-傳感器原理-實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、傳感器原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自動(dòng)化工程學(xué)院目 錄實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)-1實(shí)驗(yàn)二 應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗(yàn) -1實(shí)驗(yàn)三 應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn) -1實(shí)驗(yàn)四 壓阻式壓力傳感器測(cè)量壓力特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五 差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六 差動(dòng)變壓器測(cè)位移特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七 電容式傳感器測(cè)位移特性實(shí)驗(yàn) -2實(shí)驗(yàn)八 線性霍爾傳感器測(cè)位移特性實(shí)驗(yàn) -2實(shí)驗(yàn)九 開關(guān)式霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn) -3實(shí)驗(yàn)十 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn) -3實(shí)驗(yàn)十一 光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn) -3實(shí)驗(yàn)十二 電渦流傳感器測(cè)量位移特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)十三 被測(cè)體材質(zhì)對(duì)電渦流傳感器特性影響實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)十四 被測(cè)體面積對(duì)電渦流傳感器特性影響實(shí)驗(yàn)*實(shí)驗(yàn)十五 氣敏傳感器實(shí)驗(yàn)

2、實(shí)驗(yàn)十六 濕度傳感器實(shí)驗(yàn)CSY2000型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)說(shuō)明書一、實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成CSY2000型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由主機(jī)箱、傳感器、實(shí)驗(yàn)電路(實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、轉(zhuǎn)動(dòng)源、振動(dòng)源、溫度源、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件、實(shí)驗(yàn)桌等組成。1、主機(jī)箱：提供高穩(wěn)定的±15V、±5V、5V、±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）、2V24V（連續(xù)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源；音頻信號(hào)源（音頻振蕩器）1KHz10KHz（連續(xù)可調(diào)）；低頻信號(hào)源（低頻振蕩器）1Hz30Hz（連續(xù)可調(diào)）；傳感器信號(hào)調(diào)理電路；智能調(diào)節(jié)儀；計(jì)算機(jī)通信口；主機(jī)箱上裝有電壓、氣壓等相關(guān)數(shù)顯表。其中，直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、低頻

3、振蕩器都具有過(guò)載保護(hù)功能，在排除接線錯(cuò)誤后重新開機(jī)恢復(fù)正常工作。主機(jī)箱右側(cè)面裝有供電電源插板及漏電保護(hù)開關(guān)。2、振動(dòng)源（動(dòng)態(tài)應(yīng)變振動(dòng)梁與振動(dòng)臺(tái)）：振動(dòng)頻率3Hz30Hz可調(diào)（諧振頻率9Hz12 Hz左右）；3、轉(zhuǎn)動(dòng)源：手動(dòng)控制0轉(zhuǎn)/分2400轉(zhuǎn)分、自動(dòng)控制3002200轉(zhuǎn)分。4、溫度源：常溫200。 5、氣壓源：020Kpa（連續(xù)可調(diào)）。6、傳感器：基本型有箔式應(yīng)變片(350)傳感器(秤重200g)、擴(kuò)散硅壓力傳感器(20Kpa)、差動(dòng)變壓器(±4mm)、電容式位移傳感器(±2.5mm)、霍爾式位移傳感器(±1mm)、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器(2400轉(zhuǎn)/分)、磁電轉(zhuǎn)速傳

4、感器(250轉(zhuǎn)/分2400轉(zhuǎn)/分)、壓電式傳感器、電渦流傳感器(1mm)、光纖位移傳感器(1mm)、光電轉(zhuǎn)速傳感器(2400轉(zhuǎn)/分)、集成溫度(AD590)傳感器(室溫120)、K熱電偶(室溫150)、E熱電偶(室溫150)、Pt100鉑電阻(室溫150)、Cu50銅電阻(室溫100)、濕敏傳感器(1095RH)、氣敏傳感器(502000ppm)等。7、調(diào)理電路(實(shí)驗(yàn)?zāi)０?：基本型有電橋及調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)、差動(dòng)放大器、電壓放大器、電荷放大器、電容變換器、電渦流變換器、光電變換器、溫度變換器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器。增強(qiáng)型增加相應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?、實(shí)驗(yàn)臺(tái)：尺寸為1600×800&#

5、215;750mm。實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌上預(yù)留了計(jì)算機(jī)及示波器安放位置。二、電路原理實(shí)驗(yàn)電路原理已印刷在面板上(實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳? ，實(shí)驗(yàn)接線圖參見(jiàn)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。三、使用方法1、開機(jī)前將電壓表顯示選擇旋鈕打到2V檔；電流表顯示選擇旋鈕打到200mA檔；步進(jìn)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源旋鈕打到±2V檔；其余旋鈕都打到中間位置。2、將AC220V電源線插頭插入市電插座中，合上電源開關(guān)，數(shù)顯表顯示0000，表示實(shí)驗(yàn)臺(tái)已接通電源。3、做每個(gè)實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，每個(gè)實(shí)驗(yàn)均應(yīng)在斷開電源的狀態(tài)下按實(shí)驗(yàn)線路接好連接線（實(shí)驗(yàn)中用到可調(diào)直流電源時(shí)，應(yīng)在該電源調(diào)到實(shí)驗(yàn)值后再接到實(shí)驗(yàn)線路中），檢查無(wú)誤后方可接通電源。4、合上調(diào)節(jié)儀

6、(器)電源開關(guān)，設(shè)置調(diào)節(jié)儀(器)參數(shù)；調(diào)節(jié)儀(器)的PV窗顯示測(cè)量值；SV窗顯示設(shè)定值(具體內(nèi)容參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書)。四、儀器維護(hù)及故障排除五、注意事項(xiàng)1、在實(shí)驗(yàn)前務(wù)必詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用注意事項(xiàng)。2、嚴(yán)禁用酒精、有機(jī)溶劑或其它具有腐蝕性溶液擦洗主機(jī)箱及面板。3、請(qǐng)勿將主機(jī)箱的電源、信號(hào)源輸出端與地（）短接，因短接時(shí)間長(zhǎng)易造成電路故障。4、請(qǐng)勿將主機(jī)箱的±電源引入實(shí)驗(yàn)電路時(shí)接錯(cuò)。5、在更換接線時(shí)，應(yīng)斷開電源，只有在確保接線無(wú)誤后方可接通電源。6、實(shí)驗(yàn)完畢后，請(qǐng)將傳感器及附件放回原處。7、如果實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)期未通電使用，在實(shí)驗(yàn)前先通電十分鐘預(yù)熱。8、實(shí)驗(yàn)接線時(shí)，要握住手柄插拔實(shí)驗(yàn)線，不能拉扯實(shí)驗(yàn)

7、線。 實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測(cè)量電路。二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過(guò)測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外

8、形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得 （11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率的變化為dL、dA、d相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式（11）全微分得電阻變化率 dR/R為： （12）式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量L; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量r  由材料力學(xué)得：             &

9、#160;   L= - r           (13)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式（13）代入式（12）得： （14）式（14）說(shuō)明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。2、應(yīng)變靈敏度    它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。    (1)、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取

10、 （15）其靈敏度系數(shù)為：K= 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。 (2)、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R<d。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減小）的壓阻效應(yīng)。也就是說(shuō)，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的

11、半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。    半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如

12、圖11所示。(a) 絲式應(yīng)變片                                         (b) 箔式應(yīng)變片圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲

13、式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： RRK 式中：RR為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù),=L/L為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。5、測(cè)量電路   為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號(hào)最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單

14、臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號(hào)一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D12（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖12 應(yīng)變片測(cè)量電路（a）、單臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E設(shè)R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K為靈敏度系數(shù)。則Uo(14)(R1R1)E(14)(RR)E(14)KE(b)、雙臂(半橋)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全橋同理:Uo(RR)EKE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖

15、 圖13 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖圖中R5、R6、R7為350固定電阻，R1為應(yīng)變片； RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源±4V。橋路輸出電壓Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差動(dòng)放大器輸出為Vo。三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼； 4位數(shù)顯萬(wàn)用表（自備）。四、實(shí)驗(yàn)步驟：應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f(shuō)明：應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逵蓱?yīng)變式雙孔懸臂梁載荷傳感器（稱重傳感器）、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應(yīng)變片測(cè)量電路、差動(dòng)放大器組

16、成。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞1(傳感器的左下)、R2(傳感器的右下)、R3(傳感器的右上)、R4(傳感器的左上)為稱重傳感器上的應(yīng)變片輸出口；沒(méi)有文字標(biāo)記的5個(gè)電阻符號(hào)是空的無(wú)實(shí)體，其中4個(gè)電阻符號(hào)組成電橋模型是為電路初學(xué)者組成電橋接線方便而設(shè)；R5、R6、R7是350固定電阻，是為應(yīng)變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設(shè)的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應(yīng)變片溫度影響實(shí)驗(yàn)時(shí)用。多芯插頭是振動(dòng)源的振動(dòng)梁上的應(yīng)變片輸入口，做應(yīng)變片測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)用。1、將托盤安裝到傳感器上，如圖14所示。圖14 傳感器托盤安裝示意圖2、測(cè)量應(yīng)變片的阻值（不要求）：當(dāng)傳感器的托盤上無(wú)重物時(shí)，分別測(cè)

17、量應(yīng)變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測(cè)量R1、R2、R3、R4的阻值變化，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變小。）。圖15測(cè)量應(yīng)變片的阻值示意圖3、實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零：按圖16示意接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(先順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。圖16差動(dòng)放大器調(diào)零接線示意圖4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖17示意圖接線，將±2V±

18、;10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。圖17應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖表1 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)按砝碼增加、減少過(guò)程各記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）重量(g)0電壓(mV)05、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)二 應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）工作特點(diǎn)及性能。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實(shí)驗(yàn)一。應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖21所示。不同應(yīng)力方向

19、的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓Uo(12)(RR)E(12)KE 。圖21 應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按實(shí)驗(yàn)一（單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)）中的步驟1和步驟3實(shí)驗(yàn)。 2、關(guān)閉主機(jī)箱電源，除將圖17改成圖22示意圖接線外，其它按實(shí)驗(yàn)一中的步驟4實(shí)驗(yàn)。讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，填入表2中。圖22 應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖表2 應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)按砝碼增加、減少過(guò)程各記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)

20、據(jù)）重量(g)0電壓(mV)03、根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：（1）對(duì)邊（2）鄰邊。實(shí)驗(yàn)三 應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實(shí)驗(yàn)一。應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖31所示。應(yīng)變片全橋測(cè)量電路中，將應(yīng)力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，相反的?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時(shí)，其橋路輸出電壓Uo(RR)EKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。圖31應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線示意

21、圖三、需用器件和單元：主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼。四、實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟與方法（除了按圖32示意接線外）參照實(shí)驗(yàn)二，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3作出實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。圖32 應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線示意圖表3全橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)按砝碼增加、減少過(guò)程各記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）重量(g)電壓(mV)五、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算非線性誤差。實(shí)驗(yàn)四 壓阻式壓力傳感器測(cè)量壓力特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈹U(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器測(cè)量壓力的原理和標(biāo)定方法。掌握測(cè)量

22、方法。二、基本原理：擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的工作機(jī)理是半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出多個(gè)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出P型或N型電阻條）組成電橋。在壓力（壓強(qiáng)）作用下彈性元件產(chǎn)生應(yīng)力，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。圖41為壓阻式壓力傳感器壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖。圖41 壓阻式壓力傳感器壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理三、需用器件與單

23、元：主機(jī)箱中的氣壓表、氣源接口、電壓表、直流穩(wěn)壓電源±15V、±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）；壓阻式壓力傳感器、壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、引壓膠管。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按42示意圖安裝傳感器、連接引壓管和電路：將壓力傳感器安裝在壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓膫鞲衅髦Ъ苌?；引壓膠管一端插入主機(jī)箱面板上的氣源的快速接口中（注意管子拆卸時(shí)請(qǐng)用雙指按住氣源快速接口邊緣往內(nèi)壓，則可輕松拉出），另一端口與壓力傳感器相連；壓力傳感器引線為4芯線(專用引線)，壓力傳感器的 1端接地，2端為輸出Vo，3端接電源4V，4端為輸出Vo。具體接線見(jiàn)圖42。圖42壓阻式壓力傳感器測(cè)壓實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖2、將主

24、機(jī)箱中電壓表量程切換開關(guān)切到2V檔；可調(diào)電源±2V±10V調(diào)節(jié)到±4V檔。實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蟁W1用于調(diào)節(jié)放大器增益、RW2用于調(diào)零，將RW1調(diào)節(jié)到的13位置(即逆時(shí)針旋到底再順時(shí)針旋3圈)。合上主機(jī)箱電源開關(guān)，仔細(xì)調(diào)節(jié)RW2使主機(jī)箱電壓表顯示為零。3、合上主機(jī)箱上的氣源開關(guān)，啟動(dòng)壓縮泵，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)下端調(diào)壓閥的旋鈕，此時(shí)可看到流量計(jì)中的滾珠在向上浮起懸于玻璃管中，同時(shí)觀察氣壓表和電壓表的變化。4、調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕，使氣壓表顯示某一值，觀察電壓表顯示的數(shù)值。5、仔細(xì)地逐步調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕，使壓力在2kPa18kPa之間變化（氣壓表顯示值），每上升1kPa氣壓分別讀取電

25、壓表讀數(shù)，將數(shù)值列于表4。 表4壓阻式壓力傳感器測(cè)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)按壓力增加、減少過(guò)程各記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）P(kPa)Vo(p-p)6、如果本實(shí)驗(yàn)裝置要成為一個(gè)壓力計(jì)，則必須對(duì)電路進(jìn)行標(biāo)定，方法采用逼近法：輸入4kPa氣壓，調(diào)節(jié)Rw2（低限調(diào)節(jié)），使電壓表顯示0.3V(有意偏小)，當(dāng)輸入16kPa氣壓，調(diào)節(jié)Rw1（高限調(diào)節(jié)）使電壓表顯示1.3V(有意偏小)；再調(diào)氣壓為4kPa，調(diào)節(jié)Rw2（低限調(diào)節(jié)），使電壓表顯示0.35V(有意偏小)，調(diào)氣壓為16kPa，調(diào)節(jié)Rw1（高限調(diào)節(jié)）使電壓表顯示1.4V(有意偏小)；這個(gè)過(guò)程反復(fù)調(diào)節(jié)直到逼近自己的要求(4kpa對(duì)應(yīng)0.4V，16kpa對(duì)應(yīng)1.6V)

26、即可。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)五 差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠顒?dòng)變壓器的工作原理和特性。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：差動(dòng)變壓器的工作原理電磁互感原理。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖51所示，由一個(gè)一次繞組1和二個(gè)二次繞組2、3及一個(gè)銜鐵4組成。差動(dòng)變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于把二個(gè)二次繞組反向串接（同名端相接），以差動(dòng)電勢(shì)輸出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。當(dāng)差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖52所示。圖中U1為一次繞組激勵(lì)電壓；M1、M2分別為一

27、次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個(gè)二次繞組的有效電阻。對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21，這時(shí)互感M1大，M2小，圖51差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖52差動(dòng)變壓器的等效電路圖因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動(dòng)差動(dòng)輸

28、出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。因此通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖112可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)為： 由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢(shì)為：其有效值為：差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖53所示.圖中E21、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈

29、敏，給測(cè)量帶來(lái)誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)可采取以下方法：圖53  差動(dòng)變壓器輸出特性1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過(guò)處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。 3、采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。圖54是其中典型的幾種減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路。在差動(dòng)變壓器的線圈中串、并適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整W1、W2時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。(a) (b) (c)圖54  減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)

30、勢(shì)電路三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動(dòng)變壓器、差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、雙蹤示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟：附：測(cè)微頭的組成與使用測(cè)微頭組成和讀數(shù)如圖55測(cè)微頭讀數(shù)圖圖55測(cè)位頭組成與讀數(shù)測(cè)微頭組成： 測(cè)微頭由不可動(dòng)部分安裝套、軸套和可動(dòng)部分測(cè)桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測(cè)微頭讀數(shù)與使用：測(cè)微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線(1mm格)，另一排是半毫米刻線(0.5mm格)；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線(0.01mm格)。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時(shí)，測(cè)桿就沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過(guò)1格，測(cè)桿沿軸方向移動(dòng)

31、微小位移0.01mm，這也叫測(cè)微頭的分度值。測(cè)微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對(duì)準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀110分度，如圖5-5甲讀數(shù)為3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時(shí)，應(yīng)看微分筒的示值是否過(guò)零，如圖115乙已過(guò)零則讀2.514mm；如圖55丙未過(guò)零，則不應(yīng)讀為2mm，讀數(shù)應(yīng)為1.980mm。測(cè)微頭使用：測(cè)微頭在實(shí)驗(yàn)中是用來(lái)產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測(cè)微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒到10mm處(為了保留測(cè)桿軸向前、后位移的余量)，再將測(cè)微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套

32、(測(cè)微頭整體移動(dòng))使測(cè)桿與被測(cè)體連接并使被測(cè)體處于合適位置(視具體實(shí)驗(yàn)而定)時(shí)再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒時(shí)，被測(cè)體就會(huì)隨測(cè)桿而位移。1、差動(dòng)變壓器、測(cè)微頭及實(shí)驗(yàn)?zāi)０灏磮D56示意安裝、接線。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腖1為差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈，L2、L3為次級(jí)線圈，號(hào)為同名端；L1的激勵(lì)電壓必須從主機(jī)箱中音頻振蕩器的Lv端子引入。檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為4kHz5kHz、幅度為峰峰值Vp-p2V作為差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓(示波器設(shè)置提示：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO

33、 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、CH1靈敏度VOLTS/DIV在0.5V1V范圍內(nèi)選擇、CH2靈敏度VOLTS/DIV在0.1V50mV范圍內(nèi)選擇)。圖56差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖2、差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)：使用測(cè)微頭時(shí)，當(dāng)來(lái)回調(diào)節(jié)微分筒使測(cè)桿產(chǎn)生位移的過(guò)程中本身存在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用如下a、b兩種方法實(shí)驗(yàn)，建議用b方法可以檢測(cè)到差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓附近的死區(qū)范圍。a、調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。松開安裝測(cè)微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp

34、-p(峰峰值)為較小值(越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置)時(shí)，擰緊緊固螺釘。仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為最小值(零點(diǎn)殘余電壓)并定為位移的相對(duì)零點(diǎn)。這時(shí)可假設(shè)其中一個(gè)方向?yàn)檎灰疲硪粋€(gè)方向位移為負(fù)，從Vp-p最小開始旋動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔X=0.2mm(可取30點(diǎn)值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表4，再將測(cè)位頭位移退回到Vp-p最小處開始反方向(也取30點(diǎn)值)做相同的位移實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中請(qǐng)注意：從Vp-p最小處決定位移方向后，測(cè)微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移，中途不允許回調(diào)，否則，由于測(cè)微頭存在機(jī)械回差而引起位移誤差；所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)每點(diǎn)位移量須仔細(xì)

35、調(diào)節(jié)，絕對(duì)不能調(diào)節(jié)過(guò)量，如過(guò)量則只好剔除這一點(diǎn)粗大誤差繼續(xù)做下一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)或者回到零點(diǎn)重新做實(shí)驗(yàn)。當(dāng)一個(gè)方向行程實(shí)驗(yàn)結(jié)束，做另一方向時(shí)，測(cè)微頭回到Vp-p最小處時(shí)它的位移讀數(shù)有變化(沒(méi)有回到原來(lái)起始位置)是正常的，做實(shí)驗(yàn)時(shí)位移取相對(duì)變化量X為定值，與測(cè)微頭的起始點(diǎn)定在哪一根刻度線上沒(méi)有關(guān)系，只要中途測(cè)微頭微分筒不回調(diào)就不會(huì)引起機(jī)械回程誤差。*b、調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。松開安裝測(cè)微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)為較小值(越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置)時(shí)，擰緊緊固螺釘，再順時(shí)針?lè)较?/p>

36、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒12圈，記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和示波器CH2通道顯示的波形Vp-p(峰峰值)值為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。以后，反方向(逆時(shí)針?lè)较? 調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，每隔X=0.2mm(可取6070點(diǎn)值)從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入表11(這樣單行程位移方向做實(shí)驗(yàn)可以消除測(cè)微頭的機(jī)械回差)。3、根據(jù)表5數(shù)據(jù)畫出XVp-p曲線并找出差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。表5 差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)們記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）X(mm)Vp-p(mV)五、思考題：如何理解差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓？用什么方法可以減小零點(diǎn)殘余電壓？實(shí)驗(yàn)六 差動(dòng)變壓器測(cè)位移實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠顒?dòng)變壓器測(cè)位移

37、時(shí)的應(yīng)用方法。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：差動(dòng)變壓器的工作原理參閱實(shí)驗(yàn)五（差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)）。差動(dòng)變壓器在應(yīng)用時(shí)要想法消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)和死區(qū)，選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏檢波電路，既可判別銜鐵移動(dòng)（位移）方向又可改善輸出特性，消除測(cè)量范圍內(nèi)的死區(qū)。圖61是差動(dòng)變壓器測(cè)位移原理框圖。圖61差動(dòng)變壓器測(cè)位移原理框圖 三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、電壓表；差動(dòng)變壓器、差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒁葡嗥?相敏檢波器/低通濾波器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?；測(cè)微頭、雙蹤示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、相敏檢波器電路調(diào)試：將主機(jī)箱

38、的音頻振蕩器的幅度調(diào)到最?。ǚ刃o逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底），將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔，再按圖62示意接線，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器測(cè)量。提示：正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置，觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V范圍內(nèi)選擇。當(dāng)CH1、CH2輸入對(duì)地短接時(shí)移動(dòng)光跡線居中后再去測(cè)量波形。）。調(diào)節(jié)相

39、敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個(gè)波形。到此，相敏檢波器電路已調(diào)試完畢，以后不要觸碰這個(gè)電位器鈕。關(guān)閉電源。圖62相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖1、 調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，使微分筒的0刻度值與軸套上的10mm刻度值對(duì)準(zhǔn)。按圖143示意圖安裝、接線。將音頻振蕩器幅度調(diào)節(jié)到最?。ǚ刃o逆時(shí)針輕轉(zhuǎn)到底）；電壓表的量程切換開關(guān)切到20V檔。檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)。圖143差動(dòng)變壓器測(cè)位移組成、接線示意圖3、調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5KHz、幅值Vp-p=2V（用示波器監(jiān)測(cè)）。4、松開測(cè)微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著差動(dòng)變壓器銜鐵的位移方向移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套（左、右方向都可以），

40、使差動(dòng)變壓器銜鐵明顯偏離L1初級(jí)線圈的中點(diǎn)位置，再調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器輸出為全波整流波形（示波器CH2的靈敏度VOLTS/DIV在1V50mV范圍內(nèi)選擇監(jiān)測(cè)）。再慢悠悠仔細(xì)移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套，使相敏檢波器輸出波形幅值盡量為最?。ūM量使銜鐵處在L1初級(jí)線圈的中點(diǎn)位置）并擰緊測(cè)微頭安裝孔的緊固螺釘。5、調(diào)節(jié)差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞W1、RW2（二者配合交替調(diào)節(jié)）使相敏檢波器輸出波形趨于水平線（可相應(yīng)調(diào)節(jié)示波器量程檔觀察）并且電壓表顯示趨于0V。6、調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，每隔X=0.2mm從電壓表上讀取低通濾波器輸出的電壓值，填入下表6。表6 差動(dòng)變壓器測(cè)位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)們記錄兩組實(shí)

41、驗(yàn)數(shù)據(jù)）X(mm)-0.200.2V(mV)07、根據(jù)表6數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線并截取線性比較好的線段計(jì)算靈敏度S=VX及測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉電源開關(guān)。 實(shí)驗(yàn)七 電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：1、原理簡(jiǎn)述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容CAd關(guān)系式通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇、A、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)干燥度（變）、測(cè)位移（d變）和測(cè)液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓

42、板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動(dòng)式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖71所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長(zhǎng)為x，則電容量為C=2pln(Rr)。圖中C1、C2是差動(dòng)連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生X位移時(shí)，電容量的變化量為C =C1C2=2p2Xln(Rr)，式中2p、ln(Rr)為常數(shù)，說(shuō)明C與X位移成正比，配上配套測(cè)量電路就能測(cè)量位移。 圖71 實(shí)驗(yàn)電容傳感器結(jié)構(gòu)2、 測(cè)量電路(電容變換器)：測(cè)量電路畫在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓拿姘?/p>

43、上。其電路的核心部分是圖162的二極管環(huán)路充放電電路。圖72 二極管環(huán)形充放電電路在圖72中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C4電容、L1電感和CX1、CX2（實(shí)驗(yàn)差動(dòng)電容位移傳感器）組成。當(dāng)高頻激勵(lì)電壓(>100kHz)輸入到點(diǎn)，由低電平E1躍到高電平E2時(shí)，電容CX1和CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由點(diǎn)經(jīng)D3到b點(diǎn)，再對(duì)CX1充電到O點(diǎn)(地)；另一路由由點(diǎn)經(jīng)C4到c點(diǎn)，再經(jīng)D5到d點(diǎn)對(duì)CX2充電到O點(diǎn)。此時(shí)，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充電時(shí)間內(nèi)，由到c點(diǎn)的電荷量為：Q1CX2(E2-E1) （71） 當(dāng)高頻激勵(lì)電壓由高電平E2返回到低電平E1時(shí)，

44、電容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點(diǎn)、D4、c點(diǎn)、C4、點(diǎn)、L1放電到O點(diǎn)；CX2經(jīng)d點(diǎn)、D6、L1放電到O點(diǎn)。在t2放電時(shí)間內(nèi)由c點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為：Q2CX1(E2-E1) （72）當(dāng)然，（71）式和（72）式是在C4電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C4的充放電回路由圖72中實(shí)線、虛線箭頭所示。在一個(gè)充放電周期內(nèi)（t1t2），由c點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為：Q2-Q1(CX1-CX2)(E2-E1)CX E （73）式中：CX1與CX2的變化趨勢(shì)是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動(dòng)式）。設(shè)激勵(lì)電壓頻率f1/T，則流過(guò)ac支路輸出的平均電流i為：iffCX E （74

45、） 式中：E激勵(lì)電壓幅值；CX傳感器的電容變化量。由（74）式可看出：f、E一定時(shí)，輸出平均電流i與CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1I Rw。由傳感器原理已知C與X位移成正比，所以通過(guò)測(cè)量電路的輸出電壓Vo1就可知X位移。3、 電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)原理方塊圖如圖73圖73電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)方塊圖三、需用器件與單元：主機(jī)箱±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉y(cè)微頭。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按圖74示意安裝、接線。圖74 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖2、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置(方

46、法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)傳圈)。3、將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示0V ，再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭(同一個(gè)方向)6圈，記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭1圈即X=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)(這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填入表7(這樣單行程位移方向做實(shí)驗(yàn)可以消除測(cè)微頭的回差)。表7 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)們記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）X (mm) V(mV)4根據(jù)表7數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉電源開關(guān)。實(shí)驗(yàn)八 線性霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饣魻柺絺?/p>

47、感器原理與應(yīng)用。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：霍爾式傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應(yīng)原理工作。它將被測(cè)量的磁場(chǎng)變化（或以磁場(chǎng)為媒體）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出?；魻栃?yīng)是具有載流子的半導(dǎo)體同時(shí)處在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中而產(chǎn)生電勢(shì)的一種現(xiàn)象。如圖81（帶正電的載流子）所示，把一塊寬為b，厚為d的導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，并在導(dǎo)電板中通以縱向電流I ，此時(shí)在板圖81霍爾效應(yīng)原理的橫向兩側(cè)面,之間就呈現(xiàn)出一定的電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)可以用洛倫茲力來(lái)解釋），所產(chǎn)生的電勢(shì)差UH稱霍爾電壓?；魻栃?yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：UHRHKHIB 式中：RH-1(ne)是由半導(dǎo)體本身載流子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為

48、霍爾系數(shù)；KH RHd靈敏度系數(shù)，與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件，霍爾元件大多采用N型半導(dǎo)體材料（金屬材料中自由電子濃度很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件），厚度d只有1µm左右。 霍爾傳感器有霍爾元件和集成霍爾傳感器兩種類型。集成霍爾傳感器是把霍爾元件、放大器等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)，與霍爾元件相比，它具有微型化、靈敏度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、功耗低、負(fù)載能力強(qiáng)以及使用方便等等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用的霍爾式位移（小位移1mm2mm）傳感器是由線性霍爾元件、永久磁鋼組成，其它很多物理量如：力、壓力、機(jī)械振動(dòng)等本質(zhì)上都可轉(zhuǎn)變成位移的變

49、化來(lái)測(cè)量。霍爾式位移傳感器的工作原理和實(shí)驗(yàn)電路原理如圖82 (a)、(b)所示。將磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鋼同極性相對(duì)放置著，線性霍爾元件置于兩塊磁鋼間的中點(diǎn)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，(a)工作原理 (b)實(shí)驗(yàn)電路原理圖82霍爾式位移傳感器工作原理圖設(shè)這個(gè)位置為位移的零點(diǎn)，即X0，因磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，故輸出電壓UH0。當(dāng)霍爾元件沿X軸有位移時(shí)，由于B0，則有一電壓UH輸出，UH經(jīng)差動(dòng)放大器放大輸出為V。V與X有一一對(duì)應(yīng)的特性關(guān)系。注意：線性霍爾元件有四個(gè)引線端。涂黑二端是電源輸入激勵(lì)端，另外二端是輸出端。接線時(shí)，電源輸入激勵(lì)端與輸出端千萬(wàn)不能顛倒，否則霍爾元件就損壞。三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的&#

50、177;2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒒魻杺鞲衅?、測(cè)微頭。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。按圖83示意圖安裝、接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)到±4V檔。2、檢查接線無(wú)誤后，開啟主機(jī)箱電源，松開安裝測(cè)微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套，使傳感器的PCB板（霍爾元件）處在兩園形磁鋼的中點(diǎn)位置(目測(cè))時(shí)，擰緊緊固螺釘。再調(diào)節(jié)RW1使電壓表顯示。圖83 霍爾傳感

51、器(直流激勵(lì))位移實(shí)驗(yàn)接線示意圖3、測(cè)位移使用測(cè)微頭時(shí)，當(dāng)來(lái)回調(diào)節(jié)微分筒使測(cè)桿產(chǎn)生位移的過(guò)程中本身存在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用單行程位移方法實(shí)驗(yàn)：順時(shí)針調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒3周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點(diǎn)。以后，反方向(逆時(shí)針?lè)较? 調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，每隔X=0.25mm(總位移可取34mm)從電壓表上讀出輸出電壓Vo值，將讀數(shù)填入表8(這樣可以消除測(cè)微頭的機(jī)械回差)。表8 霍爾傳感器(直流激勵(lì))位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請(qǐng)同學(xué)們記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）X（mm）V(mV)4、根據(jù)表8數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)九 開關(guān)式霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私忾_關(guān)

52、式霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：開關(guān)式霍爾傳感器是線性霍爾元件的輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大，再經(jīng)施密特電路整形成矩形波（開關(guān)信號(hào)）輸出的傳感器。開關(guān)式霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的原理框圖91所示。當(dāng)被測(cè)圓盤上裝上6只磁性體時(shí)，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)就變化6次，開關(guān)式霍爾傳感器就同頻率f相應(yīng)變化輸出，再經(jīng)轉(zhuǎn)速表顯示轉(zhuǎn)速n。圖91開關(guān)式霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速原理框圖三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)024V直流穩(wěn)壓電源、+5V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、頻率轉(zhuǎn)速表；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)源。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)圖92將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝于霍爾架上，傳感器的端面對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼并調(diào)節(jié)升降桿使傳感器端面與磁鋼

53、之間的間隙大約為23。2、將主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源024V旋鈕調(diào)到最小(逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到底)后接入電壓表(電壓表量程切換開關(guān)打到20V檔)；其它接線按圖192所示連接（注意霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的三根引線的序號(hào)）；將頻頻轉(zhuǎn)速表的開關(guān)按到轉(zhuǎn)速檔。3、檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，在小于12V范圍內(nèi)(電壓表監(jiān)測(cè))調(diào)節(jié)主機(jī)箱的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源(調(diào)節(jié)電壓改變直流電機(jī)電樞電壓)，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)速表的顯示情況。圖92 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖4、從2V開始記錄每增加1V相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)(待電機(jī)轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù))。請(qǐng)同學(xué)們自擬實(shí)驗(yàn)表格并記錄兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。畫出電機(jī)的V-(電機(jī)電樞電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

54、)特性曲線。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：利用開關(guān)式霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)被測(cè)對(duì)象要滿足什么條件？實(shí)驗(yàn)十 磁電式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獯烹娛綔y(cè)量轉(zhuǎn)速的原理。掌握測(cè)量方法。二、基本原理：磁電傳感器是一種將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成為感應(yīng)電勢(shì)的有源傳感器，也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個(gè)匝數(shù)為的線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生出感應(yīng)電勢(shì)，線圈中感應(yīng)電勢(shì)： 。線圈感應(yīng)電勢(shì)的大小在線圈匝數(shù)一定的情況下與穿過(guò)該線圈的磁通變化率成正比。當(dāng)傳感器的線圈匝數(shù)和永久磁鋼選定(即磁場(chǎng)強(qiáng)度已定)后，使穿過(guò)線圈的磁通發(fā)生變化的方法通常有兩種：一種是讓線圈和磁

55、力線作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即利用線圈切割磁力線而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)；另一種則是把線圈和磁鋼部固定，靠銜鐵運(yùn)動(dòng)來(lái)改變磁路中的磁阻，從而改變通過(guò)線圈的磁通。因此，磁電式傳感器可分成兩大類型：動(dòng)磁式及可動(dòng)銜鐵式(即可變磁阻式)。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用動(dòng)磁式磁電傳感器，實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖101所示。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤上嵌入6個(gè)磁鋼時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)盤每轉(zhuǎn)一周磁電傳感器感應(yīng)電勢(shì)e產(chǎn)生6次的變化，感應(yīng)電勢(shì)e通過(guò)放大、整形由頻率表顯示，轉(zhuǎn)速n=10f。圖101磁電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)原理框圖三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)024V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、頻頻轉(zhuǎn)速表；磁電式傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)源。四、實(shí)驗(yàn)步驟：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)除了傳感器不用接電源外(傳感器探頭中心與轉(zhuǎn)盤磁鋼對(duì)準(zhǔn))，其它完全與實(shí)驗(yàn)九相同；請(qǐng)按圖102示意安裝、接線并按照實(shí)驗(yàn)九中的實(shí)驗(yàn)步驟做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。圖102 磁電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖五、思考題：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)很低的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)降低精度，甚至不能測(cè)量。如何創(chuàng)造條件保證磁電式轉(zhuǎn)速傳感器正常測(cè)轉(zhuǎn)速？能說(shuō)明理由嗎？實(shí)驗(yàn)十