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1、太原理工大学学生实验报告学院名称现代科技学院专业班级信息08-2学号2008100780实验成绩学生姓名刘洁琼同组人姓名岳文远、郑耀强、陈书星实验日期课程名称传感器原理与应用实验题目实验一温度传感器实验R，式中，R0是在250C时或其他参考温度时的 电阻，T0是热力学温度(K)，B称为材料的特征温度，其值 与温度有关，主要用于温度测量。NTC和PTC的特征曲线如图1-1所示：图1-1+15V1 T2+5V1L矿-HLD1 - REDJ1R5 27KR7 100K3R4 100J2RIO 5.IKR9 100KClbI2 OKO.luF1+15VR12 3_2*15V、_8OP07广R1410K
2、R16 5IK +15V C5OP07 z _2RllL-o1uF47K +15V_J_C3| O.luF2.2LR13R15R17HHi-O.luF2K：C6O.luF罕R20 II2KR195.1KO.luFC7HH-R2 2 2K,R2L2K6心 2KOP07HH-15 V O.luFUc1210K5 IK I_8OP07IC4 匚OluFRWD2 1K2V+5V2KD3 35.2 V一、实验目的掌握温度传感器的特性、工作原理及其应用。二、实验原理实验电路图如图1-2所示，R2用作加热电阻，R3为负温度系数热敏电阻NTC，用来检测加热 温度的变化，R3、R4、R5、R6组成全桥电路，当J
3、1的1-2端、J2的1-2端断开时，则桥路后面的 精密仪器放大器的输入电压为0，此时可以通过调节电位器RW对放大电路进行调0；当J1的1-2 端、J2的1-2端接通时，则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大，从而在Uo的输出端得到随 加热温度变化而变化的电压信号。本实验中的温度传感器采用了热敏电阻，热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料 做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC (Negative Temperature coefficient Thermistor)和正 温度系数热敏电阻 PTC (Positive Temperature Coefficient Thermisto
4、r)，临界温度系数热敏电阻 CTR(Critical Temperature Resistor)三种，本实验用的是负温度系数热敏电阻NTC，NTC 通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于-1003000C之间 的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为： R = ReB 1t -三、实验设备万用表（自备）、温度传感器调理模块。四、实验内容与步骤1. 将“温度传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上；2. 在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正 负极性不能接错）；3. 进行调理电路的调零：先将“温度传感器调理模块”的拨动开关拨向下方（此时模块
5、上的灯暗）；用短路帽短接此模块上J1、J2下方的两个插脚，再调节电位器RW,用万用表测量U。的 两端，使输出电压为零；再把短路帽切换到J1、J2上方的两个插脚。4. 调零完成之后，再把拨动开关拨向上方（模块上的灯亮），此时电阻R2处于加热状态，用 万用表测量U的两端，在加热过程中，观测并记录输出电压的变化情况。五、思考题归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。答：NTC/PTC都属于热敏电阻。PTC指正温度系数热敏电阻；NTC指负温度系数热敏电 阻；PTC用于过载、过流、过热、过温保护如充电器、空调、开关电源等的过流过载短路保护。 NTC 一般用于温度测量
6、及控制和抑制浪涌电流比如手机电池保护及办公自动化设备的电路保护、 电子温度度计、空调、冰箱、饮水机等家用电器。六、实验数据等待电压变化不是很快时每隔10s记录一次数据间隔（S）0102030405060708090电压（v）-2.00-2.04-2.09-2.14-2.18-2.23-2.27-2.30-2.34-2.37七、实验结果与分析电压（v）分析：随着温度的增加，电压变化减慢，其值逐渐减小八、实验报告要求1. 整理实验数据，分析热敏电阻NTC的阻值随温度变化的情况;2. 画出热敏电阻NTC的温度特征曲线。太原理工大学学生实验报告学院名称现代科技学院专业班级信息08-2学号2008100
7、780实验成绩学生姓名刘洁琼同组人姓名岳文远、郑耀强、陈书星实验日期课程名称传感器原理与应用实验题目实验二金属箔式应变片一一单臂电桥性能实验、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、实验原理应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻 应变片已接入到“THVZ-1型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表 进行测量，R1=R2=R3=R4=350Q。金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：R = p 二S当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长M
8、，横截面积相应减小AS，电阻率因晶格变 化等因素的影响而改变Ap，故引起电阻值变化AR。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示， 则有：AR Al ASAp（2）=+Rl Sp式中的A!i为电阻丝的轴向应变，用8表示，常用单位M（1 =1x10-6 mm/mm）。若径向 应变为AZ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比R表示为A7r =-（ All），因为 ASS =2（ Arr），则（2）式可以写成：AR AlAp / Ap p、Al , Al（3）=（1 + 2 目）+ =（1 + 2 目+） = k R lpAl l l 0 lk 0受两个是材料的电式（3）为“应变效应”的表达式。k
9、o称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见， 因素影响，一个是（1+2 R），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是Ap（p）阻率P随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则k0 n 1 + 2|1，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对 变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系叫=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微 小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过调理转换电路转换为相应 的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据
10、应力应变关系b= E （4）O 测试的应力；E材料弹性模量。可以测得应力值O。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应 变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应 变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状 态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂 电桥输出电压U= EKE /4，式中E为电桥供电电压，K为应变灵敏系数。应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。+15W3式中PortlC1O.OluF
11、R520KR6 5.1K 328C4-15V0.1uF龄 R102QK 100HH0 luF Ul6OP07Rll -iI10K*15R20 20KUi2Port2 C2O.OlifR720KR12 20K0.1 uiRS 5.IK 31U2OP07R1310K2KR1451K0一1旧-ISVO.luF23OP07C8UoR16R1710K+15XC9U4OP07、6CIOR212KUoC6 O.luF+15V RW2 10KR19-5.1K1.5KD13.3VdHHi1,-15V0.1uF-15 VL5KD23.3 V三、实验设备THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表
12、（自备）、信号调理挂箱、 应变式传感器调理模块。四、实验内容与步骤1. 将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）2. 检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将应变式传感器信号 调理实验电路的输入端Ui与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2,使Uo端输出电压为零，（万 用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3. 按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1 （即模板的R1）接入电桥作为一个桥臂与 R5、R6、R7接成直流电桥，（
13、R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥 路电源5V，如图2-3所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，使数显表显示约 为零（万用表2V档测量）。4. 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表 值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表2-1，关闭电源。R1 R2 R3 R4接信号调理电路输入端Li图2-3应变式传感器单臂电桥实验接线图5.根据表1-1计算系统灵敏度S = / AW （ AU输出电压的变化量， W重量变化量） 和非线性误差0 f1=A m/yFS X100%式中Am （多次测量时为平均值）为输出值与
14、拟合直线的最大 偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。五、实验注意事项1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2. 电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否则可能烧毁应变片。六、实验数据重量(g)020406080100120140160180电压1(v)00.180.340.520.700.881.051.231.411.59电压2(v)-0.050.130.310.490.670.861.041.221.411.59七、实验结果与分析1.81.61.41.210.80.60.40.20 -0.2折线图1J折线图2分析：两条直线不重合，是由于仪器线性度不好所造成
15、的，曲线中可看出输出电压与应力成正比。八、思考题分析产生非线性误差的原因。答：主要原因是：电阻阻值的相对变化大时，非线性度越大。太原理工大学学生实验报告学院名称现代科技学院专业班级信息08-2学号2008100780 实验成绩学生姓名刘洁琼同组人姓名岳文远、郑耀强、陈书星 实验日期课程名称传感器原理与应用实验题目 实验三金属泊式应变片半桥性能实验一、实验目的1. 掌握半桥的工作原理。2. 比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、实验原理把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当 应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UQ2U= EKe /2。三、
16、实验设备传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件中应变式传感器实验模板、 砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、15V电源、5V电源。四、实验内容与步骤1. 接入模板电源15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大 器调零，方法为：将图2-1的输入端Ui两端均与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo 端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不 能改变。）2. 根据图3-1接线。R1、R2为实验模板上的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，所标 的箭头表示受力方向，即将传感器中两片受力相反（
17、一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥 的相邻边。接入桥路电源5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验二中的步骤R1 R2 R3 R4接信号调理电路输入端I 13. 5,将实验数据记入表3-1,计算灵敏度S2 = MJ/AW，非线性误差5*。若实验时显示数 值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。五、实验注意事项1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2. 电桥的电压为5V,绝不可错接成15V,否则可能烧毁应变片。六、实验数据万用表20V档测量。砝码重量20g。表3-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（甘）0204060801001
18、20140160180200电压1 (V)0.050.400.741.091.441.782.132.482.823.173.51电压2 （V0.050.390.741.091.441.782.132.482.823.173.51七、实验结果与分析T一电压1-电压2分析：输出电压与负载重量呈线性关系，并且灵敏度是单臂时的两倍。八、思考题1半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边？ （2）邻边？答：邻边2桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性？ （2）应变片应变效应是非线性的？ （3）调零值不是真正为零？答：调零值不是真正为零九、
19、实验报告要求1. 记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2. 分析为什么半桥的输出灵敏度比单臂电桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。答：因为在试件上安装了两个工作应变片：一个受拉应变，一个受压应变接入电桥相邻桥 臂另两个R为固定电阻。采用了差动结构，所以减小了非线性误差。太原理工大学学生实验报告学院名称现代科技学院专业班级信息08-2学号2008100780 实验成绩学生姓名刘洁琼同组人姓名岳文远、郑耀强、陈书星 实验日期课程名称传感器原理与应用实验题目 实验四金属泊式应变片全桥性能实验一、实验目的掌握全桥测量电路的原理及优点。二、实验原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应
20、变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1=R2 =R3=R4，其变化值 R1=A R2=A R3=A R4时，其桥路输出电压U03= KE 。其输出灵敏度 比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。三、实验设备THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传 感器调理模块。四、实验内容与步骤根据4-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表4-1；进行灵敏度和非线性误差计R0 一 X 一。图4-1应变式传感器全桥实验接线图五、实验注意事项1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2. 电桥的电压为5V，绝不可错接成15
21、V。六、实验数据表4-1全桥输出电压与加负载重量值重量（甘）020406080100120140160180200电压100.691.372.062.753.444.134.825.526.216.90电压20.010.701.392.082.773.464.144.835.526.216.90七、实验结果与分析0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200分析：输出电压与负载重量成正比，灵敏度是单臂时的4倍。八、实验报告要求1. 根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。2. 比较单臂、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相 应的结论。全
22、桥将电桥四臂接入四个应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的 接入相对桥臂上构成全桥差动电路。全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工 作时的四倍。太原理工大学学生实验报告学院名称现代科技学院专业班级信息08-2学号2008100780实验成绩学生姓名刘洁琼同组人姓名岳文远、郑耀强、陈书星实验日期课程名称传感器原理与应用实验题目实验五电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容式传感器的结构及其特点。二、实验原理平板电容器电容C= 8 S/d，它的三个参数8、S、d中，保持两个参数不变，只改变其中一 个参数，则可用于测量谷物干燥度（变）、测微小位移（变d）和测
23、量液位（变S）等多种电容传 感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响。圆柱形结构受极板 径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间 的电场分布不均，非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常 用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：(1)八2兀ri式中l 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 外圆筒内半径和内圆柱外半径。电容变化量AC为： 2兀8 （l Al）rir、r当两圆筒相对移动AZ时、厂2双lA C =ln %ri2兀8Al厂AlE=C。了ri(2)于是，可得其静态灵敏度为：2
24、兀8 （l + A l）l_r2兀8 (l A l)r -i，4双/ l - ln r2 )r(3)可见灵敏度K与/有关，r与r越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏 g - 121度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，如图5-1所示，此结构可以消除极距 变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。其安装示意图如图5-2 所示电容传感器（一模板测量架一测微头图5-2图5-1圆柱形差动式电容传感器示意图 图5-2圆柱形差动式电容传感器实验装置安装示意图。电容式传感器调理模块的电路图如图5-3所
25、示三、实验设备THVZ-1型传感器实验箱、电容传感器、测微头、万用表（自备X信号调理挂箱、电容式传 感器调理模块。四、实验步骤1. 将“电容传感器调理模块电路图”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后， 从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）；2. 将电容式传感器引线插头插入信号调理挂箱“电容式传感器调理模块”旁边的黑色九芯插 孔中；3. 调节“电容式传感器调理模块”上的电位器Rwl,逆时针调节Rw1使旋到底。用万用表测 量此模块上输出两端的电压Uo；4. 旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移量X与输出电压Uo,填 入表5-1。五
26、、实验注意事项1. 传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2. 做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。六、实验数据X(mm)1515.215.415.615.816.016.216.416.616.8Uo(v)-0.88-0.90-0.91-0.92-0.93-0.94-0.96-0.97-0.98-0.99七、实验结果与分析1.8J Uo(v)-0.82-0.84-0.86-0.88-0.9-0.92-0.94-0.96-0.98-1分析：此线性度不好是由于非等间距读数及仪器线性度不好造成的。八、思考题简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。答
27、：电容式传感器极板之间存在静电场，式边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘效应， 这相当于再传感器的电容里并联了一个电容，这就叫边缘效应。不利影响：会引起极板间的电场分 布不均，导致非线性问题仍让存在，且灵敏度下降。九、实验报告要求1. 整理实验数据，根据所得的实验数据画出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法画出拟合 直线，计算该传感器的非线性误差f。2. 根据实验结果，分析引起这些非线性误差的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。十、实验心得实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。在实验中遇到问题时要仔细考虑可能出 现问题的地方然后用所学知识一一排除，排除时可用万用表的二极管档对电路进行
28、检测，如果两端 连接正确则万用表会发出“滴”的一声，若不正确则无反应。传感器与测试技术是一门理论性和实 践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、 机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、 压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。许多测试理论 和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。通过这次实验使我加深理解了所学的基础知识，掌握了各类典型传感器、记录仪器的基本原理 和适用范围；锻炼了我测试系统的选择及应用能力；实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验 技能的训练与
29、分析能力的训练，使我初步掌握了测试技术的基本方法，具有初步独立进行机械工程 测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深了对理论知识的理解。通过课程实验，以下能力得到了较大的提高：1、了解常用传感器的原理和应用，以及传感器使用的注意事项及各种测试中不同传感器的选 择方法。2、培养具有综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论；3、培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；这次实验让我明白我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论 知识的理解和掌握。本科实验报告课程名称：传感器原理与检测技术实验项目：实验地点：北区多学科楼406专业班级： 信息08-2 学号：2008100780学生姓名：刘洁琼指导教师： 乔铁柱沈慧钧李槐生2011年11月14日
