传感技术实验讲义5个

实验一 单臂电桥、半桥和全桥的比较 实验一 单臂电桥、半桥和全桥的比较 实验目的：了解金属箔片式应变片，验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。 所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬梁称重传感器、砝码、应变片、F/V表、主、副电源。 实验原理与公式： （1）单臂电桥 平衡条件： R1R4 = R2R3 输出电压： 灵敏度： （2）半桥 平衡条件： R1R4 = R2R3 输出电压： 灵敏度： （3）全桥 平衡条件： R1R4 = R2R3 输出电压： 灵敏度： 旋钮初始位置： 直流稳压电源拨到2V档，F/V表拨到2V档，差动放大器增益旋钮调到最大。 实验步骤： （1）了解所需单元、部件在实验仪上的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下两片梁的外表面各贴两片应变片。 （2）差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口vi 相连；调节差动放大器的增益旋纽到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，然后关闭主、副电源。 （3）根据下图，R1、R2、R3为电桥的固定电阻；R4＝Rx为应变片。将稳压电源的切换开关置4v档，F/V表置20v。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F/V表显示为零，等待数分钟后将F/V表置2v，再调节电桥W1（慢慢调）使F/V表显示为零。 （4）在传感器的托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。 表1 重量(g) 电压(mv) （5）保持放大器增益不变，将固定电阻R3换为与RX(R4)工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节电桥的W1使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入表2。 表2 重量(g) 电压(mv) （6）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成两片受力应变片，组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反的原则即可，否则相互抵消没有输出电压。接成一个直流全桥，调节电桥的W1，同样使F/V表显示为零。重复（4）过程将读出数据填入表3 表3 重量(g) 电压(mv) （7）根据所得结果计算系统的灵敏度 S＝ , 在同一坐标纸上描出V—W曲线， 为电压变化量， 为相应的重量变化量，并比较三种接法的灵敏度。 注意事项： （1）实验仪器中电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一个标记，让学生组桥容易。 （2）做此实验时应将低频振荡器、音频振荡器的幅度调至最小，以减小其对直流电桥的影响。 （3）实验过程中，直流稳压电源输出不允许大于4V，以防应变片过热损坏。 （4）不能用手触及应变片及过度弯曲平行梁，以免应变片损坏。 （5）当加入砝码后电压表读数无变化时，一般是少接了两根线，即W1与＋4v的连线，W1与—4v的连线。 （6）当F/V表读数比标准值减少一半左右时，一般是直流稳压电源拨到＋2v档位，应拨到＋4v档位。 （7）在更换应变片时应将电源关闭。 （8）在实验过程中如发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。 （9）实验过程中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。 （10）接成全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向。 （11）实验中用到所需单元时，则该单元上的有关电源开关应闭合，完成实验后应关闭所有开关及输出。 思考题： （1）本实验电路对直流稳压电源有何要求？为什么？ （2）本实验电路对差动放大器有何要求？为什么？ （3）单臂电桥的非线性误差为多少？ （4）半桥的非线性误差为多少？ （5）全桥的非线性误差为多少？ 附： r＝1K W1=W2=22K C= 300P 实验二 差动变压器(互感式）的性能 实验目的：了解差动变压器原理及工作情况 实验原理：差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边，差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。其原理及输出特性见图11A。 所需单元及步件： 音频振荡器、测微头、示波器、主、副电源、差动变压器、振动平台。 有关旋钮室始位置： 音频振荡器4KHz—8KHz之间，双踪示波器第一通道灵敏度500mv/div，第二通道灵敏度10mv/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭。 实验步骤： （1）根据图11B接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双踪示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入和输出端，调节差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。 （2）用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。 （3）转动测微头使测微头与振动平台吸合，再向上转动测微头5mm，使振动平台往上位移。 （4）向下旋钮测微头，使振动平台产生位移。每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度S。S=△V/△X（式中△V为电压变化，△X为相应振动平台的位移变化），作出V-X关系曲线。读数过程中应注意初、次级波形的相应关系。 X（mm) 5mm 4.8mm 4.6mm … 0.2mm 0mm -0.2mm … -4.8mm -5mm Vo(p-p) 思考： （1）根据实验结果，指出线性范围。 （2）当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？ （3）用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出阻抗端信号为最小，这个最小电压是什么？由于什么原因造成？ 注意：示波器第二通道为悬浮工作状态。 实验二 差动变压器（互感式）零残余电压的补偿 实验目的：说明如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿。 实验原理：零残电压中主要包含两种波形成份： 1、基波分量。这是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流所产生的磁通不同相。 2、高次谐波。主要是由导磁材料化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。 减少零残电压的办法有：（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称； （2）采用相敏检波电路；（3）选用补偿电路。 所需单元及部件： 音频振荡器、测微头、电桥、差动变压器、差动放大器、双踪示波器、振动平台、主、副电源。 有关旋钮的初始位置： 音频振荡器4KHz-8KHz 之间，双踪示波器第一通道灵敏度500 mV/div，第二通道灵敏度1V/div，触发选择打到第一通道，差动放大器的增益旋到最大。 实验步骤： 图 12 （1）按图12接线，音频振荡必须从LV插口输出，W1、W2、C、r，为电桥单元中调平衡网络。 （2）开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度钮使示波器一通道显示出为2V峰—峰值。调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。 （3）调整测微头，使差动放大器输出电压最小。 （4）依次调整W1、W2，使输出电压进一步减小，必要时重新调节测微头，尽量使输出电压最小。 （5）将二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波开相比较。经过补偿后的残余电压波形：为 波形，这说明波形中有 分量。 （6）将经过补偿后的残余电压与实验十未经补偿残余电压相比较。 （7）实验完毕后，关闭主、副电源。 注意事项： （1）由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。因此次级输出波形难以用一般示波器来看，要用差动放大器使双端输出转换为单端输出。 （2）音频信号必须从LV端插口引出。 思考： 本实验也可把电桥平衡网络搬到次级线圈上进行零点残余电压补偿。 实验三 霍尔式传感器的直流激励特性 实验目的：了解霍尔式传感器的原理与特性。 实验原理：霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。 所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F/V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。 有关旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置20V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。 实验步骤： （1）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。 （2）开启主、副电源将差动放大器调零后，增益最小，关闭主电源，根据图23接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。 图 23 （3）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。 （4）开启主、副电源，调整W1使电压表指示为零。 （5）上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.5mm读一个数，将读数填入下表： 作出V-X曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。 可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。 （6）实验完结关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。 注意事项： （1）由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。 （2）一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。 （3）激励电压不能过2V，以免损坏霍尔片。 实验四 硅光电池、光敏电阻和热敏电阻实验 实验目的： 1.​ 了解硅光电池的结构、原理和性能。 2.​ 了解光敏电阻的结构、原理和性能。 3.​ 了解NTC热敏电阻现象。 实验原理： 1.​ 在光照作用下，由于元件内部产生的势垒作用，在结合部使光激发的电子—空穴对分离，电子与空穴分别向相反方向移动而产生电势的现象，称为光伏效应。硅光电池就是利用这种效应制成的光电探测器件。 2.​ 入射光子使物质的导电率发生变化的现象，称为光电导现象。硫化镉（Cds）光敏电阻就是利用光电导效应的光电探测器的典型元件。根据制造方法，其光敏面大致可分为单结晶型、烧结型、蒸空镀膜型。 3. 热敏电阻是一种用半导体制成的敏感元件，它的灵敏度高，电阻温度系数的绝对值比一般金属电阻大10～100倍，在测温领域、温度补偿方面和温度控制方面具有广泛的应用。热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：PTC热敏电阻（正温度系数，即温度升高时电阻值增大）与NTC热敏电阻（负温度系数，即温度升高时电阻值减小）。一般NTC热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。 所需单元及部件：硅光电池、光敏电阻、热敏电阻、加热器、可调直流稳压电源、数字F/V表、电桥平衡网络中的电位器W1和电阻r 、数字万用电表、—15v稳压电源、主、副电源。 有关旋钮的初始位置：低频振荡器的幅度旋钮置于最小(以防干扰)，F/V表置2V档。 实验步骤： 一、硅光电池实验 （1）按图1连线。 图1 （2）电压表置2v档，直流稳压电源4v档。 （3）将＋4v电压接入仪器顶部光敏类传感器盒＋4v端口。 （4）将光强调节旋钮关至最小，发光二极管最暗，记录此时电压表的读数（这是外界自然光对硅光电池的影响）。 （5）将光强调节旋钮调到最大，发光二极管最亮，记录此时电压表的读数。 （6）将光强旋钮调到中间位置（尽量估计准确），记录此时电压表的读数。 表1 光强调节旋钮的位置 关至最小（最暗） 调到中间位置 调到最大（最亮） 电压表的读数 二、光敏电阻实验 （1）​ 使用数字万用电表的电阻档测量光敏电阻在以下两种条件下的电阻值：不用手遮光；用手遮光。并将数据填入表2。 表2 不用手遮光时光敏电阻的电阻值 用手遮光时光敏电阻的电阻值 （2）按照图2连线。 （3）将＋4v电压接入仪器顶部光敏类传感器盒＋4v端口。 （4）将光强调节旋钮置最小位（即将光强旋钮反时针调到底），F/V表置2v档，调节电位器W1使F/V示值最小，记录电压表的示数。 图2 （5）将光强调节旋钮置最大位（即将光强旋钮顺时针调到底），记录电压表的示数。 （6）将光强调节旋钮置中间位置，记录电压表的示数。 表3 光强调节旋钮的位置 关至最小（最暗） 调到中间位置 调到最大（最亮） 电压表的读数 三、热敏电阻实验 （1）了解热敏电阻在实验仪上所在的位置及符号，它是一个蓝色或棕色元件，封装在透明塑料盒内。 （2）使用数字万用电表电阻档测量热敏电阻在室温条件下的电阻值。 （3）将—15v电源接入加热器，加热5分钟时关闭主电源，测量此时热敏电阻的电阻值。并将数据填入下表。 表4 室温时热敏电阻的电阻值 加热5分钟时热敏电阻的电阻值 （4）先将热敏电阻降温（因为刚才热敏电阻已经加热了5分钟），再将F/V表切换置2v档，直流稳压电源切换开关置2v档，按照下图连接，开启主、副电源，调整W1电位器，使F/V表指示为100mv。100mv为室温时的输入电压Vi 。 图4 （5）将—15v电源接入加热器，观察电压表的读数并回答: 表5 室温时的电压表读数 加热5分钟时电压表的读数 注意事项： 1.​ 因外界光对光敏元件也会产生影响，实验时应尽量避免外界光的干扰。 2.​ 如果实验数据不稳，应检查周围是否有人走动。 思考题： 1.​ 在硅光电池实验中，电压表读数的变化说明了什么？ 2.​ 在光敏电阻实验中，电压表读数的变化说明了什么？ 3.​ 做光敏电阻实验时，副电源开关可否拨到断开位置？为什么？ 4. 在热敏电阻实验中，根据室温时热敏电阻的电阻值和加热5分钟时热敏电阻的电阻值来判断，该热敏电阻是PTC型还是NTC型？ 为什么？根据室温时电压表的读数和加热5分钟时电压表的读数来判断，该热敏电阻是PTC型还是NTC型？ 为什么？ 附：调光电路（内部电路） 图5 A、​ B为红色发光管，其最大工作电压为1.7v 。 实验五 热电偶原理及分度表的应用 实验目的：了解热电偶的原理和分度表的应用。 所需单元和部件：—15V不可调直流稳压电源、差动放大器、加热器、V/F表、热电偶、水银温度计、主、副电源、数字万用电表。 有关旋钮的初始位置：直流稳压电源置于4v档，V/F表置于2V档,差动放大器增益最大（此时电压放大倍数为100）。 实验原理与公式：热电偶的基本工作原理是热电效应，两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶。即热端和冷端的温度不同时，通过测量此电动势即可知道两端温差。如固定某一温度（一般固定冷端为室温），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶。 在导体两端便形成接触电势, 其大小由下面公式给出: 式中: NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度, 是温度的函数。  热电偶回路中产生的总热电势为 ＥAB(T, T0)=EAB(T)+EB(T, T0)—EAB(T0)—EA(T, T0)  在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 可忽略不计, 热电偶的热电势可表示为  EAB(T, T0)=EAB(T) — EAB(T0) 对于已选定的热电偶, 当参考端温度T0恒定时,EAB (T0)=c为常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系, 即 EAB(T, T0)=EAB(T) — C =f(T) 实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的，分度表是在参考端温度为0℃时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。 实验步骤： （1）了解热电偶原理。 （2）了解热电偶在实验仪上的位置及符号，实验仪所配的热电偶是由铜—康铜组成的简易热电偶。实验仪有两个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面的中间两根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，两个热电偶串联在一起产生热电势为两者的总和。 （3）使用数字万用电表的200欧姆档位，测量电阻值并填入表1。 表1 热电偶 加热器 符 号 电阻值 （4）按上图接线，开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F/V表显示为零，记录下温度计的读数（该读数即为实验室的温度）。 （5）将—15v直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F/V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F/V表显示的读数E 。 （6）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式： Eab(t,to)= Eab(t,tn)+ Eab(tn,to) t—热电偶的热端（工作端或测温端）温度。 tn—热电偶的冷端（自由端）温度，也就是室温。 t0—00C . 1.热端温度为t，冷端温度为室温时热电势： （100为差动放大器的放大倍数，2为两个热电偶串联）。 2. 热端温度为室温，冷端温度为00C，铜—康铜的热电势：Eab（tn ，t0）：查以下所附的热电偶自由端的热电势和温度的关系即铜—康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。 3. 计算：热端温度为t，冷端温度为00C时的热电势Eab（t，t0），根据计算结果，查分度表得到温度t 。 本实验中，先根据温度计读出的室温，从分度表中表出EAB(tn,to),再加上电压表读出的工作端热电势EAB(t,tn)，求出EAB(t,to)，而后从分度表中查出工作端的温度。 表2 铜—康铜热电表(自由端温度为0℃) 单位：mV 工作端温度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热 电 势 －10 －0.383 －0.421 －0.459 －0.496 －0.534 －0.571 －0.608 －0.646 －0.683 －0.720 0 －0.000 －0.039 －0.077 －0.116 －0.154 －0.193 －0.231 －0.269 －0.307 －0.345 0 0.000 0.039 0.078 0.147 0.156 0.195 0.234 0.273 0.312 0.351 10 0.391 0.430 0.470 0.510 0.549 0.589 0.629 0.669 0.709 0.749 20 0.782 0.830 0.870 0.911 0.951 0.992 1.032 1.073 1.114 1.155 30 1.196 1.237 1.279 1.320 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569 40 1.611 1.653 1.695 1.738 1.780 1.822 1.865 1.907 1.950 1.992 50 2.035 2.078 2.121 2.164 2.207 2.250 2.294 2.337 2.380 2.424 60 2.467 2.511 2.555 2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864 70 2.908 2.953 2.997 3.042 3.087 3.131 3.176 3.221 3.266 3.312 80 3.357 3.402 3.447 3.483 3.538 3.584 3.630 3.676 3.721 3.767 90 3.827 3.873 3.919 3.965 4.012 4.058 4.105 4.151 4.198 4.244 100 4.291 4.338 4.385 4.432 4.479 4.529 4.573 4.621 4.688 4.715 （7） 实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器—15v电源，其它旋钮置原始位置。 （8）将数据填入表3 。 表3 测量值E（mv） 换算值Eab(t,tn)（mv） 室温tn（0C） 查表值Eab(tn,to)（mv） 计算值Eab(t,to) （mv） 查表所得 温度t（0C） 思考题： 在热电偶中，有哪些热电势？其中，哪些电势是主要的？