传感器原理实验指导书

《传感器原理及应用》实验指导书闻福三郭芸君编著电子技术省级实验教学示范中心实验一 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，单臂电桥工作原理和性能。

二、 实验仪器1、传感器特性综合实验仪 THQC-1型 1台2、万用表 MY60 1个三、 实验原理金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。

金属的电阻表达式为：SlR ρ=（1）当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长l ∆，横截面积相应减小S ∆，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变ρ∆，故引起电阻值变化R ∆。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。

在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。

通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系εσE = （2）式中：ζ——测试的应力； E ——材料弹性模量。

可以测得应力值ζ。

通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。

电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

四、 实验内容与步骤1、应变式传感器已装到应变传感器模块上。

用万用表测量传感器中各应变片R1、R2、R3、R4，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2、将主控箱与模板电源±15V 相对应连接，无误后，合上主控箱电源开关，按图1-1顺时针调节Rw2使之中间位置，再进行放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi 相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V 档）。

关闭主控箱电源。

（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。

）3、应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（如四根粗实线），把电桥调零电位器Rw1，电源±5V ，此时应将±5V 地与±15V 地短接（因为不共地）如图1-1所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节Rw1，使数显表显示为零。

4、按表1-1中给出的砝码重量值，读取数显表数值填入表1-1中。

图1-1 应变式传感器单臂电桥实验接线图5、根据表1－1计算系统灵敏度W U S ∆∆=/（U ∆输出电压的变化量，W ∆重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS ×100％ 式中m ∆（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g.五、 实验注意事项1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V ，绝不可错接成±15V ，否则可能烧毁应变片。

六、 实验报告要求1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2、从理论上分析产生非线性误差的原因。

实验二金属箔式应变片——半桥、全桥、电子秤实验一、实验目的1、了解半桥及全桥测量电路的原理及优点。

2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、实验仪器传感器特性综合实验仪 THQC-1型 1台三、实验原理把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EGε／2。

式中E为电桥供电电压。

四、实验内容与步骤1、将主控箱与模板电源±15V相对应连接，检查无误后，合上主控箱电源开关，进行放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。

关闭主控箱电源。

2、根据图2-1接线。

R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5。

按表2-1中给出的砝码重量值，读取数显表数值填入表2-1中。

计算灵敏度WUS∆∆=/2，非线性误差2fδ。

若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。

则应更换应变片。

3、根据图2-2接线，将四个应变片接入电路。

接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。

4、按表2-2中给出的砝码重量值，读取数显表数值填入表2-2中，进行灵敏度和非线性误差计算。

图2-1 应变式传感器半桥实验接线图图2-2 应变式传感器全桥实验接线图6、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V或—0.200V。

7、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。

8、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。

9、把砝码依次放在托盘上，填入下表2-3中。

根据上表，计算误差与非线性误差。

五、实验注意事项1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

六、实验报告要求1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。

实验三差动变压器的性能测定一、实验目的1、了解差动变压器的工作原理和特性。

2、了解三段式差动变压器的结构。

二、实验仪器1、传感器特性综合实验仪 THQC-1型 1台2、示波器 MOS-620CH 1台三、实验原理差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于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，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。

四、实验内容与步骤1、将差动变压器及测微头安装在差动变压器实验模板上。

2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，在模块上按图3-1接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的音频振荡器的端子（正相或反相）输出，调节音频振荡器的频率，使输出频率为4-5KHZ（可用主控箱的频率计来监测）。

调节输出幅度为峰—峰值Vp-p=2V（可用示波器监测）。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每0.2mm 从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3-1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

图3-1 双踪示波器与差动变压器连接示意图4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压的大小，根据表3-1画出Vop-p—X曲线，求出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

五、实验注意事项1、在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为4V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。

2、模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。

六、思考题用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？七、实验报告要求1、根据实验测得的数据，绘制出测微头左移和右移时传感器的特性曲线。

2、分析产生非线性误差的原因。

实验四 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、 实验仪器传感器特性综合实验仪 THQC-1型 1台三、 实验原理利用平板电容C ＝εS ／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、S 、d 中三个参数中，保持两个参数不变，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，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：()12ln 2r r lC 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。

灵敏度与，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，因此可以很好的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。

四、 实验内容与步骤1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。

2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元Vi 相接（插入主控箱Vi 孔）Rw 调节到中间位置。

3、接入±15V 电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，当电压变为最小值时开始记输出电压值，然后向左右移动，每隔0.2mm 记下位移X 与输出电压值，填入表4-1。

4、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差f δ。

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。

图4-1电容传感器位移实验接线图六、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。

2、电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？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，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。

2、根据实验结果，分析引起这些非线性得原因，并说明怎样提高传感器得线性度。

实验五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、实验仪器传感器特性综合实验仪 THQC-1型 1台三、实验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UH ＝KHIB，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kxUH，式中k—位移传感器的灵敏度。