1、桂林電子科技大學2011-2012學年第一學期實驗教學進度計劃分院、系、部：一系 實驗中心（室）：測試技術室 課程名稱：傳感器原理與應用 填表人：黃偉 填表日期：2011 年 8月 31日 班級 教師時間實驗項目 課號：1111091 實驗地點：實訓樓319周次星期節次批次指導老師周次星期節次批次指導老師周次星期節次批次指導老師周次星期節次批次指導老師周次星期節次批次指導老師周次星期節次批次指導老師電感式傳感器特性測試4一16:30-18:30A黃偉4二14:30-16:30B黃偉4二16:30-18:30C黃偉4四14:30-16:30D黃偉4四16:30-18:30E黃偉4五14:30-1

2、6:30F4五16:30-18:30G4六8:30-10:30H4六10:30-12:30I4六12:30-14:30J4六14:30-16:30K4磁電式傳感器應用實驗5一12:30-14:30A5一16:30-18:30B5二14:30-16:30C5二16:30-18:30D5四14:30-16:30E5四16:30-18:30F5五14:30-16:30G5五16:30-18:30H6四14:30-16:30I6四16:30-18:3J6五14:30-16:30K6五16:30-18:30應變式傳感器特性測試7一16:30-18:30A7二14:30-16:30B7二16:30-18:

3、30C7四14:30-16:30D7四16:30-18:30E7五14:30-16:30F7五16:30-18:30G7六8:30-10:30H7六10:30-12:30I7六12:30-14:30J7六14:30-16:30K7說明：1、為統一起見，填寫本表時星期用一、二、三；節次和周次用1，2，3，批次用A，B，C。實驗相關說明，請仔細閱讀：1. 實驗過程中請自帶U盤2. 做好預習，每次實驗前檢查預習報告。3. 遲到10分鐘以上的同學，另選批次補做實驗，并對實驗成績做降級處理。4. 實驗均在實訓樓319進行。5. 請嚴格按照系統中所選批次來實驗室做實驗，如確實有事無法按時進行實驗，請聯系其

4、他同學進行調換，并在實驗前與指導老師說明情況。除機房實驗外，每批實驗最多10人。6. 未能按時進行實驗的同學，請關注每個實驗中最后一批的實驗時間，缺做實驗者將取消實驗成績，沒有實驗成績將無法參加本門課程考試，希望大家引起重視。7. 實驗報告完成后請在下一次實驗時帶到實驗室交給老師。傳感器原理及應用實驗指導書（09級電氣專業）指導教師：黃偉桂林電子科技大學二九年十一月目 錄實驗一 電感式傳感器特性測試 2實驗二 磁電式傳感器應用實驗 6實驗三 應變式傳感器特性測試 13實驗一 電感式傳感器特性測試及應用預習要求：1、學習理解電渦流傳感器的結構及工作原理，并掌握電渦流傳感器用于位移測量時的測量電路

5、和測試原理。2、根據實驗要求，作好實驗前的準備（測試方法及測試點選擇、數據記錄的格式等）。一、實驗目的1、了解電渦流傳感器的結構、特點，掌握其工作原理和使用方法；2、通過測量電渦流傳感器的輸入輸出關系曲線，深入理解電渦流傳感器的特性及其指標的含義；3、利用電渦流傳感器進行傳感器靜態特性的測量；4、利用機械結構、傳感器、數據采集卡、虛擬儀器平臺構建測試系統。二、 實驗原理1、電渦流的形成原理如圖2-1所示，由物理學知識可知，若在線圈中通入交變電流I，在線圈周圍的空間就產生了交變磁場i，將金屬導體置于此交變磁場范圍內，導體表面層產生渦電流，渦電流的高頻磁場e以反作用于傳感器電感線圈，從而改變了線圈

6、的阻抗ZL或線圈的電感和品質因素。ZL的變化取于線圈到金屬板之間的距離x、金屬板的電阻率、磁導率以及激勵電流的幅值A和頻率f。圖2-1 電渦流傳感器的工作原理2、電渦流位移傳感器原理電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內產生的高頻振蕩電流通過同軸電纜流入探頭線圈中，線圈將產生一個高頻電磁場。當被測金屬體靠近該線圈時，由于高頻電磁場的作用，在金屬表面上就產生感應電流，既電渦流。該電流產生一個交變磁場，方向與線圈磁場方向相反，這兩個磁場相互疊加就改變了原線圈的阻抗。這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參

7、數有關。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統的物理性質可由金屬導體的電導率 、磁導率 、尺寸因子 、頭部體線圈與金屬導體表面的距離 D、電流強度 I 和頻率 參數來描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F(, , , D, I, )函數來表示。通常我們能做到控制 , , , I, 這幾個參數在一定范圍內不變，則線圈的特征阻抗 Z 就成為距離 D 的單值函數，雖然它整個函數是一非線性的，其函數特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器對信號進行處理，將線圈阻抗 Z 的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離 D 的變化轉化成電壓或電流的變化。輸出信號的大

8、小隨探頭到被測體表面之間的間距的變化而變化，電渦流傳感器就是根據這一原理實現對金屬物體的位移、振動等參數的測量。當被測金屬與探頭之間的距離發生變化時，探頭中線圈的磁場強度也發生變化，磁場強度的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移(間隙)轉換成電壓（電流）。所以探頭與被測金屬體表面距離的變化可通過探頭線圈阻抗的變化來測量。前置器根據探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓。圖 2-2 為電渦流傳感器的工作原理示意圖。圖2-2 電渦流傳感器工作示意圖主要技術指標：供電電壓探頭直徑線性量程輸出方式

9、24V11mm4mm1-5V3、最小二乘法擬合原理：給定平面上一組點（xi,f(xi)）(i=1,2,3n)，用直線擬合。即求得f(x),使得偏差Vm達到最小。三、實驗儀器和設備1計算機 1 臺 2LabVIEW8.2 以上版本 1 套3數據采集模塊 1 臺 4電渦流特性實驗模塊 1 臺5. 電源模塊 1 臺 6. 操作工具 1 套四、 實驗內容與實驗步驟1、電氣連通及數據采集通道檢測（1） 關閉數據采集卡電源，將電渦流傳感器連接到采集卡的數據采集一個 AD 通道上。注意不要在帶電的情況下從采集卡上插拔傳感器，以免對采集卡和傳感器造成損壞。（2）電渦流傳感器的工作電源為 24V，把電渦流傳感器

10、的電源接到試驗臺的 24V 電源口，并把數據線接到采集卡的某一通道上，接通試驗臺和數據采集卡的電源。（3）運行 LabVIEW 程序，打開文件“動態顯示單通道模擬信號.vi”。設置采樣參數。其程序界面如下圖2-3 所示。圖2-3信號連通情況檢測設定好“通道選擇”、“采樣頻率”、“采樣長度”等參數后點擊如下圖 2-4 所示的運行按鈕運行程序，觀察各部分運行燈的亮滅情況，在導軌上移動滑塊，觀察波形圖中顯示的電壓信號。運行按鈕圖 2-4 程序運行按鈕（4）將千分尺歸零，將滑塊上反射圓片緊緊靠在電渦流探頭表面，觀察此時的電壓值。（5）滑塊漸漸遠離傳感器，觀察電壓數值的變化，觀測傳感器的最大測量距離。2

11、、測繪并求出傳感器的線性區范圍：電渦流傳感器的線性區定義為：不在此測量范圍內時，其函數將不成線性關系。(1) 聯接好測量系統中傳感器及其采集卡等模塊的通道號及其電源，調整滑塊到一個初始位置，記錄下讀數 X0。(2) 打開“試驗一 電渦流靜態特性試驗.vi”，設置每次移動千分尺的距離為 0.1mm，將這兩個數值輸入到“實驗一電渦流靜態特性試驗.vi”的“采樣間隔”控制變量里。圖 2-5為電渦流靜態特性曲線的程序截圖。設定好“通道選擇”、“采樣頻率”、“采樣長度”等參數。圖2-5 電渦流靜態特性試驗（3）運行“試驗一 電渦流靜態特性試驗.vi”，點擊“第 1 次采集”按鈕，指示燈亮后，程序將自動記

12、錄對應電渦流傳感器的讀數。（4）將千分尺向遠離探頭方向移動 0.1mm，點擊“第 2 次采集”按鈕，依次改變測量的距離進行50 次測量，采集 50 組數據。注：圖上只有10個采樣按鈕，可反復使用，也可只反復使用一個，將數據記錄在Excel表格中，進行繪圖。（5）數據采集完成后，將采集到的50組位移與電壓數據在Excel中進行電渦流傳感器的特性曲線的繪制。（6）觀測出傳感器的線性區范圍，并對線性區進行擬后，將擬合直線的表達式記錄，并同時記錄擬合直線、斜率K和截距b待用。3、利用測得結果進行距離反測和誤差分析：(1) 打開“試驗一 電渦流距離測量及誤差分析試驗.vi”，圖 2-6為電渦流距離測量及

13、誤差分析程序截圖。設定好“通道選擇”、“采樣頻率”、“采樣長度”等參數。圖 2-6 電渦流距離測量及誤差分析程序（2）設置千分尺讀數到觀測到的線性區的起點處，并將此值輸入的實驗界面的起點坐標框中，計算采樣間隔為整個線性區長度的1/10； （3）照此采樣間隔的值調節千分尺，分別點擊實驗界面中的10個采集按鈕，采集10組數據，直接采集在實驗界面中，不必再記錄在Excel中。 （4）數據采集完成后，點擊擬合按鈕，得出線性區擬合線在波形顯示框中。（5）將上一步中得到的擬合線的斜率K和截距b填入實驗界面相應的框中，點擊距離計算得到由實驗程序反測出的千分尺的距離讀數。（6）將千分尺的實際讀數填入界面的最后

14、一行的相應位置，點擊誤差分析按鈕，得到實驗反測的相對誤差。（7）將具有結果的整個實驗界面拷入Word文檔備用。五、實驗報告要求1、拷貝實驗系統的運行結果頁面，插入到 word 格式的實驗報告中。2、求出所用傳感器的線性區范圍。3、對所用傳感器的輸出特性進行線性擬合，求出擬合直線、斜率K和截距b。4、求出所用傳感器的線性誤差和靈敏度。六、 參考與提示1、測試系統的輸入輸出特性曲線圖2-7 測試系統的輸入輸出特性曲線2、電渦流傳感器的靜態特性指標分析方法（各參量如上圖2-7中） 線性區范圍： x1x2 (mm)對 線性區對應的電壓值： V1V2 (mV) 線性誤差： 靈 敏 度： (mV/mm)七

15、、 思考題1、電渦流傳感器為什么可作為位移傳感器用？2、電渦流的大小還與那些因素有關？3、試想電渦流傳感器還可以用來測量那些物理量？實驗二 磁電式傳感器的應用實驗一 實驗目的：1、了解霍爾開關集成傳感器的工作原理和應用；2、掌握霍爾傳感器的基本特性；3、學習霍爾傳感器構成的應用電路的基本原理和設計方法。二 基本原理：圖31是霍爾開關集成傳感器的內部結構框圖。當有磁場作用在傳感器上時，根據霍爾效應原理，霍爾元件輸出霍爾電壓Vh，該電壓經放大器放大后，送至施密特整形電路。當放大后的Vh電壓大于“開啟”閥值時，施密特整形電路翻轉，輸出高電平，使輸出三極管導通。當磁場減弱時，霍爾元件輸出的Vh電壓很小

16、，施密特整形電路再次翻轉，輸出低電平，輸出三極管關閉。這樣，一次磁場強度的變化，就使傳感器完成一次開關動作。當被測電機飛輪上裝有N只磁性體時，飛輪每轉一周磁場就變化N次，霍爾傳感器輸出的電平也變化N次，通過計算即可知道電機的轉速。圖31霍爾開關集成傳感器的內部結構三 實驗元件和設備：1 實驗電路板；2 電機組件；3 霍爾開關傳感器CS3020；4 4.7K電阻；5 跳線若干；6 示波器或虛擬平臺的實驗程序。四 實驗步驟：1. 按圖3-2、圖3-3，在實驗電路板上搭建好電路，并仔細檢查接線；2. 安裝好電機，調整霍爾傳感器同電機飛輪的相對位置，使傳感器正面同磁體的距離5mm左右；Vout圖32實

17、驗電路原理圖3. 打開Labview實驗程序或DRVI實驗程序 “開放式傳感器-霍爾速度測量”，鷗鵬實驗臺選用通道5或通道6，Depush實驗臺選擇通道3，打開電源，調節電機的轉速，由霍爾傳感器的輸出來計算電機的轉速，輸出的波形如圖3-4。Labview實驗程序窗口如圖3-5。圖33C3020管腳圖圖34輸出波形之一示例圖3-5實驗程序窗口4. 由霍爾傳感器輸出信號脈沖的頻率就可以計算出直流電機的轉速。如磁鐵個數為N，轉速為n，脈沖頻率為f，則有：n=f/N 。通常，轉速的單位是轉/分鐘，所以要在上述公式的得數再乘以60，才是轉速數據，即n=60×f/N。五思考題：1、霍爾傳感器的基

18、本特性及其基本特性曲線如何；2、說明本實驗中的霍爾傳感器是如何應用霍爾傳感器的特性實現正負電平轉換的。實驗三 應變式傳感器特性測試一、 實驗目的1、掌握金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能；2、了解學習全橋測量電路的構成及其特點、優點；3、比較單臂電橋與全橋的不同性能、了解其特點。二、 實驗用器件與設備1、應變式傳感器實驗臺；2、傳感器實驗箱；3、砝碼；4、跳線；5、萬用表等。三、 實驗原理 直流電橋原理：在進行金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能實驗之前，我們有必要先來介紹一下直流電橋的相關知識。電橋電路有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標是橋路靈敏度、非線性和負載特性。下

19、面具體討論有關直流電路和與之相關的這幾項指標。1、 平衡條件直流電橋的基本形式如圖1-1所示。R1， R2，R3 ， R4 為電橋的橋臂電阻，RL為其負載（可以是測量儀表內阻或其他負載）。當RL時，電橋的輸出電壓V0應為V0=E() 當電橋平衡時，V0=0，由上式可得到R1R4=R2R3，或 （1-1） 圖1-1直流電橋的基本形式式（1-1）秤為電橋平衡條件。平衡電橋就是橋路中相鄰兩橋臂阻值之比應相等，橋路相鄰兩臂阻值之比相等方可使流過負載電阻的電流為零。2、 平衡狀態單臂直流電橋：所謂單臂就是電橋中一橋臂為電阻式傳感器，且其電阻變化為R，其它橋臂為阻值固定不變，這時電橋輸出電壓V00（此時仍

20、視電橋為開路狀態），則不平衡電橋輸出電壓V0為 V0 (1-2)設橋臂比n=，由于R1R1，分母中可忽略，輸出電壓便為V"0= 這是理想情況，式（1-2）為實際輸出電壓，由此可求出電橋非線性誤差。實際的非線性特性曲線與理想線性曲線的偏差秤為絕對非線性誤差。則其相對線性誤差r為： r= = （1-3）由此可見，非線性誤差與電阻相對變化有關，當較大時，就不可忽略誤差了。 下面來看電橋電壓靈敏度SV 。在式（1-2）中，忽略分母中項，并且考慮到起始平衡條件，從式（1-2）可以得到 V0' （1-4）電橋靈敏度的定義為 SV = = （1-5）當n=1時，可求得SV最大。也就是說，在

21、電橋電壓E確定后，當R1=R2，R3=R4 時，電橋電壓靈敏度最高。此時可分別將式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化簡為： V0= （1-6） r = （1-7） V0' （1-8） SV = （1-9）由上面四式可知，當電源電壓E和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓，非線性誤差，電壓靈敏度也是定值，與各橋臂阻值無關。差動直流電橋（半橋式）： 若圖1-1中支流電橋的相鄰兩臂為傳感器，即R1和R2為傳感器，并且其相應變化為R1和 R2，則該電橋輸出電壓V00，當R1=R2，R1=R2，R3=R4 時，則得 V0=上式表明，V0與成線性關系，比單臂電橋輸出電壓提高一倍，差動電

22、橋無非線性誤差，而且電壓靈敏度SV為 SV = 比使用一只傳感器提高了一倍，同時可以起到溫度補償的作用。雙差動直流電橋（全橋式）： 若圖1-1中直流電橋的四臂均為傳感器，則構成全橋差動電路。若滿足R1=R2=R3=R4，則輸出電壓和靈敏度為 V0= SV = E由此可知，全橋式直流電橋是單臂直流電橋的輸出電壓和靈敏度的4倍，是半橋式直流電橋的輸出電壓和靈敏度的2倍。四、 實驗方法與步驟圖12，圖13是壓力傳感器的測量電路，由兩個部分組成。前一部分是采用三個運放構成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進一步放大。R28是電橋的調零電阻，R42是整個放大電路的調零電阻，R29，R40調

23、整運放增益。儀表放大器因為輸入阻抗高，共模抑制能力好而作為電橋的接口電路。其增益可用下式表示：A（1+）圖12儀表放大電路圖13電壓放大電路(一)、電路調零：1. 根據圖（1-4）所示，應變式傳感器已經裝在傳感器試驗臺上。傳感器中各應變片上的R1、R2、R3、R4接線顏色分別為黃色、藍色、紅色、白色(或者黃色)，可用萬用表測量同一顏色的兩端判別，R1=R2=R3=R4=350。圖1-4 應變式傳感器安裝示意圖2. 接入電源，撥通電源開關，將實驗模塊板調節增益電位器R29順時針調節大致到中間位置，再進行差動放大器調零，方法為將差動放大器的正、負輸入端（電路板上的TEST1與TEST2）與地短接，輸出端OUT與電路板上的IN1或IN2相連，調節電路板上調零電位器R42，輸出的電壓讀數為零，關閉電源。(二)、全橋電路性能測量：1. 關閉實驗臺總電源，將紅色線接入P1或者P5口，黃色線接入P2或者P3口，將黑色線接入P4或者P8口，將藍色線接入P6或P7口； 2. 用電源線將基礎實驗臺上模塊電源引接到傳感器開放電路主板上； 3. 開啟實驗臺總電源，分別打開主板上+5V、+12V、-12V電源，用萬用表測量T1與T3之間電壓是否為零，如不為零，調節R8使兩者電壓差為零