传感器实验报告.docx

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1、智能传感器系统实验报告课程名称智能传感器系统学院信息工程学院年级班别电子信息工程1班学号3116002166学生姓名陈俊杰指导教师翟因虎2019年12月28日实验一金属箔式应变片及转换电路性能实验项目名称：金属箔式应变片及转换电路性能实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器技术及应用实验计划学时：2学时一、实验目的1、了解应变片的测试原理与应用领域；2、掌握应变片测试方法及典型转换电路原理；3、通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态特性性能指标的过程和 方法。二、实验内容和要求1、观察金属箔式应变片的结构、贴片方式以及接桥方式；2、测试应变梁变形时的应变输出；3、比较应变片不同接桥方式对电

2、桥输出结果的影响。4、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南 了解该设备的基本结构与组成。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：悬臂梁及金 属箔式应变片； 电桥模块；差动放大器；直流稳压电源（4 V档）；测4微头；毫伏表。2、若干接插连接实验导线。3、万用表（非必需）。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理应变片是最常用的测力传感元件。当使用应变片进行测试时，首 先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当测件受力发生变形，应变 片敏感栅也随同变形，其电阻值也随之发生相应 变化。之后，再通过 测量转换电路，将电阻值变化转换成电压 信

3、号输出显示。直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂 电阻阻 值乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。若设电桥桥臂的 四个电阻初始值分别为：R1 = R2 = R3 = R4 = R，当 测试体表面产生变 形，则其电阻的相对变化率分别为R1/R1、AR2/R2AR3/R3和R4/R4。 当使用一个应变片时，可组成半桥单臂电桥，在电阻变化量AR较小 的情况下，电桥输出电压为U0 = U AR/ 4 R；当使用二个应变片差动联 接，组成半桥双臂电桥，则有U0 = U AR/ 2 R ；而用四个应变片组成 全桥形式，则输出电压为U0 = U A R /R。由此可见，半桥单臂、半桥 双

4、臂和全桥电路的灵敏度是依次增大的。通过本实验，可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂、半5桥双 臂电桥和全桥的原理及工作性能。二）实验步骤及结果测试1、仪表及电路调零任何测试仪器或仪表，在使用前均需调零。本实验需要调 零的部 件是毫伏表、直流电桥和差动放大器。 毫伏表调零。将综合实验仪上的毫伏表输入端对地短接，调整 “调零电位器，使指针居“零位。拔掉短接线，指针有偏转是有源指 针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。 差动放大器调零。开启仪器电源，将差动放大器增益调至适中 位置（调节旋钮旋到中位附近），差动放大器的“+、一输入端用实验 线对地短路，放大器输出端接毫伏表或数字电压 表，

5、用“调零电位器 调整差动放大器输出电压至零。然后拔掉短接实验线。注意：调零后，放大器增益调节旋钮和“调零电位器的位置不要改变。 若两者任一旋钮位置有变，需重新进行调零。2、半桥单臂接桥方式测试接桥。按图1半桥单臂电桥测试接线原理图，将实验模块用实 验线连接成测试电桥。桥路中R1、R2、R3 （因实验设备 不同，实验 设备上的电阻标记可能有差异）和WD为电桥中的固定电阻和直流调 平衡电位器，R为箔式应变片（可任选悬臂梁上、下面上的任一金属 箔式应变片作为工作片）。直流激励电6源为4V。图半桥单背电挤测试接践原理图 测微头置位。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上。初始时， 测微头一般位于悬臂梁上方，

6、不与梁接触。测微头置位，即是调节测 微头旋转，通过顶杆使应变梁处于基本水平状态。此时可认为悬臂梁 上的应变片不受力，其电阻为应变片初始值。 直流电桥平衡调整确定按图1接线无误后，开启仪器电源，并预热数分钟。调整直 流电桥WD电位器，使测试系统电压输出为零。此时可 认为电桥处于 平衡状态。 加载测试a、旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上或向下的移动，以水平 状态下输出电压为零。测微头每转一圈，对应垂直移动0.5mm，相应 记录差动放大器的一个输出电压值。向上或向下各移动5mm，记录十 组数据，填入下表：b、以与相反的旋转方向（反向加载），用同样的方法测 试，记录数据， 填入下表：位移x（mm）0.

7、000.51.01.52.02.53.03.54.04.5电压V（mV）0.000.50.750.91.11.51.82.73.13.53、半桥双臂接桥方式测试保持差动放大器增益不变，将R1换成为与应变片R工作状态 相反的另一应变片，形成半桥双臂电桥，调好零点，用同样方法，测 出数据，填入下表：位移x（mm）-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5电压V（mV）-5.1-4.5-4.1-3.6-3.3-2.8-2.2-1.8-1.3-0.8位移x（mm）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V（mV）0.81.62.12.63.

8、53.64.04.65.25.74、全桥接桥方式测试保持放大器增益不变，将R3、R2两个电阻换成另两片应变 片， 接成一个直流全桥电路，调好零点，将测出数据填入下表：位移x(mm)-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5电压V(mV)-6.9-6.1-5.4-4.8-4.0-3.3-2.6-1.9-1.3-0.6位移x (mm)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压V (mV)0.71.42.22.93.64.35.05.86.67.1注意事项：接通电源前，应仔细检查各电路连接是否正确，防止电源和信号源短 路。用应变片组桥时应注

9、意各应变片的受力状态。毫伏表和差动放大器使用前都要调零。显示仪表量程宜从高档转换到低档，信号幅值宜从小到大。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在同一坐标纸上，绘出以上每种测试条件下的测量数据(输入一一输出)x-U曲线，绘出数据表格要标明物理量和单位。3、认真分析实验数据，依此计算传感器的灵敏度和线性度？并认真绘制出 传感器的性能曲线。根据S=AV/AX，分别计算灵敏度，得:S全=AU/AX=0.059 S半=AU/AX=044 S 单=AU/AX=0.015实验结论：当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻 值的大小无关，单臂、半桥、全桥电路的灵敏

10、度依次增大。4、比较三种桥接方法的灵敏度。比较三种桥接方法的灵敏度。答：结合上面数据，可得到，灵敏度从小到大为：半桥半臂接桥方玲半桥 双臂桥接方式 全桥接桥方式。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。答：实验过程中仪器输出显示不动或不稳定，需更换仪器实验。六、思考题1、若要计算系统的回程误差，测试数据该如何处理？2、图1中，若和均为应变片，接桥时未能接成差动形式，系统能否 正常工作？为什么？3、实验中，在电桥的三种状态（半桥单臂、半桥双臂和全桥）下测试， 为什么要求保持差动放大器的增益不变？1、答：如果要计算回程误差，应该把第二次实验数据的电压值取负值进行 数据对比。2、答：系统无法

11、正常工作，不接成差动形式，电桥桥臂电阻差值不能通过 电压输出，无法表现出来。3、答：为了在三种测试状态下测得数据有对比性，有同一个前提，控制变 量。电容变换器低通差放电压表 J 11I .2 HH I W ,八4 W V I W八4实验项目名称：电容式传感器静特性测试与动特性观测实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器技术及应用实验计划学时：2学时一、实验目的1、掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。2、掌握电容传感器特性的实验测试方法。3、了解电容式传感器的工程应用。二、实验内容和要求1、观察传感器综合实验仪上电容式传感器的结构型式。2、了解电容变换器的转换原理（参见附录二）。3、电容式传

12、感器静特性测试。4、电容式传感器动态测试。5、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用 指南，了解该设备的基本结构与组成。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：电容 式传感器；电容变换器； 差动放大器；低通滤波器； 低频振荡器；测微头。10毫伏表或数字电压表。2、双线示波器及实验连接导线若干。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法根据两金属极板间电容的计算式= /&可知电容式传感器有三 种型式。本实验仪器中为差动变面积型，电容传感 器由两组定片和一组 动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组定片之间 的重叠面积发

13、生变化，极间电容也发生相应变化，成为两差动式电容。 若将上层定片与动片形成的电容设为XI，下层定片与动片形成的电容 设为X2,当将X1和X2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容 接入其它转换电路）时，则电路的输出电压与电容量的变化有关，即与 振动台的位移有关。电容式传感器的实验原理框如下：图W电容传感器更睑原理框图二）实验步骤及结果测试1、相关仪表和电路调零 差动放大器调零时请先将放大器的增益调 至适中。2、电容传感器静态特性测试 按图原理接线。将电容变换器的增益调至适中。电容 变换器 的转换原理图详见附录二。 旋动测微头，使测微头与振动台接触，并带动振动台移动。当 电容动片位于两电容定片

14、对称位置时，此时差动放大器输出应为零。以此为起点，向上或向下每次0.5mm （测微头旋转一圈）移 动动片，直至动片与一组定片全部重合为止。记录数据，并作出x-曲 线。位移x (mm)0.000.51.01.52.02.53.03.54.04.5电压V (mV)0.00-1.51-2.45-3.69-4.85-5.84-7.14-8.18-9.35-10.17以相反方向逐步旋转测微头至初始位置，用与相同方法， 记下 x （mm）及 V （mv）。位移x (mm)0.00-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5电压V (mV)-10.18-9.42-8.16-7.0

15、7-5.70-4.72-3.59-2.48-1.35-0.044.5-4-3.5-3-2.5-2-L5-1-0.503、电容传感器动态特性观测 将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线； 接通激振器（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低 通和差放输出波形，并记录波形。 改变激振器 频率，重复观测，注意波形的变化。注意事项电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍作调整。位 移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。如果用示波器观察到差动放大器输出端波形中有杂波，请将电容变 换器增益进一步减少。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础

16、上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。并按某一规则作 出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等 特性指标。4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。答:在改变激振器的频率时候（1HZ-30HZ），低通输出的波形随着频率增大， 幅值增大，到了一定的频率时候，幅值开始下降，甚至出现了失真的 现象。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。答：实验过程中仪器输出显示不动或不稳定，需更换仪器实验。六、思考题1、实验原理图中，信号处理过程是先滤波再放大，能否先放大再滤波？ 观察两种状态下的波形输出。2

17、、拟合直线的选取方法有哪几种？不同拟合直线得出的传感 器静态特性 指标的数值会一致吗？此时该如何合理评价传 感器的特性？1、答：信号先放大，再滤波。因为信号太小本身就不适合滤波，而且放大器本身也有噪声，这样 的话后滤波的同时还可以滤除放大器的噪声，减少测量误差。2、答：拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理 论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理 论直线作为拟合直线，。不同拟合直线得出传感器静态性能数值不一样。实验三霍尔传感器的应用一一位移及振幅测量实验项目名称：霍尔传感器的应用一一位移及振幅测量实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器技术及应用实

18、验计划学时：2学时一、实验目的1. 了解霍尔位移传感器的工作原理与结构，学会用霍尔传感器进行位移 测试；2, 了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。二、实验内容和要求1、观察传感器系统综合实验仪上霍尔位移传感器的结构；2、直流激励下，用霍尔位移传感器进行静态位移测试；3、直流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试；4、交流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试；5、进行实验前，先预习信号幅值调制的原理。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：直流稳压电 源；霍尔传感器；电桥；差动放大器；毫伏表；测微 头；移相器； 相敏检波器；低通滤波器；音频振荡器。14 差放

19、 电压表2V 2V WD R2、双线示波器；3、接插连接实验导线若干。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法实验台上的霍尔传感器，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。当保持霍尔元件的控制电流I恒定，在与霍尔 元件控制电流相垂直的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场 中上下移动时，输出的霍尔电势 取决于其在磁场中的位移量x，即U0 =kx，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的位移量。二）实验步骤及结果测试1、霍尔传感器静态位移测试 相关仪表和电路调零差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。 按图直流激励接线； 旋转测微头，使测微头顶杆与振动圆盘接触

20、。调节振动15圆盘上、下位置，使霍尔元件基本位于梯度磁场中间位置。 开启电源，调节测微头和电位器WD，使差放输出为零。 上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并 记入下表。位移x(mm)-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.51.0电压V(mV)-6.56-6.29-5.84-5.13-4.19-2.95-1.5100.811.48位移x(mm)1.52.02.53.03.5电压V(mV)2.753.794.575.145.552、直流激励下霍尔传感器振动测试 仍按图直流激励接线，使系统调零。并松开测微头，使其脱离振动台。 将低频振荡器接“激振

21、，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输 出波形。 进一步提高低频振荡器振幅，用示波器观察差动放大器输出波形，当 波形出现顶部消峰时，说明霍尔元件已进入均匀 磁场，霍尔电压已不 再随位移量的增加而线性增加。 改变激振器I频率，进行观测，注意波形的变化。 记录输出波形。答：通过连接完低频振荡器，利用示波器观察差动放大器输出的波形，经 过调试波形得到的是接近正弦波的波形，随着震动的频率增大，波形也 会增大慢慢饱和五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据直流激励下静态位移测试数据，在坐标纸上绘出霍尔位移传感器实

22、验曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏 度、线性度。4、在交流激励下的振动测试中，观察记录到了各环节输出波形变化规律， 给出相应合理的解释。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。答：实验过程中仪器输出显示不动或不稳定，需更换仪器实验。六、思考题1、霍尔元件用作位移测量时，为什么只允许工作在梯度磁场范围？2、解释在激励源为交流且信号变化也是交变时需采用相敏 检波器的原 因？1、答：因为只有磁场有变化，而位置的变化能从磁场的变化反映出来，才 能用磁场测位移，梯度磁场范围内的位移和磁场强度成线性关系，能够 准确方便的计算位移与磁场强度变化的关系。2、答：用相敏检波器的原因是要该传感器的响应时间，通过该相敏检波器 可以检测到传感器的输入信号和输出信号之间的相位差。