下载文档原格式
第1篇一、实验目的1. 理解传感器的基本原理及其在实际应用中的重要性。
2. 掌握传感器实验仪的使用方法，包括仪器操作、数据采集和分析。
3. 通过实验验证不同类型传感器的性能和特点。
4. 学习传感器在实际工程中的应用和调试方法。
二、实验原理传感器是一种能够将物理量（如温度、压力、光强等）转换为电信号的装置。
本实验所使用的传感器实验仪包括热电偶、压电式传感器、电感式传感器等，它们分别基于不同的物理原理进行信号转换。
1. 热电偶传感器：利用塞贝克效应，两种不同金属的接触界面会产生电动势，该电动势与温度差成正比。
2. 压电式传感器：利用压电效应，当晶体受到机械振动时，会产生电荷。
3. 电感式传感器：利用电磁感应原理，当线圈中的磁通量发生变化时，会产生感应电动势。
三、实验仪器与设备1. 传感器实验仪2. 热电偶传感器3. 压电式传感器4. 电感式传感器5. 示波器6. 数据采集卡7. 电脑四、实验内容与步骤1. 热电偶传感器实验- 将热电偶传感器与实验仪连接，设置实验参数。
- 对比不同温度下的热电偶输出电压，绘制特性曲线。
- 分析热电偶传感器的线性度、灵敏度等性能指标。
2. 压电式传感器实验- 将压电式传感器与实验仪连接，设置实验参数。
- 通过振动台产生振动，观察压电式传感器的输出电荷量。
- 分析压电式传感器的灵敏度、频率响应等性能指标。
3. 电感式传感器实验- 将电感式传感器与实验仪连接，设置实验参数。
- 通过移动衔铁，观察电感式传感器的输出电压变化。
- 分析电感式传感器的线性度、灵敏度等性能指标。
五、实验结果与分析1. 热电偶传感器实验- 实验结果：绘制了热电偶传感器的特性曲线，曲线呈现良好的线性关系。
- 分析：热电偶传感器具有较好的线性度，灵敏度较高，适用于温度测量。
2. 压电式传感器实验- 实验结果：压电式传感器输出电荷量与振动加速度成正比。
- 分析：压电式传感器具有较高的灵敏度，适用于振动测量。
一、实验目的1. 了解传感器的基本原理和检测方法。
2. 掌握不同类型传感器的应用和特性。
3. 通过实验，验证传感器检测的准确性和可靠性。
4. 培养动手能力和分析问题的能力。
二、实验原理传感器是将物理量、化学量、生物量等非电学量转换为电学量的装置。
本实验主要涉及以下几种传感器：1. 电阻应变式传感器：利用应变片将应变转换为电阻变化，从而测量应变。
2. 电感式传感器：利用线圈的自感或互感变化，将物理量转换为电感变化，从而测量物理量。
3. 电容传感器：利用电容的变化，将物理量转换为电容变化，从而测量物理量。
4. 压电式传感器：利用压电效应，将物理量转换为电荷变化，从而测量物理量。
三、实验仪器与设备1. 电阻应变式传感器实验装置2. 电感式传感器实验装置3. 电容传感器实验装置4. 压电式传感器实验装置5. 数字万用表6. 示波器7. 信号发生器8. 振动台四、实验步骤1. 电阻应变式传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
（3）观察数字万用表和示波器显示的应变值和电压值。
（4）分析应变值和电压值之间的关系，验证电阻应变式传感器的检测原理。
2. 电感式传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
（3）观察数字万用表和示波器显示的电感值和电压值。
（4）分析电感值和电压值之间的关系，验证电感式传感器的检测原理。
3. 电容传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
（3）观察数字万用表和示波器显示的电容值和电压值。
（4）分析电容值和电压值之间的关系，验证电容传感器检测原理。
4. 压电式传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
电感式传感器原理
电感式传感器是一种利用电感效应进行测量和检测的传感器。
其基本原理是根据电感的特性来实现信号的转换和传输。
电感式传感器的工作原理是通过改变线圈中的电感值来感应外部的物理量。
当外部物理量发生变化时，线圈中的电感值也会相应地发生变化。
通过测量线圈的电感值的变化，可以得知外部物理量的变化情况。
电感是指导线圈中产生的自感应电动势。
当线圈中的电流发生变化时，会产生与电流变化方向相反的电动势。
这种电动势会产生磁场并储存能量。
当外部物理量改变线圈中的磁场时，会影响线圈中的电感值。
测量电感值的常用方法是利用谐振电路。
当外部物理量引起电感值变化时，会影响谐振电路的谐振频率。
通过测量谐振频率的变化，可以得到外部物理量的变化信息。
电感式传感器广泛应用于各种测量和控制领域。
例如，在温度传感中，可以利用电感式传感器测量温度变化引起的电感值变化；在位移传感中，可以利用电感式传感器测量物体位置的改变；在压力传感中，可以利用电感式传感器测量压力变化引起的电感值变化等。
总之，电感式传感器是一种利用电感效应进行测量和检测的传感器，通过测量线圈的电感值的变化来获取外部物理量的变化
信息。
由于其简单、可靠和精度高的特点，电感式传感器被广泛应用于各种工程领域。
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
传感器知识点一、电阻式传感器1) 电阻式传感器的原理：将被测量转化为传感器电阻值的变化，并加上测量电路。
2) 主要的种类：电位器式、应变式、热电阻、热敏电阻 ● 应变电阻式传感器1) 应变：在外部作用力下发生形变的现象。
2) 应变电阻式传感器：利用电阻应变片将应变转化为电阻值的变化a. 组成：弹性元件+电阻应变片b. 主要测量对象：力、力矩、压力、加速度、重量。
c. 原理：作用力使弹性元件形变发生应变或位移应变敏感元件电阻值变化通过测量电路变成电压等点的输出。
3) 电阻值：ALR ρ=(电阻率、长度、截面积)。
4) 应力与应变的关系：εσE =(被测试件的应力=被测试件的材料弹性模量*轴向应变)5) 应力与力和受力面积的关系：（面积）（力）（应力）A F =σ应注意的问题：a. R3=R4；b. R1与R2应有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初值；c. 补偿片的材料一样，个参数相同；d. 工作环境一样；二、电感式传感器1) 电感式传感器的原理：将输入物理量的变化转化为线圈自感系数L 或互感系数M的变化。
2) 种类：变磁阻式、变压器式、电涡流式。
3) 主要测量物理量：位移、振动、压力、流量、比重。
● 变磁阻电感式传感器1) 原理：衔铁移动导致气隙变化导致电感量变化，从而得知位移量的大小方向。
2) 自感系数公式：)(2002气隙厚度（截面积）（磁导率）δμA L N=。
3) 种类：变气隙厚度、变气隙面积4) 变磁阻电感式传感器的灵敏度取决于工作使得当前厚度。
5) 测量电路：交流电桥、变压器式交变电桥、谐振式测量电桥。
P56 6)应用：变气隙厚度电感式压力传感器（位移导致气隙变化导致自感系数变化导致电流变化）● 差动变压器电感式传感器1) 原理：把非电量的变化转化为互感量的变化。
2) 种类：变隙式、变面积式、螺线管式。
3) 测量电路：差动整流电路、相敏捡波电路。
● 电涡流电感式传感器1) 电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁感线的运动，磁通变化，产生电动势，电动势将在导体表面形成闭合的电流回路。
第四章电感式传感器原理：利用电磁感应原理利用电磁感应原理————磁路磁阻的变化，磁路磁阻的变化，引起传感器线圈的电感(自感或互感)的变化。
优点¾结构简单可靠¾对工作环境要求不高¾输出功率大¾输出阻抗小¾分辨力较高¾稳定性好¾抗干扰能力强缺点¾频率响应低¾不宜于快速动态测量分类：自感式传感器¾按磁路几何参数变化变气隙式变面积式螺管式电感变气隙式、变面积式、螺管式¾按线圈组成方式式单一式，差动式传感互感式传感器器种类电涡流式传感器电感传感器的基本工作原理演示准备工作F220V电感传感器的基本工作原理演示F气隙变小，电感变大，电流变小2、输出特性(1) 变气隙式(自感)传感器（i）当衔铁下移：δδδΔ+=Δδδ0Δδ（ii ）当衔铁上移同理ΔδΔδδδ−=0L L =由此可见 , 变气隙式电感传感器的测量范 围与灵敏度及线性度相矛盾 , 所以变隙式 电感传感器用于测量微小位移时是比较精 确的。
为了减小非线性误差 , 实际测量中 广泛采用差动变气隙式电感传感器。
广泛采用差动变气隙式电感传感器2012-3-1511(2) 差动变气隙式(自感)传感器Δδ Δδ 2 Δδ 4 ΔL = ΔL1 + ΔL2 = 2L0 [1+( ) +( ) ...] δ0 δ0 δ0ΔL 灵敏度： K 0 = L 0 = 2 Δδ δ 0结论: Δδ ΔL =2 L0 δ0L1L2差动式传感器结构图① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。
② 差动式的非线性项等于单线圈非线性 项乘以（Δδ/δ0）因子, 线性度得到 明显改善。
2012-3-1512(3) 变面积型(自感)传感器忽略RF 单一式δμ 0S 0 W 2 初始电感： L 0 = 2δ 0 S = S 0 ± ΔS μ 0 (S 0 ± ΔS )W 2 L= 2δ 0123a Δ⎛ ΔS ⎞ = L0 ⎜1 ± ⎟ S ⎠ ⎝K= ΔL L 0 1 = ΔS S013单一式变面积型2012-3-15(4) 差动变面积型(自感)传感器⎛ ΔS⎞ W2μ0(S0 +ΔS) L1 = L0 +ΔL = L0⎜ 1+ ⎟ 1= ⎜ ⎟ S 2δ0 0 ⎠ ⎝差动式δ21⎛ ΔS⎞ W2μ0(S0 −ΔS) L1 = L0 −ΔL 1− ⎟ = L0⎜ 2= ⎟ ⎜ 2δ0 S 0 ⎠ ⎝ΔS ΔL = ΔL 1 + ΔL 2 = 2 L0 S0 ΔL L0 2 K= = ΔS S 014a Δ差动式变截面积型2012-3-15(5) 螺旋型自感传感器2 2 rcx假设线圈的长径比L/r>>1 线圈内部的磁场认为是均匀的r 1 则空心线圈的电感：3l1—螺管线圈 2—衔铁 3 磁性套筒 3—μ 0SW 2 μ 0 πr 2 W 2 L0 = = l l其中：l—线圈的长度， r—线圈的半径 W—线圈的匝数2012-3-1515插入后其覆盖的那部分线圈局部电感增大,据推导( μ r − 1)μ 0 Wx2S c ΔL =x式中SC：衔铁面积 π rc W Wx = x W ：线圈覆盖匝数 l x: 衔铁插入线圈的长度X2∴( μ r − 1)μ 0 Wx2S c (μ r − 1)μ 0 W 2 πrc2 ΔL = = ⋅xx l2联系L0和 Δ L表达式得rc2 x ΔL = (μ r − 1) 2 ⋅ L0 r l162012-3-15单 式 单一式线圈沿轴向位置移动⎡ rc2 x ⎤ L = L 0 + ΔL = L 0 ⎢1 + (μ r − 1) 2 ⋅ ⎥ r l⎦ ⎣差动式x0l2x0l1令衔铁处于线圈1，2的中间位置rrc3rc 2 L1 = [1+ （μ r − 1 ） ( ) l r μ 0W 2π r 2 rc 2 （μ r − 1 ） L2 = [1+ ( ) l rμ 0W 2π r 2x1 ] l x2 ] l172012-3-15当衔铁处于中间位置时，x1=x2=x0 ,L1=L2 若偏离中心位置Δx 时： x1 = x 0 − Δx, x 2 = x 0 + Δxrc 2 x 0 L1 + L 2 = 2 [ 1 + ( μ r − 1 )( ) ] l r l ( μ r − 1 )μ 0W 2π rc 2 2 Δ x L1 − L 2 = l l 三种自感传感器的比较¾ 变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大 变面积式 螺旋式传感器线性度好 示值范围大 ¾ 变气隙式传感器非线性强，示值范围小 ¾ 变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低 ¾ 螺旋式比变面积式传感器互换性好2012-3-15 18μ 0W 2π r 23、等效电路Rc R h( f )Re上面分析时，将自感线 面分析时 将自感线 圈看成理想的纯电感，实际 上存在损耗。
LCRC——线圈铜耗电阻 Re Re—— 铁心涡流损耗电阻 Rh——磁滞损耗电阻 C ——线圈的寄生电容等效电路※更换电缆后必须重新校准或采用并联电容调准※2012-3-15 194、测量电路 (1) 交流电桥式测量电路 图所示为交流电桥测 量电路，把传感器的两个 线圈作为电桥的两个桥臂 Z1 和Z2 ，另外二个相邻的 桥臂用纯电阻代替。
2012-3-1520变压器式交流电桥测量、为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。
当负截阻抗为时，桥路输出电压为：(3)谐振式测量电路(3) 谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路、谐振式调频电路如图所示。
在调幅电路中,传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。
关系曲为谐振点线表明，其中L的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。
调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。
一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中。
当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。
特性曲线表明，它具有明显的非线性关系。
二互感式传感器（差动变压器式）互感式传感器使衔铁随被测量移动，从而引起初次级线圈间的互感变化，形成输出电压的变化。
原理类似于变压器，次级绕组接成差动方式，故又称差动变压器式传感器。
※变压器闭合磁路，初次级间互感为常数※——差动变压器也有变气隙式、变面积式和螺旋管式如下图所示：1、工作原理M 1M 2忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容，工艺结构对称条件下初始平衡位置：M 1=M 2，，E E &&=0U =&2b2a 2向上(下)偏移：M 1≠M 2，，2b 2a E E &&≠0U 2≠&输出电压的大小和极性反映了被测体位移的大小和方向。
理论特性曲线实际特性曲线零点残余电压ΔU实际上, 当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零, 我们把差动压器输出电压并不等于零,我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。
零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。
零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小。
M1M2()&3、测量电路差动变压器输出的是,若用交 交流电压, 若用交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。
小,而不能反映移动方向。
其测量值中将包含零点残余电压。
为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的, 实际测量时, 常常采用差动整流电路和相敏检波电路。
(1) 差动整流电路全波电流输出半波电流输出mAI 1a bI 2－＝2b ＝I ab ＝I 1I 2当衔铁位于零位当衔铁位于零位以上I 1I 2 I ab 0I > I 2I >0当衔铁位于零位以下1 2 ab I 1< I 2 I ab < 0a 全波电压输出半波电压输出a ccbVbU ab ＝U ac －U bc当衔铁位于零位当衔铁位于零位以上U ac ＝U bc U ab ＝0U ac > U bc U ab > 0当衔铁位于零位以下U ac < U bc U ab < 0电流输出型电路，用在低阻抗负载场合电压输出型电路用在高阻抗负载场合注意电压输出型电路，用在高阻抗负载场合2. 相敏检波电路参考信号u 输入检测信号u 2•U 0的幅值要远大于输入信号U 2的幅值,以便有效控制四个二极管的导通状态管的导通状态。
由同振荡器供电保证二者同频•U 0和U 2由同一振荡器供电，保证二者同频、同相（或反相）。
当位移Δx>0时，U 2与U 0同频同相，当位移Δx<0时，U 2与U 0同频反相 Δx>0时，U 2与U 0为同频同相当同相，当U 2与U 0均为正半周时，二极管V D1、Ｖ截D4截止，V D2、V D3导通，可得等效电路如图。
L 22L 2L R u R u u ==1L L R n (R 2R )R 2++当U 2与U 0均为负半周时，二极管V D2、V D3截止，V D1、V D4导通。
其等效电路如图所示。
L 21L 2L R u R u u R ==1L L n (R 2R )R 2++结论：只要位移Δx>0,不论U 2与U 0是正半周还是负半周，负载R L 两端得到的电压U L 始终为正。
终为三电涡流式传感器优点：对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等实现非接触式测量根据法拉第定律：&&&&2211H I H I →−→−→−反抗&&根据楞次定律：化。
，使传感器等效阻抗变12H H 传感器阻抗：()x f r F Z ,,,,μρ=式中：ρ——被测体的电阻率；→温度判别材质应力硬度等μ——被测体的磁导率；r ——被测体及线圈几何尺寸；→应力，硬度等f ——线圈激励电流频率；x 位移厚度振动转速等探伤装置探伤装置←←x——线圈与导体间距。
→位移，厚度，振动，转速等。
