傳感器2(上交版)

自選實驗2004010304環(huán)41喻崢嶸第1頁-傳感器原理及應(yīng)用系列實驗二實驗?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器、霍爾傳感器、光纖傳感器的使用和靜態(tài)特性。實驗儀器簡介：CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀是集被測體、各種傳感器、信號激勵源、處理電路和顯示器于一體，組成一個完整的測試系統(tǒng)。實驗儀主要由實驗工作臺、處理電路、信號與顯示電路三部分組成。傳感器系列實驗二所用的傳感器位于實驗工作臺右邊，裝在圓盤式工作臺的四周，依次為（依逆時針方向）電感式（差動變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式、壓阻式等傳感器。光纖傳感器的一端已固定在“光電變換器”上，另一端為活動的圓柱形探頭，可根據(jù)要求加以固定。本實驗只做電渦流傳感器、霍爾傳感器和光纖傳感器，相應(yīng)的處理電路及顯示電路請看下面的講義。當傳感器的輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出——輸入特性稱為靜態(tài)特性，靜態(tài)特性包括：線性度、靈敏度、分辨率、閾值等，本實驗只對前兩相進行研究。電渦流式傳感器一、實驗原理：電渦流傳感器由平面線圈和金屬片組成，它是基于電磁感應(yīng)原理而制成的。由電磁場理論可知，在受到交變電磁場作用的任何導(dǎo)體中，都會產(chǎn)生電渦流。成塊的金屬置于變化的磁場中，或者在固定磁場中運動時，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流。電渦流傳感器的作用原理如左下圖：H1HH1H2I1I2U1R2L1L2I1I2U1R1M渦流式傳感器與被測金屬的等效電路等效等效金屬片金屬片把線圈與被測導(dǎo)體等效為相互耦合的兩個線圈，如右上圖所示。設(shè)R1為線圈的電阻；L1為線圈電感；R2為短路環(huán)的電阻；L2為短路環(huán)電感；M為線圈與短路環(huán)間的互感，M隨他們之間距離x減少而增大；U1為激勵電壓。由等效電路可寫出兩個電壓平衡方程式：解上面的聯(lián)立方程可得到，從而求出受金屬影響后空心線圈的等效阻抗為從上式可看出線圈阻抗的實數(shù)部分即有效電阻隨M的增加而增加；虛部部分即等效電感隨M的增加而減少，這樣使線圈阻抗發(fā)生了變化。在本實驗中，當線圈中通以高頻率的交變電流后，與其平行的金屬片上感應(yīng)產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻抗Z，而渦流的大小與金屬片的電阻率，導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離X都有關(guān)，當平面線圈、被測體（金屬片）、激勵源已確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗Z只與距離X有關(guān)，將阻抗變化通過“渦流變換器”轉(zhuǎn)為電壓信號V輸出，則輸出電壓是距離X的單值函數(shù)。二、實驗內(nèi)容：內(nèi)容1.電渦流傳感器的靜態(tài)標定1．1實驗?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、工作特性。1．2實驗所需部件：電渦流傳感器、渦流變換器、螺旋測微儀、電壓表、示波器1．3試驗步驟：（1）、安裝好電渦流線圈與金屬片，注意兩者必須保持平行，安裝好測微儀，將電渦流線圈接入渦流變換器輸入端。渦流變換器輸出端接數(shù)字電壓表20V檔。（2）、開啟主機電源，用測微儀帶動渦流片移動，當渦流片完全緊貼線圈時輸出電壓為零（可適當改變支架中的線圈角度），然后旋動測微儀使渦流片離開線圈，從電壓表有讀數(shù)時每隔0.25mm記錄一個電壓值，將V、X數(shù)值填入下表，作出X(mm)U(v)三、實驗結(jié)果X(mm)0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.5U(v)-1.22-2.14-2.81-3.44-4.04-4.63-5.17-5.73-6.24-6.70X(mm)2.753.003.253.503.754.004.254.504.755.00U(v)-7.56-7.95-8.32-8.64-8.95-9.22-9.49-9.72-9.94-10.14如圖，線性區(qū)間為[1，2.5]（單位mm）靈敏度S=-2.136V/mm霍爾式傳感器一、實驗原理：霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器?；魻栃?yīng)的相關(guān)內(nèi)容請參看《物理實驗教程》P122。本實驗所用的霍爾傳感器，由兩個產(chǎn)生梯度磁場的環(huán)形磁鋼和霍爾元件組成的。霍爾元件通以恒定電流時，霍爾電勢的大小正比于磁場強度，當霍爾元件在梯度磁場中上、下移動時，輸出的霍爾電勢V取決于其在磁場中的位移量，所以測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾元件的靜位移。二、實驗內(nèi)容：1．霍爾式傳感器的直流激勵特性1.1.實驗?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)、工作原理，學會用霍爾傳感器做靜態(tài)位移測試。1.2.實驗所需部件：霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓源（2V）、電橋、差動放大器、數(shù)字電壓表、測微儀。－－＋WDR+2V差放電壓表1.3實驗步驟：（1）、實驗按上圖接線，確認霍爾元件直流激勵電壓為2V，另一激勵端接地，差動放大器增益適度（約10倍左右。）（2）、用螺旋測微儀調(diào)節(jié)振動平臺使霍爾元件置于梯度磁場中間，開啟電源，并調(diào)節(jié)電橋直流電位器WD，使輸出為零。上下移動振動臺，使差放正負電壓輸出對稱。（3）、從中點開始，調(diào)節(jié)螺旋測微儀，上下移動霍爾元件各3.5mm，每變化0.5mm讀取相應(yīng)的電壓值，并記入下表：Xmm0V0mv0作出V-X曲線，求得靈敏度和線性工作范圍。如出現(xiàn)非線性情況，請查找原因。注意事項：直流激勵電壓只能是2V，不能接+2V(4V)否則銻化銦霍爾元件會燒壞。2．霍爾傳感器的應(yīng)用——電子秤2.1.實驗?zāi)康模赫f明線性霍爾傳感器的實際應(yīng)用。2.2.實驗所需部件：霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓源（2V）、電橋、差動放大器、電壓表、砝碼。2.3.實驗步驟：實驗線路同上。移開測微儀，使輸出為零。系統(tǒng)靈敏度盡量大(輸出以不飽和為標準)，且工作在線性區(qū)。以振動圓盤作為稱重平臺，逐步放上砝碼，依次放上砝碼，依次記下表頭讀數(shù)，填入自擬表，并做出V-W曲線。移走稱重砝碼，在平臺上另放置一味知重量的物品，根據(jù)V-W曲線求得其重量。注意事項：（1）.霍爾式傳感器在做稱重時應(yīng)工作在梯度磁場中，所以砝碼和被稱重物都不應(yīng)太重。（2）.砝碼應(yīng)置于平臺的中間部分，避免平臺傾斜。三、實驗結(jié)果1．霍爾式傳感器的直流激勵特性X(mm)-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500U(mV)-10.0-9.2-8.69-6.29-4.89-3.21-1.610X(mm)0.501.001.502.002.503.003.50U(mV)1.633.264.946.638.189.4110.25如圖，線性區(qū)間為[-1.5，1.5]（單位mm）靈敏度S=3.261V/mm2．霍爾傳感器的應(yīng)用——電子秤砝碼（g）20406080100120U（V）-0.81-1.64-2.54-3.40-4.40-5.34如圖，直線擬合得公式U=-0.04541X+0.15733令U=-5.12，得未知物重量m=116g光纖傳感器一．實驗原理：反射式光纖傳感器工作原理如下圖所示，光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖合并于一端組成光纖探頭，一束作為接收，另一束為光源發(fā)射，紅外二級管發(fā)出的紅外光經(jīng)光源光纖照射至被測物，由被測物反射的光信號經(jīng)接收光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號，反射光的強弱表示了反射物與光纖探頭的距離，通過對光強的檢測就可得知位置量的變化。二．實驗內(nèi)容：光纖傳感器——位移測量實驗?zāi)康模毫私夤饫w傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。實驗所需部件：光纖（光電轉(zhuǎn)換器）、光電變換器、支架、電壓表、示波器、螺旋測微儀、反射片。3．實驗步驟：（1）、觀察光纖結(jié)構(gòu)：本實驗儀所配的光纖探頭為半圓型結(jié)構(gòu)，由數(shù)百根導(dǎo)光纖維組成，一半為光源光纖，一半為接收光纖。（2）、將原裝在電渦流線圈支架上的電渦流線圈取下，裝上光纖探頭，探頭垂直對準反射片中央（鍍鉻圓鐵片），螺旋測微儀裝上支架，以帶動反射鏡片位移。（3）、開啟主機電源，光電變換器V0（光纖輸出）端接數(shù)字電壓表，首先旋動測微儀使探頭緊貼反射鏡片（如兩表面不平行可稍許扳動光纖探頭角度），此時V0輸出≈0，然后旋動測微儀，使反射鏡片離開探頭，每隔0.25X(mm)V(V)位移距離如再加大，就可觀察到光纖傳感器輸出特性曲線的前坡與后坡波形，作出V-X曲線，通常測量用的是線性較好的前坡范圍。三．注意事項：1、光纖請勿成銳角曲折，以免造成斷裂，端面尤要注意保護，否則會造成靈敏度下降。2、每臺儀器的光電轉(zhuǎn)換器（包括光纖）與轉(zhuǎn)換電路都是單獨調(diào)配的，請注意與儀器編號配對使用。3、實驗時注意增益調(diào)節(jié)，輸出最大信號以2V左右為宜，避免過強的背景光照射。四．實驗結(jié)果X(mm)0.000.250.500.751.001.251.501.752.002.25V(V)0.170.500.761.001.181.401.571.751.791.81X(mm)2.52.753.003.253.503.754.004.25V(V)1.791.721.661.601.541.471.40V-X曲線見下圖【實驗】半導(dǎo)體應(yīng)變計實驗?zāi)康牧私獍雽?dǎo)體應(yīng)變計的靈敏度和溫度效應(yīng)實驗原理半導(dǎo)體應(yīng)變計主要是根據(jù)硅半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成，當半導(dǎo)體晶體受到作用力時，晶體除產(chǎn)生應(yīng)變外，電阻率也會發(fā)生變化，這就是半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。由于半導(dǎo)體△ρ/ρ遠大于形變，與金屬應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變計靈敏系數(shù)很高，但是在穩(wěn)定性及重復(fù)性方面都不如金屬箔式片。實驗結(jié)果單橋?qū)嶒炿娐罚喊雽?dǎo)體應(yīng)變計測試線路半導(dǎo)體應(yīng)變計測試線路++2V-2VR1R2WDV位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓V-0.16-0.38-0.62-0.86-1.05-1.30-1.54-1.82-2.09-2.32下行電壓V0.180.280.540.650.831.121.191.421.601.78S-=0.568V/mmS+=0.