2022年电子专传感器实验讲义 .pdf

1 / 16 实验一 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半桥和全桥电桥的工作原理和性能。比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。二、实验原理：1、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： R/R=K ，式中 R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数， = L/L 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变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。图1-1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 16 页2 / 16 图1-2 通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图 1-2所示 R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压Uo=1-1）E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=。2、不同受力方向的两只应变片接入电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 16 页桥作为邻边，如图1-3。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 Uo=EK /2 =1-2）E为电桥电源电压，式1-2表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。图1-3 3、全桥测量电路中，将受力性质相同的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 16 页4 / 16 两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图 1-4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出 ：Uo=KE 1-3） E为电桥电源电压，式1-3表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。三、实验仪器及装置：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、 15V、4V电源。四、实验内容与步骤1图 1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。2从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端Uo2接数显电压表 选择2V档），调节电位器 Rw4，使电压表显示为0V。Rw4的位置确定后不能改动。关闭主控台电源。3将应变式传感器的其中一个应变电阻如R1）接入电桥与 R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源4V 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mV 2.1 6.5 10.8 15.1 19.5 23.9 28.3 32.6 37 41.4 5按图 1-3接线，将受力相反一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器 Rw1，直流电源4V 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mV 10.3 18.7 26.8 35.4 43.9 52.5 61 69.6 78.1 86.7 7按图 1-4接线，将受力相反(一片受拉，一片受压的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源4V(从主控台接入 ，电桥输出接到差动放大器的输入端 Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 16 页6 / 16 压表显示为零。8在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节 Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示 0.020V左右，读取数显表数值，保持 Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-3，关闭电源。表1-3 重量(g 电压(mV 五、实验报告1、根据表 1-1、1-2和1-3计算单臂、半桥和全桥系统的灵敏度S U/ W U输出电压变化量， W重量变化量）和非线性误差 f1= m/yF.S 100，式中 m为输出值 多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF S为满量程 200g）输出平均值。2、比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。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、负应变片均可以。2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，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）值 R相同时，即 R1R3，R2R4，而 R1 R2时，是否可以组成全桥：1）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 16 页7 / 16 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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。实验二直流全桥的应用电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、实验原理：电子秤实验原理为全桥测量原理，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V）改为重量纲g）即成为一台原始电子秤。三、实验器件及装置：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码四、实验内容与步骤：1、按实验一中 2的步骤，将差动放大器调零，按图 14全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位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，调节电位器 RW3或0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4零位调节）使数显表显示为0.0000V。4、重复 2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲 g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表21。重量 五、 实验报告：根据上表 2-1，计算误差与非线性误差。实验三电涡流传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性，了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。二、实验原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。三、实验器件及装置：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、铜圆片、铝圆片。四、实验内容与步骤：1、根据图 31安装电涡流传感器。图3-1 电涡流传感器安装示意图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 16 页9 / 16 图3-1 电涡流传感器安装图图32电涡流传感器位移实验接线图2、 观察传感器结构，这是一个平绕线圈。3、 将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。4、 在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。5、 将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。6、 用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有15V的插孔中。7、 使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔 0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表31。表31电涡流传感器位移X与输出电压数据X 8、将原铁圆片换成铝和铜圆片，重复以上步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表32和表 33。表32被测体为铝圆片时的位移为输出电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 16 页10 / 16 压数据X 表33被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据X 五、实验报告：根据表 3-1、3-2、3-3数据，画出 VX曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度可以用端基法或其它拟合直线）。思考题1、 电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量 5mm的量程应如何设计传感器？2、 用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。3、当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？实验四磁电式转速传感器测速实验一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。二、实验原理：基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 16 页11 / 16 量转速。三、实验器件及装置：磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源224V。四、实验内容与步骤：1、磁电式转速传感器按图4-1安装传感器端面离转动盘面2mm左右。将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。 磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）2、将显示开关选择转速测量档。3、将转速电源 224V用引线引入到台面板上 24V插孔，合上主控箱电开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。五、实验报告：根据电源与转速的数据做出曲线。思考题为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？图4-1 磁电式传感器测速安装示意图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 16 页实验五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。二、实验原理：根据霍尔效应，霍尔电势 UHKHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。三、实验器件及装置：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。四、实验内容与步骤：1、 将霍尔传感器按图51安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图52进行。 1、3为电源 4V，2、4为输出。2、 开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。图51 霍尔传感器安装示意图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 16 页13 / 16 3、4、图52霍尔传感器位移 直流激励实验接线图3、微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表 51。表51 X 五、 实验报告：根据表 5-1作出 VX曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。思考题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？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 16 页14 / 16 实验六速度测量实验一、实验目的：了解霍尔传感器和光电传感器测量转速的应用。二、基本原理：利用霍尔效应表达式：UHKHIB，当被测圆盘上装上N 只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的( 光电断续器，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6 个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。三、需用器件与单元：主机箱、霍尔转速传感器、光电转速传感器、转动源。四、实验步骤：1、根据图4-1 将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢，并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2mm 3。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 16 页15 / 16 图4-1 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图2首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2v24旋钮调到最小( 逆时针方向转到底后接入电压表 ( 显示选择打到20挡 监测大约为 .25V ；然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图4-17 所示分别接到主机箱的相应电源和频率转速表( 转速挡的 Fin 上。3合上主机箱电源开关，在小于12范围内 ( 电压表监测调节主机箱的转速调节电源 ( 调节电压改变电机电枢电压，观察电机转动及转速表的显示情况。4从2开始记录每增加相应电机转速的数据 ( 待电机转速比较稳定后读取数据，记入表 4-1 ；5. 换光电式传感器重复1-4步进行实验，将数据记入表4-2 ；表 4-1 电压转速表 4-2 电压转精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 16 页16 / 16 速五、实验报告：根据表 4-1 、4-2 的数据分别画出两种传感器的电机的( 电机电枢电压与电机转速的关系 特性曲线。并比较两种传感器的特性。六、思考题：1利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？2本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？3. 此 实 验 中 用 了 多 种 传 感 器 测 量 转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 16 页