1、 傳感器與檢測技術實驗指南 傳感器與檢測技術實驗室 實驗指導老師：徐華結 適用班級：12 電氣工程及其自動化 實驗一壓阻式壓力傳感器的特性測試實驗 2 實驗二電容傳感器的位移特性實驗 5 實驗三直流激勵線性霍爾傳感器的位移特性實驗 9 實驗四電渦流傳感器材料分揀的應用實驗 12 實驗五光纖傳感器位移測量實驗 14實驗一壓阻式壓力傳感器的特性測試實驗 、實驗目的 了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和標定方法。 、實驗內容 掌握壓力傳感器的壓力計設計。 三、實驗儀器 傳感器檢測技術綜合實驗臺、壓力傳感器實驗模塊、壓力傳感器、導線。 四、實驗原理 擴散硅壓阻式壓力傳感器的工作機理是半導體應變片

2、的壓阻效應，在半導體受到力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發生變化，這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應。一般半導體應變采用 N 型單晶硅為傳感器 的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出多個半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵）組成電橋。在壓力（壓強）作用下彈性元件產生應力，半導體電阻應變薄膜的電阻率產生很大變化，引起電阻的變化，經電橋轉換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。圖 13-1 為壓阻式壓力傳感器壓力測量實驗原理圖。 圖 1-1 壓阻式壓力傳感器壓力測量實驗原理 五、實驗注意事項 1、嚴禁將信號源輸出對地短接。 2、實驗過程中不要帶

3、電拔插導線。 3、嚴禁電源對地短路。 六、實驗步驟 1、將引壓膠管連接到壓力傳感器上，其他接線按圖 1-2 進行連接，確認連線無誤且打 開主臺體電源、壓力傳感器實驗模塊電源。主臺體上電壓表 電電電電電電 RW2 圖 1-2 壓阻式壓力傳感器的特性測試實驗接線圖 2、打開氣源開關，調節流量計的流量并觀察壓力表，壓力上升到 4Kpa 左右時，根據 計算所選擇的第二級電路的反饋電阻值，接好相應的短接帽；再調節調零電位器 RW2,使 得圖 1-3 中 Vx與計算所得的值相符；再調節增益電位器 RW1,使電壓表顯示為 0.4V 左右。 （進行此步之前，請先仔細閱讀：七、實驗報告要求） 3、再仔細地反復調

4、節流量使壓力上升到 18KPa 左右時，根據計算，電壓表將顯示 1.8V 左右。 4、重復步驟 2 和 3 過程，直到認為已足夠精度時調節流量計使壓力在 418KPa 之間， 每上升 1Kpa 氣壓分別讀取電壓表讀數，將數值列于表 3。 表 3 P(Kpa) Vo(p-p) 5、畫出實驗曲線。 6、實驗完畢，關閉所有電源，拆除導線并放置好。 C1 /四 Vin R12 13 由由由由由由由由由 HZiHZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ; IC1 R2 1=1 Vii R17 1=1 R16 II IC2 R3 R5 R4 1=1 R6 II D1 nm R29R28 1=1im 電

5、電電電 C3 R18 R8 C2R14 國II Vout IC3 O R10 1=1 R7 D2 R21 1c4 GND R9 R30 R20 1R31 R21lI R21 1.2 34 56 78 10K 20K 51K 100K 電電電電電電15V6電 -15VGND+15V D4C4C5D3 D5_I_ E2E1 D6.+D5 RW1 七、實驗報告要求 1、要求：當壓力為 4Kpa 時，使得差分放大單元的電壓輸出為 0.4V;當壓力為 18Kpa 圖 1-3 壓力傳感器測試電路 2、當壓力為 4Kpa 時，測得壓力傳感器的輸出電壓 Vout 與 GND 間的電壓 Va；當壓力為 18Kp

6、a 時，測得壓力傳感器的輸出電壓 Vout 與 GND 間的電壓 Vb;然后根據圖 1-3 列式進 行計算，在第二級放大電路的反饋電阻（10K、20K、51K、100K）中，用跳線帽選擇一個 合適的反饋電阻。再根據所選擇的反饋電阻，確定 V1 和 Vx的值，便于實驗。具體計算公式如下： 當壓力為 4Kpa 時： VI0.2x -Va 240.2x V1-VxVx-0.4 10一R 當壓力為 18Kpa 時： V1-Vx_Vx-1.8 其中：V1、V1分別為 4Kpa 和 18Kpa 時三運放的輸出電壓，Vx為調零電位器 RW2 端 的電壓；x為 RW1 所需調到的阻值，R 為第二級放大電路的反

7、饋電阻。 3、計算完后，先根據所選擇的第二級放大電路的反饋電阻值，接好短接帽，然后再根據計算的電壓值 V1 和 Vx分別調節調節電位器 RW1 和 RW2。0.2x 40.2x =-Vb 時，使得差分放大單元的輸出為 1.8V。 Vout Q +15V 實驗二電容傳感器的位移特性實驗 、實驗目的 了解電容傳感器結構及特點。 、實驗內容 掌握電容傳感器的基本應用。 三、實驗儀器 傳感器檢測技術綜合實驗臺、電容傳感器實驗模塊、電容傳感器、振動源實驗模塊、示波器、導線。 四、實驗原理 1、電容傳感器是以各種類型的電容為傳感元件，將被測物理量轉換成電量的變化來實 現測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化

8、量。利用電容 o=A/d 的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇 e、A、do 三個參數中，保持二個參數不變，只改變其中一個參 數，則可以有測干燥度（e 變）、測位移（d 變）和測液位（A 變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱形，雖然還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結構的電容式位移傳感器。差動 式一般優于單組（單邊）式的傳感器，它靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高。如圖 18-1 所 示：它是由二個圓筒和一個圓柱組成的。設圓筒的半徑為 R,圓柱的半徑為 r,圓柱的長為 x,則電容量為 C=2Ttx/ln（R/r）。圖中

9、C1、C2 是差動連接，當圖中的圓柱產生 Ax位移 時，電容量的變化量為 AC=C1-C2=s2 兀 2Ax/ln（R/r），式中&2 兀、ln（R/r）為常數，說明 Ac 與 Ax位移成正比，再配上配套的測量電路就能測量位移。 圖 18-1 實驗電容傳感器結構 2、測量電路（電容變換器）：如圖 18-2 所示，測量電路的核心部分是圖 18-3 的電路。電電1 C1 C2 電電2 電電 圖 18-2 電容測量電路 圖 18-3 二極管環形充放電電路 在圖 18-3 中，環形充放電電路由 D3、D4、D5、D6 二極管、C5 電容、L1 電感和 Cxi、Cx2 實驗差動電容位移傳感器組成

10、。 當高頻激勵電壓（f100KHz）輸入到 a 點，由低電平 E1躍到高電平 E2 時，電容 Cx1 和 Cx2 兩端電壓均由 E1 充到 E2。充電電荷一路由 a 點經過 D3 到 b 點，再對 Cx1 充電到 O 點(地)；另一路由由 aC4 D4 E2 Li 1D6 電電 CX2 D5 C6-T RW 電電 0 I電電 V01 NE555 產生輸出 500K 方波 1 D3 Cxi 點經過 C5 到 c 點，再經 D5 到 d 點，再經 Cx2 充電到 O 點。此時，D4 和 D6 由于反偏置而截止。在t1 充電時間內，由 a 至 ijc 點的電荷量為： Q1=Cx2(E2-E1)(18

11、-1) 當高頻激勵電壓由高電平 E2 返回到低電平 E1 時， 電容 Cx1 和 Cx2 均放電。 Cx1 經過 b 點、 D4、c 點、C5、a 點、L1 放電到 O 點；Cx2 經過 d 點、D6、L1 放電到 O 點。在 t2 放電時間內由 c 到 a 點的電荷量為： Q2=Cx1(E2-E1)(18-2) 當然，(18-1)式和(18-2)式是在 C5 電容值遠遠大于傳感器的 Cx1 和 Cx2 電容值的 前提下得到的結果。電容 C5 的充放電回路由圖 18-3 中實線、虛線箭頭所示。 在一個充放電周期內(T=t1+t2),由 c 點到 a 點的電荷量為： Q=Q2-Q1=(Cx1-C

12、x2)(E2-E1)=ACxAE(18-3)式中；Cx1 與 Cx2 的變化趨勢是相反的(由傳感器的結構決定的，是差動式)。設激勵電壓頻率 f=1/T,則流過 ac 支路輸出的平均電流i 為： I=fQ=fACxAE(18-4) 五、實驗注意事項 1、嚴禁將信號源輸出對地短接。 2、實驗過程中不要帶電拔插導線。 3、嚴禁電源對地短路。 六、實驗步驟 1、按圖 18-4 示意圖接線：電容傳感器實驗模塊電源單元接主臺體上的士 15V 電源；將脈 沖調制單元的 Fout 與電容測量放大單元的 Fin 相接；將電容傳感器安裝在電容傳感器實驗模塊的電容測量放大單元上，即將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座

13、中，電容傳感器黃色和 紅色引線分別接電容模塊 J1和 J2,藍色引線接插孔 GND 將電容測量放大單元的 Vout與 GND 接主臺體上的電壓表的“+”和“-”極，將電壓表選擇置于 20V檔。rf-r|-f-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-f-r 圖 18-4 電容傳感器的接線示意圖 2、打開主臺體電源開關和電容傳感器實驗模塊的電源開關，用示波器觀察 Fout 的波形, 調節脈沖調制單元的電位器 W1 使其輸出頻率為 500KH 才勺方波，再將電容測量單元的電位器 RW 調節到中間位置，旋動測微頭推進電容傳感器移動至極板中間位置，使電壓數顯表顯示為最小值。 3、旋動測微

14、頭，每間隔 0.5mni 己下位移 X 與輸出電壓值，填入表 8: 表 8 X(mm) V(mV) 4、根據上表數據計算電容傳感器的系統靈敏度序口非線性誤差汽 5、實驗完畢，關閉所有電源，拆除導線并放置好。電電電電電電15V-15VGND15V 電電電電電電 out 口 D2 GND 電電電電電電電電 電電電電電電電電電 C7 R8 11 打電電電電 電電電電 實驗三直流激勵線性霍爾傳感器的位移特性實驗 一、實驗目的 了解霍爾式傳感器原理與應用。 二、實驗內容 掌握霍爾傳感器的位移測量方法。 三、實驗儀器 傳感器檢測技術綜合實驗臺、霍爾傳感器模塊、線性霍爾傳感器、振動源實驗模塊、測微頭、導線。

15、 四、實驗原理 霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應原理工作。它將被測量的磁場變化（或經磁場為媒介）轉換成電動勢輸出。霍爾效應是具有載流子的半導體同時處在電場和磁場中而產生電勢的一種現象。如圖19-1 所示，把一塊寬為 b,厚為 d 的導電板放在磁感應強度 為 B 的磁場中，并在導電板中通以縱向電流 I,此時在板的橫向兩側面 A,A之間就是呈現 出一定的電勢差，這一現象稱為霍爾效應（霍爾效應可以用洛倫茲力來解釋），所產生的電 勢差 UH稱霍爾電壓。霍爾效應的數學表達式為： IB URH22-KHIB HHH d 式中；RH=-1/（ne）是由半導體本身載流子遷移率決定的物理常數，稱為霍爾系

16、數；KH=RH/d, 稱為靈敏度系數，與材料的物理性質和幾何尺寸有關。 圖 19-1 霍爾效應示意圖 具有上述霍爾效應的元件稱為霍爾元件，霍爾元件大多采用 N 型半導體材料（金屬材 料中自由電子濃度 n很高，因此 RH很小，使輸出 UH極小，不宜作霍爾元件），厚度 d 只有 1um 左右。 五、實驗注意事項 1、請務必斷電連線，否則極易燒壞霍爾傳感器。 2、注意霍爾傳感器引線的接法。 3、注意 J16 和 R1 上要接上兩個短接帽，如下圖 19-2 所示。 4、注意按順序進行調零。A Fe. 土土上 L 土“土士,，FmVd. I UH d T 六、實驗步驟 1、將霍爾傳感器、測微絲桿固定在振

17、動源實驗模塊上的測微支架上，并調節測微絲桿使霍爾傳感器大約處于磁場的中間位置。 2、根據圖 19-2 接線，需要注意的是：將線性霍爾傳感器的紅線和黑線分別接霍爾傳感器實驗模塊的直流激勵實驗單元的輸入端 J1 和 J2,藍色和黃色線分別接輸出端 J4 和 J3 端； 將電壓調節處的旋鈕撥至士 4V,并將+Vout 和-Vout 接入到直流激勵單元的+4V 和-4V 的端子上；將主臺體上的士 15V 接入到霍爾傳感器實驗模塊的電源單元中；調零單元的 OUT2 與 GND 需接到主臺體上的電壓表的“+”和“-”極；其他部分的接線嚴格按照接線圖進行。 3、調零：先打開主臺體電源開關，再打開霍爾傳感器模

18、塊電源開關。調節霍爾傳感器模塊上的 RW1電位器，使霍爾傳感器的輸出 J4 和 J3 間的電壓為零，關閉霍爾傳感器模塊 電源；將 IN1+和 IN1-短接并接到 GND,打開霍爾傳感器實驗模塊電源開關，調節電位器 W3 使調零單元的輸出 OUT2 和 GND 間的電壓為零，調零完后關閉霍爾傳感器實驗模塊電源，并將 IN1+和 IN1-間的短接線以及與 GND 間的接線拿掉。 圖 19-2 直流激勵線性霍爾傳感器接線圖 4、打開霍爾傳感器實驗模塊電源，測微頭向軸向方向推進，每轉動 元輸出電壓 OUT2 的讀數，直到讀數近似不變，將讀數填入表 9: R2 R4 1=1II J16 R10 TEST

19、4三I U2OUT2 W3 甕 電電電電電電電電電 0.5mm 記下調零單 GND +15V D1 2 R14 R15S1 C1C2E2D6-I:+- 由由由由由由由由由 PPPPPPPP1MMjjjj_ 電電電電 電電 -15V J2 +4V ;一【 由由由由由由由由 HZiHZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ;HZ; W1 LV J10 J8 由由由由由由由由 GND II 電電 R1 一 R9 W R5 -TEST 1 OUT1 表 9 X(mm) V(nV) 5、根據上表作出 V-X 曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。 6、實驗完畢，關閉所有電源，拆除導線并放置好。 七、實驗

20、報告要求 必須在斷電的情況下接霍爾傳感器，霍爾元件的輸入電壓必須限制在土流激勵單元的+4V 和-4V 的端子必須嚴格的接入+4V 和-4V。 八、思考題 實驗步驟 2中 J4和 J3是分別到 IN1+和 IN1-的,如果把 J3 接到 IN1+,J4接到 IN1-,觀察輸出電壓有什么變化？4V 以內，即直 實驗四電渦流傳感器材料分揀的應用實驗 一、實驗目的 掌握使用電渦流傳感器在材料分揀中的應用方法。 二、實驗內容 用鋁測體和銅測體驗證不同電導率的被測材料對電渦流傳感器的特性影響。 三、實驗儀器 傳感器檢測技術綜合實驗臺、電渦流傳感器實驗模塊、振動源實驗模塊、電渦流傳感器、鋁圓片、鐵圓片、銅圓

21、片、測微頭、導線。 四、實驗原理 電渦流傳感器在被測體上產生的渦流效應與被測導體本身的電阻率和磁導率有關，因此不同的材料就會有不同的性能。基本原理參閱教材。 五、實驗注意事項 1、實驗過程中不要帶電拔插導線。 2、嚴禁電源對地短路。 3、傳感器在初始時可能會出現一段死區。 六、實驗步驟 1、根據 24-2 接線圖進行接線：先將電渦流傳感器安裝在振動源實驗模塊上的測微支架上，在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體；將電渦流傳感器實驗模 塊的電源單元接主臺體上的+15V;將電渦流傳感器的黃色和綠色引線分別接到電容三點式振蕩器的 J1 和GND 之間。電渦流 VCC VOQ W3?H

22、1 1 1- - W W 2 2 R 廠工：力 V 5 5 + + 圖 24-2 電渦流傳感器接線圖 2、觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。 3、將實驗模板輸出端 Vout 和 GND 與電壓表的“+”和“-”極相連。電壓表量程切換到選擇電壓20V 檔。 4、使測微頭與傳感器線圈端部接觸，打開主臺體電源開關和電渦流傳感器實驗模塊的 電源開關，此時電壓表讀數為最小，然后每隔 0.5mm 讀一個數，直到輸出幾乎不變為止。 將結果列入表 12: 5、按上述步驟做實驗，將數據列入表 1315 中。 表 13 被測體為鐵圓片時的位移輸出電壓數據 X(mm) Vo(V) 表 14 被測體為銅時的位移輸出電

23、壓數據 X(mm) Vo(V) 表 15 被測體為鋁圓片時的位移輸出電壓數據 X(mm) Vo(V) 6、根據上表的實驗數據，在同一從標上畫出實驗曲線進行比較，分別計算靈敏度和線性度。 7、實驗完畢，關閉所有電源，拆除導線并放置好。 1=1 R1im J11世 C1 E3 G R51=1 R2 J13 Q2 TEST6 TEST5 TEST4 R9 r*i 1=1 R3 R41=1 rf-r|-f-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-r-r|-f-r 電電電電電電+15V Ini 電電電電 L1 TEST2 回 TEST1 回 W1 C2 E3 電電電電電電 電電電電 W2

24、 R8 R7 電電電電電電電電 電電電電電電電 電電電電電電電電電 七、思考題 分析鐵測片、鋁測片、銅測片哪一個的靈敏度高，為什么? 實驗五光纖傳感器位移測量實驗 一、實驗目的 了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。 二、實驗內容 掌握光纖用于位移測量的方法。 三、實驗儀器 傳感器檢測技術綜合實驗臺、光纖傳感器、光纖傳感器實驗模塊、振動源實驗模塊、導線。 四、實驗原理 本實驗采用的是傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成丫型光纖，半圓分布即雙 D 分 布：一束光纖端部與光源相接發射光束；另一束端部與光電轉換器相接接收光束。兩光束混 合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距 X,由光源發出的光纖傳到端部出射后再經 被測體反射回來。另一束光纖將其接收的光信號由光電轉換器轉換成電量，而光電轉換器轉 換的電量大小與間距 X 有關，因此可用于測量位移。 五、實驗注意事項 1、實驗過程中不要帶電拔插導線。 2、嚴禁電源對地短路。 六、實驗步驟 1、根據圖