传感器实验指南

目录实验一压阻式压力传感器的特性测试实验 (2)实验二电容传感器的位移特性实验 (5)实验三直流激励线性霍尔传感器的位移特性实验 (9)实验四电涡流传感器材料分拣的应用实验 (12)实验五光纤传感器位移测量实验 (14)实验一压阻式压力传感器的特性测试实验一、实验目的了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。

二、实验内容掌握压力传感器的压力计设计。

三、实验仪器传感器检测技术综合实验台、压力传感器实验模块、压力传感器、导线。

四、实验原理扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受到力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）组成电桥。

在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。

图13-1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。

+-放大单元主台体上电压表+4V 压阻式压力传感器Vo+VS+Vo-Vs-图1-1 压阻式压力传感器压力测量实验原理五、实验注意事项1、严禁将信号源输出对地短接。

2、实验过程中不要带电拔插导线。

3、严禁电源对地短路。

六、实验步骤1、将引压胶管连接到压力传感器上，其他接线按图1-2进行连接，确认连线无误且打开主台体电源、压力传感器实验模块电源。

图1-2 压阻式压力传感器的特性测试实验接线图2、打开气源开关，调节流量计的流量并观察压力表，压力上升到4Kpa左右时，根据计算所选择的第二级电路的反馈电阻值，接好相应的短接帽；再调节调零电位器RW2，使得图1-3中Vx与计算所得的值相符；再调节增益电位器RW1，使电压表显示为0.4V左右。

（进行此步之前，请先仔细阅读：七、实验报告要求）3、再仔细地反复调节流量使压力上升到18KPa左右时，根据计算，电压表将显示1.8V 左右。

4、重复步骤2和3过程，直到认为已足够精度时调节流量计使压力在4~18KPa之间，每上升1Kpa气压分别读取电压表读数，将数值列于表3。

表35、画出实验曲线。

6、实验完毕，关闭所有电源，拆除导线并放置好。

七、实验报告要求1、要求：当压力为4Kpa时，使得差分放大单元的电压输出为0.4V；当压力为18Kpa时，使得差分放大单元的输出为1.8V 。

图1-3 压力传感器测试电路2、当压力为4Kpa 时，测得压力传感器的输出电压Vout 与GND 间的电压Va ；当压力为18Kpa 时，测得压力传感器的输出电压V out 与GND 间的电压Vb ；然后根据图1-3列式进行计算，在第二级放大电路的反馈电阻（10K 、20K 、51K 、100K ）中，用跳线帽选择一个合适的反馈电阻。

再根据所选择的反馈电阻，确定V1和Vx 的值，便于实验。

具体计算公式如下：当压力为4Kpa 时：10.2240.2V x Va x+⋅=-+ 10.410V Vx Vx R--=当压力为18Kpa 时：'10.2240.2V x Vb x +⋅=-+ '1 1.810V Vx Vx R--= 其中：V1、V1’分别为4Kpa 和18Kpa 时三运放的输出电压，Vx 为调零电位器RW2端的电压；x 为RW1所需调到的阻值，R 为第二级放大电路的反馈电阻。

3、计算完后，先根据所选择的第二级放大电路的反馈电阻值，接好短接帽，然后再根据计算的电压值V1和Vx 分别调节调节电位器RW1和RW2。

实验二电容传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容传感器结构及特点。

二、实验内容掌握电容传感器的基本应用。

三、实验仪器传感器检测技术综合实验台、电容传感器实验模块、电容传感器、振动源实验模块、示波器、导线。

四、实验原理1、电容传感器是以各种类型的电容为传感元件，将被测物理量转换成电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，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、圆板形和圆柱形，虽然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18-1所示：它是由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Δx位移时，电容量的变化量为ΔC=C1-C2=ε2π2Δx/ln(R/r)，式中ε2π、ln(R/r)为常数，说明Δc与Δx位移成正比，再配上配套的测量电路就能测量位移。

图18-1 实验电容传感器结构2、测量电路（电容变换器）：如图18-2所示，测量电路的核心部分是图18-3的电路。

图18-2 电容测量电路图18-3 二极管环形充放电电路在图18-3中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C5电容、L1电感和Cx1、Cx2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Cx1和Cx2两端电压均由E1充到E2。

充电电荷一路由a点经过D3到b点，再对Cx1充电到O点（地）；另一路由由a点经过C5到c 点,再经D5到d点，再经Cx2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=Cx2(E2-E1) (18-1)当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容Cx1 和Cx2均放电。

Cx1经过b点、D4、c点、C5、a点、L1放电到O 点；Cx2经过d点、D6、L1放电到O点。

在t2放电时间内由c到a点的电荷量为：Q2=Cx1(E2-E1) （18-2）当然，（18-1）式和（18-2）式是在C5电容值远远大于传感器的Cx1和Cx2电容值的前提下得到的结果。

电容C5的充放电回路由图18-3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=（Cx1-Cx2）（E2-E1）=ΔCxΔE (18-3) 式中；Cx1与Cx2的变化趋势是相反的（由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=fΔCxΔE （18-4）五、实验注意事项1、严禁将信号源输出对地短接。

2、实验过程中不要带电拔插导线。

3、严禁电源对地短路。

六、实验步骤1、按图18-4示意图接线：电容传感器实验模块电源单元接主台体上的±15V电源；将脉冲调制单元的Fout与电容测量放大单元的Fin相接；将电容传感器安装在电容传感器实验模块的电容测量放大单元上，即将传感器引线插头插入实验模板的插座中，电容传感器黄色和红色引线分别接电容模块J1和J2，蓝色引线接插孔GND；将电容测量放大单元的Vout与GND 接主台体上的电压表的“+”和“-”极，将电压表选择置于“20V”档。

图18-4 电容传感器的接线示意图2、打开主台体电源开关和电容传感器实验模块的电源开关，用示波器观察Fout的波形，调节脉冲调制单元的电位器W1，使其输出频率为500KHz的方波，再将电容测量单元的电位器RW1调节到中间位置，旋动测微头推进电容传感器移动至极板中间位置，使电压数显表显示为最小值。

3、旋动测微头，每间隔0.5mm记下位移X与输出电压值，填入表8：4、根据上表数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

5、实验完毕，关闭所有电源，拆除导线并放置好。

实验三 直流激励线性霍尔传感器的位移特性实验一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用。

二、实验内容掌握霍尔传感器的位移测量方法。

三、实验仪器传感器检测技术综合实验台、霍尔传感器模块、线性霍尔传感器、振动源实验模块、测微头、导线。

四、实验原理霍尔传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。

它将被测量的磁场变化（或经磁场为媒介）转换成电动势输出。

霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。

如图19-1所示，把一块宽为b ，厚为d 的导电板放在磁感应强度为B 的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I ，此时在板的横向两侧面A ，A ，之间就是呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差U H 称霍尔电压。

霍尔效应的数学表达式为：H HH IBU R K IB d== 式中；R H =-1/（ne ）是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；K H =R H /d ，称为灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。

图19-1 霍尔效应示意图具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N 型半导体材料（金属材料中自由电子浓度n 很高，因此R H 很小，使输出U H 极小，不宜作霍尔元件），厚度d 只有1um 左右。

五、实验注意事项1、请务必断电连线，否则极易烧坏霍尔传感器。

2、注意霍尔传感器引线的接法。

3、注意J16和R1上要接上两个短接帽，如下图19-2所示。

4、注意按顺序进行调零。

六、实验步骤1、将霍尔传感器、测微丝杆固定在振动源实验模块上的测微支架上，并调节测微丝杆使霍尔传感器大约处于磁场的中间位置。

2、根据图19-2接线，需要注意的是：将线性霍尔传感器的红线和黑线分别接霍尔传感器实验模块的直流激励实验单元的输入端J1和J2，蓝色和黄色线分别接输出端J4和J3端；将电压调节处的旋钮拨至±4V，并将+Vout和-V out接入到直流激励单元的+4V和-4V的端子上；将主台体上的±15V接入到霍尔传感器实验模块的电源单元中；调零单元的OUT2与GND 需接到主台体上的电压表的“+”和“-”极；其他部分的接线严格按照接线图进行。

3、调零：先打开主台体电源开关，再打开霍尔传感器模块电源开关。

调节霍尔传感器模块上的RW1电位器，使霍尔传感器的输出J4和J3间的电压为零，关闭霍尔传感器模块电源；将IN1+和IN1-短接并接到GND，打开霍尔传感器实验模块电源开关，调节电位器W3使调零单元的输出OUT2和GND间的电压为零，调零完后关闭霍尔传感器实验模块电源，并将IN1+和IN1-间的短接线以及与GND间的接线拿掉。

图19-2 直流激励线性霍尔传感器接线图4、打开霍尔传感器实验模块电源，测微头向轴向方向推进，每转动0.5mm记下调零单元输出电压OUT2的读数，直到读数近似不变，将读数填入表9：表95、根据上表作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。