检测与传感器实验讲义(董).doc

CSY2000型传感器检测技术实验台简介CSY2000型传感器与检测技术实验台主要用于“传感器原理与技术”、“检测与转换技术”等课程的教学实验CSY2000型传感器与检测（控制）技术实验台由主控台、测控对象、传感器、实验模板、实验桌等部分组成（见下图） 附图 CSY2000型传感器与检测（控）制技术实验台1、主控台部分：提供高稳定的±15V、+5V、±2V～±10V、+2V～+24V可调四种直流稳压电源，主控台面板上装有数显电压、频率、转速、压力表0.4KHz～10KHz可调音频信号源；1Hz～30Hz可调低频信号源；0～20kpa可调气压源；高精度温度控制仪表，电源故障报警指示，RS232计算机串行接口；浮球流量计 2、测控对象有：振动台1Hz～30Hz （可调）；旋转源0-2400转/分（可调）；温度源<200℃(可调) 3、传感器：电阻应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、集成温度传感器、热电偶、铂电阻、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等 4、实验模块部分：有应变式、压力、差动变压器、电容式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波、气敏、湿敏。

实验一 应变片称重实验一、 实验目的1. 了解金属应变片的应变效应，设计应用应变片的称重检测电路；2. 比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能和特点；3. 掌握电桥检测、放大、显示等测量电路的设计方法和检测装置的调试技术二、 实验原理1. 应变片的工作原理导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应” 2. 应变测量电桥应变片将机械应变转换为电阻变化后，为了显示和记录，通常将应变片组成电桥电路，使得由非电量引起的应变片电阻变化转化为电压或电流的变化而对电桥电路的要求是具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力图1.1(a)为一单臂电桥电路，应变片接在电桥的一个臂上，电阻值为R1无应变时，ΔR1=0，此时电桥平衡，U0=0；若应变片受力作用产生应变，则该臂阻值为R1+ΔR1，电桥就有电压输出，由图1.1 (a)可知a) 单臂 (b) 半桥 (c) 全桥图1.1 应变片直流电桥电路 (1)设电桥初始平衡时，，且若，则(1)式近似地为  (2) 所以电桥的电压灵敏度 (3)进一步设n=1，即有 R1= R2= R3= R4，可求得最大电压灵敏度为 (4)上述讨论是在情况下进行，桥路的输出电压与应变的关系是线性关系。

但若n较小，且应变片承受的应变较大时，(1)式分母项中的就不能忽略，就呈非线性补偿的办法是采用半桥或全桥差动电路如果将一片受压和一片受拉的两应变片，接入电桥相邻桥臂内，形成半桥差动电路，如图1.1 (b)所示设R1= R2= R3= R4，且ΔR1=ΔR2，则电桥输出 (5)所以半桥的电压灵敏度 (6) 由此可见，采用半桥差动电路不仅消除了非线性误差，而且电压灵敏度也比单臂电桥时提高了一倍若采用两片受压，两片受拉的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上，如图1.1 (c)所示，设R1= R2= R3 =R4，且ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，则此时的输出电压和电压灵敏度为 (7) (8)即全桥差动电路的电压灵敏度比单臂时提高了四倍，同时消除了非线性误差，因而得到广泛的实际应用三、 实验步骤(一)、应变片单臂电桥实验1.根据图1.2, 4个同型号的应变式传感器已粘贴在弹性梁上下表面。

为方便测量，各应变片已接入传感器模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端图1.2 应变传感器安装示意图2.实验模板差动放大器调零，如图1.3所示，方法为：①将实验模板上的±15V和 “^”接地端子与主控台上的相应电源/接地端准确连接；将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控台上数显电压表输入端Vi相连将实验模板增益调节电位器Rw3调节到大致中间位置检查无误后，合上主控台电源开关，调节实验模板上调零电位器RW4，使电压表显示为零(数显表置2V档)，完毕后关闭主控台电源 3．应变式传感器实验模块面板图1.3，按图1.4接线将应变式传感器中任一个应变片(模板左上方的应变电阻R1～R4任选一个)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥，将主控台的电压选择旋钮调至±4V输出，将Vo+、Vo-端接入直流电桥电源端子电桥输出端接差动放大器输入端，放大器输出接数显表检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零图1.3 应变式传感器模块面板图图1.4 应变片单臂电桥实验线路4．在传感器托盘上依次放置10个砝码（每个20g），读取数显电压表数值，实验结果填入表1-1。

表1-1：单臂测量时输出电压与负载重量的关系（加载和卸载各测量5组）：重量（g）020406080100120140160180200加载时输出电压（mV）12345卸载时输出电压（mV）12345完成单臂桥称重加载和卸载实验后，选取一件随身物品如、钥匙串、眼镜等进行称重，记录其输出电压为 二)、应变片半桥差动实验承受相反应力的两个应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压和灵敏度比单臂桥提高一倍 图1.6 应变片半桥差动实验线路1．保持实验（一）的各旋钮位置不变2．根据图1.6接线，R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片接入桥路电源±4V，调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零同实验一（4）步骤，将实验数据记入表1-2注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮）表1-2：半桥测量时，输出电压与负载重量的关系：重量（g）020406080100120140160180200加载时输出电压（mV）卸载时输出电压（mV）采用半桥差动测量电路，选取与单臂桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为 。

三)、应变片全桥差动实验全桥差动测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压和灵敏度比半桥差动又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善1．保持实验（二）的各旋钮位置不变2．根据图1.7接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意电桥中任意相邻的两个应变片应承受相反应力，否则，全桥不能正常工作调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零同实验一（4）步骤，将实验结果记入表1-3；注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮）图1.7 应变片全桥实验线路表1-3：全桥测量时,输出电压与负载重量的关系：重量（g）020406080100120140160180200加载时输出电压（mV）卸载时输出电压（mV）采用全桥差动测量电路，选取与前面电桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为 四、 实验仪器与设备1. 应变式传感器实验模板 1块2. 砝码（每个约20g） 10个3. 托盘 一个4. 直流数显电压表 主控台5. ±15V电源、±4V电源 主控台五、 注意事项1. 实验前应将实验中使用的导线全部检测一遍，确保导线全部导通。

2. 实验模板接±15V直流电源时，一定要接准确，切不可接反烧毁运算放大器3. 在更换应变片时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源4. 为了比较应变片单臂、半桥、全桥电路的电压灵敏度，这三种检测电路的实验过程中，桥路所加稳定电压(±4V)及差动放大器增益均应保持不变5. 差动放大器调零后，在实验过程中一般不再调整但是检测电桥则必须经常检查零点是否变化，并及时进行调整6. 实验中为防止电压表过载，在接好电路开通电源前，应先将量程打到最大(20V)，后根据实测数据的大小正确选择量程7. 本实验台上的地线是内部接通的，每块实验模板上的地线也内部接通8. 做此实验时应将低频振荡器的幅值关至最小，以减小其对直流电桥的影响六、 创新和思考1．单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用（ ）A.正(受拉)应变片 B.负(受压)应变片 C.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在接入电桥时，应放在（ ） A.对边 B.邻边 C.对边邻边都可以3．查阅资料，谈谈在实际工作和生活中应变片式传感器还有哪些用途七、 实验报告要求1. 根据表1-1实验数据，对单臂电桥时应变称重装置的静态特性（线性度、灵敏度、迟滞和重复性）进行分析。

2. 根据单臂电桥、半桥差动、全桥差动称重实验数据，在同一坐标上绘制出上述结果的三条V-W特性曲线建议采用matlab用最小二乘法拟合曲线）3. 计算三种测量电桥的灵敏度S，实验结果与理想结论是否一致？如不一致分析产生的原因4. 计算并比较单臂电桥、半桥、全桥测量时的非线性误差，得出相应的结论并阐述理由5. 根据单臂电桥、半桥、全桥测量结果，结合对随身物品称重输出电压，分析计算该物品的质量对计算结果进行对比，分析实验误差产生的原因6. 完成创新与思考中的问题。