《传感器与检测技术》
实验指导书。
指导教师：陈永明。
盐城工学院。
电气学院。实验说明。
1. 《实验报告簿》需要用盐城工学院规定的稿纸撰写，请班长联系教务科领取；
2. 同学每次去实验室之前应把相应的《检测实验报告》按实验指导书上先写好带到实验室才能进行实验；实验后整理好实验台并断开电源，经老师检查后方可离开实验室；
3. 进行实验要撰写《实验报告》，实验的内容用手写，实验图形和**需要用画图工具（如尺子、量角器、铅笔、橡皮擦等）画图；
4. 传感器与检测技术实验室在希望大道校区电气学院怀德楼a211；实验时需要带上科学计算器或者计算机用于实验数据处理。
5. 每小节课（45分钟）的实验人数是1/2班的，即实验班级按学号顺序均分成两个组（每个组为1/2班）,学号在前的学生称前1/2班，其他学生称后1/2班；
6. 实验室都安装有监控录像设备，进入实验室要严格按照盐城工学院实验室规章进行实验，特别注意安全。
实验一箔式应变片桥路性能比较。
一、实验目的。
1．观察了解箔式应变片结构及粘贴方式。
2．测试应变梁变形的应变输出。
3．比较各桥路间的输出关系。
4．了解实际使用的应变电桥的原理和性能。
二、实验原理。
应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻r1、r2、r3、r4中，电阻的相应变化率分别为， ,当使用一个应变片时；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且r1＝r2＝r3＝r4＝r时有。由其可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。
实际使用的应变电桥的性能和原理如下：已知单臂、半桥和全桥电路的分别为， ,根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于，电桥灵敏度为，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为， ,由其可知，当u和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
三、所需电路单元和部件。
直流稳压电源、差动放大器、电桥、毫伏表、测微头。
直流稳压电源打到0 v档，毫伏表打到±50 mv 档，差动放大器增益旋钮打到最右边。
四、实验步骤。
1．调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。
2．按图1将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中r1、r2、r3和wd为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，r为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4 v。
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
图1 箔式应变片测量原理图。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥wd电位器，使测试系统输出为零。
4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下输出电压为零，向上或向下移动5 mm，测微头每移动0.5 mm记录一个差动放大器输出电压值，并记录。
5．在完成上面的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图1中电桥固定电阻r1、r2、r3换成箔式应变片，接成全桥测试系统。
6．重复上面的3－4步骤，测出全桥输出电压并列表，计算灵敏度。
表1.1 半桥双臂正行程位移与电压关系表。
表1.2 全桥正行程位移与电压关系表。
根据表中所测数据计算灵敏度s：
s半桥 ＝ v/x = v/mm。
s全桥 ＝ v/x = v/mm。
7．在同一坐标上做出v－x关系曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。
五、注意事项。
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。
2．接插线插入插孔时轻轻地做一个小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
3．稳压电源不要对地短路。
4．在半桥、全桥电路中应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。
5．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。
六、实验小结。
实验二电容式传感器的特性。
一、实验目的。
掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
二、实验原理。
电容式传感器有多种型式，本仪器中是差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为cx1，下层定片与动片形成的电容定为cx2，当将cx1和cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
三、所需电路单元和部件。
电容传感器、电容变化器、差动放大器、低通滤波器、低频滤波器、测微头。
四、实验步骤。
1）按图2接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。
图2 电容式传感器实验接线原理图。
2）装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。
3）以此为起点，向上和向下位移动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。记录数据，并作出v—x曲线。
表2.1 向上位移动片时位移与电压关系表。
表2.2 向下位移动片时位移与电压关系表。
根据表中所测数据计算灵敏度s ＝ v/xv/mm。
五、注意事项。
1）电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍微做调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。
2）如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
六、实验小结。
实验三电涡流式传感器的静态标定。
一、实验目的。
了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
二、实验原理。
电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离x有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗z只与x距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压v输出，则输出电压是距离x的单值函数。
三、所需电路单元和部件。
电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表。
四、实验步骤。
1．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表20v档。见下图。
图3 电涡流式传感器实验原理图。
2．开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，电涡流传感器的高频信号频率约为1mhz。
3．用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。
4．旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25 mm记录一个读数。将v、x数据填入下表，作出v－x曲线，指出线性范围。
表3.1 测量时位移-电压关系表。
根据表中所测数据计算灵敏度：
s ＝ v/xv/mm。
五、注意事项。
当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小。或是使传感器在初始状态有一死区。
六、实验小结。
实验四霍尔传感器的特性。
一、实验目的。
了解霍尔式传感器的结构、工作原理、学会用霍尔传感器做静态位移测试。
二、实验原理。
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势v取决于其在磁场中的位移量x，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
三、所需电路单元和部件。
直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头。
差动放大器增益旋钮打到最左边（1倍），直流毫伏表±50 mv档，直流稳压电源±2 v档。
四、实验步骤。
1．先将毫伏表、差动放大器调零，然后按下图接线：wd、r1为电桥单元中的直流平衡网络。
2．装好测微头、霍尔片。
3．在霍尔片远离磁路系统的情况下，调整wd使毫伏表指示为零。
4．装好磁路系统，使霍尔片处于梯度磁场中间位置。
5．上、下移动测微头记下毫伏表的读数，每0.2 mm读一个数，将读数填入下表：
表4.1 上移螺旋测微头时电压与位移关系表。
表4.2下移螺旋测微器头电压与位移关系表。
6. 作出 v－x 曲线，指出线性范围，求出灵敏度。
根据上述两表中所测数据计算灵敏度：s ＝ v/x = v/mm。
五、注意事项。
1．直流激励电压须严格限定在±2v，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件。
2．由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。
3．一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。
六、实验小结。
本实验测出的实际上是磁场的分布情况，它的线性越好。位移测量的线性度也越好，它的变化越陡，位移测量的灵敏度也就越大。
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