传感器原理与应用实验指导.doc

实验一 金属箔式应变片的性能实验一、实验目的1熟悉CSY10型传感器系统实验仪，并掌握正确的使用方法。2了解应变片的结构和性能。3了解实际的应变片电桥的原理和性能。二、实验设备直流稳压电源、双平行梁、测微器、金属箔式应变片、标准电阻、差动放大器、直流数字电压表三、实验原理 应用应变片测试时，应变片牢固地粘贴在测件表面上。当测件受力变形时，应变片的敏感栅随同变形，电阻值也发生相应的变化。通过测量电路，将其转换为电压或电流信号输出。 在实验仪的双平行梁上粘贴了8片应变片，其中6片为金属箔式应变片，两片受拉伸，两片受压缩，两片用于温度补偿。通过旋转测微器可使双平梁的自由端上、下移动，从而使应变片的受力状况不同，将应变片接于电桥中即可转换为电压输出。电桥电路是非电量电测最常用的一种方法。当电桥平衡时，即，电桥输出为零。在桥臂、中，电阻的相对变化分别为、，桥路的输出与成正比。当使用一个应变片时，；当使用两片应变片时，。如两片应变片工作于差动状态，则有；用四片应变片时组成两个差动对工作，且，则有，所以。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。根据戴维南定理可以得到电桥的输出电压近似等于，电桥的电压灵敏度，于是单臂、半桥、全桥的电压灵敏度分别为、。由此可知，当和电阻相对变化一定时，电桥输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。 四、实验内容 设直流电桥负载电阻时，比较等臂电桥工作在下列情况时桥路输出特性曲线及灵敏度。（1）由一个应变片组成单臂电桥。（2）由两个应变片、组成半桥。（3）由四个应变片组成全桥。五、实验步骤1准备工作差动放大器调零：用导线将正负输入端与地连接起来，然后将输出端接到电压频率表的输入端，电压频率表地线接地，其量程设定为IV档，增益尽可能大，但不要到最大。开启电源，同时调整差动放大器上的调零旋钮，使电压表显示零值。调好零后，调零及增益旋钮不可再动。关闭电源。将稳压电源的输出设定为4V，电压表量程仍为2V。2单臂电桥（1）按图（1）接线，图中为拉伸应变片，、为精密电阻，和为调平衡电阻。注意电桥面板上虚线所示的四个电阻并不存在，仅作为一个标记。（2）确定接线无误时开启电源。（3）在测微器离开悬臂梁，悬臂梁处于水平状态的情况下，通过调整电桥平衡电位器，使系统输出为零。（4）装上测微器，旋紧固定螺钉，转动测微器，使梁处于水平位置，即此时电压表指示为零，记录测微器的读数。然后向上旋动测微器6mm，从此位置开始，记下梁的位移与电压表指示值，每往下1mm记一个数值，一直到水平下6mm。关闭电源。3半桥保持差动放大器增益不变，将电阻换成压缩应变片，形成半桥。开启电源，调好桥路输出的零点，重复步骤2中的（4）。4全桥保持放大器增益不变，将电阻、换成另外两个应变片，接成一个直流全桥，注意新接的两个应变片在桥臂中的位置，不得搞错。调好桥路输出的零点，重复步骤2中的（4）。5数据处理位移X(mm)单臂输出U1 (mV)半桥输出U2 (mV)全桥输出U3 (mV)实验数据记录在表中。在同一坐标纸上画出UX曲线，比较三种桥路的灵敏度和线性度。六、注意事项(1)实验前必须阅读CSY10型传感器系统实验仪简介，了解实验仪的基本结构和性能。(2)在变换线路的接线时，应切断总电源。(3)实验中应将低频振荡器的输出幅度旋钮旋到最小位置，以减小对直流电桥的干扰。(4)正确选用补偿片。直流稳压电源电压不能过高，以免损坏应变片或造成严重的自热效应。(5)本实验中只能将放大器接成差动放大形式，否则系统不能正常工作。思考题(1)按照应变片桥臂位置的不同画出两种全桥。(2)从单臂、半桥到全桥，UX关系曲线的非线性度是否下降了？为什么？实验二 金属箔式应变片的温度效应和温度补偿 一、实验目的 1了解工作温度对金属箔式应变片测试系统的影响。2掌握金属箔式应变片的温度补偿原理及方法。二、实验设备直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微器、加热器、铜康铜热电偶、水银温度计、金属箔式应变片、悬臂梁。三、实验原理 用做测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。但实际上应变片的阻值受温度影响很大，使得粘贴在试件表面上的应变片，当试件不受外力作用时，温度变化而表现出温度效应，称为热输出。因温度变化引起应变片电阻的变化，从而引入测量误差，故必须进行温度补偿。补偿片法是应变片补偿方法中的一种。如图(2)所示， 在电桥电路中，为工作应变片，为补偿应变片，和是完全相同的。因此当温度变化时两个应变片的电阻变化与的符号相同，大小相等, ，电桥仍满足平衡条件，电桥无输出。四、实验内容（1）在调整桥路平衡后，利用加热器给应变片升温，测得桥路的输出及温度变化，求得温度漂移值。（2）利用补偿应变片进行温度补偿。五、实验步骤1金属箔式应变片的温度效应实验（1）差动放大器调零，此时差动放大器的增益为100倍（增益旋钮旋到最大）。（2）直流稳压电源设定为2V，按图(1)接线。（3）开启电源，通过调整测微器和电桥使系统输出为零。（4）将15V电源接入“加热”端，观察随温度的升高电路输出电压的变化情况。（5）等电压输出读数基本稳定后记下读数。（6）将毫伏表的输入和地短接，调零后；将热电偶的正负极与毫伏表的输入和地相接，记下热电势的大小（毫伏表读数为两个热电偶的串联值，应将毫伏表读数除以2）。用一水银温度计测出室温，此温度为热电偶的冷端温度。（7）根据公式，式中t为加热后的应变片温度，为室温，t00，利用铜康铜热电偶的分度表查出温度t。（8）求出温度漂移值。（9）按单臂电桥的实验步骤测定U、X数据，记入表内。 2金属箔式应变片的温度补偿实验（1）按图(1)接线，其中、分别为应变片和补偿片。（2）重复步骤1中的（3）一（9），记录实验数据，求出系统的温度漂移。并与步骤1的结果进行比较。3实验结果 t 位移(mm)温度效应U (mV)温度补偿(mV)根据实验结果在同一坐标纸上绘出温度补偿前及补偿后的UX曲线，加以比较。 六、注意事项（1）热电偶为两只铜一康铜热电偶串接而成，查分度表时应注意。（2）应正确选择补偿片。在面板的应变片接线端中，包括半导体片，上梁的上表面贴的四个应变片的位置是1，3，5，7，下梁的下表面贴的四个应变片的位置是2，4，6，8。七、思考题（1）如何用温度效应实验中热电偶的输出信号和室温来计算应变片的温度？（2）列出金属箔式应变片在有、无温度补偿时的温度漂移值，并说明温度补偿的效果。（3）全桥接法对应变片有没有温度补偿作用？为什么？实验三 半导体应变片性能一、 实验目的（1）了解半导体应变片的性能、特点。（2）了解工作温度对半导体应变片测试系统的影响。（3）掌握实际的半导体电桥的原理和性能。二、实验设备 直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微器、加热器、铜一康铜热电偶、水银温度计、半导体应变片、悬臂梁。 三、实验原理 半导体应变片是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的“压阻效应”。所有材料都在某种程度上呈现“压阻效应”，半导体的这种效应特别明显，可以反映很微小的应变。半导体应变片的突出优点是灵敏度高，可测微小应变，但其温度稳定性差，实际使用时必须采取温度补偿措施。 四、实验内容 （1）采用半导体应变片组成的单臂电桥。（2）半导体应变片的温度效应实验。（3）半导体应变片组成的直流半桥。 五、实验步骤 1单臂电桥（1）按图(3)接线，其中是半导体应变片。通电预热数分钟。注意差动放大器在接入桥路之前需调零，此时放大器增益旋钮旋到最大。（2）按单臂电桥实验步骤记录U、X数据，作出UX曲线。2半导体应变片的温度效应（1）旋动测微器使梁回到水平位置，加热器接入15 V电源，观察电压显示的漂移情况。（2）待电压表稳定后记录教值。用热电偶通过计算测得温升，求出系统的温度漂移值。3换另一片半导体应变片重复1，2步骤，记录数据，并进行比较。4半导体应变片的直流半桥（1）按图(4)接线，和半导体应变片。（2）按金属箔式应变片的直流半桥的实验步骤进行半导体应变片的直流半桥实验，测得数据，填好X、U表，作出UX曲线。5数据处理 t 实验数据记录在表中。位移x(mm)单臂输出U1 (V)半桥输出U2 (V)六、注意事项系统直流电压只能2V，以免引起自热效应。七、思考题1半导体应变片与金属应变片相比有哪些特点？2半导体应变片如何进行温度补偿？实验四 移相器实验 一、实验目的 了解由运放构成的移相电路的原理及工作情况。 二、实验设备 移相器、音频振荡器、双线示波器。 三、实验原理 图(5)所示为一简单的固定频率移相电路的原理图。经推算可得此移相电路的相移。显然从相角表达式可看出，电阻R值可以在很宽的范围内变化，当WRC很大时，相移，公式中负号表示相位超前。如将电路中R和C互换位置，则可得到相位滞后的情况。显然，当阻容网络RC不变时，相移将随输入信号的频率而变化。 四、实验步骤 （1）将音频振荡器的信号（0，180均可）送入移相器输入端。（2）示波器两通道测试线分别接入移相器的输入及输出端，调整示波器，观察波形。（3）旋动移相器上的“移相”电位器，观察两路波形的相位变化。（4）改变音频振荡器的频率，观察不同频率时的最大移相范围。 五、实验结果 根据给出的本移相器电路图，分析其工作原理，并解释所观察到的现象。实验五 相敏检波器实验一、实验目的了解它的原理及工作情况。二、实验设备相敏检波器、移相器、音频振荡器、低通滤波器、电压表、示波器。三、实验原理相敏检波器是由施密特开关电路和运放组成。其电路如图6所示。四、实验步骤（l）把音频输出电压（0，180）接至相敏检波器输入。（2）将直流稳压电源2V档地输出电压（正、负均可）接至相敏的参考输入端。（3）示波器的两通道分别接入相敏的输入、输出端、输出波形的相位关系和幅值关系。（4）改变参考电压的极性，观察输入输出波形的相位和幅值关系。结论：当参考电压为正时，输人与输出相。当参考电压为负时，输入与输出相。此电路的放大倍数为l倍。（5）将音频振荡器180输出信号送入移相器的输入端，移相器的输出端与相敏检波器的参考输入端之间连接起来，相敏检波器的信号输入端与音频振荡器的180输出口连接起来。（6）用示波器的两通道观察参考输入端和附加观察插口和的彼形。结论：相敏检波器中的整形电路的作用是将输入的正弦波转变为方波，使相敏检波器中的电子开关电路能正常工作。（7）将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通的输出接电压表20 V档。（8）原接于参考输入端的示波器输入线接至相敏的输入端。（9）适当调整音频振荡器的幅度旋钮和调节移相器的“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表的变化，然后将相敏的输入端改接至音频振荡器0输出，观察示波器的波形和电压表的变化。结论：当相敏检波器的输入与开关信号反相时，输出为极性的全波整流波形，电压表指示极性方向的最大值。反之则输出为极性的全波整流波形，电压表指示极性的最大值。（10）调整移相器，使输入信号与参考信号同相，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入值在下列值时输出的直流电压。（11）使输入信号与参考信号的相位改变180，测出上述关系。（12）当相敏检波器输入为直流时，输出波形是一方波，平均值为零。（13）数据记录。输入（V）0.5V1V2V4V8V16V20V输出（V）五、注意事项相敏检波器的最大输入值为20 V。实验六 金属箔式应变片组成的交流全桥一、实验目的（1）了解交流供电的四臂应变电桥的原理及工作情况。（2）掌握交流电桥的特点。二、实验设备音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表，金属箔式应变片、测微器、悬臂梁。三、实验原理对于交流电桥，当电桥平衡时有，此时电桥输出为零。若桥臂阻抗的相对变化分别为、，则电桥的输出阻抗的相对变化 成正比。交流电桥比直流电桥有更高地灵敏度，增大相角差可以提高灵敏度并且传感器最好是纯电阻性的或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零这两个条件下才会平衡。四、实验内容由金属箔式应变片组成的交流全桥的X、U数值的测定，绘制UX曲线，求出灵敏度。五、实验步骤（1）按图（7）接线，组成全桥，音频和差放幅度旋钮适当。（2）在梁处于水平状态时调整电桥的调平衡电位器WD和WA使系统输出为零，用示波器观察各环节的波形。（3）按实验一方法测量读数，填好X、U数值，根据所得数据作出UX曲线，求出灵敏度，并与前面的直流电桥的结果比较。（4）数据记录：位移mm电压mV六、注意事项（1）组桥时应注意应变片的受力状态。（2）如相敏检波器输出的两个半波高低不一样，可调节差放的调零电阻器加以消除。（3）做交流全桥实验时电压表用指针式毫伏表可以比较直观地看出应变片在正、反受力方向不同时输出电压的变化情况。七、思考题交流全桥与直流全桥相比有哪些特点？实验七 交流全桥的应用振幅测量一、实验目的（1）了解交流激励的金属箔式应变电桥的应用情况。（2）掌握采用交流全桥测振幅的方法。二、实验设备电桥、音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、金属箔式应变片、低频振荡器。三、实验原理当梁受到不同频率的激励时，电桥输出也不同。若激励频率和梁的固有频率相同时，产生共振，此时电桥输出最大。根据这一原理可以找出梁的固有频率。四、实验内容利用交流电桥测定梁的振幅及固有频率。五、实验步骤（1）按照实验六的电路接线，并且利用实验六的结果，得出灵敏度。（2）移开测微器，调节电桥使系统输出为零。（3）将低频振荡器输出接至激振I端，幅度适中，此时梁开始振动。（4）用示波器观察差动放大器和低通滤波器的输出波形，并描出大致波形。（5）固定低频幅度旋钮，将低频振荡器接入I端的同时，也接入到电压频率表，电压频率表设定到2K档。调节低频振荡器的输出信号的频率，同时用示波器观察差动及低通的输出，当输出最大时，读出最大振幅值，此时的频率即为梁的固有频率。（6）实验结果低通的输出波形为：差放的输出波形为：最大振幅：梁的自振频率：六、注意事项必须根据低通滤波器的输出信号来调整扫描时间，否则从差动放大器输出的波形不能看出调幅现象。实验八 交流全桥的应用电子秤一、实验目的掌握交流全桥应用于电子秤的原理。二、实验设备电桥、音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、悬臂梁、金属箔式应变片、称重平台、环形砝码。三、实验原理在悬臂梁上装上称重平台，通过在平台上加上砝码可测定重量与桥路输出电压的对应关系。称未知重物时只要测得桥路的输出电压即可得出该重物的重量。四、实验步骤（1）按实验六接线，在悬臂梁上装称重平台，调好移相器，将系统调零。（此时平台为水平位置）。（2）在平台上逐步加上砝码进行标定，并将结果填入相应的表格内。（3）取走砝码，在平台上加一未知重量的重物，记下电压表读数。（4）根据实验结果得出所称重物的重量。（5）实验结果：W(g)U(V)电压表读教： 重物重量：实验九 电容式传感器特性一、实验目的（1）了解电容式传感器的工作原理。（2）掌握电容式传感器的工作特性。二、实验设备电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、电压表、示波器。三、实验原理电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。差动变面积式电容传感器是由上、下两组定片和一组装在振动台上的动片组成。当改变振动台上、下位置时，动片随之改变垂直位置，使上、下两组动静片之间的重叠面积相应发生变化，成为两个差动式电容。上层定片与动片组成，下层定片与动片组成，如将、接入桥路，桥路输出电压U与电容变化有关，即与振动台位移量有关。四、实验内容（1）通过测微器带动振动台上、下移动，测定电容式传感器的静态特性。（2）利用激振器使振动台上、下移动，用示波器观察测试系统的输出情况。五、实验步骤（1）按图（8）接线，电容变换器和差放的增益均调至最大。（2）测微器带动振动台移动至系统输出为零，此时动片位于两静片组之间。旋动测微器，每次0.5 mm，记下位移X与电压输出U值，直至动片与静片覆盖面积最大为至。然后向相反方向做上述实验，记下实验数据。（3）实验结果X（mm）U（mV） 根据实验结果在坐标纸上绘出UX曲线计算系统灵敏度。（4）将差动放大器的增益旋钮打到适中，接通激振器I，用示波器观察低通滤波器的输出波形。六、思考题电容式传感器有哪几类？变面积型电容传感器的电容与位移有什么关系？实验十 差动变压器的性能及零点残余电压的补偿实验一、实验目的（1）了解差动变压器的工作原理。（2）熟悉差动变压器的结构和输出特性。（3）掌握对零点残余电压进行补偿的方法。二、实验设备差动变压器、音频振荡器、测微器、示波器、电桥、差动放大器。三、实验原理差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边。而次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，形成变压器的副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感变化的基础上的。当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值（从零点几mv到数十mv）存在，称为零点残余电压。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区，零点残余电压输入放大器内会便放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。因此需采用适当的方法进行补偿。四、实验内容（1）差动变压器的性能测试。（2）观察零点残余电压。采用适当的电路进行零点残余电压的补偿。五、实验步骤1差动变压器性能实验 （1）调音频振荡器输出频率为5 kHz，调双线示波器第一通道灵敏度为500 mv/cm，第二通道灵敏度为200 mv/cm。（2）按图（9）接线，音频振荡器信号必须从端子输出。（3）调整音频振荡器输出幅度旋钮，使音频信号的电压峰一峰值为2V（在示波器上读电压峰一峰值）。（4）旋转测微器，带动铁芯在线圈中移动，从示波器上读出变压器次级输出电压的峰一峰值U，观察UX关系的变化情况。当变压器次级输出为最小时，说明铁芯位于线圈中心位置，向上旋动测微器6mm，从此位置开始记下每1mm铁芯位移与次级输出电压的 值，直至铁芯偏中心以下6mm，并将数据填入相应的表格，读数过程中应注意初、次级波形相位关系的变化。（5）仔细调节测微器，使次级的差动输出电压为最小，必要时将示彼器第二通道的灵敏度拔到较高档，例如2 mv/cm。注意观察次级输出最小电压时输入、输出的相位差。（6）实验结果当铁芯从上至下时，相位由_相变为_相。位移mm电压mV零点残余电压与输入的相位差约为_。 根据实验结果，在坐标纸上画出一X曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度。2零点残余电压的补偿 （1）使音频振荡器输出频率为5kHz，示波器第一通道灵敏度为500mv/cm，第二通道灵敏度为1V/cm，将差动放大器的增益旋钮旋到最大位置。 （2）按图（10）接线，音频振荡器信号必须由插口输出。音频振荡器的输出峰一峰值为2 V。（3）利用测微器调整铁芯位置，使差动放大器输出电压最小。（4）调整电位器WD、WA使输出电压进一步减小，注意观察输出最小电压时输入输出的相位差。可提高第二通道灵敏度，以便观察。 如果调整电位器WD、WA不能使零点残余电压得到补偿，可利用带夹子的插头从电桥面板的插口接入一个电容（电容量为0.010.1F），代替原先从插口接出的电容。经过补偿后的零点残余电压波形为一不规则波形，这说明波形中有高颇分量。 六、注意事项（1）差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式。 （2）差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出插口输出，决不允许从0和180电压输出插口输出。（3）差动变压器与示波器的连接线应尽量短一些，以免引入干扰。 七、思考题（1）从差动变压器的结构来分析零点残余电压与哪些因素有关？如何减小零点残余电压？（2）差动变压器的铁芯上下移动时，变压器输出电压的相位如何变化？实验十一 差动变压器的标定 一、实验目的（1）熟悉差动变压器测试系统的组成。 （2）掌握差动变压器的标定方法。 二、实验设备差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微器。 三、实验步骤（1）使音频振荡器输出频率为5kHz，其峰一峰值为1.5 V。差动放大器的增益旋钮调到最大位置，按图(11)接线。（2）旋转测微器，使差动变压器铁芯处于线圈中段位置。观察示波器和数字电压表，调整各调零及平衡电位器WD、WA，使数字电压表指零。（3）使铁芯有个较大的位移，调整移相器使电压表指示为最大，同时用示波器观察相敏检波器的输出彼形。（4）旋转测微器，每旋一周（0.5mm）记录实验数据，并填入相应的表格。（5）实验结果位移mm电压V根据实验数据在坐标纸上作出UX曲线，求出灵敏度。实验十二 差动变压器的应用振幅测量一、实验目的了解差动变压器应用于振幅测量的情况。二、实验设备同实验十一及低频振荡器。三、实验步骤（1）按图（11）接线，利用实验十一的结果。（2）移开测微器，调整好系统各部分。（3）低频振荡器接入激振I，保持适当振幅。（4）维持振荡器幅度不变，用示波器观察低通的输出，改变振荡频率从4Hz30Hz（可用电压频率表监测低频振荡器输出信号的频率，其量程设定为2 K。），读出值，填入数据表。（5）实验结果f(Hz)456789101214182030根据实验结果作出振动台的振幅频率特性曲线，指出自振频率的大致值。实验十三 差动螺管传感器实验一、实验目的（1）了解差动螺管传感器的工作原理。 （2）了解激励频率对差动螺管传感器特性的影响。 二、实验设备 音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微器、直流电压表、示波器。三、实验原理利用差动变压器的两个次级线圈和软磁铁氧体组成了差动螺管式电感传感器。衔铁和线圈的相对位置的变化将引起螺管线圈电感值的变化。当用恒流激励传感器，线圈的输出电压就与衔铁的位移有关。在不同的激励频率下差动螺管式传感器有不同的特性。 四、实验内容 （1）差动螺管传感器的工作原理，测UX曲线。（2）实验说明激励频率对电感传感器的影响。五、实验步骤1差动螺管传感器的工作原理。 （1）使音频振荡器的输出频率为5kHz，输出电压峰一峰值约2V，差动放大器增益旋钮到最大值。 （2）按图（12）接线，组成一个电感电桥测量系统。 （3）旋转测微器，使铁芯在中间位置。 （4）调整各调零及平衡旋钮，使电压表显示值为零。（5）用测微器移动铁芯位置，每次移动1mm，移动范围5mm，记录电压表显示值，填入相应表内。（6）实验结果位移mm电压V 在坐标纸上面出UX曲线，求出灵敏度。 2激励频率对电感传感器的影响 （1）保持前面实验线路和仪器的调整状态。 按下表要求固定一个音频输出频率f，旋转测微器，使铁芯置于线圈的中间位置，然后调整WA、WD，使电压表输出最小。（2）用示波器观察差动放大器的输出彼形。（3）旋转测微器，改变铁芯位置，从示波器上读出相应的输出电压峰一峰值，填入表中。（V） X(mm)F(Hz)10002000400050006000800010K（4）改变频率f，重复步骤（1）、（2）、（3）。在同一坐标纸上作出UX曲线簇，计算灵敏度。在坐标纸上作出灵敏度与频率的关系曲线，指出传感器的最佳响应频率。六、注意事项（1）音频振荡器必须用插口输出，振幅调好后不得再变动。（2）每次改变频率后应先调好零位和移相器，保证电路处于正常工作状态。实验十四 电涡流式传感器特性实验一、实验目的（1）了解高频反射式电涡流传感器的结构和工作性能。（2）学习电涡流式传感器的静态标定方法。（3）观察不同的被测材料对电涡流传感特性的影响。二、实验设备 电涡流式传感器、涡流变换器、测微器、铝测片、铁测片、铜测片、电压表、示波器。 三、实验原理 电涡流式传感器由一平面线圈组成，金属片安装在与其平行的振动台上。当线圈中通以交变电流后，金属片上产生电涡流，涡流大小不同，影响阻抗Z的程度不同，而涡流大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度、温度以及线圈与金属板表面的距离Y有关。当平面线圈、被测体、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离Y有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压U输出，则输出电压是位移量Y的单值函数，其关系如图（13）所示。由前述也可知被测材料不同时灵敏度和线性范围都不同，必须分别进行标定工作四、实验内容（1）被测体选定为铁测片，对电涡流传感器进行静态标定。（2）被测体分别为铁测片、铜测片、铝测片，进行测试，找出各被测体的线性范围，求出系统灵敏度，加以比较。五、实验步骤 1电涡流传感器的性能实验 （1）装好测微器和传感器的铁测片。 （2）按图（14）接线，用导线将涡流传感器与涡流变换器输入端相接，将变换器输出端接至直流电压表。电压表量程设定为20 V档。（3）传感器对准金属测片。 （4）用示波器观察电涡流传感器的高频振荡波形，把示波器的时基调小一些，调到可以读出波形的频率为止，然后读出波形频率。示波器的时基为_s/cm，故波形频率约为_Hz。如发现没有振荡波形出现，可将被测体再移远一些。 （5）用测微器移动振动台，使传感器与铁测片接触，调WD使涡流变换器电压输出为零。由此开始每隔0.05mm位移用电压表读取变换器输出电压值以及用示波器读取传感器的振荡波值，并将数据填入表内，记录到线性关系严重破坏为止。（6）实验结果X(mm)(V)U(V) 根据实验数据，在坐标纸上绘出UX曲线，指出大致的线性范围，求出灵敏度。 2被测体材料不同的影响实验 （1）在振动台上装好铝测片，安装好涡流传感器，实验线路如图(14)所示。 （2）从传感器线圈与被测铝片接触开始，先调WD使系统输出为零。然后旋动测微器，每隔0.1 mm位移，就读一次电压表的示值，填入相应的表内，一直读到出现明显的非线性输出关系为止。将铝片换成铜片重复上述过程。（3）实验结果位移X(mm)铝测片，U(V)铜测片，U(V)根据实验结果，在同一坐标纸上画出对应铝测片和铜测片以及铁测片的三条UX曲线，计算它们的灵敏度，比较线性范围。 六、注意事项（1）被测体的平面与涡流传感器线圈的端面必须平行，并将线圈中心与被测体中心对准，以减小涡流损失和非线性误差。（2）传感器线圈与被测片之间的距离过小时输出可能有死区。七、思考题涡流传感器分别采用铁测片、铝测片、铜测片时的测试结果反映了什么？ 实验十五 电涡流式传感器的应用一、实验目的了解电涡流式传感器测量振幅以及组成电子秤的原理和方法。二、实验设备电涡流传感器、电涡流变换器、直流稳压电源、电桥、差动放大器、示波器、激振器、电压表、称重平台、砝码、低频振荡器。三、实验原理1电涡流式传感器用于振幅测量（1）按图(14)接线，根据实验十四的结果将电涡流传感器安装在与被测片最佳工作位置，并利用差动放大器组成电平移动电路，系统输出为零。（2）接通激振器I，使振动台（被测体）的振动频率为15、20、30Hz，用示波器观察差动放大器的输出波形，记下值。根据标定结果，求出值。（3）用示波器观察变换器输入、输出波形。 2电涡流式传感器组成的电子秤（1）按图(14)接线，电压表的量程设定为20 V档，调整传感器的位置，使其处于线性范围的起始处。（2）调整电桥单元上的WD，使系统输出为零。（3）在称重平台上逐步加砝码，记下相应的W和U值，填入表内。（4）取下砝码，放一未知重量的物体，根据实验结果求出此物重量。（5）实验结果W(g)U(V)输出电压U= （V） 重物重量W= （g）四、注意事项（1）激振频率不能打得太低，以免振幅过大振动台和传感器相碰。（2）差动放大器的增益根据电压表的指示情况而定。实验十六 磁电式传感器 一、实验目的 了解磁电式传感器的工作原理，熟悉磁电式传感器与电涡流传感器的输出特性的差别。 二、实验设备 磁电式传感器、低频振荡器、激振器、差动放大器、电涡流传感器、涡流变换器、示波器。 三、实验原理 磁电式传感器是一种能把非电量的变化转化为感应电动势的传感器，也称为感应式传感器。根据电磁感应定律，W匝线圈中的感应电动势e决定于穿过线圈的磁通的变化率：。磁电式传感器是由永久磁钢产生恒定的直流磁场，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势。e与磁通变化率成正比，因此线圈与磁场必须有一个相对运动。本磁电式传感器是动铁式。 四、实验步骤（1）将低频振荡器的输出接激振I，使振动台产生适当幅度的振动。 （2）将磁电式传感器接入差动放大器的输入端。开启电源，调节差动放大器的增益，用示波器观察差动放大器的输出波形。 （3）关闭电源，安装好电涡流传感器，调整好初始位置，示波器的另一通道接涡流变换器的输出端。 （4）开启电源，用示波器同时观察磁电式传感器和涡流式传感器的波形，注意它们的相位差。（5）将激振器与磁电式传感器互换，即“低频”输出接入“磁电”输入，“激振”接“差放”输入，用示波器观察波形并进行比较。 五、注意事项 实验过程中振幅及差动放大器增益均不能太大，以免波形失真。实验十七 压电加速度传感器 一、实验目的 了解压电加速度传感器的工作原理以及振荡频率的变化对其输出的影响。 二、实验设备 压电式传感器、电荷放大器、低频振荡器、低通滤波器、直流稳压电源、差动放大器、相敏检波器、电压表、示波器、电桥。 三、实验原理 压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测。本压电加速度传感器主要是由惯性质量块和双压电晶片组成。 四、实验步骤（1）按图(15)接线，压电式传感器与电荷放大器必须用屏蔽线连接。 （2）将低频振荡器接入“激振”II，示波器的两个通道分别接电荷放大器和低通滤波器的输出。开启电源，低频振荡器保持适当幅度，用示波器观察电荷放大器和低通滤波器的输出波形，加以比较。 （3）改变振荡频率，观察输出频率的变化。 用手敲击试验台，翰出波形会产生“毛刺”，解释其原因。（4）再按图(16)接线。低频振荡器输出频率在1530 Hz，差放增益适中。示波器的两通道分别接差动放大器和相敏检波器的输出端。（5）调节WD，使差动放大器输出直流成份为零。这可以通过观察相敏检波器的输出波形而达到。因为当相敏检波器的输入无直流成份时，输出的两个半波在一条直线上。（6）改变振荡频率，记录电压表数值，比较其相对变化值（即电压的变化范围）和灵敏度。五、注意事项 梁振动频率不应过低，否则电荷放大器的输出有可能不是正弦波。 六、思考题 压电式传感器灵敏度与频率的关系如何？绘出压电式加速度传感器的频率响应特性曲线？实验十八 霍尔式传感器的直流激励特性一、实验目的（1）了解霍尔式传感器的工作原理。（2）掌握霍尔式传感器的直流激励特性。二、实验设备直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表。三、实验原理霍尔传感器是由两个半圆形永久磁钢组成梯度磁场，位于梯度磁场中的霍尔元件霍尔片通过底座连结在振动台上。当霍尔片通以恒定的电流时，霍尔元件就有电压输出。改变振动台的位置，霍尔片就在梯度磁场中上、下移动，输出的霍尔电势U值取决于其在磁场中的位移Y，所以由霍尔电势的大小便可获得振动台的静位移。四、实验内容利用直流稳压电源给霍尔传感器提供直流电压，测定霍尔式传感器的UX曲线。五、实验步骤（1）差动放大器调零。（2）按图（17）接线。先断开WD的中头，然后让测微器与振动台吸合，旋转测微器，同时观察电压表的指示。电压表指示为零时，记下测微器的读数。此时霍尔片位于梯度磁场的中间位置（3）连接WD的中头。调WD使电压指示为零。（4）移动测微器2mm，每变化0.1mm读取相应的电压值，将所得数据填入表内。（5）实验结果位移X(mm)电压U(V)根据测得的数据，在坐标纸上绘出UX曲线，求出灵敏度及线性范围。六、注意事项直流激励电压2V不能任意加大，以免损坏霍尔片。实验十九 霍尔式传感器的交流激励特性 一、实验目的了解霍尔式传感器在交流激励下的UX关系特性。二、实验设备音频振荡器、电桥、霍尔传感器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表。三、实验步骤（1）差动放大器增益适度，且对差动放大器调零，霍尔片调至磁场中间位置（方法同实验十八）。记下测微器的读数。（2）按图(18)连接各部分组成系统。（3）音频振荡器的输出幅度调到适当位置。调整系统(WD、WA)使输出最小。（4）使振动台上、下移动，并调节移相器使系统输出达到最大值。（5）调节测微器使霍尔片回到磁路中间位置。旋动测微器2mm，每隔0.1mm读出相应的电压值，填入相应的表内。（6）实验结果位移X(mm)电压U(V) 根据表内数据在坐标纸上绘出UX曲线，求出灵敏度及线性范围。 四、注意事项 交流激励信号要从音频电压输出端(0，180)输出，幅度应严格限制在5V以下，以免损坏霍尔片。 五、思考题 霍尔式传感器的交流激励特性与直流激励特性有什么不同？实验二十 霍尔式传感器的应用振幅测量一、实验目的了解霍尔式传感器的应用情况。二、实验设备同实验十八、实验十九、低频振荡器、激振器。三、实验步骤（1）按实验十八接线，系统调零。 （2）接通激振器I，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器的输出波形。解释振幅较大时示波器中的波形。此传感器是否适用大位移测量？（3）按实验十九接线，并将系统调整好，用示波器观察差放和低通的输出波形。实验二十一 光纤传感器位移测量 一、实验目的 了解光纤传感器的工作原理，熟悉光纤传感器测位移的方法。 二、实验设备 光纤传感器及转换装置、光电变换器、电压表、示波器、低频振荡器、反射镜片、测微器。 三、实验原理 实验用光纤传感器是由红外发射一接收一稳幅和光纤传输一反射形成的传光型光纤位移传感器。从光源发射的光经数百根光纤组成的光缆传到被测表面，直接或间接反射后，由接收光缆传输到光敏元件上的光量，随反射面相对光纤端面的位移d而变化，关系如图(17)。图中I段，范围窄，灵敏度高，线性好，d继续加大，则曲线从峰值下降为II段，特性与I段相反。 四、实验步骤 （1）在光纤端面相对的振动台面上贴一反射镜片。 （2）将光纤及光电转换装置与光电变换器和电压表相连接。接通电源，预热数分钟。 （3）旋动测微器，使反射镜与光纤之间距离为零，调光电变换器面板上的增益旋钮，使光纤变换器V0端的输出电压为最小，然后使镜面与光纤头分开，每隔0.2mm读出电压读数，并填入相应的表内。 （4）移开测微器，使光纤头与反射镜面保持适当距离。（根据上述实测结果先取距离在UX曲线中点位置）。接通低频振荡器，使振动台保持适当的振幅（不碰到光纤端面为宜），示波器第一通道观察V0输出电压变化曲线，第二通道接E0观察脉冲电压的输出，并接通频率表读出振动台振动频率。V0输出电压变化曲线的频率是多少？ （5）实验结果位移X(mm)电压U(V) 根据实验数据在坐标纸上画出UX曲线，评价输出的线性度。五、注意事项 1光纤变换器工作时V0输出电压最大值在2V左右较好，不宜太大，可调节增益电位器达到。 2光纤变换器工作时光纤端面不能较长时间直接受强光照射，以免内部电流过大烧坏有关电路。3光纤不能成锐角弯曲，以免折断。光纤端