检测与传感器实验讲义(董)

CSY2000型传感器检测技术实验台简介CSY2000型传感器与检测技术实验台主要用于“传感器原理与技术”、“检测与转换技术”等课程的教学实验。

CSY2000型传感器与检测（控制）技术实验台由主控台、测控对象、传感器、实验模板、实验桌等部分组成（见下图）。

附图CSY2000型传感器与检测（控）制技术实验台1、主控台部分：提供高稳定的±15V、+5V、±2V～±10V、+2V～+24V可调四种直流稳压电源，主控台面板上装有数显电压、频率、转速、压力表。

0.4KHz～10KHz可调音频信号源；1Hz～30Hz可调低频信号源；0～20kpa可调气压源；高精度温度控制仪表，电源故障报警指示，RS232计算机串行接口；浮球流量计。

2、测控对象有：振动台1Hz～30Hz （可调）；旋转源0-2400转/分（可调）；温度源<200℃(可调)。

3、传感器：电阻应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、集成温度传感器、热电偶、铂电阻、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

4、实验模块部分：有应变式、压力、差动变压器、电容式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波、气敏、湿敏。

实验一 应变片称重实验一、 实验目的1. 了解金属应变片的应变效应，设计应用应变片的称重检测电路；2. 比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能和特点；3. 掌握电桥检测、放大、显示等测量电路的设计方法和检测装置的调试技术。

二、 实验原理1. 应变片的工作原理导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应”。

2. 应变测量电桥应变片将机械应变转换为电阻变化后，为了显示和记录，通常将应变片组成电桥电路，使得由非电量引起的应变片电阻变化转化为电压或电流的变化。

而对电桥电路的要求是具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。

图1.1(a)为一单臂电桥电路，应变片接在电桥的一个臂上，电阻值为R 1。

无应变时，ΔR 1=0，此时电桥平衡，U 0=0；若应变片受力作用产生应变，则该臂阻值为R 1+ΔR 1，电桥就有电压输出，由图1.1 (a)可知。

(a) 单臂 (b) 半桥 (c) 全桥图1.1 应变片直流电桥电路3431111012411234113(/)(/)(1)(1)S S S R R R R R R R U U U U R R R R R R R R R R R ⋅∆+∆=-=∆+∆+++++ (1)设电桥初始平衡时，4213R R ==n R R ，且若11Rn R ∆<<，则(1)式近似地为 1021(1)SR nU U n R ∆≈⋅+ (2)所以电桥的电压灵敏度S u U n nR R U S 21101)1(/+≈∆=(3) 进一步设n=1，即有 R 1= R 2= R 3= R 4，可求得最大电压灵敏度为S u U S 411≈(4) 上述讨论是在11R n R ∆<<情况下进行，桥路的输出电压与应变的关系0()11RU f R ∆=是线性关系。

但若n 较小，且应变片承受的应变较大时，(1)式分母项中的11R R ∆就不能忽略，0()11R U f R ∆=就呈非线性。

补偿的办法是采用半桥或全桥差动电路。

如果将一片受压和一片受拉的两应变片，接入电桥相邻桥臂内，形成半桥差动电路，如图1.1 (b)所示。

设R 1= R 2= R 3= R 4，且ΔR 1=ΔR 2，则电桥输出1433121111021)(R R U U R R R R R R R R R U S S ∆=+-∆-+∆+∆+= (5)所以半桥的电压灵敏度S u U S 212= (6)由此可见，采用半桥差动电路不仅消除了非线性误差，而且电压灵敏度也比单臂电桥时提高了一倍。

若采用两片受压，两片受拉的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上，如图1.1 (c)所示，设R 1= R 2= R 3 =R 4，且ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4，则此时的输出电压和电压灵敏度为10S 1R U =U R ∆⋅(7) S u U S =3 (8)即全桥差动电路的电压灵敏度比单臂时提高了四倍，同时消除了非线性误差，因 而得到广泛的实际应用。

三、 实验步骤(一)、应变片单臂电桥实验1.根据图1.2,4个同型号的应变式传感器已粘贴在弹性梁上下表面。

为方便测量，各应变片已接入传感器模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。

图1.2 应变传感器安装示意图2.实验模板差动放大器调零，如图1.3所示，方法为：①将实验模板上的±15V和“ ”接地端子与主控台上的相应电源/接地端准确连接；将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控台上数显电压表输入端V i相连。

○2将实验模板增益调节电位器R w3调节到大致中间位置。

○3检查无误后，合上主控台电源开关，调节实验模板上调零电位器R W4，使电压表显示为零(数显表置2V档)，完毕后关闭主控台电源。

3．应变式传感器实验模块面板图1.3，按图1.4接线。

将应变式传感器中任一个应变片(模板左上方的应变电阻R1～R4任选一个)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥，将主控台的电压选择旋钮调至±4V输出，将V o+、Vo-端接入直流电桥电源端子。

电桥输出端接差动放大器输入端，放大器输出接数显表。

检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节R w1，使数显表显示为零，当调节R w1调零困难时，可以使用R w4微调实现调零。

图1.3 应变式传感器模块面板图图1.4 应变片单臂电桥实验线路4．在传感器托盘上依次放置10个砝码（每个20g），读取数显电压表数值，实验结果填入表1-1。

表1-1：单臂测量时输出电压与负载重量的关系（加载和卸载各测量5组）：重量（g）0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200加载时输出电压（mV）1 2 3 4 5卸载时输出电压（mV）1 2 3 4 5完成单臂桥称重加载和卸载实验后，选取一件随身物品如手机、钥匙串、眼镜等进行称重，记录其输出电压为。

(二)、应变片半桥差动实验承受相反应力的两个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。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压和灵敏度比单臂桥提高一倍。

图1.6 应变片半桥差动实验线路1．保持实验（一）的各旋钮位置不变。

2．根据图1.6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，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。

接入桥路电源±4V，调节R w1，使数显表显示为零，当调节R w1调零困难时，可以使用R w4微调实现调零。

同实验一（4）步骤，将实验数据记入表1-2注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整R w3旋钮）。

表1-2：半桥测量时，输出电压与负载重量的关系：重量（g）0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 加载时输出电压（mV）卸载时输出电压（mV）采用半桥差动测量电路，选取与单臂桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为。

(三)、应变片全桥差动实验全桥差动测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压和灵敏度比半桥差动又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。

1．保持实验（二）的各旋钮位置不变。

2．根据图1.7接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意电桥中任意相邻的两个应变片应承受相反应力，否则，全桥不能正常工作。

调节R w1，使数显表显示为零，当调节R w1调零困难时，可以使用R w4微调实现调零。

同实验一（4）步骤，将实验结果记入表1-3；注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整R w3旋钮）。

图1.7 应变片全桥实验线路表1-3：全桥测量时,输出电压与负载重量的关系重量（g）0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 加载时输出电压（mV）卸载时输出电压（mV）采用全桥差动测量电路，选取与前面电桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为。

四、实验仪器与设备1. 应变式传感器实验模板1块2. 砝码（每个约20g）10个3. 托盘一个4. 直流数显电压表主控台5. ±15V电源、±4V电源主控台五、注意事项1. 实验前应将实验中使用的导线全部检测一遍，确保导线全部导通。

2. 实验模板接±15V直流电源时，一定要接准确，切不可接反烧毁运算放大器。

3. 在更换应变片时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

4. 为了比较应变片单臂、半桥、全桥电路的电压灵敏度，这三种检测电路的实验过程中，桥路所加稳定电压(±4V)及差动放大器增益均应保持不变。

5. 差动放大器调零后，在实验过程中一般不再调整。

但是检测电桥则必须经常检查零点是否变化，并及时进行调整。

6. 实验中为防止电压表过载，在接好电路开通电源前，应先将量程打到最大(20V)，后根据实测数据的大小正确选择量程。

7. 本实验台上的地线是内部接通的，每块实验模板上的地线也内部接通。

8. 做此实验时应将低频振荡器的幅值关至最小，以减小其对直流电桥的影响。

六、创新和思考1．单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用（）。

A.正(受拉)应变片B.负(受压)应变片C.正、负应变片均可以2．半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在（）。

A.对边B.邻边C.对边邻边都可以3．查阅资料，谈谈在实际工作和生活中应变片式传感器还有哪些用途。

七、实验报告要求1. 根据表1-1实验数据，对单臂电桥时应变称重装置的静态特性（线性度、灵敏度、迟滞和重复性）进行分析。

2. 根据单臂电桥、半桥差动、全桥差动称重实验数据，在同一坐标上绘制出上述结果的三条V-W特性曲线。

（建议采用matlab用最小二乘法拟合曲线）3. 计算三种测量电桥的灵敏度S，实验结果与理想结论是否一致？如不一致分析产生的原因。

4. 计算并比较单臂电桥、半桥、全桥测量时的非线性误差，得出相应的结论并阐述理由。

5. 根据单臂电桥、半桥、全桥测量结果，结合对随身物品称重输出电压，分析计算该物品的质量。

对计算结果进行对比，分析实验误差产生的原因。

6. 完成创新与思考中的问题。

实验二电容传感器位移的测量一、实验目的1.设计差动变面积式电容传感器的位移测量电路；2.通过差动变面积式电容传感器的应用进一步了解传感器的原理、测量电路及其它相关电路的作用；3.了解电容式传感器的动态性能及测量原理与方法。