1、實驗一金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理金屬絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值會發生變化，這就是金屬的電阻應 變效應。金屬的電阻表達式為：R -（ 1）S當金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長 厶1，橫截面積相應減小.S，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變故引起電阻值變化R。對式（1）全微分，并用相對變化量來表示，則有：(2)：i ：s+式中的 %為電阻絲的軸向應變，用E表示，常用單位曲(1；=1x10 mm)。/ mm若徑向應變為31泊松比表示為 r r劇 I ）,因為 SS=2 （rr ），則（2）式可以寫成:

2、(1 2J)I(3)匚（2丄）日十日PAl.，'lI 0 I式（3）為“應變效應”的表達式。ko稱金屬電阻的靈敏系數，從式（3）可見，ko受兩個因素影響，一個是（1 + 2），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個是"：',是材料的電阻率 P隨應變引起的（稱“壓阻效應”）。對于金屬材料而言，以前者為主，屯 則k0 : 1 - 2 ，對半導體，k0值主要是由電阻率相對變化所決定。實驗也表明，在金屬 絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與軸向應變成比例。通常金屬絲的靈敏系數 k0 =2左右。用應變片測量受力時，將應變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象 表面產生微小機械

3、變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發生相應變化。通過轉 換電路轉換為相應的電壓或電流的變化，根據（3）式，可以得到被測對象的應變值；,而根據應力應變關系二二 E ；（4）式中d測試的應力；E材料彈性模量。可以測得應力值 d。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉 換為應變，因此可以用應變片測量上述各量，從而做成各種應變式傳感器。電阻應變片 可分為金屬絲式應變片，金屬箔式應變片，金屬薄膜應變片。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（二）中應變式傳感器實驗單元、砝碼、智能直流電壓表（或虛擬儀 表中直流電壓表）、土 15V電源、土 5V電源，傳感器調理電路掛件。四、實驗內容與步驟

4、1. 應變片的安裝位置如圖（1 - 1）所示，應變式傳感器已裝到應變傳感器模塊上。傳感器中各應變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用萬用表進行測量,R1=R2=R3=R4=350 Q。圖1-1應變式傳感器安裝示意圖2. 接入模板電源±15V （從面板上引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關，調節 RW3使之大致位于中間位置，再進行差動放大器調零，方法為：將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控臺面板上數顯電壓表輸入端Vi相連，調節實驗模板上調零電位器RW4,使數顯表顯示為零，（數顯表的切換開關打到 2V檔）。關閉主控臺電源。（注意: 當RW3的位置一旦確定，就不能改變

5、。）3. 按圖1-2將應變式傳感器的其中一個應變片 R1 （即模板左上方的 R1）接入電橋 作為一個橋臂與 R5、R6、R7接成直流電橋，（R5、R6、R7模塊內已接好），接好電橋調 零電位器Rw1，接上橋路電源±5V，如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關，調節Rw1，使數顯表顯示為零。4在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數顯表數值，以后每次增加一個砝碼并讀取相應 的數顯表值，直到 200g砝碼加完，記下實驗結果填入表1-1,關閉電源。RWi RWi RWi圖1-2應變式傳感器單臂電橋實驗接線圖5.根據表1-1計算系統靈敏度 S 八U /丄W （厶U輸出電壓的變化量，W重量變

6、化量）和非線性誤差 S fi = A m/yFs x 100%式中-m （多次測量時為平均值） 為輸出值與擬合直線的最大偏差：yFs滿量程輸出平均值，此處為200g。五、實驗注意事項1 不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2 .電橋的電壓為i5V，絕不可錯接成±15V，否則可能燒毀應變片。六、思考題1. 單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可以。七、實驗報告要求1. 記錄實驗數據，并繪制出單臂電橋時傳感器的特性曲線。2. 從理論上分析產生非線性誤差的原因。實驗二金屬箔式應變片一一半橋性能實驗一、實驗

7、目的1了解半橋的工作原理。2比較半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。二、基本原理把不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得 到改善。當應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出電壓U°2= EG ;/2。式中E為電橋供電電壓。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（二）中應變式傳感器實驗單元，傳感器調理電路掛件中應變式傳感器實驗模板、砝碼、智能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、土 15V電源、土 5V電源。四、實驗內容與步驟1 接入模板電源±15V （從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關，進行 差動放大器調零，方法為：將差放的正、負輸入端與地短接，

8、輸出端與主控箱面板上數 顯電壓表輸入端 Vi相連，調節實驗模板上調零電位器Rw4，使數顯表顯示為零，（數顯表的切換開關打到 2V檔）。關閉主控箱電源。2 .根據圖2-1接線。R1、R2為實驗模板左上方的應變片，注意R2應和R1受力狀態相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應變片作為電橋的相鄰Ri R: Rs RIR. 350 出 350I OKIRWJIQK圖2-1應變式傳感器半橋實驗接線圖邊。接入橋路電源 +5V，調節電橋調零電位器 Rw1進行橋路調零，重復實驗一中的步驟4、5，將實驗數據記入表 2-1,計算靈敏度S2 = U L W，非線性誤差飛。若實驗時 顯示數值不變

9、化說明 R1與R2兩應變片受力狀態相同。則應更換應變片。表2-1半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值重量（g）電壓（mV）五、實驗注意事項 1不要在砝碼盤上放置超過 1kg 的物體，否則容易損壞傳感器。2 .電橋的電壓為 犬V，絕不可錯接成±15V，否則可能燒毀應變片。六、思考題1 .半橋測量時兩片不同受力狀態的電阻應變片接入電橋時，應放在：（ 1 ）對邊（ 2）鄰邊。2. 橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為： （ 1）電橋測量原理上存在非線性 （2）應變片應變效應是非線性的（ 3）調零值不是真正為零。七、實驗報告要求1. 記錄實驗數據，并繪制出單臂電橋時傳感器的特性曲線。2

10、. 分析為什么半橋的輸出靈敏度為什么比半橋時高了一倍，而且非線性誤差也得到改善。實驗三金屬箔式應變片全橋性能實驗一、實驗目的了解全橋測量電路的原理及優點。二、基本原理全橋測量電路中，將受力性質相同的兩個應變片接入電橋對邊，當應變片初始阻值：R1 = R2= R3 = R4，其變化值 R1 = A R2 = A R3 = A R4時，其橋路輸出電壓 U°3= KE ;。 其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到明顯改善。三、需用器件和單元傳感器實驗箱（二）中應變式傳感器實驗單元，傳感器調理電路掛件、砝碼、智能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、土 15V電源、土 5V電源

11、。四、實驗內容與步驟1. 根據3-1接線，實驗方法與實驗二相同。將實驗結果填入表3-1;進行靈敏度和非線性誤差計算。表3-1全橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）電壓（mV）3 R 0 PR20 - : *oRIor圖3-1應變式傳感器全橋實驗接線圖五、實驗注意事項1 不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2 .電橋的電壓為 ±V，絕不可錯接成 ±15V。六、思考題1 .全橋測量中，當兩組對邊（ R1、R3為對邊）值R相同時，即R1 = R3 , R2= R4, 而R1M R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。2 .某工程技術人員在進行材料拉力測

12、試時在棒材上貼了兩組應變片，如何利用這四 片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖3-2七、實驗報告要求：*FIfn nuR0呂應變式傳感器受拉時傳感器周面展開圖1 根據所記錄的數據繪制出全橋時傳感器的特性曲線。2 比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，并從理論上加以分析比較, 得出相應的結論。實驗四直流全橋的應用一一電子秤實驗一、實驗目的了解應變直流全橋的應用及電路的標定。二、基本原理電子秤實驗原理與實驗三相同，利用全橋測量原理，通過對電路調節使電路輸出的 電壓值為重量對應值，電壓量綱（ V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始的電子秤。三、需用器件和單元傳感器實驗箱（二）中應變式傳感

13、器實驗單元，應變式傳感器實驗模板、砝碼、智 能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、土 15V電源、土 5V電源。四、實驗內容與步驟1 按實驗一中2的步驟，將差動放大器調零，按圖3-1全橋接線，合上主控箱電源開關，調節電橋平衡電位器Rw1，使數顯表顯示 0.000V （2V檔）。2 將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調節電位器Rw3 （增益即滿量程調節）使數顯表顯示為 0.200V或-0.200V。3 拿去托盤上的所有砝碼，調節電位器Rw1 （零位調節）使數顯表顯示為0.000V。4 .重復2、3步驟的標定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量量綱g ,就可以稱重，成為一臺原始的電子秤。5.

14、把砝碼依次放在托盤上，填入下表4-1。表4-1電橋輸出電壓與加負載重量值重量（g）電壓（mv）6. 根據上表，計算誤差與非線性誤差。五、實驗注意事項1 不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2 .電橋的電壓為 ±5V，絕不可錯接成 ±15V。六、實驗報告要求1 記錄實驗數據，繪制傳感器的特性曲線。2 分析什么因素會導致電子秤的非線性誤差增大，怎么消除，若要增加輸出靈敏度,應采取哪些措施。實驗五交流全橋的應用一一振動的測量一、實驗目的了解利用交流電橋測量動態應變參數的原理與方法。二、基本原理對于交流應變信號用交流電橋測量時，橋路輸出的波形為一調制波，不能直接

15、顯示 其應變值，只有通過移相檢波和濾波后才能得到變化的應變信號，此信號可以從示波器 或用交流電壓表讀得。三、需用器件與單元：傳感器實驗箱（二）中應變式傳感器實驗單元，信號發生器，傳感器調理電路掛件， 相敏檢波，移相器，低通濾波單元，振動源。四、實驗步驟1 按照實驗一中的步驟（二）進行差動放大器調零。2. 用應變輸出專用連接線將傳感器實驗箱（二）上的應變輸出插座和應變傳感器實驗單 元上的插座連接起來。3將面板上的電源接入傳感器調理電路的電源端。4按圖5-1將各單元連接好線，檢查無誤后，合上電源開關。5 將信號源的頻率調節到 1KHz左右，幅度調節到 10Vp-p （頻率可用頻率計檢測，幅度 用虛

16、擬示波器檢測）。6.調節Rwi、Rw2，使低通濾波器的輸出波形為一條水平線。7 用手按住振動平臺（讓傳感器產生一個大位移）仔細調節移相器和相敏檢波器的電位 器，使示波器顯示的波形為一個接近全波整流的波形。圖51電阻應變式傳感器振動測量接線圖&松手，整流波形消失變為一條接近零點線。（否則調節 Rwi、Rw2 ）,將低頻振蕩器輸出接入振動源的低頻輸入端，調節低頻振蕩器幅度和頻率（約為10HZ ）,使振動平臺振動較為明顯。9 用虛擬示波器觀察低通濾波器V o的波形10 固定低頻振蕩器的幅度不變，調節其頻率，用示波器讀出頻率改變時低通濾波器輸出Vo的電壓峰一峰值，填入下表5-1重量（g）電壓（

17、mv）從實驗數據得振動梁的自振頻率為（）HZ五、實驗注意事項1 不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2 .電橋的電壓為 ±V，絕不可錯接成 ±15V。六、思考題1、在交流電橋測量中，對音頻振蕩器和被測梁振動頻率之間有什么要求?2、請歸納直流電橋和交流電橋的特點。實驗六差動變壓器的性能測定一、實驗目的1 了解差動變壓器的工作原理和特性。2.了解三段式差動變壓器的結構。二、基本原理差動變壓器由一只初級線圈和二只次級線圈及鐵芯組成，根據內外層排列不同，有 二段式和三段式，本實驗采用三段式結構。當傳感器隨著被測物體移動時，由于初級線 圈和次級線圈之間的互感發生變

18、化促使次級線圈感應電勢產生變化，一只次級感應電勢 增加，另一只感應電勢則減少，將兩只次級反向串接，即同名端接在一起，就引出差動 輸出，其輸出電勢則反映出被測體的位移量。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（一）、傳感器調理電路掛件、測微頭、差動變壓器、信號源。四、實驗內容與步驟1 將差動變壓器及測微頭安裝在傳感器支架上。2 將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座中，在模塊上按圖6-1接線，音頻振蕩器信號必須從主控臺中的音頻振蕩器的端子（正相或反相）輸出，調節音頻振蕩器的頻率，使輸出頻率為4-5KHZ （可用主控臺的頻率計來監測）。調節輸出幅度為峰一峰值Vp-p=2V（可用虛擬示波器監測）。3 旋動測微頭

19、，使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為最小，這時可以左右位移，假設其中一個方向為正位移，另一個方向為負位移，從Vp-p最小開始旋動測微頭，每0.2mm從示波器上讀出輸出電壓 Vp-p值，填入下表6-1，再從Vp-p最小處反向位移 做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關系。LV。3(1)4（5）輸出1(3) 激勵 信號2(4)6(2,6)圖6-1差動變壓器連接示意圖表6-1差動變壓器位移 X值與輸出電壓數據表V(mv)X(mm)4實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓的大小，根 據表 6-1 畫出 Vop-p X 曲線，作出量程為 ±1m

20、m、 ±3mm 靈敏度和非線性誤差。五、實驗注意事項1在做實驗前，應先用示波器監測差動變壓器激勵信號的幅度，使之為Vp-p 值為2V ，不能太大，否則差動變壓器發熱嚴重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2模塊上 L2 、L3 線圈旁邊的“ *”表示兩線圈的同名端。六、思考題1用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz 的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？2試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？七、實驗報告要求1根據實驗測得的數據，繪制出測微頭左移和右移時傳感器的特性曲線。 2分析產生非線性誤差的原因。實驗七差動變壓器零點殘余電壓測定及補償一、實驗目的了解差動變壓零點

21、殘余電壓組成及其補償方法。二、基本原理由于差動變壓器阻抗是一個復數阻抗，有感抗也有阻抗，為了達到電橋平衡，就要 求線圈的電阻R相等，兩線圈的電感 L相等。實際上，這種情況是難以精確達到的，就 是說不易達到電橋的絕對平衡。在零點有一個最小的輸出電壓，一般把這個最小的輸出 電壓稱為零點殘余電壓，如果零點殘余電壓過大，會使靈敏度下降，非線性誤差增大， 甚至造成放大器末級趨于飽和，致使儀器電路不能正常工作。造成零殘電壓的原因，總 的來說，是兩電感線圈的等效參數不對稱造成的。包括差動變壓器二只次級線圈的等效 參數不對稱，初級線圈的縱向排列的不均勻性，二次級的不均勻、不一致，鐵芯B H特性的非線性等。三、

22、需用器件與單元信號源、測微頭、差動變壓器、傳感器調理電路掛件、虛擬示波器、傳感器實驗箱 四、實驗內容與步驟1. 按圖7 1接線，音頻信號源從主控箱輸出，實驗模板上Ri、Ci、Rwi、Rw2為電橋單兀中調平衡網絡。圖7-1零點殘余電壓補償電路之一2 .利用虛擬示波器調整音頻振蕩器輸出為2V峰-峰值。3. 調整測微頭，使差動放大器輸出電壓最小。4. 依次調整Rwi、Rw2，使輸出電壓降至最小。5. 將第二通道的靈敏度提高，觀察零點殘余電壓的波形，注意與激勵電壓相比較。6. 從虛擬示波器上觀察，差動變壓器的零點殘余電壓值（峰-峰值）。（注：這時的零點殘余電壓是經放大后的零點殘余電壓）。五、實驗注意事

23、項1在做實驗前，應先用示波器監測差動變壓器激勵信號的幅度，使之為Vp-p值為2V，不能太大，否則差動變壓器發熱嚴重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2 模塊上L2、L3線圈旁邊的“ *”表示兩線圈的同名端。激勵RViRWJLiiokIiokILVf0.01 uFCLiChVoIRi I0K圖7-2零點殘余電壓補償電路之六、思考題1 請分析經過補償后的零點殘余電壓波形。2 本實驗也可用圖 7-2所示的電路，請分析原理。七、實驗報告要求1 分析產生零點殘余電壓的原因，對差動變壓器的性能有哪些不利影響。用哪些方 法可以減小零點殘余電壓。2歸納總結前兩種補償電路的優缺點。實驗八 激勵頻率對差動變壓器特性的影

24、響、實驗目的了解激勵頻率對差動變壓器輸出的影響。、基本原理差動變壓器的輸出電壓的有效值可以近似用關系式：U。M -M2)Ui2 2 2Rp ' ' Lp表示，式中Lp、RP為初級線圈電感和損耗電阻， Ui、3為激勵電壓和頻率， MM2為 初級與兩次級間互感系數，由關系式可以看出，當初級線圈激勵頻率太低時，若Rp2 >32Lp2，則輸出電壓Uo受頻率變動影響較大，且靈敏度較低，只有當 3 2Lp2>> Rp2時輸出 Uo與3無關，當然3過高會使線圈寄生電容增大，對性能穩定不利。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（一）、傳感器調理電路掛件、測微頭、虛擬示波器、差動變壓

25、器、信號源、±15V直流電源。四、實驗步驟1 將差動變壓器安裝在差動變壓器實驗模板上。2 .按圖7-1連接好線。3 選擇音頻信號輸出頻率為1KHz輸出，（可用主控臺的頻率計顯示頻率）移動鐵芯至中間位置即輸出信號最小時的位置，調節Rw1、Rw2使輸出變得更小。4 用示波器監視第二通道，旋動測微頭，向左（或右）旋到離中心位置2.50mm處,有較大的輸出。將測試結果記入表8-1。5 .分別改變激勵頻率為 1KHZ 9KHZ，幅值不變將測試結果記入下表8-1中。表8-1不同激勵頻率時輸出電壓（峰一峰值）的關系。f(Hz)1KHz2KHz3KHz4KHz5KHz6KHz7KHz8KHz9KHz

26、Vop-p(V)6 .作出幅頻特性曲線。五、實驗注意事項1 .在做實驗前，應先用示波器監測差動變壓器激勵信號的幅度，使Vp-p值為2V,不能太大，否則差動變壓器發熱嚴重，影響其性能，甚至燒毀線圈。2 .模塊上L2、L3線圈旁邊的“ *”表示兩線圈的同名端。3 .傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。六、思考題1 .提高激勵頻率有哪些優點？但是過高的激勵頻率又會帶來哪些不利因素？應怎樣 確定激勵頻率。2 .若用差動變壓器式傳感器測量振動，測量的頻率受什么限制？七、實驗報告要求1 .根據實驗所得的數據作出傳感器的幅頻特性曲線。2歸納總結正確選擇激勵信號的幅度和頻率的特點。實驗九 壓電式傳感器測振動實驗

27、一、實驗目的了解壓電式傳感器測量振動的原理和方法。二、基本原理 壓電式傳感器由慣性質量塊和壓電片等組成（觀察實驗用壓電式加速度計結構）工 作時傳感器感受與試件相同頻率的震動，質量塊便有正比與加速度的交變力作用在晶片 上，由于壓電效應，壓電晶片產生正比于運動加速度的表面電荷。三、需用器件與單元傳感器實驗箱（二） 、傳感器調理電路掛件、虛擬示波器。四、實驗步驟 1壓電式傳感器已安裝于傳感器實驗箱（二）的振動臺面上。 2將信號源（約 10Hz ）接入到傳感器實驗箱（二）的低頻輸入處。 3將壓電式傳感器的輸出接入到傳感器調理電路中的壓電式傳感器實驗單元的兩輸入 端，將壓電傳感器的兩輸出端接入后面的放大

28、電路。再將放大電路的輸出接入低通濾波 器的輸入。 4合上電源開關，調節低頻振蕩器的頻率和幅度使振動臺有明顯的振動，觀察示波器波 形。5用虛擬示波器監測低通濾波器的輸出。 6調節低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形的變化。 7用虛擬示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端的波形。五、注意事項1、振動板的幅度不能太大，否則容易壓碎里面的壓電式傳感器。振動板2、本振動板的共振頻率大約為 10Hz 左右， 所以應該在 10Hz 頻率的附近做實驗， 才能有比較明顯的振動。六，思考題 壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優點，為什么電壓靈敏度與電纜長度有關？而電荷 靈敏度卻與電纜長度無關實驗十電容式傳感器的

29、位移特性實驗、實驗目的了解電容式傳感器結構及其特點。、基本原理利用平板電容 C = :s/d和其它結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇；、S、d中三個參數中，保持兩個參數不變，而只改變其中一個參數，則可以有測谷物 干燥度（；變）測微小位移（變 d）和測量液位（變 S）等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結構對極距特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結構受極板徑向 變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關系，（但實際由于邊緣效應的影響，會引起 極板間的電場分布不均，導致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得C在忽略邊緣效應時為:(2)(3)多。）成為實際中最常用的結構

30、，其中線位移單組式的電容量2zc = r（1）In 2ri式中I外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度；a、ri外圓筒內半徑和內圓柱外半徑。當兩圓筒相對移動 J時，電容變化量 C為：2 I 2 I - I 2： " I： Ic In r2riIn r2riIn 人I于是，可得其靜態靈敏度為:kg2 兀名(I + AI )2 兀名(I _AI )/厶|-In (Si ) In (：2； ) j/ I可見靈敏度與r2ri，有關，D與Pi越接近，靈敏度越高，雖然內外極筒原始覆蓋長度I與 靈敏度無關，但I不可太小，否則邊緣效應將影響到傳感器的線性。本實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結構，因此

31、可以很好的消除極距變化對測量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。三、需用器件與單元電容傳感器、傳感器實驗箱（一）、傳感器調理電路掛件、測微頭、直流穩壓源。智能直流電壓表（或虛擬儀表中直流電壓表）四、實驗步驟i 將電容式傳感器裝于傳感器實驗箱（一）的黑色支架上，將傳感器引線插頭插入傳感 器調理電路中電容式傳感器實驗單元的插孔中。2. Rw調節到大概中間位置。 將電容傳感器實驗模板的輸出端Vo與智能直流電壓表 （或 虛擬儀表中直流電壓表）。3. 接入±i5V電源，旋動測微頭改變電容傳感器動極板的位置，每隔0.2mm記下位移X 與輸出電壓值，填入表 8-1。表8-1電容

32、傳感器位移與輸出電壓值X(mm)V(mv)4 根據表8-1數據計算電容傳感器的系統靈敏度S和非線性誤差。五、實驗注意事項1. 傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2 .做實驗時，不要用手或其它物體接觸傳感器，否則將會使線性變差。六、思考題+ l2VaFtiRiI0K1N4I4S1(H)50pF1.簡述什么是電容式傳感器的邊緣效應，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。2 .電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優缺點？5 111RW '15V GND +I5V0.CXi卄1N41447n.liiFC641 佩 01RUT iokI|傭01IICXil4|4SU2K-oV&圖8-1電

33、容傳感器位移實驗接線圖七、實驗報告要求1 .整理實驗數據，根據所得的實驗數據做出傳感器的特性曲線，并利用最小二乘法做出擬合直線，計算該傳感器的非線性誤差2 .根據實驗結果，分析引起這些非線性的原因，并說明怎樣提高傳感器的線性度。熱敏電阻的特性研究實驗目的了解熱敏電阻的特性與應用。、基本原理熱敏電阻是一種對熱敏感的電阻元件，一般用半導體材料做成，可以分為負溫度系數熱敏電阻NTC （ Negative Temperature coefficient Thermistor）和正溫度系數熱敏電阻 PTC （ Positive Temperature Coefficient Thermistor），臨界

34、溫度系數熱 敏電阻CTR （ Critical Temperature Resistor）三種，本實驗主要研究前兩種，半導體熱 敏電阻的工作原理一般用量子躍遷觀點進行分析。由于熱運動（譬如溫度升高），越來越多的載流子克服禁帶（或電離能）引起導電，這種熱躍遷使半導體載流子濃度和遷移發 生變化，根據電阻率公式可知元件電阻值發生變化。NTC通常是一種氧化物的復合燒結體，特別適合于 -1OO3O0°C g間的溫度測量，它的電阻值隨著溫度的升高而減小， 其經驗公式為：Rr二R。'T0，式中，R0是在25°C時或其他參考溫度時的電阻，T0是熱力學溫度（K）B稱為材料的特征溫度，

35、其值與溫度有關，主要用于溫度測量。Y2O3和Mn2O3構成的燒結體。其NTC、PTC電阻溫度曲線圖PTC是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量特征曲線是隨溫度升高而阻值增大，開關型的PTC在居里點附近阻值發生突變，有斜率最大的區段，即電阻值突然迅速升高。PTC適用的溫度范圍為 -50°c150°c，主要用于過 熱保護及作溫度開關。NTC和PTC的特征曲線如圖所示：三、需用器件與單元1A恒流源、傳感器實驗箱（一）、萬用表。四、實驗內容與步驟1 將傳感器實驗箱（一）中的恒流輸入和主控臺上的01A恒流輸出連接好。2將溫度控制器的 SV窗口設置在500c，設置方法見附

36、錄 2。然后每隔50c設置一次。3 .將溫度控制器下面的 Pt100輸入和溫控Pt100相連。4. 用萬用表測量溫度模塊上的NTC和PTC的輸出，記下每次設置溫度下的電阻值，將結果填入下表：NTC :tC)RtC)RPTC:t( C)RT( C)R五、實驗注意事項加熱器溫度不能加熱到 120C以上，否則將可能損壞加熱器。六、思考題若要用NTC測量溫度，怎樣將其線性化？畫出它的線性化電路。七、實驗報告要求1 根據實驗所得的數據繪制出NTC、PTC的特性曲線。2 歸納總結 NTC用作溫度測量時應注意哪些問題，主要應用在什么場合，有哪些 優缺點。實驗十二 霍爾轉速傳感器測速實驗一、實驗目的 了解霍爾

37、轉速傳感器的應用。二、基本原理 利用霍爾效應表達式： U H=K HIB ，當被測圓盤上裝有 N 只磁性體時，圓盤每轉一周 磁場就變化 N 次。每轉一周霍爾電勢就同頻率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計 數電路就可以測量被測旋轉物的轉速。本實驗采用 3144E 開關型霍爾傳感器，當轉盤上的磁鋼轉到傳感器正下方時，傳感 器輸出低電平，反之輸出高電平。三、需用器件與單元霍爾轉速傳感器、直流電源 +5V，轉動源224V、轉動源電源、轉速測量部分。四、實驗步驟1、霍爾轉速傳感器及轉動源已經安裝于傳感器實驗箱（二）上，其中霍爾轉速傳感器位 于轉動源的右邊。2、 將+5V直流源加于霍爾轉速傳感器的電源端

38、。03、將霍爾轉速傳感器的輸出接入面板上的智能轉速表。4、 將面板上的030V穩壓電源調節到5 V，接入傳感器實驗箱（二）上的轉動電源處。5、調節轉動源的輸入電壓，使轉盤的速度發生變化，觀察轉速表上轉速的變化。6、調節轉動源的輸入電壓，使轉盤的轉速發生變化，把界面切換到示波器狀態，觀察傳 感器輸出波形的變化。五、注意事項1、轉動源的正負輸入端不能接反，否則可能擊穿電機里面的晶體管。2、轉動源的輸入電壓不可超過 24V，否則容易燒毀電機。3、 轉動源的輸入電壓不可低于2V，否則由于電機轉矩不夠大，不能帶動轉盤，長時間 也可能燒壞電機。六、思考題 根據上面實驗觀察到的波形，分析為什么方波的高電平比

39、低電平要寬。實驗十三 光電轉速傳感器測速實驗、實驗目的了解光電轉速傳感器測量轉速的原理及方法。二、基本原理 光電式轉速轉速傳感器有反射型和透射型兩種，本實驗裝置是透射型的，傳感器端 部有發光管和光電管，發光管發出的光源通過轉盤上開的孔透射后由光電二極管接受轉 換成電信號，由于轉盤上有相間的 6 個孔，轉動時將獲得與轉速及孔數有關的脈沖，將 電脈沖計數處理即可得到轉速值。三、需用器件與單元光電轉速傳感器、直流電源5V、轉動源及224V直流電源、智能轉速表。四、實驗步驟1、光電轉速傳感器已經安裝在傳感器實驗箱（二）上。2、將+5V直流源加于光電轉速傳感器的電源端。3、將光電轉速傳感器的輸出接到面板

40、上的智能轉速表。4、 將面板上的030V穩壓電源調節到5 V，接入傳感器實驗箱（二）上的轉動電源處。5、調節轉動源的輸入電壓，使轉盤的速度發生變化，觀察轉速表上轉速的變化。6、調節轉動源的輸入電壓，使轉盤的轉速發生變化，把界面切換到示波器狀態，觀察傳 感器輸出波形的變化。五、注意事項1、轉動源的正負輸入端不能接反，否則可能擊穿電機里面的晶體管。2、轉動源的輸入電壓不可超過 24V，否則容易燒毀電機。3、 轉動源的輸入電壓不可低于2V，否則由于電機轉矩不夠大，不能帶動轉盤，長時間 也可能燒壞電機。六、思考題 根據上面實驗觀察到的波形，分析為什么方波的高電平比低電平要寬。實驗十四光柵位移傳感器實驗

41、、實驗目的了解光柵傳感器測量位移的原理和方法。、基本原理在玻璃（或金屬）上進行刻劃，得到一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布 的光學元件稱為光柵。按其用途分可分為長光柵和圓光柵兩種。長光柵用于長度或直線 位移的測量，它的刻線相互平行，長光柵有振幅光柵和相位光柵兩種形式。圓光柵是把 細條紋刻在玻璃圓盤上，也稱光柵盤，用來測量角度或角位移，根據刻劃的方向，可分 為兩種，一種是向徑光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心。另一種是切向光柵, 其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點幾到幾個毫米的小圓相切，適用于精度 要求較高的場合。莫爾條紋:（一）形成莫爾條紋的光學原理莫爾條紋通常是兩塊光柵疊

42、加形成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，對于柵距較大的光柵，可忽略光的衍射。在a-a線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透光部分形成亮帶；在b-b線上，兩光柵透光部分分別與另一光柵的不透光部分疊加， 互相遮擋，光線透不過形成暗帶，這種由光柵重疊形成的光學圖案稱為莫爾條紋。長光 柵莫爾條紋的周期為： BWW2 （ 1）曲 +W2 - 2WW2cosT式中 W1 標尺光柵（也稱主光柵）1的光柵常數；W2 指示光柵2的光柵常數；日一一兩光柵柵線的夾角。莫爾條紋有如下重要特性：1 .運動對應關系莫爾條紋的移動量和移動方向與兩光柵的相對位移量和位移方向有著嚴格的對應關系。在圖中，當主光柵向右

43、運動一個柵距W時，莫爾條紋向下移動一個條紋間距B；如果主光柵1向左移動，莫爾條紋則向上移動。光柵傳感器在測量時，可以根據莫爾條紋 的移動量和移動方向判定光柵的位移量和位移的方向。2. 位移放大作用由于兩光柵的夾角 二很小，若它們的光柵常數相等，設為W，從式（1）可得到如下近似關系B W（2）6明顯看出，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數為1/二。所以盡管柵距很小，難以觀察到，但莫爾條紋卻清晰可見。3. 誤差平均效應莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數百條）共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響，個別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對莫爾條紋的影響很微小，

44、從而提高了光柵傳感器的測量精度。對于柵距很小（例 如W<0.005mm ）的光柵，特別是有的相位光柵處處透光，這時莫爾條紋的形成必須用光 的衍射理論加以解釋。根據物理光學理論，平行光束透過光柵后，將發生衍射現象，如圖（2）所示。設光柵G產生了 0, _1, _2|等n級衍射光，光柵G的衍射光束到達光柵 G2時 將進一步被衍射，G的n級衍射光，其中每一級的衍射光束對光柵G2來說都是一組入射光束，并由光柵 G2又衍射成n級衍射光（因為兩光柵的 W相同，又是單色光），所以從光 柵副出射的衍射光束的數目為n2個。每支衍射光束都用它在兩個光柵上衍射的級次序號來表示，例如經光柵 G衍射的0級光束，經

45、過光柵 G2后衍射成0級、土 1級、等衍射光 束就用（0, 0）、（0, 1）、（0, -1）、*表示。因此，由光柵 G產生的第p級衍射光又經光 柵G2產生的第q級衍射光束就可以用（p、q ）表示。p q相等的光束，用其 p q值 來稱作該組光束為某級組，如0級組，-1級組，。理論推導可以證明，每一級組中的光束是相互平行的，即光束方向相同。每一級組中的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋。 其中p q =1和p q1級組光束強度變化幅度最大，它們形成莫爾條紋的基波條紋。其它各光束級組形成莫爾條紋的高次諧波。圖2 雙光柵的衍射三、需用器件與單元光柵傳感器測量裝置，光柵傳感器，+5V，+15V直流電源

46、。四、實驗步驟1、把圓光柵和長光柵的插頭分別插到光柵傳感器測量裝置中對應的插座中2、 把+5V電源接入光柵傳感器測量裝置，+15V電源接入步進電機驅動單元的Vm插孔中（注意+5V和+15V的地要短接）。3、按照附錄3中步進電機的操作說明驅動步進電機，進行實驗。附錄1實驗箱溫度控制簡要原理當總電源開關合上，并且溫度控制器的開關也閉合時，如果溫度控制器測得的溫度低于設定的溫度值，那么溫度控制器面板上 ALM2燈亮（ALM2為一繼電器的常開觸點，恒流源是與這個常開觸點串聯的），內部繼電器閉合，溫度模塊開始加熱，加熱電源為1A 恒流源，當溫度加熱到略高與設定溫度值時， ALM2 燈滅，內部繼電器斷開，

47、溫度模塊 停止加熱，但由于溫度的慣性比較大，因此當溫度模塊停止加熱后，仍有一定的向上的 沖量。附錄 2 溫度控制器使用說明1儀表通電顯示窗先顯示 PV 窗輸出代碼、 SV 窗輸入代碼， 后顯示 PV 窗量程上限、 SV 窗量程下限（ N 型顯示 PV 窗 Jd 05、SV 窗 2003），隨后即進入工作狀態，其中 PV 顯示的為測量的溫度值， SV 顯示的為設定的溫度值， 當 SV 的值大于 PV 的值時 ALM2 燈亮，恒流源有輸出，當 PV 的值大于 SV 的值時， ALM1 燈亮，恒流源無輸出，按 SET 鍵 0.5 秒 SV 顯示窗閃爍，此時可改變設定值，再按SET 鍵 0.5 秒確認

48、，如需要修改其他參數，必須按住 SET鍵大于3秒，即進入B菜單，可按要求逐一修改內容（見操作流程 表），修改完畢再按 SET 鍵 0.5 秒若干下，退出菜單，如 15 秒內無鍵按下（該窗內新設 置的數據無效）自動進入新的工作狀態。2當輸入信號大于量程上限時， 儀表顯示， 當輸入信號小于超出量程下限 10% 以上時，儀表仍顯示，并切斷主控輸出；當輸入信號略小于量程下限時，儀表顯示。3當溫度控制效果不夠理想時，可以通過人工后自整定來改變PID 參數。操作方法如下：人工修正：將儀表進入B菜單至P窗，再用溫度控制器下面的三個箭號鍵來修正 P 值，再按 SET0.5S 進入 I 窗， I、 d、T 的修正方法同上，然后再按 SET 鍵 0.5S 若干 下返回正常工作狀態，即開始新的PID參數。自整定修正：先把主控設定再實際使用值后實用值的 80%左右，再將儀表進入 B 菜單至 ATU 窗后選擇（ 1）選號按 SET 鍵確認 后儀表即進入自整定狀態，同時AT燈亮，