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1、传感器技术实验指导书（修订版）电力与自动化工程学院传感器技术实验室目 录实验一 金属箔式应变片及直流电桥实验（综合性）1实验二 金属箔式应变片的温度影响实验6实验三 直流全桥的应用电子秤实验7实验四 差动变压器特性实验8实验五 电容式传感器的位移特性实验12实验六 霍尔式传感器的位移特性实验14实验七 磁电传感器测速实验17实验八 电涡流传感器特性实验18实验九 光纤传感器的位移特性实验20实验十 光纤传感器测速实验22实验十一 光电传感器的转速测量实验24实验十二 温度仪表PID控制实验25实验十三 温度传感器测温特性实验25实验十四 非标准热电偶的标定（设计性）29实验十五 气体流量的测定
2、实验 (演示性)30实验十六 计算机温度PID控制实验31实验十七 光敏电阻特性实验34实验十八 光敏二极管特性实验37实验十九 光敏三极管特性实验40实验二十 光电池特性实验42附录：数据分析相关知识45传感器技术实验指导书实验一 金属箔式应变片及直流电桥实验（综合性）实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，理解直流电桥的工作原理和性能。比较单臂电桥、半桥、全桥的不同特性。基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：式中为电阻丝电阻的相对变化，为应变灵敏系数，为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应
3、变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是将电阻的变化转变为电压变化，这样，电桥的输出电压即反映了应变片的受力状态。单臂电桥输出电压可表示为：O1。不同受力方向的两片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Uo2=。全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，不同受力方向的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3= R4，其变化值R1=R2=R3=R4时，其桥路输出电压Uo3=。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝
4、码、数显表、15V电源、4V电源、万用表（自备）。实验内容和步骤：一、单臂电桥实验1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模块上， 在无压力作用下，R1= R2= R3= R4=350，加热丝阻值为50左右。2、接入模块电源15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针调节到中间位置（特别注意：单臂电桥、半桥、全桥系统实验应始终保持差动放大器增益不变），再进行差动放大器调零，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的数显表电压输入端Vi相连，调节实
5、验模块上调零电位器Rw4，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。+4V -4V 接主控箱 电源输出 接主控箱 电源输出 接主控箱 电源输出 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 接数显表 Vi 地 R1 加热 应变片 引出线 固定垫圈 固定螺丝 限程螺丝 模块 弹性体 托盘 加热丝 应变片 图1-1 应变式传感器安装示意图 3、将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控
6、箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。4、在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。表1-1 单臂电桥输出电压与加负载重量值重量（g）020406080100200电压（mv）二、半桥性能实验 1、根据图1-3接线。R1、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和R1受力方向相反。接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图1-3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。接主控箱电源输出 接主控箱电源输出 接数显表Vi 地 图1-3 应变式传感器半桥实验接线图 2、在电子秤上放置
7、一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-2，关闭电源。表1-2 半桥测量系统输出电压与加负载重量值重量（g）020406080100200电压（mv）3、将步骤1中R2换为R3，重复步骤1、2。4、分析以上两种半桥接法哪种更合理。5、若要求用R1、R3作为感应元件，则应如何连接桥路？画出桥路连接示意图。三、全桥性能实验1、根据图1-4，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，组成直流电桥（全桥），接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图1-4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。2、在电
8、子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-3，关闭电源。表1-3 半桥测量系统输出电压与加负载重量值重量（g）020406080100200电压（mv）3、将步骤1中R1、R2位置互换，重复步骤1、2。4、根据试验数据分析两种全桥的不同，哪种布置方法更合理？5、根据实验一、二、三的结果，分别计算3个系统的灵敏度、非线性误差。图1-4 应变式传感器全桥实验接线图思考题：1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可。2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接
9、入电桥时，应放在：（1）对边；（2）邻边。3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性；（2）应变片应变效应是非线性的；（3）调零值不是真正为零。4、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1= R3， R2= R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以； （2）不可以。5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图1-5所示，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻?R1 R2 R3 R4 F F R1 R2 R3 R4 F F 图1-5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图 实验二 金属箔式应变片
10、的温度影响实验实验目的：了解温度对应变片测量系统的影响。基本原理：电阻应变片的电阻值受温度的影响，主要来自两个方面的原因：敏感栅丝的温度系数；应变栅线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。需用器件与单元：应变传感器实验模块、数显表单元、直流源、加热器（已贴在应变片底部）实验步骤：1、保持实验一中全桥实验结果及实验接线。2、将200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取Uo1。3、将5V直流稳压电源（主控箱）接于实验模块的加热器插孔上，数分钟后，待数显表电压显示值基本稳定后，记下读数Uot，UotUo1即为温度变化对测
11、量值的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。思考题：1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？2、应变式传感器可否用于测量温度？实验三 直流全桥的应用电子秤实验实验目的：了解应变片直流全桥的应用及电路的标定方法。基本原理：电子秤实验原理为实验一中全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（mV）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、15V电源、4V电源。实验步骤：1、将差动放大器调零，按图1-4全桥接线，合上主控箱电源开关调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.00V。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上
12、，调节电位器Rw3（增益即满量程调节），使数显表显示为0.200V（2V档测量）或-0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1及Rw4（零位调节），使数显表显示为0.000V或-0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲mV改为重量量纲g，就可称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，读取数据并填入下表：重量（g）0204080100120140160180200电压（mv）6、根据上表计算系统非线性误差。实验四 差动变压器特性实验实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。基本原理：差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成，根据
13、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，将两只次级线圈反向串接，就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的位移量。差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式表示，式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、为激励电压和频率，M1、M2为初级线圈与两次级线圈间的互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当时输出Uo与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对测量系统的稳定性不利
14、。由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈纵向排列的不均匀性，两二级线圈的不均匀、不一致，铁芯B-H特性的非线性等原因，当铁芯处于差动线圈中间位置时，差动输出电压并不为零。即为零点残余电压。需用器件与单元：差动变压器实验模块、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。实验内容和步骤：一、差动变压器的位移特性实验1、根据图4-1，将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。接第一通道示波器 接第二通道示波器 6 2 3 4 1 5 插座管脚编号 图4-2 双线示波器与差动变压器连接示意图 图4-1 差动变压器电容传感器安装示意图 差动变压器、 电容传感器
