电气工程学院
传感器原理与应用技术 实验报告
姓 名：
学 号：
同 组 人：
指导教师： 张和生
实验日期： 20##年1月24日
传感器 实验成绩评定表
指导教师签字：
年 月 日
差动变压器的性能实验
姓名：朱丽红
学号：12291271
指导教师：张和生
一、 实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。
二、实验预习：差动变压器由一只初级线圈和二只次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。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，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。
三、 实验仪器与设备
差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。
四、 实验步骤：
1、 根据图3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。
图3－1差动变压器电容传感器安装示意图
2、 在模块上按图3－2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，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div）。图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。接线时，航空插头上的号码与之对应。当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：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3－2接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，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。图中（1）、（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。
3、 旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。
图3－2双踪示波器与差动变压器连结示意图
4、 实验过程中注意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大小。根据表3－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。
五、实验数据及分析
表（3－1）差动变压器位移X值与输出电压数据表
数据处理：应用最小二乘法
对负半轴进行求解，解得a=-1163，b=529
故 
灵敏度为1163Mv/mm
非线性误差为实测特性曲线与理想线性曲线之间的最大偏差与满量程的比
,经过计算，当x=0时， 
m最大，为51，满量程为1692mV，故
51/1692
=3.01%
同理
对正半轴进行求解，a=1203，b=556，当x=0.2时， m最大，为36.6，满量程为1759Mv,故36.6/1759=2.08%
实验截图
五、 思考题：
1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHZ的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？
不可以。受铁磁材料磁感应频率响应上限影响。原则上来说没影响，因为即使磁材料不响应的高频，线圈本身的磁场还是有互感现象，只不过早已偏离了线性区域了，得到的结论也不准了，需要修正才行。
2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
异：1)差动变压器一般用于作为检测元件，而一般变压器一般作为电源变换部件或 者信号转换部件。2)一般E型变压器的2个E型铁芯（磁芯）是固定在一起不动的紧耦合。而差动变压器的2个E型铁芯（磁芯）随工作需要移动或者旋转。
同：一般E型变压器和差动变压器有2个铁芯（磁芯）
激励频率对差动变压器特性的影响
一、 实验目的：了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。
二、 基本原理：差动变压器的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、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
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、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。
四、 实验步骤：
1、 差动变压器安装同实验十。接线图同实验十。
2、 选择音频信号输出频率为1KHZ，Vp-p＝2V。从LV输出，（可用主控箱的数显表频率 档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1 、Rw2使输出变得更小，
3、 用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置2.50mm处，有较大的输出。将测试结果记入表3－2。
4、 分别改变激励频率从1KHZ——9KHZ，幅值不变，将测试结果记入表3－2
五、 实验数据及分析
表3－2不同激励频率时输出电压的关系。
作出幅频特性曲线。
结论：当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，而ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
激励电源电压频率的变化，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。但只要适当地选择频率，其影响不大
实验截图
差动变压器零点残余电压补偿实验
一、 实验目的：了解差动变压器零点残余电压补偿方法。
二、 基本原理：由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B－H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。称其为零点残余电压。
三、 需用器件与单元：音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。
四、 实验步骤：
1、 
按图3－3接线，音频信号源从LV插口输出，实验模板R1 、C1 、RW1 、RW2为电桥单元中调平衡网络。
图3－3零点残余电压补偿电路
2、 利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰－峰值。
3、 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
4、 依次调整RW1、RW2，使输出电压降至最小。
5、 将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。
6、 从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰－峰值）。（注：这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压＝V零点p-p／K，K为放大倍数）
五、 思考题：
1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。
零残电压中主要包含两种波形成份：
1、基波分量：这是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。
2、高次谐波：主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。
进行补偿后，零点残余电压有了很大的改观，残余电压减小很多，在零点残余电压补偿过后其分量以基波分量为主要分量。
2、本实验也可用图3－4所示线路，请分析原理。
差动变压器零点补偿时，在补偿电路法中有加串联电阻，加并联电容等。通过调整WA和WD的阻值调整，可以达到零点残余电压的补偿。
结论：本次实验进行了多次，但得出结果零残电压仍然比较大，可能是由于噪声过大，导致实验出现较大误差
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：利用平板电容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）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。
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、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、 实验步骤：
1、 按图3－1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线：二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。
2、 将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图4－1）。
图4－1电容传感器位移实验接线图
3、 将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。
4、 接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表4－1。
表4－1 电容传感器位移与输出电压值
5、 根据表4－1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
数据处理：应用最小二乘法
对数据进行求解，解得a=-0.114，b=0.544
故 
灵敏度为-0.114Mv/mm
非线性误差为实测特性曲线与理想线性曲线之间的最大偏差与满量程的比
,经过计算，当x=0时， m最大，为0.036V，满量程为0.544V，故
0.036/0.544=6.62%
结论：传感器的灵敏度还可以，线性度一般。可能由于电容式传感器的电容极板之间存在静电场，使边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘效应，从而引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降。
心得体会：
这次传感器实验对我来说收获很大，传感器是一门实用性很强的课程，仅仅在课堂上在课本上对那些各种各样的传感器有个大概了解是远远不够的，通过实验我实际接触到一些常用的传感器，比如差动变压器、电容传感器，并了解了一些实际测量和使用的方法。
通过这次试验，我意识到预习的重要性。充分的预习可以让我们明确实验目的和实验内容，掌握实验步骤，实验中得心应手；对实验的结果要作一定的预测，对实验结果的预测告诉我们实验结果应该是什么样子的，而实验又告诉我们实验结果实际是什么样子；对仪器有一个总体的认识，熟知仪器对实验的作用以及和实验有关的工作原理，这样可以很容易找出实验中出现各种复杂现象的原因，提高了实验效率。
做实验要有耐心和细心，实验中任一微小的变化都可能引起实验结果的巨大变化，要求我们有严谨的态度和求实的精神，这点上我觉得我有待提高，不够耐心，在实验遇到问题时不能很好地解决，容易急躁，没有耐心地去探索思考，需要不断提高。
第二篇：传感器实验报告(1)
班级：________座号：_____姓名_____________成绩：__________
课程实验: 实验项目：金属箔式应变片—单臂电桥性能实验
实验一预习报告（上课前完成）
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、所用实验仪器设备、耗材及数量
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验内容和简单原理（包括实验电路图及原理说明）
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
（1-1）
式中 
为电阻丝电阻相对变化；
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变敏感组件。如图1-1所示，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，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 双孔悬臂梁式称重传感器结构图
通过这些应变片转换弹性体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=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
（1-2）
为电桥电源电压；
式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=
。
图1-2 单臂电桥面板接线图
四、操作方法与实验步骤（详细说明实验的操作过程及注意事项）
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=350Ω。
2．差动放大器调零。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短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。将电位器Rw4调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw3使电压表显示为0V。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）
3．按图1-2连线，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。
4．加托盘后电桥调零。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，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。
5．在应变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，填入下表。
6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
实验一报告部分
五、实验数据记录及处理（实验前画好表格或坐标图形）
（实验结束时交予老师签名）
（1）原始数据记录
1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/yF..S ×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；yF·S为满量程（200g）输出平均值。
教师签名：
（2）数据处理与分析
六、回答思考题
课程实验: 实验项目：金属箔式应变片——全桥性能实验
实验二预习报告（上课前完成）
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点。
二、所用实验仪器设备、耗材及数量
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验内容和简单原理（包括实验电路图及原理说明）
全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出
Uo=
（3-1）式中为电桥电源电压。为电阻丝电阻相对变化；
式3-1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。
四、操作方法与实验步骤（详细说明实验的操作过程及注意事项）
1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。
2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。
3．按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。
4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。
5．在应变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，填入下表。
6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
实验二报告部分
五、实验数据记录及处理（实验前画好表格或坐标图形）
（实验结束时交予老师签名）
（1）原始数据记录
根据实验数据，计算灵敏度L=ΔU/ΔW和全桥的非线性误差δf3。
教师签名：
（2）数据处理与分析
六、回答思考题
课程实验: 实验项目：直流全桥的应用——电子称实验
实验预习报告（上课前完成）
一、实验目的
了解直流全桥的应用及电路的定标
二、所用实验仪器设备、耗材及数量
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验内容和简单原理（包括实验电路图及原理说明）
电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。
四、操作方法与实验步骤（详细说明实验的操作过程及注意事项）
1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。
2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。
3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。
4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。
5．将砝码依次放到托盘上并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。
6．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。根据实验数据，求出重物的重量。
7．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
实验报告部分
五、实验数据记录及处理（实验前画好表格或坐标图形）
（实验结束时交予老师签名）
（1）原始数据记录
根据实验记录的数据，计算电子称的灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf4。
教师签名：
（2）数据处理与分析
六、回答思考题