传感器实验报告

同济大学电子与信息工程学院 实验报告

实验课程名称： 自动化仪表与过程控制 任课教师： 苏永清 试验项目名称： 传感器实验 实验教师： 翟志清

姓名： 邓修齐 学号： 1452533 姓名： 寿佳鑫 学号： 1452507

实验日期： 2017.05.27、2017.06.05、2017.06.12 实验地点： 电信楼121 1

实验一 金属箔式应变片实验 一、 实验目的 1. 了解金属箔式应变片，单桥臂的工作原理和工作情况。 2. 验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。

二、 实验原理 测量单臂、半桥和全桥测量电路下的输出电压和形变（位移）的关系。 三、 实验单元及部件 直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平衡梁、测微头、一片应变片、F/V表头、主副电源。 旋钮初始化位置：直流稳压电源打到±2V档，F/V表头2V档，差动放大器增益最大。

四、 实验步骤 1. 了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片尾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和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 2. 将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V 表的输入插口Vi 相连；开启主、负电源；调接差动放大器增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使 F/V 表显示为零，关闭主、副电源。 3. 据下图接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；Rx=R4 为应变片。将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V 表置20V 档。调节测位头脱离双平行梁，开关主、副电源，调节电桥平衡网络中的 W1，使 F/V 表显示为零，然后将 F/V 表置2V档，在调节电桥W1（慢慢地调），使F/V 表显示为零。

4. 将测微头转动到 10mm 刻度附近，安装到双平行梁的自由端（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 F/V 表显示最2

位移(mm)

电压(mV)

小，再旋动测微头，使F/V 表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 5. 旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填表，然后关闭主、副电源。 6. 保持放大器增益不变，将R3固定电阻换成与R4工作状态相反的另一应变片，即取二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F/V表显示为零，重复上一步过程同样测得读数填表。 7. 保持放大器增益不变，将R1、R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成上下箭头R2换成下上箭头）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F/V表显示零。重复上一步过程将读出数据填表。 8. 实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。

五、 实验结果 1. 实验数据 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 单臂 0.003 0.011 0.019 0.028 0.036 0.045 0.054 0.061 0.072 0.082 0.090

半桥 -0.002 0.011 0.026 0.041 0.056 0.071 0.086 0.102 0.118 0.133 0.148

全桥 0.000 0.027 0.055 0.083 0.113 0.142 0.172 0.200 0.229 0.258 0.290

2. 数据处理

六、 实验思考题 3

1. 本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？ 答：直流稳压电源的波纹系数小，电压调整率低，防止产生误差，放大器输入阻抗要高，同相反相放大一致。 2. 根据所给的差动放大器电路原理图（见附录一），分析其工作原理，说明它既能做差动放大，又可做同相或反相放大器。 答：当电桥后面接放大器时，电桥输出端看成开路，电桥输出式为：

𝑈𝑜=𝑅1𝑅4−𝑅2𝑅3(𝑅1+𝑅2)(𝑅3+𝑅4)×𝑈 应变片工作时，其电阻变化为Δ𝑅时 𝑈𝑜=(𝑅1+Δ𝑅1)(𝑅4+Δ𝑅4)−(𝑅2+Δ𝑅2)(𝑅3+Δ𝑅3)

(𝑅1+Δ𝑅1+𝑅2+Δ𝑅2)(𝑅3+Δ𝑅3+𝑅4+Δ𝑅4) 采用等臂电桥，即𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅4

=𝑅，则上式可写为

𝑈𝑜=Δ𝑅1+Δ𝑅4−Δ𝑅3−Δ𝑅24𝑅×𝑈 相邻两应变片极性不同，即一为拉应变，另一为压应变，输出电压为两者之和，此时为差动放大器。若仅仅在电桥上接入一片应变片，当接入𝑅1或𝑅4位置时可当同相放大器，当接入𝑅2或𝑅3位置即为反相放大器。

七、 实验心得 4

实验三十 差动变面积式电容传感器的静态及动态特性 一、 实验目的 1. 了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性 二、 实验原理 电容式传感器有多种形式，本试验仪中用的是差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装与振动态的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应的变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定位C×1，下层定片与动片形成的电容定为C×2，当将C×1和 C×2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。

三、 实验单元及部件 电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器。 有关旋钮的初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档。

四、 实验步骤 1. 按下图接线

2. F/V表打到20V档，调节测微头，使输出为零。 3. 转动测微头，每次0.5mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）定片覆盖面积最大为止。 4. 返回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动，同上法，记下X(mm)及V(mv)值。 5. 计算系统灵敏度S。S=△V/△X（式中△V为电压变化，△X为相应的梁端位移变化），并作出V—X关系曲线。 6. 卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。

五、 实验结果 1. 实验数据 X(mm) 0 0.5 1 1.5 2.0 2.5 3.0 V(mV) 0 0.050 0.007 0.001 -0.034 -0.051 -0.053 2. 数据处理 5

3. 输出波形 六、 实验心得 6

实验十一 差动变压器（互感式）的性能 一、 实验目的 1. 了解差动变压器的原理及工作情况 二、 实验原理 差动变压器有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈有两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边，差动变压器的开磁路，工作是建立在互感的基础上的，其原理及输出特性见下图。

三、 实验单元及部件 音频振荡器 、测微头、示波器、主副电源、差动变压器、振动台。 有关旋钮的初始位置：音频振荡器4kHz~8kHz、双踪示波器第一通道灵敏度500mV/div、第二通道灵敏度10mV/div，触发选择打到第一通道，主副电源关闭。

四、 实验步骤 1. 根据下图接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双踪示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主副电源，将示波器探头（CH2、CH1）分别接到差动变压器的输入和输出端，调节差动变压器原边线圈，音频振荡器激励信号峰峰值为2V。 7

2. 用手提压变压器磁芯，观察示波器第一通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。 3. 转动测微头使测微头使测微头与振动平台吸合，再向上转动测微头5mm，使振动平台往上位移。 4. 向下旋转测微头，使振动平台产生位移。每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度S。S=△V/△X（式中△V为电压变化，△X为相应振动平台的位移变化），做出X-V关系曲线。读数过程中应注意初、次级波形的相应关系。

五、 实验结果 1. 实验数据 X(mm) +2.5 +2.0 +1.5 +1.0 +0.5 0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5

V(mV) 276 226 174 124 61.6 15.6 60.0 114 164 210 256

2. 数据处理

3. 波形 8

六、 实验思考题 1. 根据实验结果，指出线性范围。 答：根据实验数据，变压器的线性范围约为4~10mm 2. 当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双踪示波器观察到的波形会发生怎样的变化？ 答：当磁棒位置由上到下变化时，示波器的波形幅值会先减小得到最小值，然后再反向增大。 3. 用测微头调节振动平台的位置，使示波器上观察的差动变压器的输出阻抗端信号最小，这个最小电压是什么？由于什么原因造成的？ 答：当阻抗最小时最小输出电压约为28mV，存在这个最小电压是因为线圈存在内阻，当阻抗最小时线圈电阻起主导作用，会在线圈两端产生一个较小的电压。

七、 实验心得