实验三金属箔式应变片直流全桥的应用一一电子秤实验一、实验目的了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、实验装置CSY2000系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱中的土2V～土10V（步进可调）直流稳压电源、土15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、码。三、基本原理电子秤基本原理为实验一的全桥测量原理，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）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。四、实验步骤1.按实验一中步骤2，将差动放大器调零，按图1一9全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位Rm，使数显表显示0.00V：2.将10只码全部置于传感器的托盘上，调节电位器R（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量）或一0.200V；3.拿去托盘上的所有码，调节电位器R（零位调节）使数显表显示为0.0000V：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改为重量纲g，就可以称重成为一台原始的电子秤。5.把码依次放在托盘上，填入表3一1。表3-1电子称实验数据表重量(g)电压(miv)五、实验数据处理表3-1，计算非线性误差。9
9 实验三 金属箔式应变片直流全桥的应用——电子秤实验 一、实验目的 了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、实验装置 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调） 直流稳压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 三、基本原理 电子秤基本原理为实验一的全桥测量原理，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）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。 四、实验步骤 1. 按实验一中步骤 2，将差动放大器调零，按图 1－9 全桥接线，合上主控台电源开关，调 节电桥平衡电位 RW1，使数显表显示 0.00V； 2. 将 10 只砝码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 档测量)或－0.200V； 3. 拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 R W4（零位调节）使数显表显示为 0.0000V； 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，填入表 3－1。 表 3-1 电子称实验数据表 重量(g) 电压（mv) 五、 实验数据处理 表 3-1，计算非线性误差
实验四电容式传感器测位移实验一、实验目的掌握电容式传感器工作原理，了解其结构与测量位移的应用。二、实验装置CSY2000系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱土15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。三、基本原理1.原理简述电容式传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来。利用电容C=εA/d关系式通过相应的结实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量构和测量电路可以选择e个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板还有球面形和锯齿形等其它的形状，a但一般很少用。本实验采用的传面积差动结构的电容式位移传感器，差动式感器同般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图4一1所示它是有二个圆筒和圆柱的半径为r；圆柱的长为x，质耗组成的。设债筒的E径为R：C2是差动连接，当图中的圆柱产生AX位移时则电容量为C=e2元x/1n（R/r）。图中C1、电容量的变化量为AC =C1--C2=e2元2AX/1n(R/r），式中ε2元、1n(R/r)为常数，说明△C与AX位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。圆筒2圆柱连杆圆筒1C2C1R图4-1实验电容传感器结构2.测量电路（电容变换器）度LD5RwEV.图4一2二极管环形充放电电路测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是图4一2的二极管环路充放电电路。在图4一2中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和Cx1、Cx2（实验差动电容位移传感器）组成。当高频激励电压（f>100kHz）输入到a点，由低电平E）跃到高电平E2时，电容Cx1和Cx2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由a点经D3到b点，再对Cx1充电到0点（地）；另一路由由a点经C4到c点，再经D5到d点对Cx2充电到0点。此时，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内，由a到c点的电荷量为：Q1=Cx2 (E2-E1)(4—1)10
10 实验四 电容式传感器测位移实验 一、实验目的 掌握电容式传感器工作原理，了解其结构与测量位移的应用。 二、实验装置 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱±15V 直流稳压电源、电压表； 电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。 三、基本原理 1.原理简述 电容式传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来 实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容 C＝εA／d 关系式通过相应的结 构和测量电路可以选择ε、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，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d 变）和测液位（A 变）等多种电容传感器。电容 传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状， 但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式 一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图 4—1 所示： 它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为 R；圆柱的半径为 r；圆柱的长为 x， 则电容量为 C=ε2ｘ／ln(R／r)。图中 C1、C2 是差动连接，当图中的圆柱产生∆X 位移时， 电容量的变化量为∆C =C1－C2=ε22∆X／ln(R／r)，式中ε2、ln(R／r)为常数，说明∆C 与∆X 位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。 图 4—1 实验电容传感器结构 2. 测量电路(电容变换器) 图 4—2 二极管环形充放电电路 测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是图 4—2 的二极管环路充放电电 路。在图 4—2 中，环形充放电电路由 D3、D4、D5、D6 二极管、C4 电容、L1 电感和 CX1、CX2 （实验差动电容位移传感器）组成。当高频激励电压(ｆ>100kHz)输入到ａ点，由低电平 E1 跃到高电平 E2 时，电容 CX1 和 CX2 两端电压均由 E1 充到 E2。充电电荷一路由ａ点经 D3 到 b 点，再对 CX1 充电到 O 点(地)；另一路由由ａ点经 C4 到 c 点，再经 D5 到 d 点对 CX2 充电到 O 点。此时，D4 和 D6 由于反偏置而截止。在 t1 充电时间内，由ａ到 c 点的电荷量为： Q1＝CX2(E2-E1) （4—1）
当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容Cx1和Cx2均放电。Cxi经b点、D4、c点、C4、a点、L1放电到O点：Cx2经d点、D6、L1放电到0点。在t2放电时间内由c点到a点的电荷量为：(4—2)Q2=Cx1(E2-E1)当然，（4一1）式和（4一2）式是在C4电容值远远大于传感器的Cx1和Cx2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图4一2中实线、虚线箭头所示。在一个充放电周期内（T=t1十t2)，由c点到a点的电荷量为：Q=Q2-Q1=(Cx1-Cx2) (E2-E1)=△Cx △E(4—3)式中：Cx1与Cx2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。设激励电压频率f=1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为：(4—4)i=fQ=fACxAE式中：△E一激励电压幅值△Cx一传感器的电容变化量。由（4一4）式可看出：f、△E一定时，输出平均电流i与ACx成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1=IRw。由传感器原理已知AC与4X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知AX位移。3.电容式位移传感器实验原理方框图ACr机械位移电压表放大器电容传感器电容变换器图4—3电容式位移传感器实验方块图四、实验步骤1.按图4—4示意安装、接线。直流稳压电源丰测微头安装孔夹紧螺母机0网中客式传服票测微头MiE-15箱紧固螺钉1电压表（传购息8.8.8.82007g0mO电容传感器实验模板图4—4电容传感器位移实验安装、接线示意图2.将实验模板上的RW调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传3圈）。3.将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V，再转动测微头（同一个方向）6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数（这样转12圈读取相应的电压表读数），将数据填入表4-1（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。表4-1电容传感器位移与输出电压值X(mm)V(mv)五、实验数据处理表4一1数据画出V-X曲线并计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差8。11
11 当高频激励电压由高电平 E2 返回到低电平 E1 时，电容 CX1 和 CX2 均放电。CX1 经 b 点、 D4、c 点、C4、ａ点、L1 放电到 O 点；CX2 经 d 点、D6、L1 放电到 O 点。在 t2 放电时间内由 c 点到ａ点的电荷量为： Q2＝CX1(E2-E1) （4—2） 当然，（4—1）式和（4—2）式是在 C4 电容值远远大于传感器的 CX1 和 CX2 电容值的前 提下得到的结果。电容 C4 的充放电回路由图 4—2 中实线、虚线箭头所示。 在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由 c 点到ａ点的电荷量为： Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （4—3） 式中：CX1 与 CX2 的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。 设激励电压频率 f＝1/T，则流过 ac 支路输出的平均电流 i 为： i＝fＱ＝f△CX △E （4—4） 式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。 由（4—4）式可看出：f、△E 一定时，输出平均电流 i 与△CX 成正比，此输出平均电 流 i 经电路中的电感 L2、电容 C5 滤波变为直流 I 输出，再经 Rw 转换成电压输出 Vo1＝I Rw。 由传感器原理已知∆C 与∆X 位移成正比，所以通过测量电路的输出电压 Vo1 就可知∆X 位移。 3.电容式位移传感器实验原理方框图 图 4—3 电容式位移传感器实验方块图 四、实验步骤 1.按图 4—4 示意安装、接线。 图 4—4 电容传感器位移实验安装、接线示意图 2.将实验模板上的 Rw 调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传３圈)。 3.将主机箱上的电压表量程切换开关打到 2V 档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋 转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示 0V ，再转动测微头(同一个方向)6 圈， 记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头 1 圈即△ X=0.5mm 位移读取电压表读数(这样转 12 圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表 4-1(这 样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。 表 4－1 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) V(mv) 五、实验数据处理 表 4－1 数据画出 V-X 曲线并计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差δ
实验五、霍尔传感器测位移实验一、实验目的掌握霍尔式传感器原理，了解其结构与测量位移的应用。二、需用器件与单元CSY2000系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱中的土2V～土10V（步进可调）直流稳压电源、土15V直流稳压电源、电压表：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。三、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。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图5一1（带正电的载流子）所示，把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流1，此时在板BA人a++VaAFmnUH郎安FeTXA-图5—1霍尔效应原理的横向两侧面A，A'之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差U称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为：IB=KHIB(5-1)UH=RH-d式中：R=-1/（ne）是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数：KH=RH/d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中自由电子浓度n很高，因此R很小，使输出U极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1Hm左右。霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。本实验采用的霍尔式位移（小位移1m2mm）传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图5一2（a）、（b）所示。将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为0，设这个位置为位移的零点，即X=0，因磁感应强度B=0，故输出电压U=0。当霍尔元件沿X轴有位移时，由于B丰0，则有一电压U输出，U经差动放大器放大输出为V。V与X有一一对应的特性关系。12
12 实验五 霍尔传感器测位移实验 一、实验目的 掌握霍尔式传感器原理，了解其结构与测量位移的应用。 二、需用器件与单元 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调） 直流稳压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。 三、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。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中 而产生电势的一种现象。如图 5—1（带正电的载流子）所示，把一块宽为 b，厚为 d 的导电 板放在磁感应强度为 B 的磁场中，并在导电板中通以纵向电流 I ，此时在板 图 5—1 霍尔效应原理 的横向两侧面 A , A之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用 洛伦兹力来解释），所产生的电势差 UH称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为： UH＝RH d IB ＝KHIB (5-1) 式中：RH＝-1／(ne)是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数； KH＝ RH／d 灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。 具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用 N 型半导体材料（金属材料中 自由电子浓度ｎ很高，因此 RH很小，使输出 UH极小，不宜作霍尔元件），厚度 d 只有 1µm 左右。 霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放 大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可 靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。 本实验采用的霍尔式位移（小位移 1mm～2mm）传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组 成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔 式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图 5—2 (a)、(b)所示。将磁场强度相同的两块 永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为 0，设 这个位置为位移的零点，即 X＝0，因磁感应强度 B＝0，故输出电压 UH＝0。当霍尔元件沿 X 轴有位移时，由于 B≠0，则有一电压 UH输出，UH经差动放大器放大输出为 V。 V 与 X 有一一对应的特性关系
+4VKVOC143(Vs)-4V4(Vo-)电压表电桥平衡网络霍尔位移传感器差动放大器(a)工作原理(b)实验电路原理图5一2霍尔式位移传感器工作原理图*注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端，另外二端是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。四、实验步骤1.调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。按图5一3示意图安装、接线，将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，土2V～土10V（步进可调）直流稳压电源调节到土4V档。支架座测微头安装孔直流稳压电源微分简来系螺母安装事C吸测微头重尔式传感器0轴套3测杆紫固螺钉P1a8+15V电压表8.8.8.8.Rul200y g0RL程时热开：O霍尔传感器实验模板含插座C主机箱图5一3霍尔传感器（直流激励）位移实验接线示意图2.检查接线无误后，开启主机箱电源，松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套，使传感器的PCB板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置（目测）时，拧紧紧固螺钉。再调节RW1使电压表显示0。3.测位移使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3周，记录电压表读数作为位移起点。以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），每隔X=0.1mm（总位移可取34mm）从电压表上读出输出电压V值，将读数填入表5-1（这样可以消除测微头的机械回差）。表5一1霍尔传感器位移与输出电压值X(mm)V(mv)五、实验数据处理根据表5一1数据，作出V一X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。13
13 (a)工作原理 (b)实验电路原理 图 5—2 霍尔式位移传感器工作原理图 ＊注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端，另外二端是输出端。 接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。 四、实验步骤 1.调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的 0 刻度线对准轴套的 10mm 刻度 线。按图 5—3 示意图安装、接线，将主机箱上的电压表量程切换开关打到 2V 档，±2V～± 10V（步进可调）直流稳压电源调节到±4V 档。 图 5—3 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图 2.检查接线无误后，开启主机箱电源，松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套， 使传感器的 PCB 板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置(目测)时，拧紧紧固螺钉。再调 节 RW1 使电压表显示０。 3. 测位移使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差， 为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒 3 周，记录电压 表读数作为位移起点。以后，反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)， 每隔 X=0.1mm(总位移可取 3～4mm)从电压表上读出输出电压 V 值，将读数填入表 5-1(这样 可以消除测微头的机械回差)。 表 5－1 霍尔传感器位移与输出电压值 X(mm) V(mv) 五、实验数据处理 根据表 5－1 数据，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