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1、东北大学传感器实验报告实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、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、基本原理：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：R R K 式中：R R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数,=L/L 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元件，通过它转换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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uo1=EK/4。三、需用器件与单元：主机箱(4V、15V、电压表)、应变式传
2、感器实验模板、托盘、砝码、41 位数显万用表（自备）。应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图 4、根据表 1 计算系统灵敏度 S U/W（U 输出电压变化量，W 重量变化量）和非线性误差 ，解：S=200/47=4.225=m/yFS 100=2/200100=1四、实验报告数据处理 1记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。实验误差：产生非线性误差的原因：电阻变化率R/R不可能完全成线性增加。实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理：不同受力方向的两只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。当应变片阻
3、值和应变量相同时，其桥路输出电压U O2EK 2。图 2 应变式传感器半桥接线图三、需用器件与单元：主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。画出实验曲线，计算灵敏度 S 2U W，非线性误差 。2、由所得数据绘出半桥电桥的传感器特性曲线如下：3、（1）计算系统灵敏度：V=（24-13）+（43-13）+（104-94）/9=（104-24）/9=8.89mV W=20gS=V/W=0.444mV/g（2）计算非线性误差：m=（13+24+33+43+53+64+74+84+94+104）/10=58.6mV y FS=104mV f=m/yFS100%=56.3%误差分析：电桥原理上存在非线
4、性误差实验三 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优点。二、基本原理：全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R 1R 2R 3R 4，其变化值 R 1 R 2 R 3 R4 时，其桥路输出电压 U 03KE 。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件和单元：主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。图 31 全桥性能实验接线图 1、实验数据 2、由所得数据绘出半桥电桥的传感器特性曲线如下全桥传感器特性曲线由图可知，全桥的传感器特性曲线的线性特性良好，电桥输出灵敏度很高。3、（1
5、）计算系统灵敏度：V=（30-16）+（60-46）+（152-136）/9=（152-30）/9=13.56mV W=20gS=V/W=0.68mV/g（2）计算非线性误差：m=（16+30+46+60+76+90+106+121+136+152）/10=83.3mV y FS=152mV f=m/yFS100%=54.8%图 32 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图误差分析：仪器本身存在系统误差，读数误差。实验九 差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理：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
6、采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使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），就引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。三、需用器件与单元：主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。测微头组成和读数如图 91测微头读数图 图 91 测位头组成与读数图 92 差动变压器性能实验安装、接线图画出 V op-p X 曲线 2.灵敏度 S=-66.044mv/mm当 X=1mm 时 当 x=3mm 时（1）X=1 时，y=-66
7、+252=186mv（1）x=3mm 时，y=-198+256=54mv（2）X=-1 时，y=66+252=318mv（2）x=-3mm 时 y=198+256=450mv分析产生非线性误差的原因答：由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等等因素，存在零点残余电动势，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来了误差。实验十三 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：利用电容 C A 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 、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（变）、测位移（d 变）和
8、测量液位（A 变）等多种电容传感器。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，如下图所示：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=2 ln(Rr)。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=C1C2=2 2X ln(Rr)，式中 2、ln(Rr)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。三、需用器件与单元：主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差 电容传感器位移与输出电压值图 13 电容传感器位移实验安装、接线
9、图灵敏度 S=-0.0075V/mm 非线性误差 =9/570*100%=1.58%实验误差：系统误差，读数误差。实验十七 磁电式转速传感器测速实验一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。e=-N 二、基本原理：基于电磁感应原理，N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：发 d dt生变化，因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生 N 次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。三、需用器件与单元：主机箱、磁电式传感器、转动源。图 17 磁电转速传感器实验安装、接线示意图实验结论：随着电压增加，电机转速越来越高。实验误差：系统误差，读数误差。实验十八 压电式传感器
10、测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、需用器件与单元：主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。图 18 压电传感器振动实验安装、接线示意图实验图象结果波形图 当振荡频率大约为 14HZ 时，产生共振。误差分析：系统误差。十九 电涡流传感器位移实验一、实验目的：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：通过交变电流的线圈产生交
11、变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离等参数有关。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态(线圈与金属体表面不接触)，当线圈与金属体表面的距离以外的所有参数一定时可以进行位移测量。三、需用器件与单元：主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片)。图 19 电涡流传感器安装、按线示意图四、实验报告 1根据表 19-1 数据，画出
12、U X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，并计算量程为1mm、3 mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端点法或其它拟合直线）。五.实验数据曲线图 V X 曲线最小二乘法计算如下所示：拟合曲线约为:Y=33.89x-334（1）由上图可得系统灵敏度：S=V/W=33.887mV/mm（2）由上图可得非线性误差：当 x=1mm 时:Y=33.891-334=-300.11mV m=Y+306=5.89m V y FS=340mV f=m/yFS100%=1.73%当 x=3mm 时:Y=33.893-334=-232.33mV m=Y+240=7.67m V y
13、 FS=340mV f=m/yFS100%=2.26%当 x=5mm 时:Y=33.895-334=-164.55mV m=Y+166=1.45m V y FS=340mV f=m/yFS100%=0.43%实验二十四 光纤传感器的位移特性实验一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。二、基本原理：本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y 型光纤，半园分布即双 D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转
14、换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距 X 有关，因此可用于测量位移。三、器件与单元：主机箱、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面。图 24 光纤传感器位移实验接线图表 24 光纤位移传感器输出电压与位移数据实验结论：随着距离增加，电压越来越高。实验误差：系统误差，读数误差。实验二十五 光电转速传感器测速实验一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6 个孔，转动
15、时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。三、需用器件与单元：主机箱、转动源、光电转速传感器光电断续器(已装在转动源上)。图 2光电传感器测速实验实验数据实验结论：随着电压增加，电机转速越来越高。实验误差：读数误差，系统误差。实验三十 B K 热电偶测温性能实验一、实验目的：了解热电偶测温原理及方法和应用。二、基本原理：将 A 和 B 二种不同的导体首尾相连组成闭合回路，如果二连接点温度(T，T 0)不同，则在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这就是热电效应。A 和 B 称为热电极，焊接的一端是接触热场的 T 端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端(接引线)处在温度 T
16、 0 称为自由端或参考端，也称冷端。T 与 T 0 的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为时，热电偶的输出电动势为。可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。三、需用器件与单元：主机箱、温度源、P t 100 热电阻(温度源温度控制传感器)、热电偶(温度特性实验传感器)、温度传感器实验模板、应变传感器实验模板(代 mV 发生器)。热电偶测温时要对参考端(冷端)进行修正(补偿)，计算公式：E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0,t0)图 30B K 热电偶温度特性实验接线示意图表 30B 热电偶热电势(经过放大器放大后的热电势)与温度数据 45mv 900mv k(增益
17、)=20 6、根据表 30B 数据画出实验曲线并计算非线性误差。S=V/T=(189.5-162.4)/(100-50)=0.542=m/yFS100%=2.6/189.5100%=0.95%注：实验数据 V(mv)/k(增益)=E(t,t0)。实验曲线实验三十四 气敏传感器实验一、实验目的：了解气敏传感器原理及应用。二、基本原理：气敏传感器(又称气敏元件)是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。它一般可分为：半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等。本实验所采用的 SnO 2（氧化锡）半导体气敏传感器是对酒精敏感的电阻型气敏元件；该敏感元件由纳米级 SnO
18、2 及适当掺杂混合剂烧结而成，具微珠式结构，应用电路简单，可将传导性变化改变为一个输出信号，与酒精浓度对应。传感器对酒精浓度的响应特性为：三、需用器件与单元：主机箱、气敏传感器、酒精棉球(自备)。图 34 气敏(酒精)传感器与实验接线示意图实验数据：未放酒精棉：1.43v 放酒精棉 4.33v 实验误差：系统误差，读数误差。实验三十五 湿敏传感器实验一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及应用范围。二、基本原理：湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度，一般多用相对湿度概念，即在一定温度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值(用百分比表示)，称为相对湿度(用 RH 表示)。导电机理为水分
19、子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元件阻抗随相对湿度变化成对数变化，一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的线性电压信号输出以制成湿度传感器模块形式。本实验的传感器在DC+5V5供电的情况工下的输出特性如下图：图351。三、需用器件与单元：主机箱、湿敏传感器、湿敏座、潮湿小棉球(自备)、干燥剂(自备)。图 351 湿敏传感器输出特性图 352 湿敏传器与实验接线示意图实验数据：1.010v 1.998v实验误差：仪器本身存在误差，连线不紧，读数误差。实验四十三 光电开关实验一、实验目的：了解透射式光电开关组成原理及应用。二、基本原理：光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成（光耦、光断续器）。当发射管和接收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断，利用这种特性可制成透射式光电开关用来工业零件计数、控制等。三、需用器件与单元：主机箱、光电器件实验模块（一）、发光二极管、光敏二极管（或光敏三极管）。图 43 光电开关实验实验现象：放置遮挡物，灯灭；移开遮挡物，灯亮。