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1、测试与传感实验指导书主编：徐杭 张阳 主审：刘向阳姓名： 学号2013-03-06 前 言本书是针对机电工程系机械设计制造及其自动化专业，与传感器原理及工程应用这门必修专业基础课相配套，所编写的一本实验指导书。传感器原理及工程应用课程实验是为了使学生更深刻地理解书本上的原理与结论，亲自动手进行验证，提高感性认识和解决实际问题的能力，使学生能更好地掌握理论知识。所以传感器原理及工程应用课程实验指导书是紧密结合理论知识，根据教学大纲要求以实验报告形式所编写的一本实验指导书。本实验指导书根据课时要求与课程的重点内容，一共编写了三个实验：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较，霍尔传感器的直流激励特性，
2、差动面积式电容传感器的静态及动态特性。实验内容包括实验目的、预习要点、基本原理、实验设备及仪器、实验说明及操作步骤、实验注意事项、思考题、实验报告等。由于编者水平有限，加之时间仓促，书中错误在所难免，恳请读者批评指正。编 者2013年3月学生实验守则一、 学生必须按照教学计划规定时间，或预定的时间上实验课，不得迟到，早退或无故缺课。二、 必须遵守实验室的各项规章制度，服从实验教师指导，保持室内清洁，卫生，安静，有序。实验室内不得吸烟，接打手机。三、 遵守操作规程，注意人身安全。未经教师允许不许动用与本实验题目无关的仪器设备；凡因违反操作规程或擅自动用其他设备而造成损坏的，应按学校规定赔偿。四、
3、 实验前必须认真阅读实验指导书，明确实验目的，理解实验原理，掌握实验步骤，填写实验报告中的相应内容；实验中要正确操作，仔细观察，认真记录实验数据，经教师签字后方可结束实验；课后要独立完成实验报告，并按时交给实验教师批阅。五、 实验完毕后，应将实验仪器及用过的工具清理复原，搞好室内卫生，关好水电门窗，经教师同意后方可离开实验室。目录实验一 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较5实验二 差动面积式电容传感器的静态及动态特性8实验三 霍尔传感器的直流激励特性10实验一 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较预习要点1什么是应变式传感器？它的工作原理是什么？2什么叫应变效应？3试述应变片温度误差的概念，
4、产生原因和补偿办法。4什么是直流电桥？若按不同桥臂工作方式，可分为哪几种？一、实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。二、基本原理：说明实际使用的应变电桥的性能和原理。已知单臂、半桥和全桥电路的R分别为：R/R、2R/R、4R/R。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于ER，电桥灵敏度Ku=V/R/R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。三、需用器件与单元：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。四、旋钮初始位置：直流稳压电源
5、打到2V档，F/V表打到2V档，差动放大器增益打到最大。五、实验步骤：1、了解所需单元、部件在实验仪上的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下两片梁的外表面各贴两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。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、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，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。2、按图1接线，图中Rx=R4为工作片，r及W1为电桥平衡网络。V 直流稳压电源 11 RX
6、差动放大器 直流电压表 电桥平衡网络 + R1 R2 R3 r W1 +4V -4V 副电源 W2 W1 W2 W1 C R2 R1 r R3 电桥 开 10 11 图1 3、调整测微头，使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到4V档。选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器W1，使表头显示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。4、旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得的数值填入下表，然后关闭主、副电源：位移（mm）电压（mv）5、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取两片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节测微头，使梁到水平位置（目测
7、），调节电桥W1使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：位移（mm）电压（mv）6、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成，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F/V表显示零。重复（4）过程将读出数据填入下表：位移（mm）电压（mv）7、在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。注意事项：1、在更换应变片时应将电源关闭。2、在实验过程中如发现电压表发生过载，应将电压量扩大。3、在本实验中只能将放
8、大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。4、直流稳压电源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。思考题1、本实验电路对直流稳压电源和放大器有何要求？2、根据所给的差动放大器电路原理图（见附表一），分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。实验二 差动面积式电容传感器的静态及动态特性预习要点：根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？一、实验目的：了解差动变面积式电容传感器的原理及特性。二、基本原理：电容式传感器有多种形式，本仪器中为差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的
9、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为Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cx1和Cx2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、需用器件与单元：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器。四、旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档。五、实验步骤：1、按图30接线。电容变换器 电容变换器 1 2 5 C1 C2 Vo 增益 V + 电容变换器 5 1 2 低通滤波器 差动放大器 电压表 电容传感器 图30 2、F/
10、V表打到20V，调节测微头，使输出为零。3、转动测微头，每次0.1mm，及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）静片覆盖面积最大为止。X(mm)V(mV)退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。4、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。5、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。思考题：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。电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优点？实验三 霍尔传感器的直流激励特性预习要点：1. 什么是霍尔效应？霍
11、尔电势与哪些因素有关？2. 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？3. 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？一、实验目的：了解霍尔式传感器的原理与特性。二、基本原理：霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上、下移动，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。三、旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置20V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。四、实验步骤：图 23 V 2V W1 r + 电桥平衡网络 霍尔式传感器 差动放大器 电压
12、表 +2V 直流稳压电源 N S S N 霍尔元件 环形磁铁 霍尔元件运动方向 1、了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。 2、开启主、副电源将差动放大器调零后，增益最小，关闭主电源，根据图23接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。3、装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。4、开启主、副电源，调整W1使电压表指示为零。5、上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.5mm读一个数，将读数填入下表：X(mm)V(v)作出V-X曲线，指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。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，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。6、实验完毕后关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。注意事项：1、由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。2、一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。3、激励电压不能超过2V，以免损坏霍尔片。 思考题归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。
