东南大学传感器实验报告测控技术与仪器.pdf

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1、东南大学传感器实验报告测控技术与仪器东南大学传感器实验报告测控技术与仪器传感器与检测技术实验报告姓名：学号：院系：仪器科学与工程学院专业：测控技术与仪器实验室：机械楼 5 楼同组人员：评定成绩：批阅教师：传感器第一次实验实验一 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及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形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。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元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压 1/4o

2、 U EK=，其中K为应变灵敏系数，/L L=?为电阻丝长度相对变化。1三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。四、实验步骤1.根据接线示意图安装接线。2.放大器输出调零。3.电桥调零。4.应变片单臂电桥实验。系统灵敏度(即直线斜率)，非线性误差=五、思考题单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。答：（3）正、负应变片均可以。因为是单臂工作，所以对工作臂的应变片应该没有正负要求，可以调成工作臂的位置或输出电压接线方向，使电压表测得正电压值。1实验三 金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的了

3、解全桥测量电路的优点二、基本原理全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相 反 的 应 变 片 接 入 电 桥 邻 边。当 应 变 片 初 始 阻 值R1=R2=R3=R4、其变化值 1234R R R R?=?=?=?时，其桥路输出电压 3o U EK=。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都得到了改善。三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。四、实验步骤1.根据接线示意图安装接线。2.放大器输出调零。3.电桥调零。4.应变片全桥实验1系统灵敏度V/Kg(即直线斜率)，非线性误差=，可见全桥的灵敏度是单臂电桥的 4 倍，且非线性度下降

4、。五、思考题1.测量中，当两组对边电阻值 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。答：（2）不可以。电桥平衡条件为：R1R3=R2R4。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，能否利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。答：左图中，2 列 2 行共 4 个应变片对称分布于测试棒上，检测试件横向拉力，如果已知试件泊松比则可知试件纵向应变。任取一行 2 个应变片接入电桥一臂作为工作臂，或者接入电桥对臂，选取外加电阻使电桥平衡；右图中，左边一列应变片检测试件纵向拉力，左边一列检测横向，可以选取左边一列接入电桥一臂，

5、或者接入电桥对臂，选取外加电阻使电桥平衡，根据泊松比算出试件的纵向应变。3.金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。1答：根据实验结果可知，全桥的灵敏度最高，线性度最好。理论上，灵敏度：单臂 4E S=，半桥 2ES=，全桥 S E=。非线性度：单臂 100%2K K=?+（K 为应变计灵敏系数），半桥 0=，全桥 0=。全桥的输出特性为相邻臂为和，相对臂为差，其和差特性能消除非线性误差。实验五差动变压器的性能实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理差动变压器由一只初级线圈和二只次

6、级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有两段式和三段式，本实验采纳三段式。当被测物体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使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。将两只次级反向串接，引出差动电势输出。其输出电势反映出被测物体的移动量。1三、实验器材主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。四、实验步骤1.按照接线图连接线路。2.差动变压器 L1 的激励电压从主机箱中的音频振荡器的 Lv端引入，音频振荡器的频率为 45KHz，本次实验选取 4561Hz，输出峰峰值为 2V。3.松开测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使变压器次

7、级输出的 Vp-p 较小。然后拧紧螺钉，仔细调节测微头的微分筒使变压器的次级输出Vp-p 为最小值（零点残余电压，约为0.035v），定义为位移的相对零点。4.从零点开始旋动测微头的微分筒，每隔 0.2mm（微分筒转过 20 格）从示波器上读出示波器的输出电压 Vp-p，记入表格中。一个方向结束后，退到零点反方向做相同的实验。5.根据测得数据画出 V op-p X 曲线，做出位移为1mm、3mm 时的灵敏度和非线性误差。数据表格如下：实验曲线如下：1位移为 1mm 时，灵敏度为 122.136V/m，非线性度=；位移为-1mm 时，灵敏度为 122.5V/m，非线性度=差动式变压器使用了差动式

8、次级线圈，使输出的非线性较好。五、思考题1.用差动变压器测量，振动频率的上限受什么影响？答：受自感线圈的自感系数、互感线圈的互感系数、导线的集肤效应和铁损等的影响，电路系统存在一个上限频率，若输入频率过大会导致输出电压幅度变小，传感器灵敏度下降。2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？答：它们都利用电磁感应原理工作。但是差动式变压器初级线圈和次级线圈的互感系数是可变的，当铁芯处于中间位置时，差动次级输出为 0，当铁芯上下移动，互感系数变化，根据次级输出可以计算出铁芯的位移，由此可以测量诸如位移、速度等物理量；而一般的电源变压器互感系数固定，主要用于把输入低压变为高压输出或把输入低压变为高压

9、输出。传感器第二次实验实验九电容式传感器的位移实验一、实验目的了解电容式传感器结构及其特点。二、基本原理1利用电容Cd的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择、d 三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（变）、测位移（d 变）和测距离、液位（变）等多种电容传感器。本实验采纳的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图 3-6 所示：由二个圆筒和一个圆柱组成。设圆筒的半径为 R；圆柱的半径为 r；圆柱的长为 x，则电容量为 C=2 ln(Rr)。图中C1、C2 是差动连接，当图中的圆柱产生 X 位移时，电容量的变化量为 C=C1C2=2 2 Xln

10、(Rr)，式中2、ln(Rr)为常数，说明 C 与位移 X 成正比，配上配套测量电路就能测量位移。图 3-6 电容式位移传感器结构三、实验器材主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。四、实验步骤图 3-7 电容传感器位移实验原理图1、按图 3-8 将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出o1 接主机箱电压表的in。2、将实验模板上的 Rw 调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传圈）。13、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到档，合上主机箱电源开关；旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示，再转动测微头（向同一个方向）5 圈，记录此时测微头读数和电压表显示值

11、，此点为实验起点值；此后，反方向每转动测微头 1 圈即=.位移读取电压表读数，共转 10 圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）；将数据填入表 3-7 并作出实验曲线。4、根据表 3-7 数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差S U X mv mm?=，/-137.5/=?=；U mvX mm-619?=，1=?=。?=，619x mm7.5x yFS1=，/100%1.21%yFS mm五、思考题试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？答：由于是测谷物的湿度的，当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感

12、器检测呼吸作用的水分程度，从而推断出谷物的湿度，当电容的S 与 D 为恒定值时 C=f(),稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。在设计过程中应考虑：感应器是否于谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间穿过，而且要注意直板传感器的边缘效应。实验十一压电式传感器振动测量实验一、实验目的了解压电传感器的测量振动原理和方法。二、基本原理压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。工作时传感器感受与试件相同的振动频率，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶体上产生正比于运动速度的表面电荷。三、实验器材主机箱、差动变压器实

13、验模板、振动源、示波器。1四、实验步骤1、按照连线图将压电传感器安装在振动 XX 上，振动源的低频输入接主机箱的低频振荡器，其它连线按照图示接线。2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动 XX 振动，观察低通滤波器输出波形。3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入和输出波形；在振动 XX 正常振动时用手指敲击振动 XX，同时观察输出波形的变化。4、改变振动源的频率，观察输出波形的变化。低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，用频率表监测，用示波器读出峰峰值填入表格。实验曲线：五、思考题根据实验结果，可以知道振动 XX 的自然频率大致是多少？传感器输出波形的相位差大致为

14、多少？答：根据实验曲线可知，振动XX的自然频率大约为11Hz。6,108t ms T ms?=，所以 00636020XX8msms?=1?=。实验十二 电涡流传感器位移实验一、实验目的了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二、基本原理通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处于交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属表面的距离 x 等参数有关。电涡流的产生必定要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态

15、，当线圈与金属体表面的距离 x 以外的所有参数一定时可以进行位移测量。三、实验器材主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。四、实验步骤1、观察传感器结构，根据示意图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示1选择开关切换到 20V 档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔 0.1mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据填入下表：3、画出 V-X 曲线，根据曲线找出线性区域及正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点）。试计算测量范围为1mm 与 3mm 时的灵敏度和非线性度（可以用端

16、点法或其他拟合直线）。测量范围 1mm：灵敏度：1.41V V?=，1X mm?=所以最佳工作点/1.41/S V X V mm=?=非 线 性 度：0.0081,1.41m V V yFs V?=所 以/100%0.57%m V yFs=?=测量范围 3mm：灵敏度：4.17V V?=，3X mm?=所以/1.39/S U X mm=?=。非线性度：0.0578,4.17m V V yFs V?=所以/100%1.39%m V yFs=?=五、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？答：电涡流传感器的量程就1是传感器的线性范围，它受到线圈半径。

17、被测体的性质及形状和厚度等因素影响。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？答：要保证所测量的位移在所选的传感器量程范围内。传感器第三次实验实验十五 直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理根据霍尔效应，霍尔电势H H B U K I=?，当霍尔元件处在梯度中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。三、实验器材主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。四、实验步骤1、按示意图接线，将主机箱上的电压表量程开关打到 2V 档。2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再

18、调节 RW1 使数显表指示为零。3、向某个方向调节测微头2mm，记录电压表读数作为实1验起始点；再反向调节测微头，没增加 0.2mm 记下一个读数，将数据记录入表格：做出 V-X 曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。2mm 时灵敏度：1965m,4V V X mm?=?=所以/491.25m/S U V V mm=?=。非线性度：95m,1965m m V V yFs V?=所以/100%0.48%m VyFs=?=五、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？答：反映的是磁场的变化。实验十七 霍尔转速传感器测量电机转速实验一、实验目的了解霍尔转速传感器的应用。二

19、、基本原理利用霍尔效应表达式：H H B U K I=?，当被测圆盘上装上1N 只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N 此。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整和计数电路计数就可以测量被测物体的转速。三、实验器材主机箱、霍尔转速传感器、振动源。四、实验步骤1、根据示意图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间距离大约为 23mm。2、在接线前，先合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源 224V 旋钮调到最小，接入电压表，监测大约为1.25V；关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按照示意图分别接到主机箱的相应电源和频

20、率/转速表的 Fin 上。3、合上主机箱电源开关，在小于 12V 的范围内调节主机箱的转速调节电源，观察电机转动及转速表的显示情况。画出电机的 vn 特性曲线。五、思考题11、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？答：有。当被测体是磁性体时不能用霍尔元件测量。2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？答：可以，但是会降低分辨率。实验十八 磁电式转速传感器测电机转速一、实验目的了解磁电式测量转速的原理。二、基本原理基于电磁感应原理，N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中的感应电势：d e Ndt=-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 次变化，通过放大、整

21、形和计数等电路即可测量转速。三、实验器材主机箱、磁电式传感器、转动源。四、实验步骤磁电式转速传感器不用接电源，其余和实验十七相同。1画出电机 vn 特性曲线：五、思考题为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由么？磁电式转速传感器是利用旋转体改变磁路，使磁通量发生变化，从而使其线圈产生感应电压，如果转速很慢，旋转体改变磁路也很慢，磁通量的变化也很慢，感应电压就会很小，就无发正确地测定转速。传感器第四次实验实验二十七发光二极管（光源）的照度标定实验一、实验目的了解发光二极管的工作原理；做出工作电流与光照度的对应关系及工作电压与光照度的对应关系曲线，为以后实验做好准备。二、基本原理半导体

22、发光二极管是由-族化合物制成，其核心是 PN结。因此它具有一般二极管的正向导通及反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还有发光特性。当加上正向激励电压或电流时，在外电场的作用下，在 PN结附近产生导带电子和介带空穴，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载1流子复合而发光。假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，再与空穴复合，每次释放的能量不大，以热能的形式辐射出来。发光的复合量相对于非发光的复合量的比例越大，光量子效

23、率越高。由于复合是在少子扩散区内发光，所以光仅在靠近 PN结面数 um 以内产生。发光二级管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。本实验使用纯白高亮发光二极管。三、实验器材主机箱（020mv 可调恒流源、电流表、024V 可调电压源、照度表），照度计探头，发光二极管，遮光筒。四、实验步骤1、按照示意图 7-2 接线，注意+、极性。2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。3、调节主机箱中恒流源电流大小（电压表量程 20m 档），即改变发光二极管的工作电流大小就可以改变光源的光照度值。拔去发光二极管的其中一根线头，则光照度为 0。按表 7-1 进行标定实验（调节恒流源），得到照度电流对应值。4

24、、关闭主机箱电源，再按图 7-3 配置接线，注意+、极性。15、合上主机箱电源，调节主机箱的 024v 可调电压（电压表量程 2v 档）就可以改变发光二极管的光照度。表 7-1 发光二极管的电流、电压与照度的对应关系6、根据表 7-1 画出发光二极管的电流照度、电压照度特性曲线。图 7-1 发光二极管的电流-照度图（横坐标电流，纵坐标照度 Lx）图 7-2 发光二极管的电压-照度图（横坐标电流，纵坐标照度 Lx）实验二十八光敏电阻特性实验一、实验目的了解光敏电阻的光照特性和伏安特性二、基本原理在光线作用下，电子汲取光子的能量，从键合状态过渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。

25、光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照愈强，器件自身的电阻越小。基于这种效应的光电器件称光电敏电阻，光敏电阻 XX 性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。1三、实验步骤1、亮电阻和暗电阻的测量（1）将光敏电阻和电流表串联，两端并联电压表（内接法），电压表正极接一上拉电阻至 VCC。光敏电阻接受一个发光二级管的光照，中间有一个遮光筒。调节发光二级光的供电电压，查表 7-1，使光照度为 100Lx。（2）10s 左右读取光敏电阻电流值，作为亮电流 I 亮。（3）缓慢调节二极管供电电压减到 0V，10s 左右读取电流值，作为暗电流 I 暗。（4）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度 100

26、Lx）：I 亮=1.67m，U 亮=10V，R 亮=U/I=6kI 暗=0m，U 暗=10V，R 暗=U/I=2、光照特性测量光敏电阻的两端电压为定值时，光敏电阻的光电流随光照强度的变化而变化，它们之间的关系是非线性的。调节不同光照度，做出光电流与光照度的曲线图。表 7-2 光照特性实验数据图 7-3 光敏电阻光电流-光照度曲线3、伏安特性的测量光敏电阻在一定光照强度下，光电流随外加电压的变化而变1化。测量时，光照强度为定值下，光敏电阻输入 6 档电压，测得光敏电阻上的电流值如表 7-3，在同一坐标图中做出不同照度的三条伏安特性曲线。表 7-3 光敏电阻伏安特性实验数据图 7-4 光敏电阻伏安

27、特性四、思考为什么测光电阻亮阻和暗阻要经过 10s 后才读数？这是光敏电阻的缺点，只能应用于什么状态？答：这说明光电阻的光电导效应有响应时间，不能用于快速动态检测的场合。实验三十一硅光电池实验一、实验目的了解光电池的光照、光谱特性，熟悉其应用。二、基本原理光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的 P-N 结的光电池器件。当光照耀到光电池的 P-N结上时，便在 P-N 结两端产生电动势。这种现象叫做“光生伏特效应”，将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。1三、实验器材主机箱、安装架、光电器件实验（一）模板、滤色片、一般光源、滤色镜、照度计探头、照度计模板探

28、头、硅光电池。四、实验步骤光电池在不同照度下，产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就是光照特性。实验时，为了得到光电池的开路电压 V oc 和短路电流 Is，不要同时接入电压表和电流表，要错时接入来测量数据。（1）光电池的开路电压实验按图 7-7 安装接线，发光二极管的输入电流由实验二十七光照度对应的电流值确定，读取电压表 Voc 的测量值填入表 7-4中。表 7-4 光电池的开路电压实验数据（2）光电池的短路电流实验1、按图 7-8 接线，发光二极管的输入电压由实验二十七光照度对应的电压值确定，读取电压表 Is的测量值填入表 7-5 中。表 7-5 光电池的短路电流实验数据2、根据表

29、 7-4、表 7-5 的实验数据做出特性曲线图。1图 7-5 光电池的开路电压特性曲线图图 7-6 光电池的短路电流特性曲线图实验三十二光纤传感器的位移特性实验一、实验目的了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、基本原理本实验采纳的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双 D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距 X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收挂光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器的电量大小与间距 X 有关，因此可用于测量位移。三、实验器材主机箱

30、、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面。四、实验步骤1、根据图 7-9 示意安装光纤传感器和测微头，两束光纤分别插入实验模板上的光电座中。接好其他接线。2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。调节测微头，使光反射面与 Y 型光纤头接触；再调节实验模1板上的 Rw 电位器，使电压表显示 0V。3、旋转测微头，被测体离开探头，每隔 0.1mm 读取电压表显示值，将数据填入表 7-6 中。根据表中数据画出实验曲线，计算 1mm 测量范围时的灵敏度和非线性误差。表 7-6 光纤位移传感器输出电压与位移数据图 7-7 光纤传感器输出电压-位移曲线MTLB 线性拟合结果：Liner model

31、Poly1:f(x)=p1*x+p2Coefficients(with 95%confidence bounds):p1=0.9833(0.9675,0.9992)p2=-0.1722(-0.1826,-0.1619)Goodness of fit:SSE:0.0001889R-squre:0.9997djusted R-squre:0.9996RMSE:0.005195可以看出数据线性度很好，根据拟合直线的斜率，传感器灵敏度为：S=U/X=0.98V/mm1因为U m=0.009V，yFs=0.82V，所以非线性误差为：=U m/yFs*100%=1.1%五、思考题光纤位移传感器测量位移时对被测体表面有些什么要求？答：被测体表面要尽量光滑，这样对光有较好的反射性，且被测面最好与光纤头平行，以免移动过程中造成额外误差，被测面与光纤头之间在初始位置处幸免挤压。1