《传感器技术》实验指导书
（07级微电子专业）
刘海浪编
桂林电子科技大学
二ＯＯ九年五月
目录
实验一应变式传感器特性测试 2实验二电感式传感器特性测试 7实验三霍尔传感器应用实验 13实验四传感器应用的计算机仿真 16
实验一 应变式传感器特性测试
一、 实验目的
1、掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能；
2、了解学习全桥测量电路的构成及其特点、优点；
3、比较单臂电桥与全桥的不同性能、了解其特点。
二、 实验用器件与设备
1、应变式传感器实验台；
2、传感器实验箱；
3、砝码；
4、跳线；
5、万用表等。
三、 实验原理
直流电桥原理：在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识。电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。下面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。 1、 平衡条件
直流电桥的基本形式如图1-1所示。R 1， R 2，R 3 ， R 4 为电桥的桥臂电阻，R L 为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。
当R L
∞时，电桥的输出电压V 0应为
V 0=E(
4
33
211R R R R R R +-+)
当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到R 1R 4=R 2R 3，或
4
321R R R R = （1-1）
图1-1 直流电桥的基本形式
式（1-1）秤为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。 2、 平衡状态 单臂直流电桥：
所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为△R ，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压V 0≠0（此时仍视电桥为开路状态），则不平衡电桥输出电压V 0为
V 0＝E R R R R R R R R R R ?
??? ??+???? ??+?+???
?
?????? ??341211114113 (1-2)
设桥臂比n=
12R R ，由于△R 1《R 1，分母中11
R R ?可忽略，输出电压便为
V"0= E R R R R R R R R ?
??? ??+???? ?
?+?
??
?
?????? ??3412114113
这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差。则其相对线性误差r 为：
r=''000V V V -= ???? ??+?+???? ???-1211111R R R R R R =?
??
?
??+?+???? ???-n R R R R 11111 （1-3）
由此可见，非线性误差与电阻相对变化11
R R ?有关，当11R R ?较大时，就不可忽略误差了。 下面来看电桥电压灵敏度S V 。在式（1-2）中，忽略分母中11
R R ?项，并且考虑到起始
平衡条件
4
3
21R R R R =
，从式（1-2）可以得到 V 0'≈1
12)1(R R n n
E ?+ （1-4）
电桥灵敏度的定义为
S V = 1
10R R V ?≈11'
0R R V ? = E n n
2
)1(+ （1-5） 当n=1时，可求得S V 最大。也就是说，在电桥电压E 确定后，当R 1=R 2，R 3=R 4 时，电桥电压灵敏度最高。此时可分别将式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化简为：
V 0=1
1
1
1
2111
41R R R R
E ?+
? （1-6） r = 1
11
12R R R R ?+
?-
（1-7）
V 0' ≈ 1
141R R
E ? （1-8）
S V = E 4
1
（1-9）
由上面四式可知，当电源电压E 和电阻相对变化11
R R ?一定时，电桥的输出电压，非线
性误差，电压灵敏度也是定值，与各桥臂阻值无关。 差动直流电桥（半桥式）：
若图1-1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即R 1和R 2为传感器，并且其相应变化为△R 1和 △R 2，则该电桥输出电压V 0≠0，当△R 1=△R 2，R 1=R 2，R 3=R 4 时，则得
V 0=1
1
21R R E ?
上式表明，V 0与11
R R ?成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电桥无非线性误差，
而且电压灵敏度S V 为
S V = E 2
1
比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。 双差动直流电桥（全桥式）：
若图1-1中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。若满足△R 1=△R 2=R △
3
=△R 4，则输出电压和灵敏度为
V 0=1
1
R R E
? S V = E 由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。
四、 实验方法与步骤
(一)、全桥电路性能测量：
1. 关闭实验台总电源，将红色线接入P1或者P5口，黄色线接入P2或者P3口，将黑色线
接入P4或者P8口，将蓝色线接入P6或P7口；
2、用导线把全桥电路信号处理模块的T8口接到信号输出模块的T4或T5，然后用信号线
连接信号输出模块的BNC 接口和多通道数据采集模块的通道5上。
3. 用电源线将基础实验台上多路输出电源引接到传感器开放电路主板上；把主板上的
5V 、＋12V 、－12V 的电源开关拨到ON 。
4. 用万用表测量T8口的对地电压，如果该点电压超过5V ，则调节电阻R22的阻值以调节
放大电路的零点，尽量使输出为零（可调到0.5V 以下即可），然后在应变压办实验台上放置法码，观察T8口的输出电压，使其始终不超过5V ，如果有超过的，则调节R21和R9的阻值，使输出不超过5V ；
5. 调整完毕后，从质量为0g 开始，先测一个数据，再依次添加不同质量的砝码到托盘
上，用万用表测量T8口相应的电压值，因为应变片的量程是5kg ，切勿放置过大质量物体在托盘上，更不可按压托盘。
6. 在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到
砝码加完，记下实验结果填入如表1-1类似的表中，关闭电源。 表1-1 全桥实验数据样表
7. 根据表1-1计算系统灵敏度S=W
U ??（输出电压变化量与重量变化量之比）。
8. 绘出电压和质量之间的关系曲线，并对其进行线性拟合，求出拟合直线，记下斜率Ｋ和截距b 待用（v=km+b ）。
(二)、全桥电路的应用--称重实验：
1.运行Labview 主程序，打开“全桥电路的应用—物体重量测量”程序，建立实验环境，
2. 在实验界面上输入对应通道数，然后分别输入上步拟合得到的k 值和b 值，运行程序；
3. 在托盘上分别放置不同质量的砝码，在实验界面可看到一个测量的质量值，分别记录实验测量值和托盘上实际放置的法码的质量，比较误差，如果误差过大请重新计算k 值和b 值；
7.计算实际质量与程序测量得到的质量之间的实验误差，分析产生误差的原因。
实验二电涡流传感器特性测试及应用
预习要求：
1、学习理解电涡流传感器的结构及工作原理，并掌握电涡流传感器用于位移测量时的
测量电路和测试原理。
2、根据实验要求，作好实验前的准备（测试方法及测试点选择、数据记录的格式等）。
一、实验目的
1、了解电涡流传感器的结构、特点，掌握其工作原理和使用方法；
2、通过测量电涡流传感器的输入输出关系曲线，深入理解电涡流传感器的特性及其指
标的含义；
3、利用电涡流传感器进行传感器静态特性的测量；
4、利用机械结构、传感器、数据采集卡、虚拟仪器平台构建测试系统。
二、实验原理
1、电涡流的形成原理
如图2-1所示，由物理学知识可知，若在线圈中通入交变电流I，在线圈周围的空间就产生了交变磁场Ф
i
，将金属导体置于此交变磁场范围内，导体表面层产生涡电流，涡电
流的高频磁场Фe以反作用于传感器电感线圈，从而改变了线圈的阻抗Z
L
或线圈的电感和
品质因素。Z
L
的变化取于线圈到金属板之间的距离x、金属板的电阻率δ、磁导率μ以及激励电流的幅值A和频率f。
金属导体Фi
Фe
i
高频交变磁场
涡流磁场
高频激励电流
图2-1 电涡流传感器的工作原理
2、电涡流位移传感器原理
电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈中，线圈将产生一个高频电磁场。当被测金属
体靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，既电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离 D、电流强度 I 和频率ω 参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗 Z 就成为距离 D 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器对信号进行处理，将线圈阻抗 Z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离 D 的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距的变化而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的磁场强度也发生变化，磁场强度的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。
所以探头与被测金属体表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。图 2-2 为电涡流传感器的工作原理示意图。
图2-2 电涡流传感器工作示意图
主要技术指标：
供电电压探头直径线性量程输出方式
＋24V 11mm 4mm 1-5V
3、最小二乘法拟合原理：
给定平面上一组点（xi,f(xi)）(i=1,2,3…n)，用直线拟合。即求得f(x),使得偏差△V m达到最小。
三、实验仪器和设备
1．计算机 1 台 2．LabVIEW8.2 以上版本 1 套
3．数据采集模块 1 台 4．电涡流特性实验模块 1 台
5. 电源模块 1 台
6. 操作工具 1 套
四、实验内容与实验步骤
1、实验前准备及电路的连接
（1）关闭数据采集卡电源，将电涡流传感器连接到采集卡的数据采集一个 AD 通道上。注意不要在带电的情况下从采集卡上插拔传感器，以免对采集卡和传感器造成损坏。（2）电涡流传感器的工作电源为 24V，把电涡流传感器的电源接到试验台的 24V 电源口，并把数据线接到采集卡的某一通道上，接通试验台和数据采集卡的电源。
设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数后点击如下图 2-3 所示的运行按钮运行程序，观察各部分运行灯的亮灭情况。
运行按钮
图 2-3 程序运行按钮
（4）将千分尺归零，将滑块上反射圆片紧紧靠在电涡流探头表面，观察此时的电压值。（5）滑块渐渐远离传感器，观察电压数值的变化，观测传感器的最大测量距离。
2、测绘并求出传感器的线性区范围：
电涡流传感器的线性区定义为：不在此测量范围内时，其函数将不成线性关系。
(1) 联接好测量系统中传感器及其采集卡等模块的通道号及其电源，调整滑块到一个初始
位置，记录下读数 X0。
(2) 打开“试验一电涡流静态特性试验.vi”，设置每次移动千分尺的距离为0.3mm，将
这两个数值输入到“实验一电涡流静态特性试验.vi”的“采样间隔”控制变量里。图
2-4为电涡流静态特性曲线的程序截图。设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”
等参数。
图2-4 电涡流静态特性试验
（3）运行“试验一电涡流静态特性试验.vi”，点击“第 1 次采集”按钮，指示灯亮后，程序将自动记录对应电涡流传感器的读数。
（4）将千分尺向远离探头方向移动 0.3mm，点击“第 2 次采集”按钮，依次改变测量的距离进行30 次测量，采集 30 组数据。注：图上按钮可反复使用，也可只反复使用一个，将数据记录在Excel表格中，进行绘图。
（5）数据采集完成后，将采集到的30组位移与电压数据在Excel中进行电涡流传感器的特性曲线的绘制。
（6）观测出传感器的线性区范围，并对线性区进行拟后，将拟合直线的表达式记录，并同时记录拟合直线、斜率K和截距b待用。
3、利用测得结果进行距离反测和误差分析：
(1) 打开“试验一电涡流距离测量及误差分析试验.vi”，图 2-5为电涡流距离测量及误
差分析程序截图。设定好“通道选择”、“采样频率”、“采样长度”等参数。
图 2-5 电涡流距离测量及误差分析程序
（2）设置千分尺读数到观测到的线性区的起点处，并将此值输入的实验界面的起点坐标框中，计算采样间隔为整个线性区长度的1/10；
（3）照此采样间隔的值调节千分尺，分别点击实验界面中的10个采集按钮，采集10组数据，直接采集在实验界面中，不必再记录在Excel中。
（4）数据采集完成后，点击拟合按钮，得出线性区拟合线在波形显示框中。
（5）将上一步中得到的拟合线的斜率K和截距b填入实验界面相应的框中，点击距离计算得到由实验程序反测出的千分尺的距离读数。
（6）将千分尺的实际读数填入界面的最后一行的相应位置，点击误差分析按钮，得到实验反测的相对误差。
（7）将具有结果的整个实验界面拷入Word文档备用。
五、实验报告要求
1、拷贝实验系统的运行结果页面，插入到 word 格式的实验报告中。
2、求出所用传感器的线性区范围。
3、对所用传感器的输出特性进行线性拟合，求出拟合直线、斜率K 和截距b 。
4、求出所用传感器的线性误差和灵敏度。
六、 参考与提示
1、测试系统的输入输出特性曲线
V V
图2-7 测试系统的输入输出特性曲线
2、电涡流传感器的静态特性指标分析方法（各参量如上图2-7中） 线性区范围： x 1～x 2 (mm)对 线性区对应的电压值： V 1～V 2 (mV) 线性误差：
%1001
2?-?V V V m
灵 敏 度：
1
21
2x x V V -- (mV/mm) 七、 思考题
1、电涡流传感器为什么可作为位移传感器用？
2、电涡流的大小还与那些因素有关？
3、试想电涡流传感器还可以用来测量那些物理量？