传感器实验指导书电子版

实验一金属箔式应变片单臂电桥性能实验
一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR/R=Kε
式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，输出电压U0=EKε（E为供桥电压），对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。

（E为供桥电压）。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。

四、实验步骤：
1、根据图(1-1),应变式传感器已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R
2、R
3、R4标志端。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值约为50Ω左右。

2、实验模板差动放大器调零，方法为:①接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，②将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)，完毕关闭主控箱电源。

3、参考图（1-2）接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7在模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调RW4使数显表显示为零。

4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表（1-1）。

表1-1：单臂测量时，输出电压与负载重量的关系：
5、根据表（1-1）计算系统灵敏度S：S=ΔV/ΔW(ΔV为输出电压平均变化量；ΔW 重量变化量)，计算非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%，式中Δm为输出电压值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大电压偏差量：yF·S为满量程时电压输出平均值。

五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负
应变片均可以。

一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

二、基本原理：不同受力方向的两片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U02=EK/ε2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。

三、需用器件与单元：同实验一。

四、实验步骤：
1、保持实验（一）的各旋钮位置不变。

2、根据图1-3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，先粗调Rw1，再细调Rw4，使数显表指示为零。

注意保持增益不变。

3、同实验一（4）步骤，将实验数据记入表（1）-2，计算灵敏度S=ΔV/ΔW，非线性误差δf2。

若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。

表1-2，半桥测量时，输出电压与负载重量的关系
五、思考题：
1、半桥侧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：(1)对边？(2)
邻边的位置？
2、桥路测量时存在非线性误差，是因为：(1)电桥测量原理上存在非线性误差？(2)应
变片应变效应是非线性的？(3)零点偏移？
一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。

二、基本原理：全桥测量电路中，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U03=KEε，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。

三、需用器件和单元：同实验一。

四、实验步骤：
1、保持实验（二）的各旋钮位置不变。

2、根据图1-4接线，将R1、R2、R
3、R4应变片接成全桥，注意受力状态不要接错调节零位旋钮Rw1，并细调Rw4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。

将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。

1-3，全桥测量时,输出电压与负载重量的关系
六、思考题：
1、全桥测量中，当两组对边(R1、R3)电阻值相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1≠R2时，
是否可以组成全桥：(1)可以,(2)不可以。

2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片
电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。

二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性误差，从理论上进行分析比较，阐述理由。

(注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。

实验十四电容式传感器的位移实验
一、实验目的：了解电容式传感器的结构及其特点。

二、基本原理：利用平板电容C=εA/d的关系,在ε（介电常数）、A（极板面积）、d（极
板距离）三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可使电容
的容量(C)发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量,
则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。

②变d的电容式压
力传感器。

③变A的电容式位移传感器。

本实验采用第③种电容传感器,是一种圆
筒形差动变面积式电容传感器。

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、直流稳压电源。

四、实验步骤：
1、按图3-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图4-1。

3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm 记下输出电压值(V)，填入表4-1。

将测微头回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程。

表4-1电容式传感器位移与输出电压的关系
5、根据表4-1数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差δf，分析误差来源。

五、思考题：
试设计一个利用ε的变化测谷物湿度的电容传感器？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
实验二十霍尔转速传感器测速实验
一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理：根据霍尔效应表达式：UH=KHIB, 当KHI不变时,在转速圆
盘上装上Ｎ只磁性体，并在磁钢上方安装一霍尔元件。

圆盘每转一周经过霍尔元件
表面的磁场B从无到有就变化N次，霍尔电势也相应变化N次，此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。

三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、转动源（2000型）或转速测量控制
仪（9000型）。

四、实验步骤：
1、根据图5-4，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，探头对准
转盘内的磁钢。

2、将主控箱上的+5V直流电源加于霍尔转速传感器的电源输入端，红（＋）、绿（⊥），不要接错。

3、将霍尔转速传感器输出端（黄线）插入数显单元fin端，转速/频率表置转速档。

4、将主控台上的+2V—+24V可调直流电源接入转动电机的+2V—+24V输入插口（2000型）。

调节电机转速电位器使转速变化，观察数显表指示的变化。

五、思考题：
1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？
2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否只用一只磁钢。

实验三十五热电偶测温性能实验
(请先仔细阅读P39温控仪表操作说明）
一、实验目的：了解热电偶测量温度的原理与应用。

二、基本原理：将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端(也称自由端)，冷端可以是室温值也可以是经过补偿后的0℃、25℃的模拟温度场。

三、需用器件与单元：K型、E型热电偶、温度源、温度控制仪表、数显单
元（2000型）或温度控制测量仪（9000型）。

四、实验步骤：
1、将热电偶插到温度源两个传感器插孔中任意一个插孔中，（K型、E型已装在一个护套内），K型热电偶的自由端接到主控箱面板上温控部分的Ek端，用它作为标准传感器，配合温控仪表用于设定温度，注意识别引线标记，K型、E型及正极、负极不要接错。

2、将E型热电偶的自由端接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b
孔上，作为被测传感器用于实验，按图11-1接线，热电偶自由端连线中带红色套
管或红色斜线的一条为正端,接入“a”点。

3、将R5、R6端接地，RW2大约置中，打开主控箱电源开关，将V02端与主控箱上
数显电压表Vi端相接，调节Rw3使数显表显示零（电压表置200mv档），打开主控箱
上温仪控开关，设定仪表控制温度值T=50℃，将温度源的两芯电源线插入主控箱温控部分的220V输出插座中。

4、去掉R
5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在50℃时，记录下电压表读数值。

5、重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显电压表指示值与温控仪指示的温度值，并填入表11-1。

表11-1：
6、根据表11-1计算非线性误差δ，灵敏度S。

7、将E型热电偶的自由端连线从实验模板上拆去并接到数显电压表的输入端
（Vi）直接读取热电势值（电压表置200mv档），重复上述⑤过程，根据E型热电偶分
度表查出温度值（加热源与室温之间的温差值）。

8、计算出加热源的温度，并与温控仪的显示值进行比较，试分析误差来源。

附：热电偶分度表，请参阅实验软件光盘中的热电偶分度表内容。

五、思考题：
1、热电偶测量的是温差值还是摄氏温度值？
附温控仪表操作说明
1、通电前检查接线正确无误，感温元件与仪表分度号一致，仪表通电
5秒内显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗先输出代码,后显示PV窗量程上限、SV
量程下限,随后即进入工作状态,按SET键0.5秒SV显示窗闪烁,此时可改变设定值,
再按SET键0.5秒确认,如需修改其它参数,必须按住SET键大于3秒,即进入B菜单,
可按要求逐一修改内容(见操作流程表),修改完毕再按SET键0.5秒若干下, 退出B
菜单,如15秒内无键按下(该窗内新设置的数据无效)自动进入新的工作状态。

2、在输入信号大于量程上限时,仪表显示,在输入信号小于量程下
限时,仪表显示。

3、当温度控制效果不够理想时,可以人工或自整定来改变PID参数。

操作方法如下：①人工修正：将仪表进入B菜单至Ｐ窗，再用键来修正P值，再按SET
键0.5S进入I窗，I、D、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。

②自整定修正：将仪表进入B菜ATU窗后选择(1)(选
0时为不自整定)，选好按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，待自
整定完成AT灯闪时再按SET键2秒确认后即按新的自整定PID参数工作。

用自整修
正PID值时应注意当负载为多段串联加热方式(如挤出机械)，其中某段进入自整定
过程时，应注意保持前拍二段的温度不变,否则会影响自整定效果。

4、PID参数的设置原则:P为比例带(加热侧),如过冲大可加大比例带。

如希
升温快可减小比例带。

I为积分时间，如温度波动较大则加长积分，反之则减小积
分。

一般来说系统滞后现象越严重，积分时间越长。

D为微分时间，一般取积分时
间的(1/5~1/4)。

5、PID控制与位式控制功能的切方法：若需把仪表切换成位式控制(常规仪表
出厂设置均为PID控制)，正常工作状态仪表按住SET键3S以上进入B菜单后，再按SET键0.5S若干下至P窗,把P设为0后按SET键若干下至T窗，把T设为1即进入位式控制，其控温范围(切换差)可通过改变dP值来实现,位式控制时的dP值举例：SV＝
100℃时，设dP=12.5℃,则实际输出控制范围为87.5~112.5℃。

若需返回至PID控
制时,把P、Ｔ、dP值还原即可。

PID控制适用于高精度控温场合,系统配置稳定合
理可达±1个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。

6、进入C菜单的设置方法：(C菜单因仪表功能不同而有所不同; 非专业人士
及无特殊情况下请勿进入C菜单)。

先进入B菜单的ATU窗后同时按住▲▼键0.5秒
至PV窗显示L，可设置量程下限；再按SET键0.5秒，PV 窗显示H,可设置量程上限; 按SET 0.5秒，PV窗显示LP，LP=下冲限，常规值2~6；按SET 0.5秒，PV窗显示L1，
在L1值内无开机及设定后默认值,常规6~10；按SET 0.5秒，PV窗显示HL，在SV窗
选1或0，(选1时=AL1=上限报警，若选0时=AL2=下限报警）；按SET 0.5秒，PV窗
显示A，在SV窗选1或0，选1时为绝对值报警(报警设定值=报警输出值)，选0时=偏差值报警(主控值±报警设定值=报警输出值)；当测量值低于下限报警输出值时
ALM灯亮下限继电器吸合，高于上限报警输出值时ALM灯亮，上限继电器吸合；再按SET 0.5秒，PV窗显示I，I常规3~内大控制快；按SET 0.5秒，PV窗显示E，E为抗干扰等级，0=常规，1=加强，按SET 0.5秒，PV窗显示P，P(30-100%)为输出最大
功率限制，按SET 0.5秒即进入新的工作状态。

7、若控温失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。

按键不
起作用，请检查LCK键是否被锁定。

8、操作流程表。