华中科技大学自控传感器课程实验报告

1、传感器与检测技术实验报告小组成员班级学号杜雄自动化1405班U201414355徐航自动化1405班U201414372 实验时间：2016年10月21日 2016年10月28日实验目录实验一金属箔式应变片单臂电桥性能实验 (2)实验二金属箔式应变片半桥性能实验 (7)实验三金属箔式应变片全桥性能实验 (8)实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 (9)实验五直流全桥的应用电子秤实验(10)实验六差动变压器的性能实验 (11)实验七电容式传感器的位移特性实验 (15)实验八直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 (16)实验九电涡流传感器的位移特性实验 (18)实验十被测体材质对电涡流

2、传感器的特性影响实验（选做） (20)实验十一一光纤传感器的位移特性实验 (21)4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，并掌握单臂电桥工作原理 和性能。二、基本原理:电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感 器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形， 然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电 阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电 物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量

3、等，在机械加工、计量、建 筑测量等行业应用十分广泛。1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效 应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为 r、材料的电阻率为时，根据电阻的定义式得（11）当导体因某种原因产生应变时，其长度 L、截面积 A 和电阻率的变化为 dL、dA、d相应的电阻变化为 dR。对式（11）全微分得电阻变化率 dR/R 为：（12）式中：dL/L 为导体的轴向应变量 L;dr/r 为导体的横向应变量 r由材料力学得：L= - r(13)式中：为材料的泊松比，大多

4、数金属材料的泊松比为 0.30.5 左右；负号表 示两者的变化方向相反。将式（13）代入式（12）得：（14）式（14）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特 有的导电性能（压阻效应）。2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。(1)、金属导体的应变灵敏度 K：主要取决于其几何效应；可取（15）其灵敏度系数为：K =金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在 2 左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/Rd。半导体材料之所以具有较大的电

5、阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻 效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体 的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效 应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在 100 到 200 左右。3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很

6、少应用。一般半导体应变采用 N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、箔式应变片的基本结构 金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm 左右 的金属丝或金属箔制成，如图 11 所示。(a) 丝式应变片(b) 箔式应变片 图 1-1 应变片结构图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，与丝式应变 片工作原理相同。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： RRK

7、式中： RR 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。5、箔式应变片单臂电桥实验原理图 图 1-2 应变片单臂电桥性能实验原理图 对单臂电桥输出电压 U01=EK/4。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显 表、15V 电源、4V 电源、万用表(自备)。四、实验步骤：1、根据图(1-3)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 已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进 行测量判别，R1=R2=R3=R4=350，加热丝阻值为 50左右。图 1-3应变式传感安装示意图2、接入模板电源

8、15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开 关，将实验模板调节增益电位器 Rw3 顺时针调节大致到中间位置，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 显表电压输入端 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)。关闭主控箱电源。3、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与 R5、R6、R7 接成直流电桥(R5、R6、R7 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)如图 1-4 所示。检查接线无 误后，合上主控箱

9、电源开关。调节 Rw1，使数显表显示为零。图 1-4应变式传感器单臂电桥实验接线图4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应 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重量(g)20406080100120140160180200电压(mv)3.16.39.612.616.019.122.425.928.932.15、根据表 1-1 计算系统灵敏度 S，S=u/W(u 输出电压变化量；W重量变化量)计算线性误差：f1=m/yFS100%式中m 为输出值(多次测量时 为平均值)与拟合直线的最大偏差，yFS 满量程输出平均值。如下

10、图所示，虚线为拟合后的直线，我们得到的拟合公式为： y = 0.1616x - 0.1733其中纵坐标V 为测得电压值，单位为mv ，横坐标m为砝码质量，单位为g；拟合优度R=0.9999 ，接近1，说明拟合效果很好。砝码重量/g20406080100120140160180200实验值/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1理论值/mv3.2326.4649.69612.92816.1619.39222.62425.85629.08832.32偏差/mv0.1320.1640.0960.3280.160.2920.224-0.0440.1880.22其中理

11、论值是根据拟合直线公式计算得所以可得灵敏度即斜率 S=0.1616 mv/g；线性度=m/yFS100%=0.328/（32.32-3.1）*100%=1.12%综上所述得到结论：灵敏度为0.1616，线性度为1.12%.五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变 片(3)正、负应变片均可以。答：（3）正、负应变片都可以，因为正负对单臂电桥的传感器的特性无影响。43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。

12、当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输 出电压 U02=EK/2。图 2-1应变片半桥特性实验原理图三、需用器件与单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验(一)2 的步骤，实验模板差动放大器零。2、将适当的两片应变片接入桥路。R1、R2 为实验模板左上方的应变片，注意 R2 和 R1 受力状态相反，即将传感器中两片受力相反的电阻应变片作为电桥的 相邻边。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器 Rw1 进行桥路调零，实验步 骤 3、4 同实验一中 4、5 的步骤，将实验数据记入表 2-1，计算灵敏度 S=U/ W，非线性误差f2。若实验时无数值显示说明 R2 与 R1 为相同

13、受力状态应变 片，应更换另一个应变片。下表 半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)20406080100120140160180200电压/(mv)6.112.3212834.841.148.354.961.367.4重量/g20406080100120140160180200实验值/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4理论值/mv6.85613.71220.56827.42434.2841.13647.99254.84861.70468.56偏差/mv0.7561.412-0.432-0.576-0.520.036-0.308-0.0520.404

14、1.16利用excel 对数据进行处理拟合得到数据图像如下：其中纵坐标V 为测得电压值，单位为mv ，横坐标m为砝码质量，单位为g；拟合优度R=0.9988，接近1，说明拟合效果很好。所以可得灵敏度即斜率 S=0.3428 mv/g；其中理论值是根据拟合直线公式计算得线性度=1.412/（68.56-6.1）*100%=2.26%综上所述得到结论：灵敏度为0.3428，线性度为2.26%.五、思考题：1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：(1)对边(2)邻边。2、桥路(差动电桥)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(2)应变片应变效应是非线性的

15、(3)调零值不是真正为零。 答： 1.邻边 2.电桥测量原理上存在非线性误差实验三金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，理解全桥测量电路优点。二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对 边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其变化值R1=R2=R3=R4 时，其桥路输出电压 U03=KE。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。 图 3-1 应变片全桥特性实验接线示意图三、需用器件和单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。2、参考图 1-4 接线，将四片应变片按正确的方式接入

16、桥路。将实验结果填 入表 3-1；实验后进行灵敏度和非线性误差计算。下表全桥输出电压与加负载重量值重量(g)20406080100120140160180200电压/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6重量/g20406080100120140160180200实验值/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6理论值/mv12.84825.69638.54451.39264.2477.08889.936102.784115.632128.48偏差/mv0.3480.6960.5440.1920.740.488

17、0.4360.2840.1320.88利用excel 对数据进行处理拟合得到数据图像如下：其中纵坐标V 为测得电压值，单位为mv ，横坐标m为砝码质量，单位为g；拟合优度R=1，说明拟合效果很好。所以可得灵敏度即斜率 S=0.6424mv/g；其中理论值是根据拟合直线公式计算得线性度=0.88/（128.48-12.5）*100%=0.76%综上所述得到结论：灵敏度为0.6424，线性度为0.76%.五、思考题：1、全桥测量中，当两组对边(R1、R3 为对边)电阻值 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

18、行材料拉力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。见图 3-2。图 3-2 应变片传感器受拉时传感器圆周面展开图答： 1、可以组成全桥电路。 2、将这两组应变片按照两个不同方向贴在棒材上，利用两组不同的测量 值即可组成一个全路电桥，不需要外加电阻。实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应 的结论。二：实验原理：如图 4（a）、（b）、（c）4（a）单臂4（b）半桥4（c）全桥三、实验步骤：根据上面实验一、二、三所得的数据，事后在同一坐标系中分 别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输

19、出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度， 从中能得出什么实验结论？ (注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。四、数据处理与分析经过测量，我们得到的实验数据如下：砝码质量/g20406080100120140160180200单臂电压/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1半桥电压/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4全桥电压/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6利用excel 对数据进行处理拟合得到数据图像如下最终结果如下实验单臂半桥全桥灵敏度0.16160.34280.

20、6424线性度1.12%2.26%0.76%五、实验总结从三个实验对比来看，从单臂到半桥再到全桥，灵敏度依次增大，且大致遵循2 倍关系；从理论分析而言，非线性误差全桥电路半桥电路单臂电路，但由于实验偶然误差，实测半桥电路非线性误差大于单臂。实验五直流全桥的应用电子秤实验一、实验目的：了解应变片直流全桥的应用电路的标定。 二、基本原理：电子秤实验原理为实验三全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、15V 电源、4V 电源。 四、实验步骤：1、按实验一中 2 的

21、步骤将差动放大器调零：参考图 1-4 将四个应变片按正 确的接法接成全桥形式，合上主控箱电源开关调节电桥平衡电位器 Rw1，使数显表显示 0.000V。2、将 10 只砝码轻轻地全部置于传感器的托盘上，调节电位器 Rw3(增益即 满量程调节)，使数显表显示为 0.200V(2V 档测显)。3、拿去托盘上的所有法码，调节电器 Rw4（零位调节），使数显表显示为0.000V 或。4、重复 2、3 步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲 V 改为重量 量纲 g，就可秤重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表 5-1： 表 5-1 标定后的应变片全桥输出电压和重量对应重量(g)

22、20406080100120140160180200电压(mv)29.747.664.88299.6117.6135.1153.1171.8189.26、放入重量稍轻的一件随身物品（如手机等），称出其实际重量记录下来。此外，我们测量手机（梁）的数据如下：手机质量： 150g；输出电压值： 144.1mv用excel绘制如下：从数据中我们看到，所测的值在误差允许范围内，大致满足标定要求，即大约每20g 砝码对应直流全桥应用电路电压输出值17.72mv。从这个实验中，我们深刻的领会了应变片直流全桥应用电路的标定过程，对于传感器的学习有了更深刻的理解与兴趣。实验六差动变压器的性能实验一、实验目的：了

23、解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理：差动变压器的工作原理电磁互感原理。差动变压器的结构如图6-1 所示，由一个一次绕组 1 和二个二次绕组 2、3 及一个衔铁 4 组成。差动变 压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位 移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输 出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等 影响），它的等效电路如图 6-2 所示。图中 U1 为一次绕组激励电压；M1、M2 分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1 分别为

24、一次绕组的电感和有 效电阻；L21、L22 分别为两个二次绕组的电感；R21、R22 分别为两个二次绕 组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感 相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接， 所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组 L21，这时互感 M1 大，M2 小，图 6-1 差动变压器的结构示意图 图6-2 差动变压器的等效电路图 因而二次绕组 L21 内感应电动势大于二次绕组 L22 内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。 同样道理，当衔铁向二次绕组 L22 一边移动差动输

25、出电动势仍不为零，但由于 移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小 和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。由图 6-2 可以看出一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为：由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为： 其有效值为：差动变压器的输出特性曲线如图 6-3 所示.图中 E21、E22 分别为两个二次绕 组的输出感应电动势，E2 为差动输出电动势，x 表示衔铁偏离中心位置的距离。 其中 E2 的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0 为 零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所 造成的。零点残余电动势的存在，使得传感

26、器的输出特性在零点附近不灵敏， 给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。图 6-3差动变压器输出特性 三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压 器，音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。四、实验步骤1、根据图 6-4，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。图 6-4差动变压器电容传感器安装示意图2、在模块上按图 6-5 接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的 Lv 端子输出， 调节音频振荡器的频率，输出频率为 45KHz(可用主控箱的数显表的频率档 Fin 输入来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值 Vp-p=2V(可用示波器监测：X 轴

27、为 0.2ms/div、Y 轴 CH1 为 1V/div、CH2 为 20mv/div)。判别初次级线圈及次级线 圈同名端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同 名端，按图 6-5 接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形， 次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与 初级圈波形(Lv 音频信号 Vp-p=2V 波形)比较能同相和反相变化，说明已连接的初、 次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。图中(1)、 (2)、(3)、(4)为模块中的实验插孔。图 6-5双线示波与差动变压器连结示意图3、旋动测微头，使

28、示波器第二通道显示的波形峰一峰值 Vp-p 为最小。这时 可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一方向位移为负。从 Vp-p 最 小开始旋动测微头，每隔 0.2mm 从示波器上读出输出电压 Vp-p 值填入下表 6-1。 再从 Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次 级波形的相位关系。4、实验过程中注意差动变压输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表 6-1 画出 Vop-p-X 曲线，作出量程为1mm、3mm 灵敏度和非线性 误差。五、数据处理与分析位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8电压(mv)184256328

29、392440536584664712808位移(mm)22.22.42.62.8-0.2-0.4-0.6-0.8-1电压(mv)864936102010801150240280360400440位移(mm)-1.2-1.4-1.6-1.8-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3电压(mv)520600680740760880960104011201200下面是Excel绘制的数据分析 +3mm时的拟合直线 灵敏度为344.39mv/mm -3mm时的拟合曲线 灵敏度为339.26mv/mm 位移与电压分布图 零点电压为184mv。 +1mm的拟合曲线 灵敏度为339.43mv/mm -1mm的

30、拟合曲线 灵敏度为262.86mv/mm根据非线性度误差公式用Excel处理后有如下结果实验0-1mm-1-0mm0-3mm-3-0mm灵敏度339.43262.86344.39339.26非线性误差6.52%7.35%4.12%4.45%从结论中我们可以看出， 在误差允许范围内， 实验结果满足较大的精度要求；且对比得到的两组灵敏度、非线性误差，我们得到结论：所取数据越多，实验结果的灵敏度越低，非线性误差越大。六、思考题1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如 1KHz 的振动幅值，可以吗？ 差动变压器测量频率的上限受什么影响？2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？答：1.不可以。骨架形

31、状和尺寸的精确性， 线圈的排列， 铁芯的尺寸和材质，激 励频率和负载状态等都会影响频率的测量上限。 2.差动变压器的工作是基于电磁感应原理， 这两者差距极大， 不可以互相替代。差动变压器一般用于作为检测元件，而一般变压器一般作为电源变换部件或者信号转换部件实验七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：利用平板电容 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)测微小位移(变 d)和测量液位(变 A) 等多种电容传感器。三、需用器件与单元：电容传感

32、器、电容传感器实验模板、测微头、相敏 检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。四、实验步骤：1、按图 6-4 安装示意图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 7-1。图 7-1电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端 V01 与数显表单元 Vi 相接(插入主控箱Vi 孔)，Rw 调节到中间位置。4、接入15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔 0.2mm记下位移 X 与输出电压值，填入表 7-1。位移(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8电压(mv)0-28.4-58

33、.2-85.6-114.7-148.7-177.9-206-233-265位移(mm)-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3-3.2-3.4-3.6电压(mv)-296-321-346-373-399-425-450-474-500位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8电压(mv)034.36098.2126149.3177.7218251280位移(mm)22.22.42.62.833.23.43.6电压(mv)313344379412444477510544577下面是excel拟合后的曲线 灵敏度为140mv/mm 反方向上电压与位移的关系 灵敏度为160.1

34、1mv/mm 正方向上电压与位移的关系考虑到越到后面线性度越差，就截取了线性度较好的两部分根据非线性误差求出最大偏差后结果总结如下：实验正位移负位移灵敏度160.11mv/mm140mv/mm线性度1.05%2.26%5、根据表 7-1 数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差f。五、思考题：试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构，并叙述一 下在此设计中应考虑哪些因素？答：湿度传感器采用的是平板电容器结构, 在绝缘基片上用平面工艺分别形成上电极、介质层和下电极。介质层由谷物组成, 其介电常数随其相对湿度呈线性关系, 即 x=0+ku Cx=xS/4 kd=0S/ +kus/式中：

35、x材料在不同相对湿度下的介电常数;00%RH介电常数;k 常数;u 相对湿度;Cx元件在不同相对湿度时的电容量;s电容极板面积;d 介质层厚度;K 静电力常量由上式可以看出,Cx 与u 呈线性关系, 从而由传感器电容量的大小即可决定环境中的相对湿度设计中应该考虑的问题： 传统的谷物测湿方法是通过称量烘干前后谷物的质量来求湿度, 这种方法的缺点是测量速度慢。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法, 也早已无法满足现代科技发展的精度的要求。近年来, 国内外在湿度传感器研发方面取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化和智能化检测的方向迅速发展, 将湿度测量技术提高到新的水平。由于湿

36、度传感器的测量受环境温度和谷物密度的影响, 导致这种设计会有一定的局限性。实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。根据霍尔效应， 霍尔电势 UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。 图 8-1 霍尔效应原理三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源4V、15、测微头、数显单元。四、实验步骤：1、将霍尔传感器按图 8-2 安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图 8-3 进行。 1、3 为电

37、源4，2、4 为输出。图 8-2霍尔传感器安装示意图2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节 RW2 使数显表指示为零。图 8-3霍尔传感器位移直流激励实验接线图3、 旋转测微头向轴向方向推进，每转动 0.2mm 记下一个读数，直到读数近似 不变，将读数填入表 8-1。作出 V-X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。数据记录如下位移(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.8电压(v)0.120.250.380.510.640.770.911.041.18位移(mm)22.22.42.62.833.23.43.6电压(v)1.321.461.611.761

38、.912.072.232.412.56位移(mm)3.844.24.44.64.855.25.4电压(v)2.712.852.953.063.143.213.273.293.29位移(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6电压(v)0-0.12-0.23-0.35-0.48-0.59-0.73-0.86-1.01位移(mm)-1.8-2-2.2-2.4-2.6-2.8-3-3.2-3.4电压(v)-1.15-1.29-1.44-1.58-1.73-1.87-1.98-2.06-2.15位移(mm)-3.6-3.8-4-4.2-4.4-4.6-4.8-5电压(mv)

39、-2.22-2.28-2.32-2.35-2.38-2.41-2.42-2.42利用Excel分析如下全部正方向时的拟合 全部负方向时的拟合 正方向时2mm内的拟合 负方向上2mm内的拟合 正方向时的1mm内的拟合 负方向时1mm内的拟合再根据公式求出灵敏度与线性度综合如下实验-1,0mm0,1mm-2,0mm0,2mm负方向全部正方向全部灵敏度0.59290.64290.64450.66050.53350.6702线性度误差1.45%1.25%0.92%0.77%9.54%7.27%所以在超过一定范围时，线性度会变差。五、思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？答：是

40、实际的输入、输出与拟合的理想的直线的偏离程度的变化，当X不同的时候，实际的输出值与根据拟合直线得到的数值的偏离值是不相同的。实验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：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体 涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。图 9-1 电涡流传感器原理图图 9-2 电涡流传感器等效电路图三、需用器件与单元：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、验步骤：、 根据图 9-3 安装电涡流传感器。图 9-3电涡流传感器安装示意图图

41、 9-4电涡流传感器位移实验接线图2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有的两端插孔中，作为振荡器 的一个元件（传感器屏蔽层接地）。、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。、将实验模板输出端 V0 与数显单元输入端 Vi 相接。数显表量程切换开关选 择电压 20V 档。、用连接导线从主控台接入15V 直流电源到模板上标有+15V 的插孔中。、使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， 然后每隔 0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表 9-1。 电涡流传感器位移 X 与输出电压数据如下：位移(mm

42、)00.20.40.60.811.21.41.6电压(v)00.370.711.011.311.631.922.252.57位移(mm)1.822.22.42.62.833.23.4电压(v)2.93.223.533.874.174.484.85.115.41位移(mm)3.63.844.24.44.64.855.2电压(v)5.766.286.566.827.077.337.567.78位移(mm)5.45.65.866.26.46.66.87电压(v)88.078.238.268.288.298.318.328.33位移(mm)7.27.47.67.888.28.4电压(v)8.338.348.348.358.358.368.368、根据表 9-1 数据，画出 V-X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点，试计算量程为 1mm、3mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度。1mm时的拟合曲线3mm时的拟合曲线5mm时的拟合曲线综合以上并根据公式求出线性度与灵敏度如下实验1mm3mm5mm灵敏度1.61v/mm1.5881v/mm1.5301v/mm线性度误差2.56%1.15%1.02%其位移特性如下：横坐标是位移，单位mm。纵坐标是电压，单位v。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5mm 的量程应如何 设计传感器？2