检测与传感器实验讲义(董)

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R 1。无应变时，ΔR 1=0，此时电桥平衡，U 0=0；若应变片受力作用产生应变，则该臂阻值为R 1+ΔR 1，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

3431111

012411234

113

(/)(/)(1)(1)

S S S R R R R R R R U U U U R R R R R R R R R R R ⋅∆+∆=

-=∆+∆+++++ (1)

设电桥初始平衡时，

4213R R ==n R R ，且若11

R

n R ∆<<，则(1)式近似地为 1021

(1)S

R n

U U n R ∆≈

⋅+ (2)

所以电桥的电压灵敏度

S u U n n

R R U S 2

1101)

1(/+≈∆=

(3) 进一步设n=1，即有 R 1= R 2= R 3= R 4，可求得最大电压灵敏度为

S u U S 4

1

1≈

(4) 上述讨论是在

11R n R ∆<<情况下进行，桥路的输出电压与应变的关系0()11

R

U f R ∆=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

1

1

R R ∆就不能忽略，0(

)1

1

R U f R ∆=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R 1= R 2= R 3= R 4，且ΔR 1=ΔR 2，则电桥输出

1

433121111021)(

R R U U R R R R R R R R R U S S ∆=+-∆-+∆+∆+= (5)

所以半桥的电压灵敏度

S u U S 2

1

2= (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R 1= R 2= R 3 =R 4，且ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4，则此时的输出电压和电压灵敏度为

1

0S 1

R U =U R ∆⋅

(7) S u U S =3 (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V i相连。

○2将实验模板增益调节电位器R w3调节到大致中间位置。

○3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R W4，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V o+、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R w1，使数显表显示为零，当调节R w1调零困难时，可以使用R w4微调实现调零。

图1.3 应变式传感器模块面板图