目录
目录 (1)
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 (2)
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验 (4)
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验 (6)
实验四移相实验 (8)
实验五相敏检波实验 (9)
实验六交流全桥性能测试实验 (11)
实验七扩散硅压阻式压力传感器压力实验 (13)
实验八差动电感性能实验 (15)
实验九电容式传感器位移特性实验 (17)
实验十电容传感器动态特性实验 (19)
实验十一霍尔传感器位移特性实验 (20)
实验十二磁电式传感器振动实验 (21)
实验十三压电式传感器振动实验 (22)
实验十四电涡流传感器位移特性实验 (24)
实验十五电涡流传感器振动实验 (26)
实验十六光纤传感器位移特性实验 (27)
实验十七光电转速传感器转速测量实验 (29)
实验十八铂热电阻温度特性实验 (30)
实验十九K型热电偶温度特性实验 (31)
实验二十正温度系数热敏电阻（PTC）温度特性实验 (33)
实验二十一负温度系数热敏电阻（NTC）温度特性实验 (34)
实验二十二PN结温度特性实验 (35)
实验二十三气敏（酒精）传感器实验 (36)
实验二十四湿敏传感器实验 (37)
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、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、实验仪器
双杆式悬臂梁应变传感器、V/F 表、直流稳压电源（±4V ）、差动放大器、电压放大器、万用表（自备） 三、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为
ε?=?k R
R
（1-1） 式中
R
R
?为电阻丝电阻相对变化； k 为应变系数；
l
l
?=
ε为电阻丝长度相对变化。 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。如图1-1所示，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。
图1-1 双杆式悬臂梁称重传感器结构图
通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。如图1-2信号调理电路所示，R5=R6=R7=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
R
R R R E U ??+??=
211/4
0 （1-2）
E 为电桥电源电压；
式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021???-
R
R 。
图1-2 单臂电桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1．悬臂梁上的各应变片已分别接到面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．按图1-2接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连，“电压放大器”输出端接V/F表（选择V，200mV档），开启直流电源开关。将“差动放大器”的增益调节电位器与“电压放大器”的增益调节电位器调至中间位置（顺时针旋转到底后逆时针旋转5圈），调节调零电位器使V/F表显示为零。关闭“直流电源”开关。（两个增益调节电位器的位置确定后不能改动）
3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器R1接入“电桥”与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。“电桥”输出接到“差动放大器”的输入端，“电压放大器”的输出接V/F表。预热两分钟。(直流稳压电源的GND1要与放大器共地)
4．将千分尺向下移动，使悬臂梁处于平直状态，调节Rw1使V/F表显示为零（选择V，200mV 档）。
5．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表1-1。
6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2.根据实验内容试设计一种电子秤。
六、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。 二、实验仪器
同实验一 三、实验原理
不同受力方向的两只应变片（R1、R2）接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变系数也相同时，半桥的输出电压为 R
R
E k E U ??
=??=
220ε （2-1） 式中
R
R
?为电阻丝电阻相对变化； k 为应变系数；
l
l
?=
ε为电阻丝长度相对变化； E 为电桥电源电压。
式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
图2-1 半桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。
2．按图2-1接好“差动放大器”和“电压放大器”电路。“差动放大器”的调零，参考实验一步骤2。
3．按图2-1接好所有连线，将受力相反的两只应变片R1、R2接入电桥的邻边。 4．参考实验一步骤4。
5．移动千分尺向下移0.5mm ，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm 和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm ，记录实验数据填入表2-1。
6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2.根据实验内容试设计一种电子秤。
六、思考题
半桥测量时非线性误差的原因是什么？
七、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点。 二、实验仪器
同实验一 三、实验原理
全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出
Uo=R
R
E ?? （3-1）
式中E 为电桥电源电压。
R
R
?为电阻丝电阻相对变化； 式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
图3-1 全桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1． 应变传感器已安装在悬臂梁上，R1、R2、R3、R4均为应变片，可参考图1-1。 2． 按图3-1先接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，“差动放大器”的调零参照实验一步骤2。
3．按图3-1接好所有连线，将应变片接入电桥，参考实验一步骤4。
4．移动千分尺向下移0.5mm ，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm 和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm ，记录实验数据填入表3-1。
5．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2．根据实验内容试设计一种电子秤。
3．比较单臂、半桥、全桥三者的特性曲线，分析他们之间的差别。
六、思考题
全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥？
七、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验四移相实验
一、实验目的
了解移相电路的原理和应用。
二、实验仪器
移相器、信号源、示波器（自备）
三、实验原理
由运算放大器构成的移相器原理图如下图所示：
图4-1 移相器原理图
通过调节Rw，改变RC充放电时间常数，从而改变信号的相位。
四、实验步骤
1．将“信号源”的U S100幅值调节为6V，频率调节电位器逆时针旋到底，将U S100与“移相器”输入端相连接。
2．打开“直流电源”开关，“移相器”的输入端与输出端分别接示波器的两个通道，调整示波器，观察两路波形。
3．调节“移相器”的相位调节电位器，观察两路波形的相位差。
4．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验现象，对照移相器原理图分析其工作原理。
六、注意事项
实验过程中正弦信号通过移相器后波形局部有失真，这并非仪器故障。
实验五相敏检波实验
一、实验目的
了解相敏检波电路的原理和应用。
二、实验仪器
移相器、相敏检波器、低通滤波器、信号源、示波器（自备）、V/F表
三、实验原理
开关相敏检波器原理图如图5-1所示，示意图如图5-2所示：
图5-1 检波器原理图
图5-2 检波器示意图
图5-1中Ui为输入信号端，AC为交流参考电压输入端，Uo为检波信号输出端，DC为直流参考电压输入端。
当AC、DC端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使、处于开或关的状态，从而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。
输入端信号与AC参考输入端信号频率相同，相位不同时，检波输出的波形也不相同。当两者相位相同时，输出为正半周的全波信号，反之，输出为负半周的全波信号。
四、实验步骤
1．打开“直流电源”开关，将“信号源”U S1音频信号输出调节为1kHz，Vp-p＝8V的正弦信号，接到“相敏检波”输入端Ui。
2．将直流稳压电源“±4V”处的“+4V”“GND”接“相敏检波器”的“DC”“GND”。
3．示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。
4．改变DC端参考电压的极性（接入直流稳压电源“±4V”处的“-4V”），观察输入、输出波形的相位和幅值关系。
5．由以上可以得出结论：当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。
6．去掉DC端连线，将“信号源U S1 00”端输出1kHz，Vp-p＝8V正弦信号送入“移相器”输入端，“移相器”的输出与“相敏检波器”的参考输入端AC连接，同时将音频信号源U S1 00输出接到“相敏检波器”的信号输入端。
7．用示波器两通道观察、的波形。可以看出，“相敏检波器”中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
8．将“相敏检波器”的输出端与“低通滤波器”的输入端连接，如图5-4（图5-3为低通滤波器的原理图），“低通滤波器”输出端接V/F表（选择V，20V档）。
9．示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端。
10．适当调节“信号源”幅值电位器和“移相器”相位调节电位器，观察示波器中波形变化。
11．调节移相器“相位调节”电位器，使电压表显示最大，利用示波器和电压表，测出“相敏检波器”的输入Vp-p值与输出直流电压U O的关系。
12．将“相敏检波器”的输入信号Ui相位改变1800，得出“相敏检波器”的输入信号Vp-p 值与输出直流电压U O1的关系，并填入下表。
13．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
图5-3 低通滤波器原理图图5-4低通滤波器示意图
五、实验报告
根据实验所得的数据，作出相敏检波器输入—输出曲线（Vp-p—V o、V o1），对照移相器、相敏检波器原理图分析其工作原理。
实验六交流全桥性能测试实验
一、实验目的
了解交流全桥电路的原理。
二、实验仪器
应变传感器、移相器、相敏检波器、低通滤波器，差动放大器，电压放大器，信号源，示波器（自备），V/F表
三、实验原理
图6-1是交流全桥的一般形式。设各桥臂的阻抗为Z1~Z4，当电桥平衡时，Z1 Z3= Z2 Z4，电桥输出为零。若桥臂阻抗相对变化为△Z1/ Z1、△Z2/ Z2、△Z3/ Z3、△Z4/ Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。
交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。
图6-1 交流全桥接线图
四、实验步骤
1．轻按住悬臂梁，向上调节千分尺，使千分尺远离悬臂梁，打开“直流电源”，信号源Us1输出1kHz，Vp-p＝8V正弦信号，按图6-1将“差动放大器”与“电压放大器”相连，输出接V/F 表（选择V，200mV档）。调节“差动放大器”和“电压放大器”的增益调节电位器调到最大（顺时针旋到底），“差动放大器”输入短路，调节调零电位器，使V/F表显示为零。
2．按图6-1接好所有连线线，调节电桥调平衡电位器Rw1，使系统输出基本为零，并用Rw2进一步细调至零，示波器接“相敏检波器”输出端观察波形。
3．用手轻压悬臂梁到最低，调节“相位调节”电位器使“相敏检波器”输出端波形成为首尾相接的全波整流波形，然后放手，调节千分尺与悬臂梁相接触，并使悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中Rw1和Rw2电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。
4．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入下表：
表6-1
5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2．根据实验内容试设计一种电子秤。
六、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验七 扩散硅压阻式压力传感器压力实验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器
压力传感器、气室、气压表、差动放大器、电压放大器、V/F 表 三、实验原理
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，可以制备各种压力传感器。摩托罗拉公司设计出X 形硅压力传感器，如图7-1所示，在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。
扩散硅压力传感器的工作原理如图7-1，在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i ，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时（本实验采用改变气室内的压强的方法改变剪切力的大小），在垂直于电流方向将会产生电场变化i E ??=ρ，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo 。
i d E d U O ???=?=ρ （7-1） 式中d 为元件两端距离。
实验接线图如图7-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V 电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1 图7-1 扩散硅压力传感器原理图 图7-2 扩散硅压力传感器接线图 四、实验内容与步骤 1．按图7-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接V/F表（选择V，20V档），打开直流电源开关。（将“2~20V直流稳压电源”输出调为5V） 2．调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到中间位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使V/F表显示为零。 3．取下短路导线，并按图7-2连接“压力传感器”。 4．气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，调节调零电位器使V/F表显示为零。增大输入压力到0.005MPa，每隔0.005Mpa记下“电压放大器”输出的电压值U。直到压强达到0.1Mpa；填入下表。 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 1.根据实验所得数据，计算压力传感器输入—输出（P—U）曲线，并计算其线性度。 2.根据实验内容，试设计电子气压计。 实验八差动电感性能实验 一、实验目的 了解差动电感的工作原理和特性。 二、实验仪器 差动电感、测微头、差动放大器、信号源、示波器（自备） 三、实验原理 差动电感由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体。移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级线圈的感应电动势增加，另一只次级线圈的感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出，则输出的变化反映了被测物体的移动量。 四、实验内容与步骤 1．差动电感已经根据图8-1安装在传感器固定架上。 图8-1 差动变压器安装图 图8-2 差动电感接线图 2．将“信号源”“Us1 0°”输出接至L1，打开“直流电源”开关，调节Us1的频率和幅度（用示波器监测），使输出信号频率为（4-5）kHz，幅度为V p-p=2V，按图8-2接线。 3．将“差动放大器”的增益调到最大（增益调节电位器顺时针旋到底）。 4．用示波器观测“差动放大器”的输出，旋动实验台中右侧的千分尺，用示波器观测到的 波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以上下位移，假设向上移动为正位移，向下移动为负，从Vp-p 最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表8-1，再从Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意上、下位移时，初、次级波形的相位关系。 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 1.实验过程中注意差动电感输出的最小值即为差动电感的零点残余电压大小。根据表8－1画出Vp-p－X曲线。 2.分析一下该测试电路的误差来源。 六、注意事项 实验过程中加在差动电感原边的音频信号幅值不能过大，以免烧毁差动电感传感器。 实验九 电容式传感器位移特性实验 一、实验目的 了解电容传感器的结构及特点。 二、实验仪器 电容传感器、电容变换器、测微头、V/F 表 三、实验原理 电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理： d S d S C r ??= =εεε0 （9-1） 式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε 0为真空介电常数，εr 为介质相对介电常数，由 此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图9-1，两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。 图9-1电容传感器内部结构示意图 四、实验内容与步骤 1． 电容传感器已经按图9-2安装在实验台。 图9-2 电容传感器安装示意图 图9-3 电容传感器接线图 2．将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连，“电容变换器”的输出接到V/F表（选择V、2V档）。（注：此处应选用三根相同长度的实验导线，而且越短越好。）3．打开“直流电源”开关。调节“电容变换器”的增益调节电位器到中间位置，调节螺旋测微器使得V/F表显示为0。（增益调节电位器确定后不能改动） 4．调节螺旋测微器推进电容传感器的中间极板（内极板）上下移动，每隔0.2mm将位移值与V/F表的读数填入表9-1。 五、实验报告 1.根据表9-1的数据作做出电压—位移曲线。 2.试分析电容传感器转接电容变换器的导线为什么要长度一致。 一、实验目的 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。 二、实验仪器 电容传感器、电容变换器、低通滤波器、信号源、示波器（自备）、V/F表、振动源 三、实验原理 与电容传感器位移特性实验原理相同。 四、实验内容与步骤 1．将悬臂架上的千分尺升高使其远离托盘，将底面板电容传感器对应接入电容变换器中（注：选用三根相同长度的实验导线）。将“电容变换器”的输出端接“低通滤波器”的输入端，“低通滤波器”输出端接示波器。电容变换器的“增益调节”电位器调到最大位置（顺时针旋到底）。 图10-1 电容传感器动态实验接线图 2．打开实验台电源，将信号源Us2接到“振动源1”。信号源Us2输出信号频率调节为“10-15Hz”之间，振动幅度调到最大。 3．用V/F表（选择“F”“200”档）监测Us2的频率。 4．调节信号源改变输出频率，用示波器测出“低通滤波器”输出波形的峰-峰值。填入下表。 五、实验报告 1.作电容传感器F-Vp-p曲线，找出振动源的固有频率。 2.分析一下该测试电路的误差来源。 一、实验目的 了解霍尔传感器的原理与应用。 二、实验仪器 霍尔传感器、测微头、电桥、差动放大器、V/F表、直流稳压电源（±4V） 三、实验原理 根据霍尔效应，霍尔电势U H=K H IB，其中K H为霍尔系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。 四、实验内容与步骤 1．将悬臂架上测微头向下移动，使测微头接触托盘。按图11-1接线（将直流稳压电源的GND1与仪表电路共地），输出Uo接V/F表。 2．将“差动放大器”的增益调节电位器调节至中间位置。 3．开启“直流电源”开关，V/F表选择“V”，“200mV”档，手动调节测微头的位置，先使霍尔片处于磁钢的中间位置（数显表大致为0），再调节Rw1使数显表显示为零。 4．分别向上、下不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表11-1。 图11-1 霍尔传感器位移接线图 五、实验报告 根据实验所得数据，作出U－X曲线。
相关主题
文本预览