传感器原理与应用实验指导书实验一压力测量实验实验目的：1．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。

2．比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点，了解全桥测量电路的优点。

3．了解应变片直流全桥的应用及电路标定。

二、基本原理：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：ΔR/R=Kε式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。

（E为供桥电压）。

2．不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。

3．全桥测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压U03=KEε，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。

4. 电子秤实验原理为实验三的全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，将电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。

三、实验所需部件：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)、自备测试物。

四、实验步骤：1、根据图(1-1),应变式传感器已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值约为50Ω左右。

2、实验模板差动放大器调零，方法为:①接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，②将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)，完毕关闭主控箱电源。

3、参考图（1-2）接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7在模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调RW4使数显表显示为零。

4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表（1-1）。

表1-1：单臂测量时，输出电压与负载重量的关系：5、根据表（1-1）计算系统灵敏度S：S=ΔV/ΔW(ΔV为输出电压平均变化量；ΔW重量变化量)，计算非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%，式中Δm为输出电压值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大电压偏差量：yF·S为满量程时电压输出平均值。

6、保持上述单臂实验的各旋钮位置不变。

7、根据图1-3接线，R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。

接入桥路电源±4V，先粗调Rw1，再细调Rw4，使数显表指示为零。

注意保持增益不变。

8、同单臂实验（4）步骤，将实验数据记入表（1）-2，计算灵敏度S=ΔV/ΔW，非线性误差δf2。

若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。

表1-2，半桥测量时，输出电压与负载重量的关系9、保持双臂实验的各旋钮位置不变。

10、根据图1-4接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意受力状态不要接错调节零位旋钮Rw1，并细调Rw4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。

将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。

1-3，全桥测量时,输出电压与负载重量的关系11、按图1-4全桥接线，电压表置2V档，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，并细调Rw4使数显表显示0.00V。

12、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节增益电位器Rw3(即满量程调整)，使数显表显示为0.200V或-0.200V。

13、拿去所有砝码,再次调零。

14、重复2、3步骤的标定过程，一直到满量程显示0.200V，空载时显示0.000V为止，把电压量纲V改为重量量纲g，即成为一台原始的电子秤。

15、把砝码依次放在托盘上，将相应的电压表数值填入下表：16、根据上表计算非线性差值。

17、分析误差来源，比较一下这个实验结果与实验三结果有什么不同点？18、在托盘上放上一未知重量的物体（<200g），根据电压表指示值，它有多重？五、思考题：1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？2、桥路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误差？(2)应变片应变效应是非线性的？(3)零点偏移？实验二位移测量实验一、实验目的：1．了解电容式传感器的结构及其特点。

2．了解霍尔式位移传感器原理与应用。

3．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：1.利用平板电容C=εA/d的关系,在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，就可使电容的容量(C)发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量,则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。

②变d的电容式压力传感器。

③变A的电容式位移传感器。

本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。

2. 根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，保持KH、I不变，若霍尔元件在梯度磁场B中运动，且B是线性均匀变化的，则霍尔电势UH也将线性均匀变化，这样就可以进行位移测量。

3. 通以高频电流的线圈会产生高频磁场，当有导体接近该磁场时，会在导体表面产生涡流效应，而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关，因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。

三、实验所需部件：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、直流稳压电源。

霍尔传感器实验模板、线性霍尔位移传感器、直流电,±源±4V、15Ｖ、测微头、数显单元。

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。

四、实验步骤：1、按图3-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图4-1。

3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值(V)，填入表4-1。

将测微头回到10mm 处，反向旋动测微头，重复实验过程。

表4-1电容式传感器位移与输出电压的关系5、根据表4-1数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差δf，分析误差来源。

6、将霍尔传感器按图5-1安装。

霍尔传感器与实验模板的连接按图5-2进行。

①、③为电源±4Ｖ，②、④为输出,R1与④之间联线可暂时不接。

7、开启电源，接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，左右移动测微头使霍尔片处在磁钢中间位置，即数显表电压指示最小，拧紧测量架顶部的固定镙钉,接入R1与④之间的联线，调节RW2使数显电压表指示为零（数显表置2V 档）。

8、旋转测微头，每转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，并将读数填入表5-1，将测微头回到10mm处，反向旋转测微头，重复实验过程，填入表5-1。

表5-1：霍尔式位移传感器位移量与输出电压的关系：作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度S和非线性误差δ。

9、根据图８－１安装电涡流传感器。

10、观察传感器结构，这是一个扁平的多层线圈，两端用单芯屏蔽线引出。

11、将电涡流传感器输出插头接入实验模板上相应的传感器输入插口，传感器作为由晶体管T1组成振荡器的一个电感元件。

12、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。

13、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。

数显电压表量程置20V 档。

14、用连接导线从主控箱接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。

15、移动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，旋转测微头每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止，将结果填入表8-1。

表8-1：电涡流传感器位移与输出电压数据X(mm) V(v)16、根据表8-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及选择位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和非线性误差（可以用端基法或其它拟合直线）。

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±3mm的量程应如何设计传感器处理电路？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器实验三转速测量实验一、实验目的：1.了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

2.了解磁电式传感器测量转速的原理。

3.了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理：1.光电式转速传感器有反射型和对射型二种，本实验采用反射型。

传感器内部有发光管和光电管，发光管发出的光在转盘上反射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘上有黑白相间的12个反射点，转动时将获得相应的反射脉冲数，将该脉冲数接入转速表即可得到转速值。

2. 基于磁电感应原理，当一个n匝的线圈在穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈中的感应电势，因此当转盘上嵌入Ⅳ个磁钢，并在磁钢上方放置一线圈，转盘每转一周，线圈中的磁通量（ / ）发生了N次变化，而产生N次感应电势，该电势通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。

3. 根据霍尔效应表达式：UH=KHIB, 当KHI不变时,在转速圆盘上装上Ｎ只磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。

圆盘每转一周经过霍尔元件表面的磁场B 从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次，此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。

三、实验所需部件：1.光电转速传感器、＋5V直流电源、可调直流电源、转动源（2000型）或转动测量控制仪（9000型）、数显转速／频率表。