电容式传感器的位移实验

电容式传感器的位移实验
电容式传感器的位移实验

实验一 电容式传感器的位移实验

一、 实验目的:学会电容式传感器地初步使用,了解电容式传感器结构及其特点,

对该传感器有一感性认识。

二、基本原理:

利用电容C =εA /d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中,保持二个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(ε变)、测微小位移(d 变)和测量液位(A 变)等多种电容传感器。变面积型电容传感器中,平板结构对极距特别敏感,测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,且理论上具有很好的线性关系,(但实际由于边缘效应的影响,会引起极板间的电场分布不均,导致非线性的问题依然存在,且灵敏度下降,但比变极距性好得多。)成为实际中常用的结构。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,如下图所示:它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。其中线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为:

2X

C=ln(R/r)επ

式中:X ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;

R 、 r ——外圆筒内半径和内圆柱外半径;

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

1202X

X C=C -C ==C ln(R/r)X

επ??? 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。

于是,可得其静态灵敏度为:

g C 2+X 2-X 4k ==-/X=X ln(R/r)ln(R/r)ln(R/r)X X επεπεπ???????????

()() 可见灵敏度与R/r 有关,R 与r 越接近,灵敏度越高,虽然内外机筒原始覆盖长度X 与灵敏度无关,但X 不可太小,否则边缘效应将影响到传感器的线性。

三、需用器件与单元

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:

1、测微头的使用和安装参阅实验九。按图1将电容传感器装于电容传感器

接主机箱电压表的Vin)。实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出V

O1

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(同一个方向)5圈,记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后,反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数),将数据填入表1并作出X—V实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。

4、根据表1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。实验完毕,关闭电源。

图1 电容传感器位移实验安装、接线图

表1电容传感器位移与输出电压值

X(mm) 10.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0 11.2 11.4

V(mv) 0.083 0.057 0.026 -0.005 -0.032 -0.064 -0.095 -0.130 X(mm) 11.6 11.8 12.0 12.2 12.0 11.8 11.6 11.4

V(mv) -0.166 -0.190 -0.228 -0.254 -0.237 -0.209 -0.184 -0.137

五、实验注意事项

1、传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。

2、做实验时,不要接触传感器,否则将会使线性变差。

六、实验记录与处理

如表一所示

表1电容传感器位移与输出电压值

采用前10个数据,下面将利用最小二乘法拟合更加符合实验数据处理的V-X 曲线。

在这里,直接利用最小二乘法的结论:V=a+bX ,其中:

21

122

11a ()K K i i

i i i i K K

i i i i x y y x x K x ====-=-∑∑∑∑ 11122

11b ()K K K i i i

i

i i i K K i i i i x y K x y x K x =====-=-∑∑∑∑∑

计算a 、b ,可得a=141.79;b -121.01=

即得V-X 拟合曲线:V=-121.01X+141.79

误差分析:

把X 的值分别代入式V=-121.01X+141.79,可得:

1234567891V =1.412V =1.304V =-1.284V =-0.182V =-0.88V =-1.178V =-1.576V =0.526V =0.428V =1.53??????????;;;;;

;;;;。

(单位均为mv )

可得,线性度(非线性)为: max 7110 1.576=

100%100%100%0.724%117.288(100.23)

L FS V V V V V δ???=?=?=--- 七、思考题

1、简述什么是传感器的边缘效应,它会对传感器的性能带来哪些不利影响?

答:(1)对于平行板型电容器,理想平行板电容器的电场线是直线的,但在实际情况中,在靠近边缘的地方会变弯,越靠边就越弯得厉害,到边缘时弯得最厉害,这种弯曲的现象叫做边缘效应。

(2)可能会使得电容式传感器的输出阻抗变得更大;使得寄生电容产生的影响变大;也有可能使得输出特性的非线性变得更加不好。

2、电容式传感器和电感式传感器相比,有哪些优缺点?

答:(1)优点:

1、输入能量小,灵敏度高;

2、动态特性好;

3、结构简单,环境适应性好。

(2)缺点:

1、非线性较大;

2、受外界电容影响大;

3、输出阻抗大,负载能力差。

3、根据实验结果,分析引起这些非线性的原因,并说明提高传感器的线性度可以通过哪些途径。

答:本实验为变面积式电容传感器,采用差动式圆柱形结构,经分析实验数据,可得:引起这些非线性的原因可能有:受边缘效应的影响,引起极板间的电场分布不均匀;温度漂移;肉眼读取的位移值X 存在一定误差;实验过程中的操作不当等。要提高传感器的线性度,我认为,可以将电容式传感器做成差动形

式,实验表明,这种方法在实际应用中可以较好的提高传感器的灵敏度和减小非线性,是目前较为可行的方法。

霍尔传感器位移特性实验

实验14 直流激励时霍尔传感器位移特性实验 141270046 自动化杨蕾生 一、实验目的: 了解直流激励时霍尔式传感器的特性。 二、基本原理: 根据霍尔效应,霍尔电势U H=K H IB,当霍尔元件处在梯度磁场中运动时,它的电势会发生变化,利用这一性质可以进行位移测量。 三、需用器件与单元: 主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头、数显单元。 四、实验步骤: 1、霍尔传感器和测微头的安装、使用参阅实验九。按图14示意图接线(实验模板的输出V o1接主机箱电压表Vin),将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到2V档。 2、检查接线无误后,开启电源,调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。 3、以某个方向调节测微头2mm位移,记录电压表读数作为实验起始点;再反方向调节测微头每增加0.2mm记下一个读数,将读数填入表14。

作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项: 1、对传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。 2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V,否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题: 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化? 答:本人认为应该是实际的输入、输出与拟合的理想的直线的偏离程度的变化,当X不同的时候,实际的输出值与根据拟合直线得到的数值的偏离值是不相同的。 七、实验报告要求: 1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 实验数据如下: 表9-2

(1)由上图可知灵敏度为S=ΔV/ΔX=-0.9354V/mm (2)由上图可得非线性误差: 当x=1mm时, Y=-0.9354×1+1.849=0.9136 Δm =Y-0.89=0.0236V yFS=1.88V δf =Δm /yFS×100%=1.256% 当x=3mm时: Y=-0.9354×3+1.849=-0.9572V Δm =Y-(-0.94)=-0.0172V yFS=1.88V δf =Δm /yFS×100%=0.915% 2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种,各自的产生原因是什么,应怎样进 行补偿。 答:(1)零位误差。零位误差由不等位电势所造成,产生不等位电势的主要原因是:两个霍尔电极没有安装在同一等位面上;材料不均匀造成电阻分布不均匀;控制电极接触不良,造成电流分布不均匀。补偿方法是加一不等位电势补偿电路。 (2)温度误差。因为半导体对温度很敏感,因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显的变化,导致了霍尔元件产生温度误差。补偿方法是采用恒流源供电和输入回路并联电阻。

实验十九 开关式霍尔传感器测转速实验

实验十九开关式霍尔传感器测转速实验 一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。 二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。 图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图 三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。 四、实验步骤: 1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。 2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。 3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。

图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图 4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。 n(转/ 406286108132157179203225250分) V(mv)2003004635006017037999019991104 电机的V-n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线 五、思考题: 利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件? 被测物能够阻挡或透过或反射霍尔信号,般都是一个发射头一个接收头若发射接收安装在同侧,则被测物必须能反射该信号,发射接收安装在对侧,则被测物必须能阻挡透过该信

霍尔传感器制作实训报告

佛山职业技术学院实训报告 课程名称传感器及应用 报告内容霍尔传感器制作与调试专业电气自动化技术 班级08152 姓名陈红杰 学号31 二0一0年六月 佛山职业技术学院

《传感器及应用》 霍尔传感器制作实训报告 班级 08152 学号 31 姓名陈红杰时间2009-2010第二学期 指导老师张教雄谢应然 项目名称霍尔传感器电路制作与 调试 一、实验目的与要求: 1.对霍尔传感器的实物(电路部分)进行一个基本的了解。 2.了解双层PCB板以及一定(霍尔传感器)的焊接排版的技术和工艺。 二、实验仪器、设备与材料: 1.认识霍尔传感器(电路部分)的元件(附图如下): 2.焊接电路PCB板(双层)和对电路设计的排版工艺的了解。 3.对霍尔传感器的电路原理图进行基本的分析(附图如下):

霍尔传感器原理图: 霍尔开关电路(霍尔数字电路),由三 端7812稳压器,霍尔片差分放大器THS119, 三端可调分流稳压器TL431及双路JFET的输 入运放TL082和输出级组成。在外磁场的作 用下,当感应强度超过导通阀值时,霍尔电路 输出管导通,输出低电平 TL082是一通用的J-FET双运用算放大 器,其特点有,较低输入偏置电压和偏移电 流,输出没有短路保护,输入级具有较高的 输入阻抗,内建频率被子偿电路,较高的压 摆率。最大工作电压为18V。TL082是霍尔传 感器的核心处理部位。(CON2接口对应霍尔 元件THS119) 霍尔元件THS119封装图

印刷板: 3211 2 2 12 121 2121 21 21212 1 21 2 1 4321 1234 8 7653213 211 2321 121 2 1212 直流电源输入24V ,由IN4148、三端稳压管7812和TL431(串接一个电阻)构成的稳压支路,得到不同的电压。霍尔元件THS119是采样核心元件,值得一提的是Z2这个稳压元件。在实际运用当中精密稳压集成电路TL431并不一定要用实物,可以用一个NPN 型三极管来串接一个电阻来等效代替。 整个电路的设计运用了闭环温度反馈来实现自我保护。主要的设计是RT1热敏电阻,对电路在工作时的表面温度进行控制。这样的设计能很好的起到一个自我保护。 因为我们知道,霍尔传感器的PCB 板是封装在塑料外壳里,由于电路的工作环境的问题,导致电路几乎没有更好的散热(外壳有些导热)。至此,用到RT1热敏电阻来进行温度控制保护显得非常合理。 三、实验操作(焊接): 1.霍尔传感器PCB 双层印制电路板的焊接。 2.了解电路的元件的安排和电路设计线路的排版。

电容式位移传感器的设计

课程设计 设计名称: 电容式位移传感器的设计_ 专业班级: __ 姓名: ____________ 学号: _________ 指导教师: ______ xxxx年 xx 月

目录 一、设计要求……………………………………………………………… 3 二、电容传感器工作特性 (3) 三、电容传感器的优缺点 (3) 四、基本原理……………………………………………………………… 3 五、设计分析……………………………………………………………… 4 六、消除和减少寄生电容的影响 (5) 七、转换电路的设计 (6) 八、差动放大电路………………………………………………………… 8 九、相敏检波器系统工作及原理 (9) 十、心得体会 (11) 十一、参考文献 (12) 十二、附录 (13)

1、设计要求: 设计差动变面积式电容位移传感器,要求规定的设计参数。 1、测量范围(mm):0~±1mm; 2、线性度(%Fs):0.5; 3、分辨率(μm):0.01; 4、灵敏度(PF/mm): 5、通过理论设计、结构设计、理论分析等过程设计传感器结构和测量电路,画出结构示意图和测量电路图,并进行参数计算。利用参数和结构来选择合理的方法消除或减少寄生电容的干扰影响。结合传感器实验平台,确定传感器的静态灵敏度和线性范围,并设计电容传感器的电子秤应用实验。 2、电容传感器工作特性 电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。相对与其他传感器来说,电容式传感器的温度稳定性好,其结构简单,易于制造,易于保证高的精度,能在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作,适应性强;它的静电引力小,动态响应好,可用于测量高速变化的参数,如测量振动、瞬时压力等;它能够实现非接触测量,在被测件不能受力,或高速运动,或表面不连接,或表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务;当采用非接触测量时,电容传感器具有平均效应,可以减少工件表面粗糙度等对测量的影响。因其所需的输入力和输入能量极小,因而可测极低的压力、很小的加速度、位移等,由于在空气等介质中损耗小,采用差动结构并连接成桥式电路时产生的零点残余电压极小,因此允许电路进行高倍率放大,使仪器具有很高的灵敏度,分辨力高,能敏感0.01μm至更小的位移。本课题采用差动变面积式电容位移传感器,线性的反映电容和位移的变化关系。 3、电容传感器的优缺点

传感器的位移测量实验

位移测量实验报告 专业班级姓名实验仪器编号实验日期 一、实验目得 掌握常用得位移传感器得测量原理、特点及使用,并进行静态标定。 二、实验仪器 CSY10B型传感器系统实验仪。 三、实验内容 (一)电涡流传感器测位移实验· 1、测量原理 扁平线圈中通以交变电流,与其平行得金属片中产生电涡流。电涡流得大小影响线圈得阻抗Z。Z = f(ρ,μ,ω,x)。 不同得金属材料有不同得ρ、μ,线圈接入相应得电路中,用铁、铝两种不同得金属材料片分别标定出测量电路得输出电压U与距离x得关系曲线。 2、测试系统组建 电涡流线圈、电涡流变换器(包括振荡器、测量电路及低通滤波输出电路)、测微头、电压表、金属片。 3、试验步骤 4、数据分析与讨论 画出输入输出关系曲线,确定量程,非线性误差,在测量范围内计算灵敏度,进行误差分析。

(二)光纤传感器测位移实验 1、测量原理 反射式光纤传感器属于结构型, 工作原理如图。 反射式位移传感器原理 当发光二极管发射红外光线经光纤照射至反射体,被反射得光经接收光纤至光电元件。经光电元件转换为电信号。经相应得测量电路测出照射至光电元件得光强得变化。 2、组建测试系统 光纤、光电元件、发光二级管、光电变换测量电路、数字电压表、反射体(片)、测微头。 3、实验步骤 4、数据分析与讨论 画出输入输出关系曲线,确定量程,非线性误差,在测量范围内计算灵敏度,进行误差分析。 (三)电容式传感器测位移实验 1、测量原理

电容式传感器就是将被测物理量转换成电容量得变化来实现测量得。本实验采用得电容式传感器为二组固定极片与一组动极片组成二个差动变化得变面积型平行极板电容式传感器。。 电容式位移传感器测量系统方框图: 2、组建测试系统 需用器件与单元:机头中得振动台、测微头、电容传感器;显示面板中得电压表;调理电路面板传感器输出单元中得电容;调理电路单元中得电容变换器(包括了振荡电路、测量电路与低通滤波电路在内)、差动放大器。 3、实验步骤 1)、接线。调节测微头得微分筒使测微头得测杆端部与振动台吸合,再逆时针调节测微头得微分筒(振动台带动电容传感器得动片阻上升),直到电容传感器得动片组与静片组上沿基本平齐为止(测微头得读数大约为20mm左右)作为位移得起始点。 2)、检查接线无误后,合上主、副电源开关,读取电压表显示值为起始点得电压,填入下表中。 3)、仔细、缓慢地顺时针调节测微头得微分筒一圈△X=0、5mm电压表上读出相应得电压值,填入下表中,以后,每调节测微头得微分筒一圈△X=0、5mm读出相应得输出电压直到电容传感器得动片X(mm) U(V) X(mm) U(V) 4、数据分析与讨论 根据表得数据作出△X—U实验曲线,在实验曲线上截取线性比较好得线段作为测量范围并在测量范围内计算灵敏度S=△U/△X与线性度。实验完毕,关闭所有电源开关。 (四)霍尔片测位移实验(选做) 1、基本原理 如图,把一块宽为b,厚为d得P型半导体薄片垂直放在磁感应强度为B得磁场中,并纵向通以电流I ,此时在板得横向两侧面,之间就呈现出一定得电势差,这一现象称为霍尔效应。

实验十六 电容式传感器的位移实验

实验十六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: 1、原理简述:电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件,将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C=εA/d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中,保持二个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测干燥度(ε变)、测位移(d变)和测液位(A变)等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形,虽还有球面形和锯齿形等其它的形状,但一般很少用。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,差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图16—1所示:它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。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=ε2πx/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=ε2π2?X/ln(R/r),式中ε2π、ln(R/r)为常数,说明?C与?X位移成正比,配上配套测量电路就能测量位移。 图16—1 实验电容传感器结构 1、测量电路(电容变换器):测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是图16—2的二极管环路充放电电路。 图16—2 二极管环形充放电电路

在图16—2中,环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和C X1、C X2(实验差动电容位移传感器)组成。 当高频激励电压(f>100kHz)输入到a点,由低电平E1跃到高电平E2时,电容C X1和C X2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由a点经D3到b点,再对C X1充电到O点(地);另一路由由a点经C4到c点,再经D5到d点对C X2充电到O点。此时,D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内,由a到c点的电荷量为: Q1=C X2(E2-E1) (16—1) 当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时,电容C X1和C X2均放电。C X1经b点、D4、c点、C4、a点、L1放电到O点;C X2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到a点的电荷量为: Q2=C X1(E2-E1) (16—2) 当然,(16—1)式和(16—2)式是在C4电容值远远大于传感器的C X1和C X2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图16—2中实线、虚线箭头所示。 在一个充放电周期内(T=t1+t2),由c点到a点的电荷量为: Q=Q2-Q1=(C X1-C X2)(E2-E1)=△C X△E (16—3) 式中:C X1与C X2的变化趋势是相反的(传感器的结构决定的,是差动式)。 设激励电压频率f=1/T,则流过ac支路输出的平均电流i为: i=fQ=f△C X△E (16—4) 式中:△E—激励电压幅值;△C X—传感器的电容变化量。 由(16—4)式可看出:f、△E一定时,输出平均电流i与△C X成正比,此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出,再经R w转换成电压输出V o1=I R w。由传感器原理已知?C与?X位移成正比,所以通过测量电路的输出电压V o1就可知?X位移。 2、电容式位移传感器实验原理方块图如图16—3 图16—3电容式位移传感器实验方块图 三、需用器件与单元:主机箱±15V直流稳压电源、电压表;电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

(五) 电涡流传感器位移实验

(五) 电涡流传感器位移实验 一、实验目的:了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理:通以高频电流的线圈产生磁场,当有导电体接近时,因导电体涡流效应产生涡流损耗,而涡流损耗 与导电体离线圈的距离有关,因此可以进行位移测量。 三、需用器件与单元:电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、实验步骤: 1、根据图3-7安装电涡流传感器。 图3-7 电涡流传感器安装示意图 2、传感器结构,这是一个扁平绕线圈。 3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中,作为振荡器的一个元件(传感器屏蔽层接地)。 4、在测微头端部装上铁质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体。 5、将实验模板输出端V 0与数显单元输入端Vi 相接。数显表量程切换开关选择电压20V 档。 6、用连接导线从主控台接入+15V 直流电源到模板上标有+15V 的插孔中。 7、使测微头与传感器线圈端部接触,开启主控箱电源开关,记下数显表读数,然后每隔0.2mm 读一个数,直到输 出几乎不变为止。将结果列入表3-4。 表3-4电涡流传感器位移X 与输出电压数据 8、根据表4-4数据,画出V-X 曲线,根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点,试计 算量程为 1mm 、3mm 及5mm 时的灵敏度和线性度(可以用端基法或其它拟合直线)。 axis([10.5 18.5 0.66 7.9]); coords=[10.5:1:18.5,19.5;0.66,2.01,3.35,4.55,5.55,6.32,6.90,7.34,7.67,7.9]; grid; hold; plot(coords(1,:),coords(2,:),'*'); x=coords(1,:) y=coords(2,:)' 图3-8 电涡流传感器位移实验接线图

实验名称用霍尔传感器测定螺线管磁场

实验名称:用霍尔传感器测定螺线管磁场 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基教1108 实验日期 20 年 月 日 时段 同组同学 指导教师 一、实验目的(请先参阅实验教材上《磁场测量》的内容,然后充分阅读实验报告!) 1、验证霍尔传感器输出电势差与螺线管内磁感应强度成正比。 2、测量集成线性霍尔传感器的灵敏度。 3、测量螺线管内磁感应强度与位置之间的关系,求得螺线管均匀磁场范围及边缘的磁感应强度。 4、学习补偿原理在磁场测量中的应用。 二、实验仪器 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪,包括:实验主机、螺线管、集成霍尔传感器探测棒、单刀双掷开关、双刀双掷换向开关、、连接导线(4红,4黑)若干组成。其仪器装置如图1所示。 图1 新型螺线管磁场测定仪仪器装置 三、实验原理 把一块半导体薄片(锗片或硅片)放在垂直于它的磁场B 中,如图2所示,当沿AA ′方向(Y 轴方向)通过电流I 时,薄片内定向移动的载流子受到洛伦兹力f B 的作用而发生偏转。从而在DD ′间产生电位差U H ,这一现象称为 ,这个电位差称为 。

由电磁理论可得: U H = (1) 式中,K H = ned 1 称为霍尔元件的灵敏度,n 为载流子浓度,e 为载流子电荷电量,d 为半导体薄片厚度。 虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(即B=0)时,U H =0,但实际中,在产生霍尔效应的同时,还伴随着几个副效应,它们分别是 ; ; ; 。所以用数字电压表测时U H 并不为零,这是由于半导体材料结晶不均匀及各电极不对称等引起附加电势差,该电势差U 0称为剩余电压。 随着科技的发展,新的集成化(IC)元件不断被研制成功。本实验采用SS95A 型集成霍尔传感器(结构示意图如图3所示)是一种高灵敏度集成霍尔传感器,它由霍尔元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成。测量时输出信号大,并且剩余电压的影响已被消除。对SS95A 型集成霍尔传感器,它有三根引线,分别是:“V +”、“V -”、“V out ”。其中“V +”和“V -”构成“电流输入端”,“V out ”和“V -”构成“电压输出端”。由于SS95A 型集成霍尔传感器,它的工作电流已设定,被称为标准工作电流,使用传感器时,必须使工作电流处在该标准状态。在实验时,只要在磁感应强度为零(零磁场)条件下,调节“V +”、“V -”所接的“霍尔片工作电压”调节旋钮,使霍尔片传感器输出电压为2.500V(在数字电压表上显示),则传感器就可处在标准工作状态之下。 图3 95A 型集成霍尔元件内部结构图 图2 霍耳效应原理图

传感器测试实验报告

实验一 直流激励时霍尔传感器位移特性实验 一、 实验目的: 了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理: 金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件,根据霍尔效应,霍尔电势U H =K H IB ,当保持霍尔元件的控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动,则输出的霍尔电动势为kx U H ,式中k —位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高;磁场梯度越均匀,输出线性度就越好。 三、需用器件与单元: 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V 直流电源、测微头、数显单元。 四、实验步骤: 1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上,将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V , 2、4为输出。 2、开启电源,调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。 图9-1 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图 3、测微头往轴向方向推进,每转动0.2mm 记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表9-1。 表9-1 X (mm ) V(mv)

作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项: 1、对传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。 2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V,否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题: 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化? 七、实验报告要求: 1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种,各自的产生原因是什么,应怎样进行补偿。

实验一(电容式传感器的位移特性实验)

电容式传感器的位移特性实验 一、实验目的: 了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理: 利用平板电容C=εA/d和相应的结构及测量电路,在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,则可以有测谷物干燥度(ε变)、测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。利用电容传感器的动态响应特性和可以非接触测量等特点,可进行动态位移测量。 电容传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨力高(可达0.01mm甚至更高)、动态响应好、可进行非接触测量等特点,它可以测量线位移、角位移,高频振动振幅,与电感式比较,电感式是接触测量,只能测低频振幅,电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量(如油、粮食中的水份)、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制成功,正在走向工业化应用。 三、需用器件与单元: 电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。 四、实验步骤:

1、按图2-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 图2-1 电容传感器安装示意图 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板,实验线路见图2-2。 图2-2 电容传感器位移实验接线图 3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元V i相接(插入主控箱V i孔),R w调节到中间位置。 4、接入±15V电源,旋动测微头推进电容传感器动极板位置,每间隔

0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表2-1。 X(mm) V(mv) 5、根据表2-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。 五、思考题: 图2-3为同心圆筒式电容位移传感器结构图,D为屏蔽套筒。若外圆筒半径R=8mm,内圆柱半径r=7.25mm,外圆筒与内圆柱覆盖部分长度L=16mm。根据实验所提供的电容传感器尺寸,计算其电容量C O和移动0.5mm时的变化量。 图2-3 同心圆筒式电容位移传感器结构图 如有侵权请联系告知删除,感谢你们的配合!

实验四电容式传感器测量位移实验

实验四电容式传感器测 量位移实验 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

电容式传感器测量位移实验 一、实验目的 (1)了解电容式传感器结构及原理。 (2)熟悉数据采集系统的结构与应用。 二、基本原理 (一)电容式传感器及其测量电路 1、电容式传感器 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1所示:它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。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1 实验电容式传感器结构示意图 2、测量电路 测量电路画在实验模板的面板上,其电路的核心部分是二极管充放电电路。 (二)数据采集系统 数据采集系统(数据采集卡)对实验数据(模拟量)进行采集并与计算机 (PC机)通讯,再用计算机对实验数据进行分析处理。其原理框图如图2所示。 图2数据采集系统实验原理框图 三、需用器件与单元 主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头;数据采集通讯卡 (内置 式,已经装在主机箱内)、RS232连线、计算机。 附:测微头的组成与使用

测微头组成和读数如图3所示。 测微头读数图 图3测位头组成与读数 测微头组成:测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。 测微头读数与使用:测微头的安装套便于在支架座上固定安装,轴套上的主尺有两排刻度线,标有数字的是整毫米刻线(1mm/格),另一排是半毫米刻线(0.5mm/格);微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01mm/格)。 用手旋转微分筒或微调钮时,测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格,测杆沿轴方向移动微小位移0.01毫米,这也叫测微头的分度值。 测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值,注意半毫米刻线;再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1/10分度,如图3甲读数为3.678mm,不是3.178mm;遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时,应看微分筒的示值是否过零,如图3乙已过零则读2.514mm;如图3丙未过零,则不应读为2mm,读数应为1.980mm。 测微头使用:测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前,首先转动微分筒到10mm处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量),再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上,移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时,被测体就会随测杆而位移。 四、实验步骤: 1、按图4将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线(实验 模板±15V电源端口接主机箱±15V电源;实验模板的输出VO1接主机箱电压表的Vin)。

电容式传感器思考题答案

第3章 电容式传感器思考题答案 1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题 答:如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x 后,覆盖面积就发生变化,电容量也随之改变,其值为 C =εb (a -△x )/d =C 0-εb ·△x /d (1) 电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 d b x C K ε-=??= 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。 直线位移型电容式传感器 2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的采取什么措施可改善其非线性特征 答:下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板,2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板间的距离d 发生变化,从而改变了两极板之间的电容量C 。 设极板面积为A ,其静态电容量为d A C ε=,当活动极板移动x 后,其电容量为 22 011d x d x C x d A C -+=-=ε (1) 当x <

霍尔传感器实验步骤

【实验步骤】 (一)清点主要仪器(二)测量1.调节仪器①将仪器按照如图4所示安装:将弹簧固定在焦利秤上部的横梁上,在一 个刻有水平线的小平面镜杆下端挂上砝码盘,小平面镜杆穿过固定在立柱上的玻璃管,其上端与弹簧的下端相连, ②调节焦利秤的底脚螺旋,使焦利秤立柱竖直;调节螺旋E 使小平面镜上水平线与玻璃管壁上的水平线重合作为平衡位置,并调节支架让小镜面及其它参于振动的物体竖直。 2.测量弹簧的倔强系数K 2.1利用新型焦利秤(静态法)测定弹簧倔强系数K ①调节实验装置底脚螺丝,使焦利秤立柱垂直(目测);②将弹簧固定在焦利秤上部悬臂上,旋转悬臂,使挂于弹簧下放的砝码 盘的尖针(1)靠拢游标尺上的小镜; (2)在砝码盘放入10个1g 的砝码,然后依次取出。在三线重合(小钩中的平面镜中有一水平刻线G ,玻璃管上有一水平刻线D ,D 在平面镜中有一像D’,通过转动标尺调节旋钮可将弹簧上下移动,则平面镜同时上下移动。当G 、D 、D’三者重合时称“三线重合”。)时,记录各次标尺读数y1,y2,……y10。(3)作Mi ~Yi 图,验证Mi ~Yi 满足线性关系,并求出斜率,'K 即为弹簧的倔强系数。'/K g K 2.2测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数(动态法)K (1)用电子秒表测弹簧振子振动50次的时间,然后求得弹簧振子的周期。T (2)用集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期,求弹簧倔强系数。(3)将集成霍尔开关的三个引脚分别与电源和周期测试仪相接。OUT 接周期测试仪正级,V-接电源负极,并和周期测试仪负级连接,V+接电源正级,见图3;、管路敷设技术通过管线敷设技术不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题,而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中,要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等,要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式,为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题,合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则:在分线盒处,当不同电压回路交叉时,应采用金属隔板进行隔开处理;同一线槽内,强电回路须同时切断习题电源,线缆敷设完毕,要进行检查和检测处理。、电气课件中调试对全部高中资料试卷电气设备,在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验;通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系,根据生产工艺高中资料试卷要求,对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验;对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作;对于继电保护进行整核对定值,审核与校对图纸,编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案,编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案;对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题,作为调试人员,需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料,并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况,然后根据规范与规程规定,制定设备调试高中资料试卷方案。 、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术,电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时,需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全,并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围,或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理,尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作,并且拒绝动作,来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此,电力高中资料试卷保护装置调试技术,要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时,需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。

实验五-电容式传感器的位移特性实验

实验五 电容式传感器的位移特性实验 一、实验目的 了解电容式传感器的结构及其特点。 二、实验原理 平板电容器电容C =/s d ε,它的三个参数 ε、S 、d 中,保持两个参数不变,只改变其中一个参数,则可用于测量谷物干燥度(ε变)、测微小位移(变d )和测量液位(变S )等多种电容传感器。变面积型电容传感器中,平板结构对极距特别敏感,测量精度受到影响。圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,且理论上具有很好的线性关系(但实际由于边缘效应的影响,会引起极板间的电场分布不均,非线性问题仍然存在,且灵敏度下降,但比变极距型好得多。)成为实际中最常用的结构,其中线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为: () 212ln r r l C πε= (1) 式中 l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度; 12r r 、——外圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l ?时,电容变化量C ?为: ()()()() 222 1110222ln ln ln r r r r r r l l l l l C C l πεπεπε-????= -== (2) 于是,可得其静态灵敏度为: ()()()()()222 111224/ln ln ln g r r r r r r l l l l C k l l πεπεπε ??+?-??= =-?=??????? (3) 可见灵敏度g K 与12r r 有关,12r r 与越接近,灵敏度越高,虽然内外极筒原始覆盖长度l 与灵敏度无关,但l 不可太小,否则边缘效应将影响到传感器的线性。 本实验为变面积式电容传感器,采用差动式圆柱形结构,如图5-1所示,此结构可以消除极距变化对测量精度的影响,并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。其安装示意图如图5-2所示

电涡流传感器位移实验

实验二十电涡流传感器位移实验 一、实验目的 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、实验内容 用铁圆片检测电涡流传感器的位移特性。 三、实验仪器 电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、实验原理 电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成,当线圈中通以高频交变电流后,与其平行的金属片上感应产生电涡流,电涡流的大小影响线圈的阻抗Z,而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定,并保持环境温度不变,阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出,则输出电压是距离X的单值函数。 五、实验注意事项 被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行,并将探头尽量对准被测体中间,以减少涡流损失。 六、实验步骤 1、根据图20-1安装电涡流传感器。 2、观察传感器结构,这是一个平绕线圈。 3、将涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中,作为振荡器的一个元件。

图20-1 电涡流传感器安装示意图 图8-2 电涡流传感器位移实验接线图 4、在测微头端部装上铁质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体。 5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vin相接。数显表量程切换到选择电压20V 档。 6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有+15V的插孔中。 7、使测微头与传感器线圈端部接触,开启主控台电源开关,此时数显表读数为最小,然后每隔0.1mm读一个数,直到输出几乎不变为止。将结果列入下表。(实验结论:1、本实验每隔0.1mm是相对位置,起始值看做0.1mm即可,无需从测微头上读绝对位置。每旋转0.1mm,输出的电压的增量应该大致相等。2、由于学生做实验可能不能正确的找到起始点, 导致采集的数据不在线性范围内,从而影响数据采集的线性度,可以让学生从选取的起始

霍尔传感器电容传感器4实验数据+图形

《机械工程测试技术》实验指导书 实验一、霍尔传感器的直流激励特性 一、实验目的 加深对霍尔传感器静态特性的理解。掌握灵敏度、非线性度的测试方法,绘制霍尔传感器静态特性特性曲线,掌握数据处理方法。 二、实验原理 当保持元件的控制电流恒定时,元件的输出正比于磁感应强度。本实验仪为霍尔位移传感器。在极性相反、磁场强度相同的两个钢的气隙中放置一块霍尔片,当霍尔元件控制电流I不变时,Vh与B成正比。若磁场在一定范围内沿X方向的变化梯度dB/dX为一常数,则当霍尔元件沿X方向移动时dV/dX=RhXIXdB/dX=K,K为位移传感器输出灵敏度。霍尔电动势与位移量X成线性关系,霍尔电动势的极性,反映了霍尔元件位移的方向。 三、实验步骤 1.有关旋钮初始位置:差动放大器增益打到最小,电压表置2V档,直流稳压电源置±2V档。 2..RD、r为电桥单元中的直流平衡网络。 3.差动放大器调零,按图6-1接好线,装好测微头。 4.使霍尔片处于梯度磁场中间位置,调整RD使电压表指示为零。 5.上、下旋动测微头,以电压表指示为零的位置向上、向下能够移动5mm,从离开电压表指示为零向上5mm的位 置开始向下移动,建议每0.5mm读一数,记下电压表指示并填入下表 X(mm) V(v) X(mm)

6.用以上的位移和输出电压数据,绘出霍尔传感器静态特性的位移和输出电压特性V-X曲线, 指出线性范围。 7.将位移和输出电压数据分成两组,用“点系中心法”对数据进行处理,并计算两点联线的斜率,即得到灵敏度 值。 实验可见:本实验测出的实际是磁场的分布情况,它的线性越好,位移测量的线性度也越好,它们的变化越陡,位移测量的灵敏度也就越大。 四、思考题 1.为什么霍尔元件位于磁钢中间位置时,霍尔电动势为0。 2.在直流激励中当位移量较大时,差动放大器的输出波形如何?

电容式传感器思考题答案

第3章电容式传感器思考题答案 1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题 答:如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x 后,覆盖面积就发生变化,电容量也随之改变,其值为 C=εb (a-△x )/d=C 0-ε b ·△x/d (1) 电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为 d b x C K 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。 直线位移型电容式传感器 2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的采取什么措施可改善其非线性特征答:下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板,2为与被测对象相连的活动 极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板间的距离 d 发生变化,从而改变 了两极板之间的电容量 C 。 设极板面积为 A ,其静态电容量为 d A C ,当活动极板移动x 后,其电容量为 2 20 11 d x d x C x d A C (1) 当x<

位移实验

综合实验二位移实验 (一)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和其它结构的关系式,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,则可以有测谷物干燥度(ε变)、测位移(d变)和测量液位(A变)等多种电容式传感器。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2-9所示:它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。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=ε2πx/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=ε2π2?X/ ln(R/r),式中ε2π、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2-9 圆筒式变面积差动结构电容式位移传感器三、需用器件与单元 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 1.测微头的使用和安装参阅实验九。按图2-10将电容传感器装于电容传感 接主机箱电压表的Vi器实验模板上,并按图示意接线(实验模板的输出V O1 n)。 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针转3圈)。 3.将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到2v挡,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(同一个方向)5圈,记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后,反方向每转动测微头1圈,即△X=0.5mm位移,读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数),将数据填入表6,出X—V实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。 迟滞误差4.根据表6据计算电容传感器的系统灵敏度S、非线性误差δ L 、

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