ，靜態(tài)靈敏度系數(shù) K 的值。01.6若用一階傳感器做100Hz 正弦信號(hào)的測(cè)試， 如幅值誤差要求限制在5%以內(nèi)，則時(shí)間常數(shù)應(yīng)取多少？若在該時(shí)間常數(shù)下，同一傳感器做50Hz 正弦信號(hào)的測(cè)試，這時(shí)的幅值誤差和相角差為多大？1.7已知某二階系統(tǒng)傳感器的固有頻率f0=10kHz ，阻尼比 =0.1 ，若要求傳感器的輸出幅值誤差小于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍；1.8已知一熱電偶的時(shí)間常