传感器原理及应用

实 验 指 导 书

测控技术实验室

实验一 金属箔式应变片 --- 单臂、半臂、全桥性能实验

一、 实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工 作原理和性能。 二、

基本原理：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：AR/R=K &式中：AR/R 为:AR/R电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,=^L/L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， 通过它转换被测部件受力状态变化、 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 o=Ek?/4。在半桥性能实验中，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U o =Ek?/2。在全桥测量电路中，将受力性质相 同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：

R仁R2=R3=R4,其变化值 AR仁AR2=^3=出4时，其桥路输出电压 U o =Ek?。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 得到改善。

三、 实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、 ±15V、±4V 直

流电源、万用表。 四、

实验方法和要求：

1、 根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。 2、 独力完成实验电路连线。

3、 找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出

的关系曲线

4、分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度 S=AU/ 6W （ AJ输出电压变化

量，AW重量变化量）和非线性误差： 31= Am/yF sX 100%式中Am为 输出值（多

Vo=F(m)

次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差： yFs满量程 输出平均值，此处为 200g。

五、

思考题

1、 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用： （1）正（受拉）应变片（ 2） 负

（受压）应变片（ 3）正、负应变片均可以。

2、 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：

对边（ 2）邻边。

3、 全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R仁R3, R2=R4，

而R1M R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。

（ 1）

实验二 压阻式压力传感器的压力测量实验

一、 二、

实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 基本原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出 P 型或 N 型

电阻条，接成电桥。在压力作用下， 根据半导体的压阻效应， 基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我 们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压 力变化。 三、

实验设备：压力源、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实 验模板、流量计、三通连接导管、 数显单元、直流稳压源± 4V、±15V。 四、

实验方法和要求：

流量计在主控箱内部已接好。 将标准压力表放置传感器支 架上，三通连接管中硬管一端插入主控板上的气源快速插座中 （注 意管子拉出时请用双指按住气源插座边缘往内压， 则硬管可轻松拉 出）。其余两根软导管分别与标准表和压力传感器接通。将传感器 引线插头插入实验模板的插座中。 2、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。

3、合上主控箱上的气源开关， 启动压缩泵， 此时可看到流量计中的滚 珠浮子

在向上浮起悬于玻璃管中。

4、逐步关小流量计旋钮， 使标准压力表指示某一刻度， 观察数显表显 示电压

的正、负，若为负值则对调传感器气咀接法。 5、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使压力显示在

4— 14KP 之

1、根据电子电路知识完成电路连接，主控箱内的气源部分、压缩泵、 储气箱、

间，每上升 1KP 分别读取压力表读数，记下相应的数显表值。 6、计算本系统的灵敏度和非线性误差 五、

思考题：

如果本实验装置要成为一个压力计， 则必须对其进行标定， 如何标定？

实验三 压电式传感器测震动实验

一、 实验目的：了解压电式传感器的测量震动的原理和方法。

二、 基本原理：压电式传感器由惯性量块和受压的压电片等组成。 （仔细观 察实验

三、 四、 1、2、3、4、5、6、7、用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的震 动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应， 压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。

式传感器

实验模板、双线示波器。

压电传感器已装在震动台面上。

将低频震荡器信号接入到台面三源板震动源的激励插孔。

将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端， 与传 感器外壳相连的接线端接地，另一端接

R1。将压电传感情实验模

板电路输出端Vol接R6。将压电传感器实验模板电路输出端 V02 接入低通滤波器输入端 Vi ，低通滤波器输出 Vo 与示波器相连。

合上主控箱电源开关， 调节低频震荡器的频率和幅度旋钮使震动台 震动，记录示波器波形。

改变低频震荡器的频率，记录输出波形变化。

用示波器的两个通道同时记录低通滤波器输入端和输出端波形。

求出压电传感器的振动方程。

实验设备：震动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电实验方法和要求：

五、 思考题：

根据压电传感器的振动方程，是否能得到其速度和加速度方程。

实验四 差动变压器的性能实验

一、

实验目的：差动变压器的工作原理和特性。

二、 基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成， 根据内外层

排列不同，有二段和三段式，本实验是三段式结构。当传感器 随着被测体移动时， 由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次 级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减 少，将两只次级反向串接（同名端连接） ，就引出差动输出。其输出电势 反映出被测体的移动量。

三、 实验设备：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、 音频信号源

（音频震荡器） 、直流电源、万用表。 四、

实验方法和要求：

1、将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，接好外围电路，音频震荡 器信号必

须从主控箱中的 Lv 端子输出， 调节音频震荡器的频率， 输出 频率为4—5KHZ （可用主控箱的频率表输入 Fin来检测）。调节输出幅 度为峰-峰值 Vp-p=2V （可用示波器检测）

3、 旋转测微头，使示波器第二通道显示的波形峰 -峰值 Vp-p 最小，这时 可以左

右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，

从V»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，至少记录一个周期的数据。在实验过程中，注意左、右位移 时，初、次级波形的相位关系。

4、 在实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残

余电压大小。画出输出电压峰值 Vop-p—位移X曲线，作出量程为土 1mm 土 3mm灵敏度和非线性误差。

五、

思考题：

1、用差动变压器测量较高频率的振幅，可以吗？差动变压器测量频率的 上限受什

么影响？

2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

实验五 位移传感器特性实验

- 霍尔式、电涡流式、电容式

一）霍尔式传感器位移特性实验

一、 实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。

二、 基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势 U H =K H IB，当霍尔元件处在梯

度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、 实验设备：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流电源、测微头、数 显单元。 四、 实验方法和要求：

1、

将霍尔传感器安装于实验模板的支架上。 再将传感器引线插头接入 实验模板的插座中，完成实验电路的连线。

2、 3、

开启电源， 调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置并使数显表指示为 零。 测微头向轴向方向推进，每转动 0.2mm 记下一个输出电压读数， 直到读数近似不变。

4、

作出 V —X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

五、 思考题： 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

二） 电涡流传感器位移实验

一、 实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、 基本原理： 通以高频电流的线圈产生磁场， 当有导电体接近时， 因导电 体涡流

效应产生涡流损耗， 而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关， 因 此可以进行位移测量。

三、 实验设备：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单 元、测微

头、铁圆片。

四、 实验方法和要求：

1、 2、 3、

将电涡流传感器安装在实验模板的支架上。 观察传感器结构，这是一个平绕扁线圈。

将电涡流传感器输出线接入实验模板标有 L 的两端插孔中， 作为震 荡器的一个元件。

4、

在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

5、 6、

用连接导线从主控台接入± 15V 直流电源接到模板上标有 +15V 的 插孔中。 使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显 表读数，然后每隔 0.2mm 读一个数，直到输出电压几乎不变为止。

7、 画出 V —X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时 的最佳工作点， 试计算量程为 1mm、3mm 及 5mm 时的灵敏度和线 性度（可以用端基法或拟合直线法） 。

六、 思考题：

1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关 ?

2、电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器

三） 电容式传感器的位移实验

一、 实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。

二、 基本原理：利用平板电容 C=£ A/d和其它结构的关系式，通过相应的 结构和测量

电路可以选择 £> A、d三个参数中，保持两个参数不变， 而只改变其中一个参数，

则可以有测谷物干燥度（£变），测微小位移 （d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

三、 实验设备：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤 波模板、

数显单元、直流稳压电源。

四、 实验方法和要求：

1、

将电容传感器装于电容传感器实验模板上， 将传感器引线插头插入 实验模板的插座中。

2、

将电容传感器实验模板的输出端 Vo1 与数显表单元 Vi 相接， Rw 调节到中间位置。

3、

接入± 15V 电源，旋转测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔 0.2mm 记下位移 X 与输出电压值。

4、

计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差S f。

五、 思考题：

试设计利用&的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下 在设计中应考虑哪些因素？

实验六 转速的测量 - 磁电式、光电式、霍尔式

（一） 磁电式转速传感器测速实验 一、

实验目的：了解磁电式传感器测量转速的原理。

二、 基本原理：基于电磁感应原理， N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线 圈中感应电势

e =-d© /dt发生变化，因此当转盘上嵌入 N个磁棒时，每 转一周线圈感应电势产生

N次的变化，通过放大、整形和计数的电路即可 以测量转速。 三、

实验设备：磁电式传感器、数显单源测速档、直流电源

2—24V。

四、 实验方法和要求：

1、 根据磁电式传感器原理，独立完成实验电路的连线。磁电式传感器端

面离转动盘面2mm左右，并且将磁电传感器中心对准磁钢中心。

2、 使转速电机带动转盘旋转，将转速电源从 5V起，每增加5V电压记录 一组转速

数椐。

3、 作出转速与转速电压关系曲线。

五、 思考题：为什么说磁电式传感器不能测很低速的转动，请说明理由。

（二 ） 光电转速传感器测速实验

、实验目的：掌握光电转速传感器测量转速的原理及方法。 二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型两种，在透射型的实验装 置上，传感器端部有发光管和光电管， 发光管发出的光通过转盘上开孔透射后， 由光电管接收并转换成电信号。 由于转盘上有相间的 6 个孔，转动时将获得与 转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理可得到转速值。

三、 实验设备：光电转速传感器、直流电源 +5V、转动源及2—24V直流电源、 数显单元。 四、 实验方法和要求：

1、 将光电传感器安装在三源板上， 利用电子电路知识， 把三源板上的电源 +5V、 地、输出与主控箱上的电源+5V、地、数显表上的输入端相连。数显表转换开 关打到转速档。将转速源电源2—24V输出旋到最小，接到转动源电源24V插 孔上。完成电路接线，并画出电路接线图。

2、 将转速源电源输出旋到4V开始记录电机转速，以后每增加2V记一次电机 转速，到 20V 为止。

3、 作出转速源电源电压与电机转速的关系曲线。 4、 分析、计算转盘上单孔时电机转速

五、 思考题： 光电转速传感器测速与磁电转速传感器测速、霍尔式传感器测速比较哪种 方法最简单、方便。

（三） 霍尔测转速实验

一、 实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。

二、 基本原理：利用霍尔效应表达式：当被测圆盘上装上 N 只磁性体时，圆 盘每转一周磁场就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电 势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

需用器件与单元：霍尔转速传感器、直流源+5V、转动源2-24V、转动源单元、 数显单元的转速显示部分。 三实验步骤：

1. 将霍尔转速传感器装于传感器支架上， 探头对准反射面内的磁钢。

2•将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。

3. 将霍尔转速传感器输出端（ 2 号接线端）插入数显单元 FIN 端，3 号接线端 接地。 4. 将转速调节中的 +2V-24V 转速电源接入三源板的转动电源插孔中。

5. 将数显单元上的开关拨到转速档。

6. 调节转速调节电压使转动速度变化。 观察数显表转速显示的变化。

思考题：

1、 利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、 本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？

实验七 集成温度传感器的特性实验

一、

实验目的：了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。

二、 基本原理：集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同

-50C±

一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于

150C之间温度测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的 基极、发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管U b电压生产时的离 散性，均采用了特殊的差分电路。集成温度传感器有电压型和电流型两种， 电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。因此它 具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。具有很好的线性。本实 验采用的是国产的AD590。它只需要一种电源（+4V —— +30V ）。即可实现温 度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为

实现电流到电压的转换。它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。

R2）即可

三、 实验设备 ：温度控制单元、加热源、集成温度传感器、温度传感器实 验模板、

数显单元、万用表。 四、

实验方法和要求：

做环

1、 将K型热电偶测试端插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中， 境温度监控用。

2、 集成温度传感器接入实验模板。根据电子电路知识，完成实验电路的所有 接线,并画

出接线电路图。

3、 实验中设定温度从40C开始，建议温度控仪表每隔5C设定一个点（至少 十个点），

并记下数显表上相应的读数电压值，注意上线不能超过

125°C。

4、作出集成温度传感器的输出电压与温度变化的关系曲线

5、据误差与数据处理知识，对实验数据分析、处理。计算出在所得数据范围 内集成温

度传感器的非线性误差。 五、

思考题：我们知道在一定的电流模式下 PN 结的正向电压与温度之间 具有较好

的线性关系，因此就有温敏二极管。利用开关二极管或其它温敏二 极管在50C — 100C之间，作温度特性，然后与集成温度传感器相同区间的温 度特性进行比较，从线性看温度传感器线性优于温敏二极管，试说明理由。

实验八 铂电阻测温特性实验

实验目的：了解铂电阻的特性与应用。

基本原理：利用导体电阻随温度变化的特性， 热电阻用于测量时， 要 求 其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线 性关系。常用铂电阻和铜电阻、铂电阻在 0— 630.74C以内，电阻Rt与温 度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2), Ro系温度为0C时的电阻。本实验 Ro=100Q, At=3.9684*10 - 2/C, B=-5.847*10 - 7厂C,铂电阻现在是三线 连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

三、 实验设备：加热源、 K 型热电偶、 Pt100 热电阻、温度控制单元、温 度传感器实

验模板、数显单元、万用表。 四、

实验方法和要求：

1、 取K型热电偶作为环境温度的标准，将Pt100铂电阻接入温度传感器 的实验模

板,完成外部电路的接线,

2、 合上主控箱电源开关,使模板上的电桥平衡,桥路输出在室温下输出 为零,加±

15V 运放电源,使数显单元显示为零。 3、 在常温基础上，将设定的温度值按间隔△

t=5C读取数显表值，不少于

10组数,并作出输出电压与温度的关系曲线。

五、

思考题：

根据电压、温度的关系曲线，计算其非线性误差。

实验九 湿度传感器实验

一、

实验目的：了解湿度传感器工作原理及应用。

二、 基本原理：湿敏元件主要有电容式和电阻式两种。电容式湿敏元件采 用高分子薄膜

为感湿材料，用微电子技术制作，其电容值随湿度呈线性变 化，当将湿敏元件接入测量电路时，输出电压值随湿度线性变化。电阻式 湿敏元件其电阻值的对数与相对湿度接近线性关系， 同样可用于检测相对 湿度。

三、 实验设备：湿敏传感器（内含测量电路） 、直流电源 5V 、数显单元、 湿棉花球。 四、

实验方法和要求：

1、将湿度传感器三根接线： 1号线接电源 +5V， 2号线为输出、接到主控 箱的 Vin

端，3 号线接地。

2、打开电源开关，先预热 3—5 分钟时间，然后往有机玻璃湿敏腔中加入 少量干

燥剂，放上传感器，等到显示单元稳定后记下数值。再拿出干 燥剂，在试管中加入湿棉花球，放上传感器，等到显示稳定后记下数 显值，比较前后变化量。

五、思考题：说明输出电压与湿度的关系。