传感器原理与应用实验指导

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R1R4?R2R3，电桥输出为零。在桥臂R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化分别为?R1/R1、?R2/R2、?R3/R3、

?R4/R4，桥路的输出与?R??R1?R2?R3?R4成正比。当使用一个应变片时，???R1R2R3R4?R??R?R1?R2；当使用两片应变片时，?R?。如两片应变片工作于差动状态，则有?RR1R2?R?2?R；用四片应变片时组成两个差动对工作，且R1?R2?R3?R4，则有R?R?R?R?R1?R?R，所以?R?4。由此可知，单臂、半桥、全桥电路??2??3?4?RR1R2R3R4R1?E??R，电桥的电411压灵敏度K??U/?R/R，于是单臂、半桥、全桥的电压灵敏度分别为E、E、E。

42由此可知，当E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

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小无关。

四、实验内容

设直流电桥负载电阻RL??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R1组成单臂电桥。 （2）由两个应变片R1、R2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

①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。

②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R1为拉伸应变片，R2、R3、R4为精密电阻，R和WD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

WD，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R2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R3、R4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U—X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，U—X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，R1为工作应变片，R2为补偿应变片，R1和R2是完全相同的。因此当温度变化时两个应变片的电阻变化?R1与?R2的符号相同，大小相等, R1R4?R2R3，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?U及温度变化?t，求得温度漂移值?U/?t。

（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E?t,t0??E?t,tn??E?tn,t0?，式中t为加热后的应变片温度，tn为室温，t0＝0℃，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?U/?t。

（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R1、R2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

tn＝ ℃ t＝ ℃

?U＝ ?t?U?＝ t?＝ ℃ ??t位移(mm) 温度效应U (mV) 温度补偿U?(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U－X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U－X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U－X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。光纤端面有污物时应用镜头纸擦拭。

《传感器原理及应用》综合实验

1． 综合实验一: 金属应变片的温度效应及温度补偿

要求：1）了解利用热电偶输出信号和室温计算应变片温度的方法； 2）研究金属应变片的结构和性能，给出实验曲线； 3）研究温度对应变片测试系统的影响，绘出应变片温度效应曲线；（室 温为初始温度）

4）了解温度补偿原理及方法，通过实验数据说明补偿效果。 5）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

2． 综合实验二：电阻应变片传感器性能及应用

要求：1）实验研究金属箔式和半导体式电阻应变片的工作原理及性能特性； 2）比较金属箔式和半导体式两种应变片的灵敏度、线性度、温度效 应等性能；

3）研究电阻应变片的应用——电子称、振幅测量； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

3． 综合实验三：金属箔式应变片交流全桥及应用

要求：1）研究金属箔式应变片交流全桥测量电路的原理及特点； 2）比较交流全桥和直流全桥电路的异同及特点； 3）研究交流全桥的应用——电子称、振幅测量； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

4． 综合实验四：半导体应变片性能及应用

要求：1）研究半导体式应变片测量电路的原理及特点；(单臂、差动) 2）研究半导体式应变片的灵敏度、线性度、温度效应等性能； 3）研究半导体式应变片的应用——电子称、振幅测量； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

5． 综合实验五：电容式传感器特性及应用 要求：1）了解电容式传感器的工作原理； 2）研究电容式传感器的工作特性；

3）研究电容式传感器的应用——电子称、振幅测量； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

6． 综合实验六：差动变压器性能零点残余电压补偿及应用 要求：1）了解差动变压器的工作原理及特点； 2）研究差动变压器的结构和输出特性；

3）研究零点残余电压的补偿方法

4）研究差动变压器传感器的应用——电子称、振幅测量； 5）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

7． 综合实验七：差动螺管传感器性能及应用

要求：1）了解差动螺管传感器的工作原理及特点； 2）研究激励频率对差动螺管传感器特性的影响； 3）研究差动螺管传感器应用——电子称、振幅测量； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

8． 综合实验八：电涡流式传感器性能及应用

要求：1）了解电涡流式传感器的结构及工作原理、特点； 2）研究电涡流式传感器性能及静态标定方法； 3）观察不同的被测材料对传感器特性的影响；

4）研究电涡流式传感器的应用——电子称、振幅测量； 5）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

9． 综合实验九：霍尔传感器性能及应用

要求：1）了解霍尔传感器的工作原理及特点；

2）研究霍尔传感器的交、直流激励特性；并进行比较； 3）研究霍尔传感器的应用——电子称、振幅测量； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

10. 综合实验十：光纤传感器性能及应用

要求：1）了解光纤传感器工作原理及特点；

2）研究光纤传感器位移测量方法、输出特性及应用； 3）研究光纤传感器转速测量方法、输出特性及应用； 4）完成实验报告。（包括；实验原理分析、过程记录，实验数据处理、 绘制实验曲线、实验结论、个人收获。）

附：综合实验报告书标准格式

综合实验名称

一、实验目的： 1、2、3…分行列出。 二、实验设备：

1、2、3…分行列出，并标明设备型号台数。 三、传感器原理分析及理论结论： 四、实验内容：

1、实验项目1名称。(如，传感器工作特性、传感器温度效应及补偿等)

1）需用仪器及状态； 2）实验过程； 3）实验数据记录。

2、实验项目2名称。 ……

五、实验数据处理及分析：

（包括：计算结果、实验曲线绘制、误差计算及分析等）

六、实验结论及收获：

（包括：实验效果、理论结论与实验结果的对比、个人收获等；以各实验指导书后的思考题为线索写出）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/22q7.html