《传感器与检测技术》课程实验指导书（共十四个实验）

传感器与检测技术实验指导书2018

传感器与检测技术实验指导书 2018

目录实验一金属箔式应变片一一单臂、半桥和全桥性能实验实验二金属箔式应变片的温度影响实验.8实验三金属箔式应变片直流全桥的应用电子秤实验9实验四电容式传感器测位移实验.10.12实验五霍尔传感器测位移实验....14实验六电涡流传感器测位移实验实验七开关式霍尔传感器测转速实验....17实验八磁电式传感器测转速实验..19实验九光电传感器测转速实验..21.22实验十压电式传感器测振动实验实验十一Pt100铂电阻测温实验.26实验十二K热电偶测温实验..36实验十三振动系统固有频率的测试.41实验十四测试附加质量对系统频率的影响.44

目 录 实验一 金属箔式应变片——单臂、半桥和全桥性能实验. 1 实验二 金属箔式应变片的温度影响实验.8 实验三 金属箔式应变片直流全桥的应用——电子秤实验. 9 实验四 电容式传感器测位移实验.10 实验五 霍尔传感器测位移实验.12 实验六 电涡流传感器测位移实验.14 实验七 开关式霍尔传感器测转速实验.17 实验八 磁电式传感器测转速实验.19 实验九 光电传感器测转速实验.21 实验十 压电式传感器测振动实验.22 实验十一 Pt100 铂电阻测温实验. 26 实验十二 K 热电偶测温实验.36 实验十三振动系统固有频率的测试.41 实验十四测试附加质量对系统频率的影响.44

实验一金属箔式应变片一一单臂、半桥和全桥性能实验一、实验目的1.掌握金属箔式应变片的工作原理2.了解单臂、半桥和全桥工作特点及电路输出性能3.比较单臂、半桥和全桥电路输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、实验装置CSY2000系列传感器与检测技术实验台：机箱中的土2V～土10V（步进可调）直流稳压电源、土15V直流稳压电源、电压表；模块单元：应变式传感器实验模板、托盘、码。三、基本原理1.金属箔式应变片的电阻应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。由欧姆定理可知，金属丝的电阻R：LR=PA(1-1)式中，R为金属丝的电阻（Q）；P为金属丝的电阻率（Q㎡/m）；L为金属丝的长度（m）；A为金属丝的截面积（m2）。可见，若L、A及P发生变化，R也发生变化，下面推导一下电阻丝的应变和电阻变化之间的关系。一段长度为L的金属丝，当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dA，电阻率受金属晶格发生变形等因素的影响也将随之改变dp，将式（1-1）两边取对数并微分得金属丝电阻变化量dR为dR_dpdLdARPLA(1-2)设金属丝半径为r，dA=2元rdr有dA_2drAr(1-3)令&=dl/L为金属丝的轴向应变；“,=dr/r为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为g=-ex(1-4)式中，μ为金属材料的泊松系数。将式（1-3）、式（1-4）代入式（1-2）得dR_ dp+e, +2μexRp=(1+ 2)e, + pp(1-5)

实验一 金属箔式应变片——单臂、半桥和全桥性能实验 一、实验目的 1.掌握金属箔式应变片的工作原理； 2.了解单臂、半桥和全桥工作特点及电路输出性能； 3.比较单臂、半桥和全桥电路输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、实验装置 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台：机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳 压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；模块单元：应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 三、基本原理 1.金属箔式应变片的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称 为金属的电阻应变效应。由欧姆定理可知，金属丝的电阻 R： L R ρ A  （1-1） 式中，R 为金属丝的电阻（Ω）； ρ 为金属丝的电阻率（Ω·m 2/m）；L 为金属丝的长 度（m）；A 为金属丝的截面积（m 2）。 可见，若 L、A 及 ρ 发生变化，R 也发生变化，下面推导一下电阻丝的应变和电阻变 化之间的关系。 一段长度为 L 的金属丝，当金属丝受拉而伸长 dL 时，其横截面积将相应减小 dA，电 阻率受金属晶格发生变形等因素的影响也将随之改变dρ ，将式（1-1）两边取对数并微分 得金属丝电阻变化量dR为 dR dρ dL dA R ρ L A    （1-2） 设金属丝半径为 r，dA  2πrdr 有 2 dA dr A r  （1-3） 令 x ε  dL L 为金属丝的轴向应变； ε dr r y = 为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿 轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为  x     y （1-4） 式中，μ为金属材料的泊松系数。 将式（1-3）、式（1-4）代入式（1-2）得   2 1 2 x x x dR dρ ε με R ρ dρ μ ε ρ       （1-5）

dp/p1+2μ +=KCs令(1-6)K.称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，K：越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。由式（1-6）可看出，金属丝的灵敏系数K，受两个因素影响：第一项(1+21)是由于金属丝受拉伸后，几何尺寸发生变化而引起的，金属丝的灵敏系数K，主要取决于其几何效应；第二项dp/P是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这一项对金属丝的灵敏系数K，影K响非常小。故，金属导体的灵敏系数s可取为：K,=1+2μ(1-7)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.金属箔式应变片的测量电路金属箔式应变片利用电阻丝的应变效应工作的。通过将应变片接入电桥电路，将其阻值的变化转换为电压或电流信号输出。电桥电路是非电量电测系统中最常用的测量方法。根据电桥的供桥电压不同，分为直流电桥和交流电桥，见图1-1。BDu,=Umsinot1/+U（a）直流电桥（b）交流电桥图1-1电桥本实验是以直流电桥为条件进行测试的见图1-1（a）。当直流电桥平衡时，即R,R,=R,R4，电桥输出为零。当电桥的四臂R、R、R、R测量时分别产生电阻变化△R、AR，、△R、△R时，可得输出电压为：I(ARi_AR+AR_ ARL)1.U.=-U.((1-8)40RRR,R2

2 令 s x K ε dρ ρ 1+ 2μ + = （1-6） Ks 称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显 然，Ks 越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。由式（1-6）可看出，金属丝的灵敏系 数 Ks 受两个因素影响：第一项1 2μ是由于金属丝受拉伸后，几何尺寸发生变化而引起 的，金属丝的灵敏系数 Ks 主要取决于其几何效应；第二项 dρ ρ 是由于材料发生变形时， 其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这一项对金属丝的灵敏系数 Ks 影 响非常小。故，金属导体的灵敏系数 Ks 可取为： Ks 12 （1-7） 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.金属箔式应变片的测量电路 金属箔式应变片利用电阻丝的应变效应工作的。通过将应变片接入电桥电路，将其阻值 的变化转换为电压或电流信号输出。电桥电路是非电量电测系统中最常用的测量方法。根据 电桥的供桥电压不同，分为直流电桥和交流电桥，见图 1-1。 A Ui B C U0 R1 R2 R4 R3 B D D A C Z1 Z2 Z4 Z3 u i=Umsint U0 （a）直流电桥 （b）交流电桥 图 1-1 电桥 本实验是以直流电桥为条件进行测试的见图 1-1（a）。当直流电桥平衡时，即 R1R3  R2R4 ,电桥输出为零。当电桥的四臂 R1、R2 、R3、R4 测量时分别产生电阻变化 R1、 R2 、 R3、 R4 时，可得输出电压为： 1 2 3 4 0 1 2 3 4 1 ( ) 4 i R R R R U U R R R R         （1-8）

对于等臂电桥，即R=R,=R=R=R，则上式可写成1(AR+AR_AR,_AR,U。=.U(1-9)4CRRRRAR由于=K，则式（1-9）可写成R1U。.K.(8,+8,-8-84)U(1-10)4单臂电桥工作：即只有一只电阻R产生△R变化时，电桥输出电压为：1 △R.U.=--.K-8.U,U.=(1-11)4R4半桥工作：半桥工作时不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，设R产生正△R的变化，R2产生负AR的变化，且变化的绝对值相等，即6,=8，62=-8，6,=0,84=0，则电桥输出电压为：1 AR1U。=.U.=-.K.&.U.(1-12)2R2全桥工作：R、R产生正△R的变化，R、R产生负AR的变化，且△AR绝对值相等，则电桥的输出为：ARU. =.U.=K.-.U,(1-13)R3.金属箔式应变片单臂、半桥和全桥实验原理图Uo电压表R8差动放大器Rui-4V+4VoF图1一2应变片单臂电桥性能实验原理图AR20电压表Re差动放大器Rw1-4VE+4Vo图1-3应变片半桥特性实验原理图3

3 对于等臂电桥，即 R1  R2  R3  R4  R ，则上式可写成 1 3 2 4 0 i 1 4 R R R R U U R R R R                 （1-9） 由于 R K R    ，则式（1-9）可写成 0  1 3 2 4  i 1 4 U  K        U （1-10） 单臂电桥工作：即只有一只电阻 R 产生ΔR 变化时，电桥输出电压为： 0 i i 1 1 4 4 R U U K U R          （1-11） 半桥工作：半桥工作时不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，设 R1产生正ΔR 的 变 化 ， R ２ 产 生 负 Δ R 的 变 化 ， 且 变 化 的 绝 对 值 相 等 ， 即 1 2 3 4    ,    ,   0,   0 ，则电桥输出电压为： 0 i i 1 1 2 2 R U U K U R          （1-12） 全桥工作：R1、R3产生正ΔR 的变化，R2、R4产生负ΔR 的变化，且ΔR 绝对值相等，则 电桥的输出为: 0 i i R U U K U R        （1-13） 3.金属箔式应变片单臂、半桥和全桥实验原理图 图 1—2 应变片单臂电桥性能实验原理图 图 1—3 应变片半桥特性实验原理图