太原理工大学学生实验报告

学院名称 学生姓名 课程名称 现代科技学院 刘洁琼 专业班级 同组人姓名 信息08-2 学号 2008100780 岳文远、郑耀强、陈书星 实验成绩 实验日期 传感器原理与应用 实验题目 实验一 温度传感器实验 一、实验目的 掌握温度传感器的特性、工作原理及其应用。 二、实验原理 实验电路图如图1-2所示，R2用作加热电阻，R3为负温度系数热敏电阻NTC，用来检测加热温度的变化，R3、R4、R5、R6组成全桥电路，当J1的1-2端、J2的1-2端断开时，则桥路后面的精密仪器放大器的输入电压为0，此时可以通过调节电位器RW对放大电路进行调0；当J1的1-2端、J2的1-2端接通时，则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大，从而在Uo的输出端得到随加热温度变化而变化的电压信号。 本实验中的温度传感器采用了热敏电阻，热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC（Negative Temperature coefficient Thermistor）和正温度系数热敏电阻PTC（Positive Temperature Coefficient Thermistor），临界温度系数热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）三种，本实验用的是负温度系数热敏电阻NTC，NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于100~3000C之间的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为：0，式中，R0是在25C时或其他参考温度时的RTR0e电阻，T0是热力学温度（K），B称为材料的特征温度，其值 图1-1 B1T1T0与温度有关，主要用于温度测量。 NTC和PTC的特征曲线如图1-1所示：

图1-2 三、实验设备 万用表（自备）、温度传感器调理模块。 四、实验内容与步骤 1． 将“温度传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上； 2． 在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）； 3． 进行调理电路的调零：先将“温度传感器调理模块”的拨动开关拨向下方（此时模块上的灯暗）；用短路帽短接此模块上J1、J2下方的两个插脚，再调节电位器RW，用万用表测量UO的两端，使输出电压为零；再把短路帽切换到J1、J2上方的两个插脚。 4． 调零完成之后，再把拨动开关拨向上方（模块上的灯亮），此时电阻R2处于加热状态，用万用表测量UO的两端，在加热过程中，观测并记录输出电压的变化情况。 五、思考题 归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。 答：NTC/PTC都属于热敏电阻。PTC指正温度系数热敏电阻；NTC指负温度系数热敏电阻；PTC用于过载、过流、过热、过温保护如充电器、空调、开关电源等的过流过载短路保护。NTC一般用于温度测量及控制和抑制浪涌电流比如手机电池保护及办公自动化设备的电路保护、电子温度度计、空调、冰箱、饮水机等家用电器。 六、实验数据 等待电压变化不是很快时每隔10s记录一次数据 间隔（s） 0 电压(v) -2.00 10 -2.04 20 -2.09 30 -2.14 40 -2.18 50 -2.23 60 -2.27 70 -2.30 80 -2.34 90 -2.37 七、实验结果与分析 -1.8-1.9-2-2.1-2.2-2.3-2.4电压(v)0102030405060708090 分析：随着温度的增加，电压变化减慢，其值逐渐减小 八、实验报告要求 1． 整理实验数据，分析热敏电阻NTC的阻值随温度变化的情况； 2． 画出热敏电阻NTC的温度特征曲线。 实验室名称 指导教师签名： 太原理工大学学生实验报告

学院名称 学生姓名 课程名称 现代科技学院 刘洁琼 专业班级 同组人姓名 信息08-2 学号 2008100780 岳文远、郑耀强、陈书星 实验成绩 实验日期 传感器原理与应用 实验题目 实验二金属箔式应变片——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、 实验原理 应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1 型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。 图2-2 应变式传感器安装示意图 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。 金属的电阻表达式为： l （1） S当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变R化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： RlS （2） RlS式中的l应变为rl6为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1×10mmmm）。若径向r，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为r（l），因为rlS=2（r），则（2）式可以写成： SrRlll （3） （12）（12）k0Rlllll式（3）为“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个 因素影响，一个是（1+2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是（），是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则k012，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系 E （4） 式中 σ——测试的应力； E——材料弹性模量。 可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压 U= EKε/4，式中E为电桥供电电压，K为应变灵敏系数。 应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。 图2-1应变式传感器信号调理实验电路图 三、实验设备 THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表（自备）、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。 四、实验内容与步骤 1． 将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错） 2． 检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。） 3． 按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图2-3所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，使数显表显示约为零（万用表2V档测量）。 4． 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表2-1，关闭电源。 图2-3 应变式传感器单臂电桥实验接线图 5． 根据表1-1计算系统灵敏度SU/W（U输出电压的变化量，W重量变化量） 和非线性误差δf1=Δm/yFS ×100％ 式中m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值，此处为200g。 五、实验注意事项 1． 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。 2． 电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。 六、实验数据 重量(g) 0 20 0.18 0.13 40 0.34 0.31 60 0.52 0.49 80 0.70 0.67 100 0.88 0.86 120 1.05 1.04 140 1.23 1.22 160 1.41 1.41 180 1.59 1.59 电压1(v) 0 电压2(v) -0.05 七、实验结果与分析 1.81.61.41.210.80.60.40.20-0.2折线图 1折线图 2020406080100120140160180 分析：两条直线不重合，是由于仪器线性度不好所造成的，曲线中可看出输出电压与应力成正比。 八、思考题 分析产生非线性误差的原因。 答： 主要原因是：电阻阻值的相对变化大时，非线性度越大。 实验室名称 指导教师签名： 太原理工大学学生实验报告

学院名称 学生姓名 课程名称 现代科技学院 刘洁琼 专业班级 同组人姓名 信息08-2 学号 2008100780 岳文远、郑耀强、陈书星 实验成绩 实验日期 传感器原理与应用 实验题目 实验三 金属箔式应变片——半桥性能实验 一、实验目的 1． 掌握半桥的工作原理。 2． 比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 二、实验原理 把不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝U= EKε/2。 三、实验设备 传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件中应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。 四、实验内容与步骤 1． 接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将图2-1的输入端Ui两端均与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。） 2． 根据图3-1接线。R1、R2为实验模板上的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，所标的箭头表示受力方向，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验二中的步骤 图3-1 应变式传感器半桥实验接线图 3． 5，将实验数据记入表3-1，计算灵敏度S2U/W，非线性误差f2。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。 五、实验注意事项 1． 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。 2． 电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。 六、实验数据 万用表20V档测量。砝码重量20g。 表3-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量（g） 0 电压1（V） 0.05 电压2（V 0.05 20 0.40 0.39 40 0.74 0.74 60 1.09 1.09 80 1.44 1.44 100 1.78 1.78 120 2.13 2.13 140 2.48 2.48 160 2.82 2.82 180 3.17 3.17 200 3.51 3.51 七、实验结果与分析 43.532.521.510.50020406080100120140160180200 电压1电压2分析：输出电压与负载重量呈线性关系，并且灵敏度是单臂时的两倍。 八、思考题 1半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边？（2）邻边？ 答：邻边 2桥路（差动电桥）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？（2）应变片应变效应是非线性的？（3）调零值不是真正为零？ 答：调零值不是真正为零 九、实验报告要求 1． 记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。 2.分析为什么半桥的输出灵敏度比单臂电桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。 答：因为在试件上安装了两个工作应变片：一个受拉应变，一个受压应变接入电桥相邻桥臂另两个R为固定电阻。采用了差动结构，所以减小了非线性误差。 实验室名称 指导教师签名： 太原理工大学学生实验报告

学院名称 学生姓名 课程名称 现代科技学院 刘洁琼 专业班级 同组人姓名 信息08-2 学号 2008100780 岳文远、郑耀强、陈书星 实验成绩 实验日期 传感器原理与应用 实验题目 实验四 金属箔式应变片——全桥性能实验 一、实验目的 掌握全桥测量电路的原理及优点。 二、实验原理 全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。 三、实验设备 THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。 四、实验内容与步骤 根据4-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表4-1；进行灵敏度和非线性误差计算。 图4-1 应变式传感器全桥实验接线图 五、实验注意事项 1． 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。 2． 电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。 六、实验数据 表4-1全桥输出电压与加负载重量值 重量（g） 电压1 电压2 0 0 0.01 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0.69 1.37 2.06 2.75 3.44 4.13 4.82 5.52 6.21 6.90 0.70 1.39 2.08 2.77 3.46 4.14 4.83 5.52 6.21 6.90 七、实验结果与分析 8763210020406080100120140160180200 电压1电压2分析：输出电压与负载重量成正比，灵敏度是单臂时的4倍。 八、实验报告要求 1.根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。 2.比较单臂、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出 相应的结论。 全桥将电桥四臂接入四个应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上构成全桥差动电路。全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的四倍。 实验室名称 指导教师签名： 太原理工大学学生实验报告

学院名称 学生姓名 课程名称 现代科技学院 刘洁琼 专业班级 同组人姓名 信息08-2 学号 2008100780 岳文远、郑耀强、陈书星 实验成绩 实验日期 传感器原理与应用 实验题目 实验五 电容式传感器的位移特性实验 一、实验目的 了解电容式传感器的结构及其特点。 二、实验原理 平板电容器电容C＝s/d，它的三个参数 、S、d中，保持两个参数不变，只改变其中一个参数，则可用于测量谷物干燥度（变）、测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响。圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为： C2l （1） lnr2r1式中 l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l时，电容变化量C为： C2ll2l2ll （2） C0llnr2r1lnr2r1lnr2r1于是，可得其静态灵敏度为： C2ll2ll4 （3） kg/lr2r2r2llnlnlnrrr111 可见灵敏度Kg与r2r1有关，r2与r1越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。 本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，如图5-1所示，此结构可以消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。其安装示意图如图5-2所示 图5-2 图5-1圆柱形差动式电容传感器示意图 图5-2圆柱形差动式电容传感器实验装置安装示意图。 电容式传感器调理模块的电路图如图5-3所示 图5-3 三、实验设备 THVZ-1型传感器实验箱、电容传感器、测微头、万用表（自备）、信号调理挂箱、电容式传感器调理模块。 四、实验步骤 1．将“电容传感器调理模块电路图”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）； 2． 将电容式传感器引线插头插入信号调理挂箱“电容式传感器调理模块”旁边的黑色九芯插孔中； 3． 调节“电容式传感器调理模块”上的电位器Rw1，逆时针调节Rw1使旋到底。用万用表测量此模块上输出两端的电压Uo； 4． 旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移量X与输出电压Uo，填入表5-1。 五、实验注意事项 1． 传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。 2． 做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。 六、实验数据 X(mm) 15 -0.88 15.2 -0.90 15.4 -0.91 15.6 -0.92 15.8 -0.93 16.0 -0.94 16.2 -0.96 16.4 -0.97 16.6 -0.98 16.8 -0.99 Uo(v) 七、实验结果与分析 -0.82-0.8415-0.86-0.88-0.9-0.92-0.94-0.96-0.98-115.215.415.615.81616.216.416.616.8Uo(v) 分析：此线性度不好是由于非等间距读数及仪器线性度不好造成的。 八、思考题 简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。 答：电容式传感器极板之间存在静电场，式边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘效应，这相当于再传感器的电容里并联了一个电容，这就叫边缘效应。不利影响：会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍让存在，且灵敏度下降。 九、实验报告要求 1． 整理实验数据，根据所得的实验数据画出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法画出拟合直线，计算该传感器的非线性误差f。 2． 根据实验结果，分析引起这些非线性误差的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。 实验室名称 指导教师签名： 十、实验心得 实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。在实验中遇到问题时要仔细考虑可能出现问题的地方然后用所学知识一一排除，排除时可用万用表的二极管档对电路进行检测，如果两端连接正确则万用表会发出“滴”的一声，若不正确则无反应。传感器与测试技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。 通过这次实验使我加深理解了所学的基础知识，掌握了各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；锻炼了我测试系统的选择及应用能力；实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验技能的训练与分析能力的训练，使我初步掌握了测试技术的基本方法，具有初步进行机械工程测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深了对理论知识的理解。 通过课程实验，以下能力得到了较大的提高： 1、了解常用传感器的原理和应用，以及传感器使用的注意事项及各种测试中不同传感器的选择方法。 2、 培养具有综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论； 3、 培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力； 这次实验让我明白我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。 实验室名称 指导教师签名： 课程名称：实验项目：实验地点：

专业班级：

学生姓名：指导教师：

本科实验报告

传感器原理与检测技术

北区多学科楼406 信息08-2 学号： 2008100780 刘洁琼

乔铁柱 沈慧钧 李槐生

2011年 11 月 14 日