吉林大学珠海学院 《传感器原理及工程应用》课程实验指导书
主编：徐杭 主审：刘向阳 王丽
机电工程系2008年4月、前 言
本书是针对机电工程系机械设计制造及其自动化专业，与《传感器原理及工程应用》这门必修专业基础课相配套，所编写的一本实验指导书。《传感器原理及工程应用》课程实验是为了使学生更深刻地理解书本上的原理与结论，亲自动手进行验证，提高感性认识和解决实际问题的能力，使学生能更好地掌握理论知识。所以《传感器原理及工程应用》课程实验指导书是紧密结合理论知识，根据教学大纲要求以实验报告形式所编写的一本实验指导书。本实验指导书根据课时要求与课程的重点内容，一共编写了三个实验：金属箔式应变片——全桥性能实验，电容式传感器的位移特性实验，直流激励时霍尔传感器位移特性实验。实验内容包括实验目的、预习要点、基本原理、实验设备及仪器、实验说明及操作步骤、实验注意事项、思考题、实验报告等。由于编者水平有限，加之时间仓促，书中错误在所难免，恳请读者批评指正。
编 者2008年4月目 录 学生实验守则实验一 金属箔式应变片——全桥性能实验实验二 电容式传感器的位移特性实验实验三 直流激励时霍尔传感器位移特性实验 学生实验守则1、 学生必须按照教学计划规定时间，或预定的时间上实验课，不得迟到，早退或无故缺课。2、 必须遵守实验室的各项规章制度，服从实验教师指导，保持室内清洁，卫生，安静，有序。实验室内不得吸烟，接打手机。3、 遵守操作规程，注意人身安全。未经教师允许不许动用与本实验题目无关的仪器设备；凡因违反操作规程或擅自动用其他设备而造成损坏的，应按学校规定赔偿。4、 实验前必须认真阅读实验指导书，明确实验目的，理解实验原理，掌握实验步骤，填写实验报告中的相应内容；实验中要正确操作，仔细观察，认真记录实验数据，经教师签字后方可结束实验；课后要独立完成实验报告，并按时交给实验教师批阅。5、 实验完毕后，应将实验仪器及用过的工具清理复原，搞好室内卫生，关好水电门窗，经教师同意后方可离开实验室。
实验一 金属箔式应变片——全桥性能实验一．实验目的 了解全桥测量电路的原理及优点二．预习要点
1．什么是应变式传感器？它的工作原理是什么？ 2．什么叫应变效应？ 3．试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。
4．什么是直流电桥？若按不同桥臂工作方式，可分为哪几种？ 三．基本原理 全桥测量电路中，将四个应变片接入到电桥中（受力性质相同的两个应变片接入电桥对边），当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4，当有应变产生时，其电阻变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。四．实验设备及仪器
1．应变式传感器实验模板2．砝码3．数显表4．15V电源，5V电源五．实验内容与步骤
1. 应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1，R2，R3，R4。可用万用表进行测量，R1= R2= R3=R4=350Ω。2. 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，顺时针调节Rw2使之大致位置位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：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Rw3，使数显表为零，（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3. 根据图1-2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，即将传感器中两片受力相反（一片受拉，一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源5V，此时应将5V地与15V地短接（因为不共地）。调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。4. 在砝码盘上放置一个砝码，读取数显表数值，以后每增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。表1-1 全桥输出电压与加负载重量值重量（g） 电压（mv） 5. 根据表1-1计算系统灵敏度（ΔU：输出电压的变化量，ΔW：重量变化量）和非线性误差式中Δm（多次测量时的平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。 6、 实验注意事项：1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2. 电桥的电压为5V,绝对不可错接成15V，否则可能烧毁应变片。7、 思考题：1. 全桥测量中，当两组对边（R1，R3为对边）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。2. 某工程技术人员在进行材料拉伸测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
8、 实验报告要求：1根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。 2比较单臂，半桥，全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以比较，得出相应的结论。
实验二 电容式传感器的位移特性实验一．实验目的 了解电容式传感器结构及其特点 二．预习要点 1． 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？
三．基本原理 利用平板电容和其他结构关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε，S，d中三个参数，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测量谷物干燥度（ε发生变化），测微小位移（变d）和测量液位（变ε）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响；而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会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，但比变极距型好的多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：
1) 式中l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2，r1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动时，电容变化量ΔC为
2) 于是，可得其静态灵敏度为： 3) 可见灵敏度与 有关，r2与r1越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减少非线性误差和增加传感器的灵敏度。四．实验设备及仪器1．电容传感器；2．电容传感器实验模板；3．测微头；4．数显单元；5．直流稳压源。、五．实验方法及步骤
1. 将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。2. 将电容传感器实验模板的输出端Vol与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。3. 接入V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表2-1。
表2-1 电容传感器位移与输出电压值X（mm） V（mv）
6、 实验注意事项： 1 传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2 做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。7、 思考题：
1. 简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。
2. 电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优点？ 8、 实验报告要求： 1. 根据表2-1 数据，用作图法计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差。
2. 根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明怎样提高传感器的线性度 实验三 直流激励时霍尔传感器位移特性实验一．实验目的 1． 了解霍尔式传感器原理与应用 二．预习要点 2． 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？
3． 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？
4． 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？ 三．基本原理 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件称为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为UH=kx，式中k——位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。四．实验设备及仪器1．霍尔传感器实验模板2．霍尔传感器3．15V直流电源4．测微头6．数显单元
五．实验方法及步骤1. 将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图3-1进行。1，3为电源5V，2，4为输出。2. 开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。