传感器实验指导书

传感器与检测技术实验指导教师：劲松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-全桥性能实验及电子秤实验6实验三电容式传感器的位移特性实验10实验四Pt100热电阻测温实验13实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验实验目的：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。根本原理：金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：〔1〕当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对式〔1〕全微分，并用相对变化量来表示，则有：〔2〕式中的为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位〔1=1×〕。假设径向应变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为，因为=2〔〕，则〔2〕式可以写成：〔3〕式〔3〕为“应变效应〞的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式〔3〕可见，受两个因素影响，一个是〔1+〕，它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是材料的电阻率随应变引起的〔称“压阻效应〞〕。对于金属材料而言，以前者为主，则，对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也说明，在金属丝拉伸比例极限，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象外表上。在外力作用下，被测对象外表产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据〔3〕式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系〔4〕式中σ——测试的应力；E——材料弹性模量。可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表〔自备〕。四、实验容与步骤：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的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进展测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。图1－1应变式传感器安装示意图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使之大致位于中间位置，再进展差动放大器调零，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，使数显表显示为零，〔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、按图1-2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模块已接好〕，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接〔因为不共地〕如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次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。图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)正行程I020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程I020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)正行程II020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程II020406080100120140160180200电压(mv)根据表1－1计算系统灵敏度、非线性误差(端基法或最小二乘法)、迟滞误差和重复性误差。五、实验考前须知：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，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题：1、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。七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2、从理论上分析产生非线性误差的原因。实验二金属箔式应变片-全桥性能实验及电子秤实验一、实验目的：了解全桥测量电路的原理及优点。了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、根本原理：半桥测量电路中，把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。全桥测量电路中，将受力性质一样的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值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了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。电子秤实验原理为利用全桥测量原理，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〕即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。四、实验容与步骤：(一)、半桥性能实验1、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，进展差动放大器调零，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，使数显表显示为零，〔数显表的切换开关打到2V档〕。关闭主控箱电源。2、根据图2-1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，调节电桥调零电位器Rw1进展桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1。假设实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态一样。则应更换应变片。图2-1应变式传感器半桥实验接线图表2－1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)(二)、全桥性能实验根据图2-2接线，实验方法与实验一一样，注意保持RW2的位置不动。将实验结果填入表2-2；进展灵敏度和非线性误差计算。表2－2全桥输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)图2-2应变式传感器全桥实验接线图(三)电子秤实验利用全桥测量原理，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〕即成为一台原始的电子秤。1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图2-2全桥接线，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〔2V档〕。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2〔增益即满量程调节〕使数显表显示为0.200V或—0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1〔零位调节〕使数显表显示为0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到准确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，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2-3。表2－3电桥输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)五、实验考前须知：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，绝不可错接成±15V。六、思考题：1、全桥测量中，当两组对边〔R1、R3为对边〕值R一样时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：〔1〕可以〔2〕不可以。2、*工程技术人员在进展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。图2-3应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求：1、根据所记录的数据绘制出传感器的特性曲线。 2、计算并比拟半桥、全桥输出时的灵敏度、非线性度和迟滞误差，并从理论上加以分析比拟，得出相应的结论。3、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，假设要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。实验三电容式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电容式传感器构造及其特点。根本原理：利用平板电容C＝εS／d和其它构造的关系式通过相应的构造和测量电路可以选择ε、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物枯燥度〔ε变〕测微小位移〔变d〕和测量液位〔变S〕等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板构造对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形构造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，但比变极距型好得多。〕成为实际中最常用的构造，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——外圆筒与圆柱覆盖局部的长度；——外圆筒半径和圆柱外半径。当两圆筒相对移动时，电容变化量为〔2〕于是，可得其静态灵敏度为：〔3〕可见灵敏度与有关，越接近，灵敏度越高，虽然外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，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，采用差动式圆柱形构造，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。实验步骤：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Vo1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±15V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*与输出电压值，填入表3-1。表3－1电容传感器位移与输出电压值*(mm)正行程00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V(mv)*(mm)反行程00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V(mv)4、根据表3-1数据计算电容传感器的系统灵敏度、非线性误差和迟滞误差。五、实验考前须知：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。图3-1电容传感器位移实验接线图六、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，有哪些优缺点？七、实验报告要求：1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。2、根据实验结果，分析引起这些非线性得原因，并说明怎样提高传感器得线性度。实验四Pt100热电阻测温实验实验目的：了解热电阻的特性与应用。根本原理：利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，而稳定，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0－630.74℃以，电阻RtRt=Ro(1+At+Bt2)Ro系温度为0℃时的电阻。本实验Ro＝100℃。A＝3.9684×10－2／℃，B＝－5.847×10－7／℃需用器件与单元：Pt100热电阻〔温度模块上〕、1A恒流源、温度控制单元〔温控器〕、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。实验步骤：1、将温度模块中的实验Pt100接入a、b间，把b、c连接起来，这样，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就组成了一种直流单臂电桥，再把Rw2逆时针旋到底〔增益最小〕。图4-1Pt100热电阻测温实验接线图2、把温度模块的±15V和主控箱的±15V输出连接起来，差动放大器的Vo与主控箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接，调节Rw3使差动放大器的输出为零。3、按图4-1连接好线，在端点a与地之间加+5V的直流电源，按图11-1将电桥的输出与差动放大器相连，温度控制器的SV窗口设定为〔设置方法见附录2〕，然后调节Rw1使电桥平衡，即使差放的输出为零。4、在的根底上，以后每隔设定一次，即Δt=，读取数显表值，将结果填入下表。表5－1T〔℃〕正行程50556065707580859095100V(mV)T〔℃〕反行程50556065707580859095100V(mV)5、根据上表计算Pt100的灵敏度、非线性误差、迟滞误差。五、实验考前须知：加热器温度不能加热到120℃六、思考题：如何根据测温围和精度要求选用热电阻？七、实验报告要求：1、根据实验所得的数据，做出传感器的特性曲线。2、总结Pt100热电阻传感器有哪些优缺点。附录1实验箱温度控制简要原理当总电源开关合上，并且温度控制器的开关也闭合时，如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值，则温度控制器面板上ALM2灯亮〔ALM2为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开触点串联的〕，部继电器闭合，温度模块开场加热，加热电源为1A恒流源，当温度加热到略高与设定温度值时，ALM2灯灭，部继电器断开，温度模块停顿加热，但由于温度的惯性比拟大，因此当温度模块停顿加热后，仍有一定的向上的冲量。附录2温度控制器使用说明1、仪表通电显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗输入代码，后显示PV窗量程上限、SV窗量程下限〔N型显示PV窗Jd—0—5、SV窗2003〕，随后即进入工作状态，其中PV显示的为测量的温度值，SV显示的为设定的温度值，当SV的值大于PV的值时ALM2灯亮，恒流源有输出，当PV的值大于SV的值时，ALM1灯亮，恒流源无输出，按SET键0.5秒SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5秒确认，如需要修改其他参数，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜单，可按要求逐一修改容〔见操作流程表〕，修改完毕再按SET键0.5秒假设干下，退出菜单，如15秒无键按下〔该窗新设置的数据无效〕自动进入新的工作状态。2、当输入信号大于量程上限时，仪表显示―――，当输入信号小于超出量程下限10%以上时，仪表仍显示―――，并切断主控输出；当输入信号略小于量程下限时，仪表显示―――。3、当温度控制效果不够理想时，可以通过人工后自整定来改变PID参数。操作方法如下：①人工修正：将仪表进入B菜单至P窗，再用温度控制器下面的三个箭号键来修正P值，再按SET0.5S进入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S假设干下返回正常工作状态，即开场新的PID参数。②自整定修正：先把主控设定再实际使用值后实用值的80%左右，再将仪表进入B菜单至ATU窗后选择〔1〕选号按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，带自整定完成AT灯灭仪表即按新的自整定PID参数工作。用自整定修正PID值时应该注意当负载为多段串联加热方式〔如挤出机械〕，其中*段进入自整定过程时，应尽量保持相邻前后二段的温度不变，否则会影响自整定效果。4、PID参数的设置原则：P—比例带设定，一般取上过冲值的2倍，当温度有规律波动〔系统振荡