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《传感器》实验

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2

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核技术与自动化工程学院

实
验
报
告

课程名称： 传感器原理及应用
姓 名： 李文国
学 号： 200706080109
专 业: 辐射防护与环境工程
学 期： 2009-—2010（1）
任课教师: 刘 易
实验（1）名称： 应变片实验

实验人员： 李文国 指导老师： 刘易
实验地点： 6C801 实验时间： 12.15
一、实验目的及要求
◇了解不同电桥的特性和实现方法：
1。 直流单臂电桥特性
2 .直流双臂电桥（半桥）特性
3. 直流四臂电桥(全桥)特性
◇1.详细记录不同电路连接时的测量数据
2。在同一坐标上描绘出X—V曲线,比较三种接法的灵敏度
3.编写实验报告
二、实验内容

图1-1 原理图

电阻应变片式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器的构造由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成，其工作原理是基于应变效应。
通过螺旋测微器的上下移动,给应变片施加不同的力，进而改变应变片的电阻。通过以上电路，将输出信号经过差动放大器的放大，观察输出电压与位移的关系.将应变片接入Rx，测量单臂电桥数据。将应变片接入Rx和R3，构成半桥电路。将四个电阻都接入电路，构成全桥。
三、实验步骤
1。直流电源旋在±2V档。F/V表置于2V,差动放大器增益打到最大。
2。系统调零，观察梁上的应变片,转动测微头,使梁处于水平位置（目测)，接通总电源及副电源。放大器增益旋至最大。
3.差动放大器调零，方法是用导线将放大器正负输入端与地连接起来，输出端接至F/V表输入端,调整差动放大器上的调零旋钮,使表头指示为零。
4。电桥调零，根据电路图，利用电桥单元上的接线和调零网络连接好测量电路.图中r及w1为调平衡网络，先将Rx设置为工作片。
5.直流电源打到±4V,调整电桥平衡电位器使电压表为零（电桥调零).测微头调整在整刻度（0mm)位置，开始读取数据。
6.上下旋动测微头，每移动1mm（两圈）读取一个数值，
测试数据填入表格；
7。保持差动放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反
的另一个应变片形成半桥电路，测试数据填入表格；
8.保持差动放大器增益不变，将R1、R2两个电阻换成另外
两个应变片接成一个直流全桥,测试数据填入表格.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10
X（mm）

V（mV）

四、 试验结果及分析
(1)实验结果（数据)
由于未记录起始时螺旋测微器的读数，所以得出的数据是变化量之间的对应关系。这也是本次试验的不足之处，需进一步改正。

表1—1 单臂电桥数据
△X（mm）
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
△V（v）
-0.014
—0。034
—0.051
-0。070
-0.087
—0.106
-0.121
—0。141
—0.157
-0.173
△V(v）
-0。011
—0。030
-0.049
-0。068
—0。086
—0.103
-0.120
—0。138
-0.154
—0。173

表1-2 半桥数据
△X(mm）
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
△V(v)
—0.006
-0.045
—0.086
—0.126
—0.165
—0。206
-0。247
—0.290
—0.330
-0。371
△V(v)
—0.002
—0.043
—0。084
-0。125
—0。164
-0.206
-0。248
-0.289
-0.330
-0.371

表1—3 全桥数据
△X（mm)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
△V(v)
—0.031
—0。219
—0.136
-0.052
0.031
0。116
0。196
0。281
0.365
△V(v）
—0。303
-0.218
-0。134
—0.051
0.032
0.118
0.198
0.283
0.366
(2）数据分析

图1—2 输出电压与应变的关系

图中紫色所对应的直线是单臂电桥的情况，黄色是单臂电桥的情况，褐色是全桥的情况。通过比较可以发现它们的斜率依次是两倍的关系。全桥的斜率与其他两条的符号相反，可能是电源极性接反的原因。通过本次实验验证了单臂时，Ku=E/4; 半桥时Ku=E/2;全桥时Ku=E.

实验（2)名称: 霍尔传感器

实验人员： 李文国 指导老师： 刘易
实验地点： 6C801 实验时间: 12.23
一、实验目的及要求
1。了解霍尔传感器的基本原理与特性
2.详细记录测量数据
3.编写试验报告
二、实验内容

图2—1 原理图

图2-2 元件结构及输出特性曲线

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，广泛用于电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。
本次实验通过霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时Uh不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量.
三、实验步骤
1。差动放大器增益旋至最小，电压表量程置2V档,直流稳压电源放在2V档。开启电源，差动放大器调零。
2.按图接好电路，调整平衡网络w1,使电压指示为零。旋动测微头，每0.2mm读一个数，记下电压表的输出电压值,并将结果填入下表：
X（mm)

V(v)

3。根据测量结果作出V—X曲线,指出线性范围。求出灵敏度K=△V/△X。
四、 试验结果及分析
(1)实验结果(数据）
本次实验是每变化1mm读取一个数据记录的,可能造成测量数据少，结果出现一定偏差.

表2-1 输出与输入数据
X(mm）
-6
-5
—4
—3
—2
—1
0
1
V（v）
-0。316
—0。316
-0.315
—0.31
—0.296
—0.284
—0.236
—0.149
X（mm）
2
3
4
5
6
7
8
9
V(v)
-0.038
0。067
0.145
0.187
0。208
0。219
0。226
0.228

(2)数据分析

图2—3 V与X的函数曲线

通过EXCELL绘制出相关曲线如上图，因为对散点添加趋势线时采用的是移动平均的模式，所以结果会造成偏差，倘若中间用线性拟合，两端用水平线表示,结果可能更符合理论值。曲线没有过零点,并且出现了较大幅度的便宜,原因可能是平衡状态下，霍尔元件经过长期使用，已经不在磁铁的中间了。
线性范围应该是在—1-4mm范围，对应电压的输出范围为—0.25—0.15V，灵敏度K=△V/△X=0。4V/5mm=0.08 V/mm。

实验（3)名称: 涡流传感器

实验人员： 李文国 指导老师： 刘易
实验地点： 6C801 实验时间： 12.23
一、实验目的及要求
1.了解涡流传感器的基本原理与特性
2.电涡流传感器不同材料的检测
3。详细记录测量数据
4。编写试验报告
二、实验内容
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，它能对位移实施测量，此外不同材料对传感器的感应情况不同，本实验就是基于此而设计的.

图3—1 原理图

图3-2 涡流变换器内部电路

图3-3 谐振曲线及输出特性曲线

三、实验步骤
1.安装好传感器,用导线将涡流传感器接入涡流变换器的输入端，将输出端接至电压表。电压表置于20v档，测量电路如图所示。
2.用示波器观察涡流变换器的输入端波形，如果没有振荡波形，应移动被测体。根据示波器扫描时计算出振荡波形的频率为__________.
3.调整测微头，使传感器与被测铁片接触,从接触开始读数，用示波器观察振荡波形的峰--峰值Vp-p,电压表检测输出电压值V。每隔0.25mm读一次数。到线性破坏为止。将结果填入下表：
△X（mm)

Vp—p(v）

V（v）

1。 将铁片换成铝片,调整好传感器位置，装好测微头,用示波器观察涡流变换器输入端，电压表接变换器输出端。
2.从传感器与铝片接触开始，旋转测微头改变传感器与被测体间的距离，每0.25mm记录一次电压表读数，到出现明显的非线性为止。
3.换上铁片重复上述过程,将所得结果填入下表：
X（mm)

铁 (V）

铝 （V）

四、试验结果及分析

（1） 实验结果（数据)

表3-1铁的输出与输入数据
X（mm）
10
9。75
9.5
9.25
9
8.75
8.5
V(v）
-0。02
-0.02
—0.36
-1。89
—2。45
—3。05
-3.49
X（mm）
8。25
8
7.75
7.5
7.25
7
6.75
V（v）
—4。03
-4。43
—4。85
—5.29
-5。69
-6。02
-6。4
X(mm）
6.5
6。25
6
5.75
5。5
5.25
5
V（v)
-6.67
—6.99
-7.23
—7。5
—7。73
—7。94
—8.13

表3—2 铝的输出与输入数据
X(mm)
6
5。75
5。5
5。25
5
4。75
4。5
4.25
V(v)
—0。02
—0。02
—0。04
-1.06
-1。72
-2。07
—2。33
—2。57
X（mm）
4
3。75
3。5
3.25
3
2。75
2.5
2。25
V(v)
-2。73
-2。88
—2。97
—3。08
-3.16
—3。24
-3.27
-3.36
X(mm）
2
1。75
1。5
1。25
1
0.75
0。5

V（v）
-3.44
-3.47
-3。53
—3.56
—3.59
—3.61
-3。63

(2）数据分析

图3—4 铁的输出与输入曲线

图3-5 铝的输出与输入曲线

首先，本次实验应该要测量两种材料的振荡频率,由于某些原因，没有从示波器上调出来。铁的曲线相对明显，数据也主要集中在线性区，由于测量时铁只能取自试验台,所以距离传感器无法做到从零开始,导致下限的数据不够多。铝的曲线不是很明显，线性区测量的数据还不够多。

实验(4）名称： 光纤传感器

实验人员: 李文国、谢益尚 指导老师: 刘易
实验地点： 6C801 实验时间： 12.23
一、实验目的及要求
1.了解光纤位移传感器的工作原理、结构和性能。
2。了解光纤位移传感器的测转速应用。
二、实验内容
光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号与光的相互作用,即研究光被外界参数的调制原理。本实验是通过调节螺旋测微器，改变传感器与反光片的距离，从而影响输出信号。

图4—1 原理图

图4—2 光纤输出电压与位移曲线

三、实验步骤
1.按图接线，直接将光/电转换信号送差动放大器放大；F/V显示器接放大器输出端。
2.旋转测微头,使光纤探头与反射面接触，调节差动放大器增益最大，调整放大器调零电位器使电压读数为最小。
3。旋转测微头，使光纤探头慢慢离开反光纸，观察电压读数由小—--大—-—小的变化.
4.旋转测微头，每个0。5mm读取一个数据,将其填入下表：
△X（mm）

V（mv)

光纤位移传感器的动态测量
1。 了解电机控制，小电机端面上贴有两张反射纸
2. 按图接线,将差动放大器的增益置最大，F/V表的切换开关置2V，开启主，副电源
3．将光纤探头移至电机上方对准电机上的反光纸,调节光纤位移传感器，使F/V表显示最大。再用手稍微旋转电机，让反光面避开光纤探头.调节差动放大器的调零，使F/V表显示接近零
4。 将直流稳压电源置±10V档，在电机控制单元V+处接入+10V电压，调节旋钮使电机运转
5. F/V表置2K档显示频率，用示波器观察F输出端的转速脉冲信号，(Vp—p=4V）
6．根据脉冲信号的频率及电机上反光片的数目换算出此时的电机转速
四、试验结果及分析
（1）实验结果（数据）

表4-1 光纤输出电压与位移数据
X（mm）
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
V（v）
0。626
0。911
1.202
1。268
1。153
1.009
0.897
X(mm）
4。5
4
3.5
3
2.5
2

V（v）
0。818
0.765
0.732
0。706
0.687
0。675

V=6v，T=10ms

（2）数据分析

图4—3 电压输出与位移关系

EXCELL处理时，添加趋势线也是采用的移动平均方式，所以曲线不够光滑。从图线观察，基本符合要求，验证了光纤传感器的特性。由于反光片和传感器端面不够光滑，螺旋测微器与反光片距离最近即2mm时,输出电压并非为零。
由于实验前没有看清楚电动机的电压工作范围，所以测出的转速可能偏小。由公式f=1/T=1/10ms=100Hz，因为转盘上由两个反光片,所以f`=f/2=50Hz，电动机的转速时每秒50转。

实验（5)名称： 电感式传感器

实验人员： 李文国、江明伟、李茂磊 指导老师： 刘易
实验地点: 6C801 实验时间： 12。22
一、实验目的及要求
1.了解差动变压器式传感器结构及其性能测试
2. 利用零点残余电压补偿电路实现对其补偿
二、实验内容
差动变压器式传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接.
本次实验是通过调节螺旋测微器，测量位移与输出量之间的关系.

图5-1 差动变压器式电路及结构原理图

图5-2 电感实验原理图

三、实验步骤
1.按图接线，将音频振荡器LV输出至差动变压器初级，
频率为4kHz。
2.打开主电源及副电源调整音频振荡器幅度,用示波器
观察，使音频LV信号输出电压峰峰值为2V。
3。调节测微头使次级的差动输出电压最小，提高示波器
灵敏度，读出的最小电压叫做_零点残余电压_ ，观察输入与
输出相位差约为___∏______ ，是_________ 正交分量.当
铁芯由上至下时，相位由___正____相变为_____负__相。
4.上下旋动测微头，每移动1mm(两圈）读取一个数值,测试数据填入表格；
5.输出从零开始,旋转测微头，从示波器上读出电压Vp-p值填入下表：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）

Vp-p(v）

零点残余电压补偿
1.打开电源用F表将音频输出调至4kHz,用示波器调整输出幅度Vp-p为 2V，从LV插口输出至差动变压器初级.
2。差动放大器调零,增益旋至最大（此时放大倍数一百倍）。关闭电源，按图接好电路，打开电源。
3。调整测微头，用示波器观察，使差动放大器输出电压最小，示波器灵敏度提高,观察零点残余电压波形。
4。反复调整电桥的平衡网络W1、W2，使输出电压进一步减小,必要时重新调节测微头.读出零点残余电压值的大小。
5.观察经过补偿后的残余电压波形为什么波形，与激励电压波形比较。
四、试验结果及分析
（1)实验结果（数据）

表5—1 未补偿前零点残余电压与位移数据
X（mm）
13。5
13。25
13
12.75
12。5
12.25
12
11.75
11。5
11。25
V（mv）
58
49
33
22
13
10
21
32
50
60
X(mm）
13。5
13。25
13
12。75
12.5
12.25
12
11.75
11。5
11.25
V（mv）
57
48
32
20
15
10
20
32
48
60

Vmin=10mv
表5-2 补偿后零点残余电压与位移数据
X(mm）
12。5
12。25
12
11。75
11.5
11。25
11
10.75
10。5
V（mv）
49
44
27
16
5
17
28
45
48
X（mm)
12。5
12。25
12
11。75
11.5
11.25
11
10.75
10。5
V（mv）
50
45
28
13
5
12
29
44
48
Vmin=5mv
（2)数据分析

图5-3 未补偿前零点残余电压与位移关系

图5—4 补偿后零点残余电压与位移数据

两条曲线均表明,输出电压都是先减小后增到，并且它们都有一个最低点。可能由于操作时振动的影响，数据出现了一定的波动,并没有符合线性变化，另外实验拟合时采用的是多项式拟合（线性无法拟合），可能有一定偏差。两条曲线都没有经过零点，最低电压就是零点残余电压。为了直观一些，特意绘上了两条直线。补偿后零点残余电压变小了，但同时也要注意到,补偿前与补偿后可能电压幅度改变了，此时结果将不具有验证性。

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