传感器检测技术实验报告材料

《传感器与检测技术》

实验报告

姓 名： 学 号： 院 系：仪器科学与工程学院 专 业： 测控技术与仪器 实 验 室： 机械楼5楼 同组人员： 评定成绩： 审阅教师：

传感器第一次实验

实验一 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 1/4o U EK ε=，其中K 为应变灵敏系数，/L L ε=?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。

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.应变片单臂电桥实验。

测得数据如下，并且使用Matlab的cftool工具箱画出实验点的线性拟合曲线：

050

100150200

246810x

y

untitled fit 1y vs. x

由matlab 拟合结果得到，其相关系数为0.9998，拟合度很好，说明输出电压与应变计上的质量是线性关系，且实验结果比较准确。

系统灵敏度 (即直线斜率)，非线性误差=

=

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：（1）负（受压）应变片；因为应变片受压，所以应该选则（2）负（受压）应变片。

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1234R R R R ?=?=?=?时，其桥路输出电压3o U EK ε=。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。

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，并且使用Matlab 的cftool 工具箱画出实验点的线性拟合曲线：

重量（g）0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压（mv）0 5 9 13 18 22 27 31 36 40 45

拟合值（mv）0.04

5

4.5

1

8.9

7

13.4

4

17.9

22.3

7

26.8

3

31.2

9

35.7

6

40.2

2

44.6

9

|△m x| 0.04

5 0.4

9

0.0

3

0.44 0.10 0.37 0.17 0.29 0.24 0.22 0.31

050100150200

10

20

30

40

x

y

2

由matlab拟合结果得到，其相关系数为0.9995，比上个实验中的单臂电桥线性度差，跟理论存在误差。

系统灵敏度V/Kg (即直线斜率)，非线性误差δ= =，

可见全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍可以看出，但非线性度却高于单臂电桥。

按照实验结果，对于灵敏度的测量时符合理论值的，但是非线性误差是有误的，分析其原因可能是测量过程中的仪器调节、读数误差、以及仪器本身存在的问题。我们在做实验的过程中，仪器存在一定问题，总是很难调节或者得到稳定的数据，不够精准。

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。因为电桥平衡的条件为：R1R3=R2R4。

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，如图2-8，能否如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图2-8 受拉力时应变式传感器圆周面展开图

答：能够利用它们组成电桥。

（a）图中4个应变片对称分布于测试棒上，检测试件横向拉力，如果已知试件泊松比

则可知试件纵向应变。任意选取两个电阻接入电桥的对边，输出为两倍的横向应变，并选取外加电阻使电桥平衡；

（b）图中R3、R4应变片检测试件纵向拉力，R1、R2检测横向拉力，可以选取R3、R4接入电桥对边，输出为两倍的纵向应变。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。

注意：比较实验中，（a）、（b）、（c）放大电路的放大器增益必须相同。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图2-9 应变电桥

①单臂

U0 ＝U1－U3

＝〔(R1＋△R1)/(R1＋△R1＋R2)－R4/(R3＋R4)〕E

＝〔（1＋△R1/R1）/（1＋△R1/R1＋R2/R2）－（R4/R3）/（1＋R4/R3）〕E

设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1/R1<<1。

U0≈(1/4)(△R1/R1)E

所以电桥的电压灵敏度：S＝U0/(△R1/R1)≈kE＝(1/4)E

②半桥

U0≈(1/2)(△R1/R1)E

S＝(1/2)E

③全桥

U0≈(△R1/R1)E

S＝E

答：由以上可以看出，在灵敏度方面全桥的灵敏度最高，半桥次之，单臂最差，非线性度，单臂的非线性度最高即线性度最差，全桥的线性度最好

线性度：单臂>单桥>全桥

理论上： 灵敏度： 单臂 4E S =

，半桥 2E

S = ，全桥 S E =。 非线性度：单臂100%2K K ε

δε

=

?+，半桥 0δ=，全桥 0δ=。

如前所述，由于外界因素，导致我们的非线性误差的计算存在很大偏差，但是就根据理论分析来看，全桥利用差动技术，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。

全桥利用差动技术，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。

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Uo 1。

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Uo t 。

（U ot -U 01）即为温度变化的影响。

温度变化产生的相对误差：

%

10001

1

ot ?-=

U U U o δ

②如何消除金属箔式应变片温度影响？

答：可以采用温度自补偿法或者桥路补偿法。

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。

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，本次实验选取4561Hz，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，约为0.035v），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（微分筒转过20格）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：

实验曲线如下：

-2

-1.5-1-0.500.51 1.52

050

100

150

200

250

300

从图可以看出，数据基本呈线性，关于x=0对称的，在零点时存在一个零点误差，即零点残余电压，在15mv 左右。

位移为1mm 时， 灵敏度为151V/m ，非线性度δ= =；

位移为-1mm 时，灵敏度为138.9V/m ，非线性度δ= =

由上式得到的非线性度可知，差动式变压器输出的非线性较好。

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：受导线的驱肤效应和铁损等的影响，若频率过大超过某一数值时（该值视铁心材料而定）将会导致灵敏度下降。

2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答：相同点：都利用了电磁感应原理。

不同点：一般变压器为闭合磁路，初、次级间的互感为常数；

差动变压器为开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按

差动方式工作。

传感器第二次实验

实验九电容式传感器的位移实验

一、实验目的

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理

利用电容C＝εA／d的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传感器。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图3-6所示：由二个圆筒和一个圆柱组成。

设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2 ｘ／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生X位移时，电容量的变化量为C=C1－C2=ε2 2 X／ln(R／r)，式中ε2 、ln(R／r)为常数，说明C与位移X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图3-6 电容式位移传感器结构

三、实验器材

主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

四、实验步骤

图3-7 电容传感器位移实验原理图

1、按图3-8将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1接主机箱电压表的Ｖin。

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传３圈）。

3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到2v档，合上主机箱电源开关；旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0v ，再转动测微头（向同一个方向）5圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；

此后，反方向每转动测微头1圈即△x=0.5mm位移读取电压表读数，共转10圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）；将数据填入表3-7并作出x-v实验曲线。

X(mm) 16.741 16.24

1 15.74

1

15.24

1

14.74

1

14.24

1

13.74

1

13.24

1

12.74

1

12.24

1

V(mv) -316 -248 -188 -120 -60 -10 57 119 178 236 拟合值

(mv)

-287 -230 -174 -118 -61 -5 51 107 163 220 |△m x| 29 18 14 2 1 5 6 12 15 16

X(mm) 11.741 11.241

10.741 10.241 9.741 9.241 8.741 8.241 7.741 7.241

V(mv) 293 350 408 461 514 565 618 665 693 740 拟合值(mv) 276

332

389

445

501

557

614

670

726

783

|△m x |

17 18 19 16 13 8 4 15 33 37

表3-7 电容传感器位移与输出电压值

实验曲线

7

8

9

10

11

1213

14

15

16

17

-300

-200-1000100200300400500600700x

y

4、根据表3-7数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差

V/m

δ=

=；

五、思考题

试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

答：原理：测谷物的湿度时，稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，当电容的A与d为恒定值，C=f()中发生变化。

结构：传感器为上下两个极板，谷物从传感器之间穿过。

考虑因素：感应器是否与谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间穿过以及直板传感器的边缘效应。

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速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶体上产生正比于运动速度的表面电荷。

三、实验器材

主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。

四、实验步骤

1、按照连线图将压电传感器安装在振动台上，振动源的低频输入接主机箱的低频振荡器，其它连线按照图示接线。

2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出波形。

3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入和输出波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台，同时观察输出波形的变化。

4、改变振动源的频率，观察输出波形的变化。

低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，用频率表监测，用示波器读出峰峰值填入表格。