基本传感器实验论文

基本传感器实验

摘要：

通过几个基本的传感器实验可以让学生获得：

1可以培养学生动手、动脑的能力，从中建立起创新能力。

2传感器已经成为各个领域的关键部分，让我们了解和掌握传感器的基本知识及其应用，为今后的学习、工作和生活打下扎实的基础。

3本实验具有设计性、趣味性、开放性和可扩展性，实验时大量重复的接线和调试以及后续的数据处理、分析，可以加深我们对实验仪器构造和原理的理解，同时培养我们耐心仔细的实验习惯和严谨的实验态度。

关键词：基本传感器趣味创新动手能力

The basic sensor experiment

Manufacturing Institute of Measurement and Control four classes of Sichuan University Chen Wenwu school No. 1143024028

Abstract:

Can allow students to get through a few basic sensor experiments:

1.Can train students hands-on, minds, from which to build innovation capability.

2.The sensor has become a key part of the various fields, let us understand and master the basic knowledge and its application of the sensor, and lay a solid foundation for future learning, work and life.

3.In this study, design, fun, openness and scalability, a lot of duplication of wiring and debugging experiments and subsequent data processing, analysis, can deepen our understanding of the structure and principles of the experimental apparatus, while cultivating our patience carefullyexperimental habits and rigorous experimental attitude.

Keywords: basic sensor interesting innovation ability

引言：

1.定义：传感器(Transducer/Sensor)是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。（国标GB7665—2005）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数（如电阻R，电感L，电容C）或电流、电压等电量。信号转换电路：将转换元件输出的电路参数接入信号调理电路并将其转换成易于处理的电压、电流或频率量。

2.传感器的物理定律

1）守恒定律（能量、动量、电荷量等守恒定律）

2）场的定律（运动场的运动定律，电磁场的感应定律等）

3）物质定律（如虎克定律、欧姆定律等）

4）统计法则

传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

正文：

在进行实验之前，认真仔细阅读相关注意事项。由于各模块是完全独立的，所以接线比较繁琐，要认真检查之后，确认接线正确之后，方可通电实验，否则，会烧坏芯片。

设计和思考问题部分，可以查阅相关资料或请教老师完成所要求的内容。

实验时不要晃动或者摇动实验桌以及相关的仪器设备和线路，以免导致线路接触不良，使实验无法正常进行。

实验：

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥

1.实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。

所需模块及仪器设备：

直流恒压源DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。

旋钮初始位置：

直流恒压源DH-VC2±4V档，万用表打到2V

2.实验步骤：

1、了解所需模块、器件设备等，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。测微头在双平行梁后面的支座上，可以上、

2、差动放大器调零：V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，V REF与V REF相连，V+与V+相连，V-与V-相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端V P（＋）、反相端V N（－）与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零；注意：差动放大器调零时，电路中不能接入其他部件。

3、根据图1接线R1、R2、R3为电桥模块的固定电阻，R4则为应变片；将直流恒压源的打至±4V档，万用表置20V档。开启直流恒压源，调节电桥平衡网络中的电位器W1，使万用表显示为零；

图1

4、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使万用表显示最小，再旋动测微头，使万用表显示为零（细调零），并记下此时测微头上的刻度值（要准确无误地读出测微头上的刻度值）。

5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移(X)记下万用表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm

万用表显示的电压相应变化）。

7、在托盘未放砝码之前，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度S=ΔU／ΔW，并作出U-W关系曲线，ΔU为电压变化率，ΔW为相应的重量变化率。(重量用W表示，电压用U表示，后面所用，与此相同，不再另作说明。)

(1) 本实验电路对直流恒压源和放大器有何要求？

答：灵敏度正比于直流电流，电压越高灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片的限制，因此需要适当选择。

放大器可以实现电压的放大作用，因此放大供电电压倍数因考虑应变片的消耗限制，适

当选择放大倍数。

(2) 根据原理图，简要分析差动放大器的工作原理。

注意事项：

(1)在记录数据之前，请将测微头调至一个合适位置。合适位置：指的是测微头螺杆最长及最短时，万用表示数的范围要足够大。调节方法：通过调整测微头支杆座的高度来实现；

(2)在旋转旋钮时，请不要转动测微头支杆。

实验二金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较

1.实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。

所需模块及仪器设备：

直流恒压源DH-VC2、差动放大器、电桥模块、万用表、测微头及连接件、传感器实验台一、应变片和九孔板接口平台。

旋钮初始位置：

直流恒压源±4V档，万用表打到2V档，差动放大器增益中间位置。

2.实验步骤：

1、差动放大器调零：V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，V REF与V REF相连，V+与V+相连，V-与V-相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端V P（＋）、反相端V N（－）与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零。

2、按图2接线，图中R X为应变片，r及W1为可调平衡网络。

图2

3、安装和调整测微头到磁钢中心位置并使双平行梁处于水平位置(目测)，记下该刻度值，再将直流恒压源打到±4V档。选择适当的放大增益，然后调节电桥平衡电位器W1，使万用表显示为零。

4、旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭直流恒压源：

3X

片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使万用表显示表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：

121

换成，R2换成）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使万用表显示为零。重复（4）过程将读出数据填入下表：

注意事项：

(1) 在更换应变片时应将直流恒压源关闭。

(2) 在实验过程中如有发现万用表发生过载，应将电压量程扩大。

(3) 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。

(4) 直流恒压源为±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。

（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。

实验十五霍尔式传感器的特性—直流激励

实验目的：了解霍尔式传感器的原理与特性。

所需模块及仪器设备：

霍尔式及磁场、霍尔片、电桥模块、差动放大器、万用表、直流恒压源、测微头及连接件、传感器实验台一和九孔板接口平台。

旋钮初始位置：

差动放大器增益旋钮打到最小，万用表置20V档，直流恒压源±2V档。

实验步骤：

1、了解霍尔式传感器的结构，熟悉霍尔片的符号，将霍尔磁场固定在振动盘上，调节振动盘与霍尔片之间的位置，不可有任何接触，以免将霍尔传感器损坏；

2、按图15接线，W1、r为电桥模块的直流电桥平衡网络,霍尔片上的A、B、C、D与霍尔式上的一一对应；

3、装好测微头，调节测微头与振动盘吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。

4、打开直流恒压源调整W1使万用表指示为零（要先将W1调节好再调整霍尔片的位置）；

5、上下旋动测微头，记下万用表的读数，建议每0.1mm读一个数，将读数填入下表：

图15

可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。

6、实验完毕关闭直流恒压源，各旋钮置初始位置。

注意事项：

1、由于磁场的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。

2、激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。

实验十六霍尔式传感器的应用—电子秤

实验目的：了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。

所需模块及仪器设备：

霍尔式及磁场、霍尔片、差动放大器、直流恒压源、测微头及连接件、电桥模块、砝码、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。

旋钮初始位置：

直流恒压源±2V档，万用表2V档。

实验步骤：

1、将霍尔磁场固定在振动盘上，调节振动盘与霍尔片之间的位置，（不可有任何接触，以免将霍尔传感器损坏。）使霍尔片刚好处于磁场的中间位置；

2、按图15接线，霍尔片上的A、B、C、D与霍尔式上的一一对应；打开直流恒压源；

3、差动放大器增益调至适中位置，调节调零旋钮使万用表显示为零；

4、在称重平台上放上砝码，填入下表：

求得未知物体的重量。

注意事项：

1、此霍尔传感器的线性范围较小，所以砝码和重物不应太重。

2、砝码应置于振动盘的中间部位，装或卸砝码时，不要用力拉扯。

实验二十二差动变面积式电容传感的静态及动态特性

实验目的：了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。

所需模块及仪器设备：

电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、万用表、九孔板接口平台、直流恒压源、频率振荡器、示波器和传感器实验台一

旋钮初始位置：

差动放大器增益合适位置。

实验步骤：

1、先将差动放大器调零；

2、再将电容式动片固定在振动盘上，调整好动片与静片的位置，不能相互接触，按图22接线。

图22

把电容的增益拧至合适位置，万用表20V档并调节测微头，使输出为零，并记下其刻度值。

3、转动测微头,每次0.3mm，记下此时测微头的读数及万用表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。

4、计算系统灵敏度S。S＝ΔU／ΔX（式中ΔU为电压变化，ΔX为相应的梁端位移变化），并作出U－X关系曲线。

总结：

传感器与测试技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。实验就是使学生加深理解所学基础知识，掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；具有测试系统的选择及应用能力；具有实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验技能的训练与分析能力的训练，使学生初步掌握测试技术的基本方法，具有初步独立进行机械工程测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深对理论知识的理解。

《DH-SJ2基本传感器型.物理设计性实验装置》杭州大华科教仪器研究所