传感器原理实验指导书

传感器原理实验指导书

孙红鸽、曹毅

实验一 模拟称重电子秤电路设计及精度分析

一、 实验性质：综合性实验项目 二、 实验目的

在该实验中，学生采用“金属箔式应变片”传感器完成“模拟电子秤”的实验，通过不同的应变片粘贴方法，改进对应的电路，分析不同情况下电子秤的测量精度，并提出改进方向。该实验可应用性强，扩展学生的视野，有利于提高学生综合实验能力。 三、 基本原理 1、模拟电子秤原理

电阻应变式模拟电子秤是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 2、电阻应变效应

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：

ΔR/R=Kε

式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化。 3、单臂电桥

对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。（E为供桥电压）。 4、半桥电桥

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U02=EKε/ 2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。 5、全桥电桥

全桥测量电路中，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U03=KEε，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。 四、 基本元器件

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。 五、 实验要求与步骤 实验要求：

1、了解金属箔式应变片单臂、半桥、全桥电桥的特点；

2、提出并设计基于金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的电子秤称重测量电路原理图；

3、完成金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的称重实验；

4、根据测量结果，分析半桥、全桥的输出电压与负载重量的关系，计算系统的灵敏度S及非线性误差δ，比较全桥、半桥、单臂电桥的不同性能，确定电子秤称重测量电路； 5、电子秤电路标定

6、实验报告：实验做完后，每个学生应该及时完成实验报告，并认真分析思考题； 实验步骤：

1、差动放大器调零。方法是用导线将差动放大器的正负输人端与地端连接，然后将输出端接到电压表的输人端Vi，将实验模板上差动放大器增益旋钮Rw3调节到大约中间位置。接入模板电源±15Ｖ（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，调节实验模板上的调零电位器Rw4使电压表指示为零（电压表为2V档），完毕后关闭主控箱电源。 2、提出并设计基于金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的电子秤称重测量电路原理图。 3、按照设计好的实验电路接线。将直流稳压电源打到合适的档位，参考前面实验一至实验四进行实验，将获得的实验数据填入表15中。

表 1 输出电压与负载重量的关系

重量（g） 单臂输出电压（mv） 半桥输出电压（mv） 全桥输出电压（mv）

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 4、根据获得的实验数据进行分析、比较，确定电子秤称重测量电路。 5、根据确定的测量电路连接电路并标定。标定步骤如下：

1）、按图4全桥接线，电压表置2V档，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，并细调Rw4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，调节增益电位器Rw3(即满量程调整)，使数显表显示为0.200V或-0.200V。

3）、拿去所有砝码，再次调零。 4）、重复2、3步骤的标定过程，一直到满量程显示0.200V，空载时显示0.000V为止，把电压量纲V改为重量量纲g，即成为一台原始的电子秤。

5）、把砝码依次放在托盘上，将相应的电压表数值填入表16：

表 2 输出电压与负载重量的关系

重量（g） 电压（mv）

6、在应变梁处加一未知重物，记录电压的读数，对照定标曲线确定该重物的质量。 7、检验电子秤的温度特性。其步骤如下： 1）、保持电子秤接线不变。

2）、将200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一数值Uo1。

3）、将主控箱上+5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔，数分钟后待数显电压表显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1即为温度变化对电子秤测量的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。 8、实验完毕，整理实验台。

9、实验数据处理、分析，实验总结。

六、 思考题

1、单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片 (2)负(受压)应变片 (3)正、负应变片均可以。

2、半桥侧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：(1)对边？ (2)邻边的位置？

3、全桥测量中，当两组对边(R1、R3)电阻值相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1≠R2时，是否可以组成全桥：(1)可以，(2)不可以。

4、有时候把重物全拿下来，电压表并不为零，为什么？ 5、称重时，电压表的示数为什么不稳定？

实验二 差动变压器的性能实验

一、实验目的：

1、了解差动变压器的工作原理和特性。 2、熟悉数字示波器的使用。

二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。在传感器的初级线圈上接入高频交流信号，当初、次中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化促使两个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(同名端连接)，在另两端就能引出差动电势输出，其输出电势的大小反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器，音频振荡器、直流稳压电源、数字电压表。

四、实验步骤

1、根据图 1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图 1 差动变压器安装示意图

2、在模块上如图 2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率旋钮，输出频率为4～5KHz(可用主控箱的数显频率表来监测调节幅度旋钮使输出幅度为Vp-p=2V~5V之间，(可用示波器监测），将差动变压器的两个次级线圈的同名端相连。注：判别初次级线圈及次级线圈同名端的方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图 2接线。当铁芯左、右移动时，分别观察示波器中显示的初、次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级圈波形比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别，直到正确为止。图 2中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的实验插座。

图 2 双踪示波器与差动变压器连接示意图

3、将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使示波器第二通道显示的波形值Vp-p为最小，并将测量支架顶部的螺钉拧紧，这时可以进行位移性能实验，假设其中一个方向为正位移，则另一方向为负位移。从Vp-p最小处开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出电压Vp-p值并填入表4，再从Vp-p最小处反向旋转测微头，重复实验过程。在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

表 3 差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表

X(mm) Vp-p(mv) ﹣← 10mm 最小

→+ 4、实验过程中差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压。根据表 3画出Vp-p—X曲线（注意：X-与X+时的Vp-p相位），分析量程为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。 五、思考题

1、表4中的最小电压值是什么？产生的原因有哪些？它能彻底消除吗？ 2、实验测量数据能反映衔铁的移动方向吗？ 3、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

实验三 电容式传感器的特性实验

一、实验目的：了解电容式传感器的结构及其特点。

二、基本原理：利用平板电容C=εA/d的关系，在ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可使电容的容量(C)发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量，则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。②变d的电容式压力传感器。③变A的电容式位移传感器。本实验采用第③种电容传感器，是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。

接主控箱电源输出

接主控箱数显电压表

图 3 电容传感器位移实验接线图

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、直流稳压电源。

四、实验步骤

1、按图 1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图 14。

3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值(V)，填入表10。将测微头回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程。

表 4 电容式传感器位移与输出电压的关系

X(mm) V(mv) - ← 10mm 最小 →+ 5、根据表10数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差δf ，分析误差来源。 五、思考题

1、试设计一个利用ε的变化测谷物湿度的电容传感器？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

实验四 直流激励的非接触式霍尔位移传感器单双向特性实验

一、实验目的：了解霍尔式位移传感器原理与应用。

二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，保持KH、I不变，若霍尔元件在梯度磁场B中运动，且B是线性均匀变化的，则霍尔电势UH也将线性均匀变化，这样就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、线性霍尔位移传感器、直流电源±4V、15Ｖ、测微头、数显单元。

四、实验步骤

1、将霍尔传感器按图 16安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图 17进行。①、③为电源±4Ｖ，②、④为输出，R1与④之间联线可暂时不接。在测微杆顶端吸上被测圆形磁钢，注意极性。

图 4 霍尔传感器安装示意图

2、开启电源，接入±15V电源，将测微头移至圆形磁钢顶住霍尔传感器，即数显表电压指示最大，拧紧测量架顶部的固定螺钉。（此时测微头刻度应从0mm开始）

图 5 霍尔式位移传感器直流激励实验接线图

3、旋转测微头，使圆形磁钢离开霍尔传感器，每转动0.5mm记下数字电压表读数，并将读数填入表 11，直到电压表读数基本不变。

表 5 霍尔式位移传感器位移量与输出电压的关系

X(mm) V(mv)

0mm → 作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度S和非线性误差δ。 以上是霍尔式位移传感器单向特性实验。

4、根据V-X曲线，找出最佳线性段中点。（最佳线性段，灵敏度S要尽可能大，非线性误差δ要尽可能小）

5、将测微头旋转至线性段中点，接入R1与④之间的联线，调节RW1使数显电压表指示为零（数显表置2V档）。

6、旋转测微头，每转动0.5mm记下数字电压表读数，并将读数填入表 12，直到进入非线性段，将测微头回到线性段中点处，反向旋转测微头，重复实验过程，填入表 12。作出V-X曲线。

表 6 霍尔式位移传感器位移量与输出电压的关系

X(mm) V(mv)

← 中点值 0 → 以上是霍尔式位移传感器双向特性实验。 7、实验完毕，断电、整理试验台。

8、实验数据处理，比较一下两条V-X曲线的特点，实验总结。 五、思考题

1、本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

非接触式霍尔位移传感器的应用―电子秤实验

一、实验目的：了解霍尔式传感器用于称重的原理。

二、基本原理：当振动台加载时悬臂梁会产生一相应的位移量，通过霍尔式位移传感器测量位移可将重量转换成电压。

三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显单元。 四、实验步骤

1、传感器安装参照图 15，线路接法参照图 5。

2、在霍尔实验模板上加上直流电压±4Ｖ和±15Ｖ，电压表量程置 2Ｖ档 。 3、利用实验八双向特性实验的结果（V-X曲线），当振动台无重物时，调节传感器高度活动杆在位移线性段的起点，调RW2使数显表指示为零，用手按压振动台，传感器活动杆不应有卡住现象，否则需重新调整传感器的安装位置。

4、在振动台面上分别加砝码：20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表指示的相应值，依次填入表 13。

表 7 输出电压和重量的关系

重量（g） 电压（mv） 0 0 20 40 60 80 100 5、根据表 13计算该称重系统的灵敏度S及非线性误差δ。 6、放上未知重物，读出数显表显示的电压值。 7、计算出未知重物大约为 g。

五、思考题

1、该电子称重系统所加重量受到什么限制？ 2、试分析本称重系统的误差。

实验台简介

CSY-2000/型传感器与检测（控制）技术实验台是由杭州赛特传感器技术有限公司生产的。该实验台由主控台、测控对象、传感器、实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等六部分组成。

1、主控台。主控台面板上装有数显电压表、频率/转速表、压力表；高稳定的可调的直流稳压电源分别为：±15V、+5V、±2V～±10V、+2V～+24V）；0.4KHz～10KHz的可调音频信号源；1Hz～30Hz的可调低频信号源；0～15kpa的可调气压源；高精度温度控制仪表；电源故障报警指示单元；浮球流量计；RS232计算机串行接口。

2、三源板（提供被测信号）。振动源：提供1Hz～30Hz的可调信号；旋转源提供每分钟0-2400转的可调转速信号；温度源：提供<200℃的可调温度信号。

3、传感器： 1.电阻应变式传感器（已固定在实验模板上）；2.扩散硅压力传感器；3.差动变压器；4.电容式传感器；5.霍尔式位移传感器；6.霍尔式转速传感器；7.磁电转速传感器；8.压电式传感器；9.电涡流位移传感器；10.光纤位移传感器；11.光电转速传感器；12.电流型集成温度传感器AD590；13.K型热电偶；14.E型热电偶（K型、E型已固定在一个套管内）；15.Pt100铂电阻；16.湿敏传感器（已固定在实验模板上）；17.气敏传感器（已固定在实验模板上）。

4、实验模块部分：应变模块、压力模块、差动变压器模块、电容模块、电涡流模块、光纤位移模块、温度模块、移相/相敏检波/滤波模块、气敏模块、湿敏模块。

5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用12位A/D转换、采样速度100000点/秒，采样速度可以选择，既可单步采样亦能连续采样。标准RS-232接口，处理软件具有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目的选择与编辑、数据采集、特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等功能。

6、实验桌尺寸为：1600(长)×800(宽)×780(高)(mm)，实验桌上配有计算机及示波器。

附录

实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验

一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应；

掌握单臂电桥工作原理和性能。

二、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：

ΔR/R=Kε

式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。（E为供桥电压）。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。

四、实验步骤

1、如图 6所示，应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入应变式传感器实验模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值约为50Ω左右。

图 6 应变式传感器安装示意图

2、实验模板差动放大器调零，方法为：

①接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置；

②将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)，完毕关闭主控箱电源。

3、参考图 2接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)

接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7在模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调Rw4使数显表显示为零。

接主控箱电源输出 图 7 应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表 8。

表 8 单臂测量时，输出电压与负载重量的关系

重量（g） 电压（mv）

5、根据表 8计算系统灵敏度S：

S=ΔV/ΔW

其中：ΔV为输出电压平均变化量；ΔW重量变化量； 计算非线性误差：

δf1=Δm/yF·S×100%

式中Δm为输出电压值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大电压偏差量，yF·S为满量程时电压输出平均值。 五、思考题

1、单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。

实验二 金属箔式应变片半桥性能实验

一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

二、基本原理：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U02=EKε/2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。（同实验一）

四、实验步骤

1、保持实验（一）的各旋钮位置不变。

2、根据图 3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，先粗调Rw1，再细调Rw4，使数显表指示为零。注意保持增益不变。

3、同实验一（4）步骤，将实验数据记入表 9，计算灵敏度 S=ΔV/ΔW ，非线性误差δf2。若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。

图 8 应变片传感器半桥实验接线图 表 9 半桥测量时，输出电压与负载重量的关系

重量（g） 电压（mv）

五、思考题

1、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：

(1)对边？

(2)邻边的位置？

2、桥路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误差？ (2)应变片应变效应是非线性的？ (3)零点偏移？

实验三 金属箔式应变片全桥性能实验

一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。

二、基本原理：全桥测量电路中，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 U03=KEε，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。 三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。（同实验一） 四、实验步骤

1、保持实验（二）的各旋钮位置不变。。

2、根据图 4接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意受力状态不要接错调节零位旋钮Rw1，并细调Rw4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。将实验结果填入表 10；进行灵敏度和非线性误差计算。

图 9 全桥性能实验接线图

表 10 全桥测量时，输出电压与负载重量的关系

重量（g） 电压（mv） 五、思考题

1、全桥测量中，当两组对边(R1、R3)电阻值相同时，即R1= R3， R2= R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：(1)可以，(2)不可以。

2、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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图 10 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。 二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性误差，从理论上进行分析比较，阐述理由。(注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。