传感器原理课程设计报告

设计课题：  电容式传感器的位移实验

专业班级：       应用物理0501    

小组成员：    于万伟  张传慧  

指导教师：          赵国明        

设计时间：      2008.11.27-2008.12.11

电容式传感器的位移实验

一、电容式传感器的特性比较与分析

1.  了解电容式传感器的结构特点；

2.  分析电容式传感器的优缺点；

3.  与其他传感器之间的比较与分析；

4.  电容式传感器测位移的精度与非线性误差分析。

二、方案设计与论证

方案：通过对测微头的位移变化与数显表上电压变化分析其精度和非线性误差。先找到电压为零点，且保证没两次旋至同一位置时的电压值相同，每旋进0.2mm测微头记录一次电压27组数据。

三、单元电路设计与分析

图4-1  电容传感器位移实验接线图

分析：当待测物体产生位移时（即测微头旋进时），引起电容式传感器两极板相对面积的改变，导致电容的改变，进而改变其微弱的电压。然后通过如图4-1所示电路可以将电压放大并测出，然后通过比较位移与所对应电压进行分析，可判断其灵敏度和非线性误差。

四、总原理及分析

1.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。

2.工作原理

    图4-2  电容传感器位移实验接线图

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，如图4-2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。

五、安装与调试

1.      所需元件

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。

2.      设备的安装

1、按图4-3将电容传感器和测微头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Ｖ_Ｏ１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1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1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。

六、性能测试与分析

1.      测试数据

2．通过数据绘制的图表

灵敏度为0.3830891，直线方程为y=0.3830891x-3.907255

七、总结与心得

八、参考文献

1．《传感器与检测技术》第一版，高等教育出版社，宋文绪 杨帆主编

2．《新型传感器基础》，机械工业出版社，徐同举编

3．《传感器应用及其电路精选》，电子工业出版社，张福学编

4．《传感器》，机械工业出版社，强锡富编

5．《非电量电测技术》，机械工业出版社，严忠豪 谭祖根编

6．《传感器原理设计与应用》，国防科技大学出版社，刘迎春编

第二篇：传感器实验报告

传感器技术实验报告

实验二

实验七

实验十三

实验十九

目录 电阻应变式传感器实验 热电式传感器----热电偶 霍尔式传感器的直流激励特性 电容式传感器特性

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实验二 电阻应变式传感器实验

一． 实验目的

1． 熟悉电阻应变式传感器在位移测量中的应用，

2． 比较单臂电桥、双臂电桥和双差动全桥式电阻应变式传感器的灵敏度，

3． 比较半导体应变式传感器和金属电阻应变式传感器的灵敏度，

4． 通过实验熟悉和了解电阻应变式传感器测量电路的组成及工作原理。

二． 实验内容

1． 单臂电桥、双臂电桥和双差动全桥组成的位移测量电路，

2． 半导体应变式传感器位移测量电路。

三． 实验原理

应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时，?R?

成差动状态工作，则有?R?

＝R4＝R，?R?4ΔR

R2ΔRRΔR；当二个应变片组；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3。

由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。

四．实验步骤

1．调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。

如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。

2．按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥

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中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V。 ＋

测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。 3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。 调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。

2． 旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电

压为零为起点，向上和向下移动各6mm，测微头每移动1mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。

3． 计算各种情况下测量电路的灵敏度S。 表1 金属箔式电阻式应变片单臂电桥

表2 金属箔式电阻式应变片双臂电桥

表3 金属箔式电阻式应变片双差动全桥电桥 五．思考及讨论

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1．单臂电桥、双臂电桥和双差动全桥的灵敏度之间有什么区别及联系。

答：单臂电桥只接一个电阻应变片，双臂电桥接两个电阻应变片，双差动全桥接了四个电阻应变片，且按它们的受力方向接成差动形式。接入电阻应变片数目越多，其灵敏度越大。

2．金属箔式电阻式应变式传感器与半导体电阻应变式传感器的灵敏度哪个大哪个小？

答：由试验数据可得,半导体电阻应变式传感器的灵敏度大，金属箔式电阻式应变式传感器的灵敏度小。

实验七 热电式传感器――热电偶

一、实验目的：

观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。

二、实验原理：

热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。通过测量此电动势即可知道两端温差。如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或0℃），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。CSY系列实验仪中热电偶为铜一康铜（T分度）和镍铬-镍硅（K分度）。

三、实验所需部件：

热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）

四、实验步骤：

1．打开电源，差动放大器增益放100倍，调节调零电位器，使差放输出为零。

2．差动放大器双端输入接入热电偶，打开加热开关，迅速将差动放大器输出调零。

3．随加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时

（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数。

4．本仪器上热电偶是由两支铜－康铜热电偶串接而成，（CSY10B型实验仪为一支K分度热电偶），热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1。

E（t , to） = E（t , t1） + E（t1 , to）

实际电动势 测量所得电势 温度修止电动势

式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，to为热电偶参考端温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度。查阅铜－康铜热电偶分度表，求出加热端温度t。

5.CSY10B型实验仪的K分度热电偶如插入数字式温度表端口，则直接显示℃温度值。

五、注意事项：

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因为仪器中差动放大器放大倍数≈100倍，所以用差动放大器放大后的热电势并非十分精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。 K分度热电偶

铜―康热电偶分度 （自由端温度0℃）

六．实验结果

测得数据为0.7，假定实验室的室温为28摄氏度，查表可得为1.118。则0.7+1.118＝1.288V，查表得温度为32°C

实验十三 霍尔式传感器的直流激励特性

一、实验目的

了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。 二、实验内容

霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当

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霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场汇总的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。

三、实验内容

直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头。

WD

图17 四、实验步骤

1.按图17接线，装上测微头，调节震动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场中间位置。差动放大器增益适度。开启电源，调节电桥WD,使差放输出为零。上、下移动振动台，使差放正负电压输出对称。

2.上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值。并记入下表，做出V—X

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