传感器与检测技术实验报告
课程名称： 传感器与检测技术
实验项目： 应变式传感器实验
实验地点：
专业班级：
学 号：
姓 名：
指导教师：
20##年 11 月 11 日
实验一 应变片单臂电桥性能实验
一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
1、应变片的电阻应变效应：所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这物理现象称为“电阻应变效应”。
2、应变灵敏度：它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
3、贴片式应变片应用：在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，制成扩散型压阻式传感器。
4、箔式应变片基本结构：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。
5、测量电路：电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。
三、需用器件与单元：
主机箱中的±2V～±10V直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4
位数显万用表。
四、实验步骤：将托盘安装到传感器上。测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况测量结果表2.
实验模板中的差动放大器调零：按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一20g砝码，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。
表1 应变片单臂电桥性能实验数据
表2 电阻阻值测量
5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。实验完毕，关闭电源。
实验二应变片半桥性能实验
一、实验目的：了解应变片半桥工作特点及性能。
二、基本原理：应变片半桥特性实验原理如图所示。
三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤：
按实验一中的步骤1和步骤3实验。关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表2中。
表2 应变片半桥实验数据
3、
根据表2实验数据作出实验曲线，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
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。
答：不同受力方向的两只应变片应接入电桥作为邻边,中点的电位变化的才能和另外的参考点进行比较，如果不在临边，也就会出现当两个应变片都发生变化时，与他们对应电阻的电位差可能会出现0的情况。
实验三 应变片全桥性能实验
一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理：应变片全桥特性实验原理如图所示。应变片全桥测量电路中，将应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。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
三、需用器件和单元：主机箱中的±2V～±10V直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤：实验步骤与方法参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。
表3全桥性能实验数据
实验四 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度，得出相应的结论。
二、基本原理：全桥电桥的电压灵敏度:S＝Uo／(△R1／R1)≈kE＝(1／4)E
单臂电桥:Uo≈(1／2)(△R1／R1)E S＝(1／2)E 双臂电桥Uo≈(△R1／R1)E S＝E
三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、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度，从理论上进行分析比较。经实验验证阐述理由。实验完毕，关闭电源。
实验五 应变片直流全桥的应用—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、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。
三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤：按实验一中的1和3步骤实验。关闭主机箱电源，按图示意接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3使数显表显示为0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4使数显表显示为0.000V。重复上述标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，将砝码依次放在托盘上称重；放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。
【感想】
根据这个实验，我了解了应变片传感器的分类，结构，基本原理，工作方式。通过自己亲自的动手实践，我了解到了比课本上更多的内容，不再只是从书本上的文字中理解传感器，而是从实物角度见到了传感器的性能以及功能，对课本上描述的有了进一步深入的了解，同时增强了对这门课的认识，加强了动手能力。
第二篇：传感器实验七至实验十实验报告
汕 头 大 学 实 验 报 告
学院: 工学院 系:电子系 专业: 电子信息工程 年级: 成绩:
姓名: 学号 组: 实验时间: 11.24 指导教师签字:
实验七 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：利用电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择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，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。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=ε2pｘ／ln(R／r)。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=C1－C2=ε2p2?X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)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。
三、需用器件与单元：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：
1、测微头的使用和安装参阅实验九。按图13将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)。
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３圈)。
3、将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到２ｖ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０ｖ ，再转动测微头(同一个方向)5圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表13并作出Ｘ—Ｖ实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。
4、 根据表13数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。
图13 电容传感器位移实验安装、接线图
表13电容传感器位移与输出电压值
五、数据分析：
实验八 压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
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。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，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，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元：主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。
四、实验步骤：
1、按图18所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合)，振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。
图18 压电传感器振动实验安装、接线示意图
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台振动，观察低通滤波器输出的波形。
3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4、改变振动源的振荡频率(调节主机箱低频振荡器的频率)，观察输出波形变化。实验完毕，关闭电源。
步骤4波形：
输入Vp-p=4.88V
输出Vp-p=7.08V
自振频率f=9Hz
实验九 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、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：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、霍尔传感器和测微头的安装、使用参阅实验九。按图14示意图接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)，将主机箱上的电压表量程(显示选择)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，再调节R W1使数显表指示为零。
图14 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图
3、以某个方向调节测微头2ｍｍ位移，记录电压表读数作为实验起始点；再反方向调节测微头每增加0.2mm记下一个读数(建议做4ｍｍ位移)
五、数据数据与分析：
X-V曲线：
实验十 交流激励时霍尔式传感器的位移实验
一、实验目的：了解交流激励时霍尔式传感器的特性。
二、基本原理：交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。
三、需用器件与单元：主机箱、测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器／相敏检波器／低通滤波器模板、双线示波器。
四、实验步骤：
1、传感器、测微头安装使用同实验九。实验模板接线见图15(千万注意：暂时不要将主机箱中的音频振荡器Ｌｖ接入实验模板)。
图15 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图
2、首先检查接线无误后，合上主机箱总电源开关，调节主机箱音频振动器的频率和幅度旋钮，用示波器、频率表监测LV输出频率为1KHz，幅值为4V的峰－峰值；关闭主机箱电源，再将LV输出电压(1KHz、4V、)作为传感器的激励电压接入图15的实验模板中（注意电压幅值过大会烧坏传感器）。
3、合上主机箱电源，调节测微头使霍尔传感器的霍尔片处于两磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。
4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器Rw和相敏检波电位器Rw，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。
5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，
五、数据数据与分析：
X-V曲线：
思考题：
实验七
1.1 温度对结构尺寸的影响
环境温度的改变将引起电容式传感器各组成部分的集合尺寸和相互位置的变化，从而导致电容式传感器产生温度附加误差，这个误差尤其在检测间隙变化的电容式传感器中更为严重因为它的初始间隙很小。
1.2 温度对介电常数的影响
电容式传感器的电容值与介质的介电常数成正比，因此对于介电常数的温度系数不为零的传感器，温度的变化必然会引起传感器电容值的改变，从而造成温度附加误差。
1.3 漏电阻的影响
电容式传感器的容抗都很高，特别是当激励频率较低时。当两极间总的漏电阻与容抗相近时，就必须考虑分路作用对整个系统总灵敏度的影响，它将使传感器的灵敏度下降。
1.4 边缘效应与寄生参量的影响
边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性及降低传感器的灵敏度。消除和减小的方法是在结构上增设防护电极，防护电极必须与备防护电极取相同的电位，尽量使它们同为低电位。
实验九
由霍尔传感器的工作原理可知，U=KIB；即霍尔元件实际感应的是所在位置的磁场强度B的大小。实验中，霍尔元件卫衣的线性性实际上反映了空间磁场的线性分布，揭示了元件测量处磁场的线性分布。
实验十
1， 查阅资料，结合以上实验，说明直流激励和交流激励时霍尔传感器进行位移测量的特点，并比较直流激励和交流激励时霍尔传感器的灵敏度和非线性误差。
解：直流激励和交流激励时霍尔式传感器进行测量时，磁场梯度越大，灵敏度越高。磁场梯度越均匀，输出的线性度越好。
2， 查阅资料，列举一些霍尔传感器的应用实例。
解：位移测量 ,简易磁场强度计 ,用做开关。