1实验设备简介（一）传感器种类：金属箔应变片式传感器、半导体应变片、电容传感器、电涡流传感器、霍尔位移传感器、光电传感器、磁电传感器、温度传感器和湿度传感器等。（二）实验台信号及显示部分1、气压装置：由气泵、气压表、流量计、储气箱组成。2、低频振荡器：130Hz 输出连续可调，V P-P 值 20V，Vi 端插口可提供用作电流放大器。3、音频振荡器：110kHz 输出连续可调，V P-P 值 20V，180为反相输出。4、直流稳压电源：（1）15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出电流 1.5A。（2）2V10V，档距 2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流 1.5A。（3）224V 可调直流电源5、数字式电压表：分 20mv、 2V、20V 三档，由 Vin 接线口接出，在“显示选择”处显示。6、频率/转速表：在 Fin 接线口接出。（三）处理电路：由电桥电路、差动放大电路、光电变换电路等组成，具体见实验模板。使用本仪器时打开电源开关，检查交、直流信号及显示仪表是否正常。请注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各种传感器测试电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。传感器基础知识一、传感器的定义传感器（transducer 或 senor）是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。合格的传感器应该满足：输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。二、静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系保持线性。1、 线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（FS）输出值的百2分比称为线性度。非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同。2、 灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。由图 1-5 可知，线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度 K。非线性传感器的灵敏度用dY/dX 表示，此外，传感器静态特性还有精确度、分辨力、重复性等指标。%10maxSFLY式中 Ymax：校准曲线与拟合直线间的最大偏差；YF.S ：传感器满量程输出, Y F.S = Ymax-Y0。1实验 1 转速测量实验一、实验目的：了解光电传感器、磁电转速传感器测转速的原理二、实验原理：1光电传感器测速原理用光电法测量转速的原理是：将旋转轴的转速变换为相应频率的电脉冲，测出脉冲的频率，即可得到转速值。光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，由光敏三极管和发光二极管相对组成。在被测转轴上安装一圆盘，上面开有 6 个圆孔。圆盘一侧是发光二极管，另一侧是光敏三极管。由发光二极管产生恒定光，当圆盘转动时，透过圆盘上的孔照射到光敏三极管上，转换成相应的电脉冲信号，经放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速可以由脉冲信号的频率来决定。若开孔盘的孔数为 N，转轴每分钟转数为 n，则每秒钟产生的电脉冲数（频率）为 fNn/60，即 n=60f/N 在本实验中，N6，所以 n=10f（转速与频率的关系） 。2磁电转速传感器基于电磁感应原理，N 匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势： 发生变化，因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生 N 次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。三、实验器材：光电转速传感器、磁电转速传感器、直流源5V 、转动源 224V 、转动源单元、数显单元的转速显示部分，导线。四、实验内容：（一）光电传感器测速1光电转速传感器已安装在转动源上，把转动源上的5V、接地和输出分别与主控箱上的5V、地、数显表的 Fin 相连。数显表转换开关打到转速档。2将转速调节电源 224V 输出接到转动源 212V 插孔上。3合上主控箱电源开关，调节转速源 224V 旋钮，每增大 0.5V，从转速表上观察电机转速。V（v）n(转/分)dte2（二）磁电传感器测速1、 磁电式转速传感器按图 1 安装传感器端面离转动盘面 2mm 左右。将磁电式传感器输出端插入数显单元 Fin 孔。 （磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）2、 将显示开关选择转速测量档。3、 将转速电源 224V 用引线引入到台面板上 24V 插孔，合上主控箱电开关。使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。4、五、实验报告：1光电传感器是 （透射型、反射型） ，频率和转速的关系是什么？2整理二个表中数据，在同一坐标图上绘出 V-n 曲线，计算灵敏度和线性度。六、注意事项：1、连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。2、接插线插入插孔时保证接触良好，拔出时要轻轻地拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。V（v）n(转/分)3实验 2 扩散硅压阻传感器的压力测量实验一、实验目的：1了解扩散硅式压力传感器的结构。2掌握扩散硅式压力传感器测量压力的原理和方法。二、实验内容1.半导体应变片性能的测试2.制作气压计三、实验原理：压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，具有灵敏度高、动态响应好、精度高。易于微型化和集成化的特点。1、压阻效应：单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。对于半导体材料，根据公式 可得出电阻相对变化量SdlRd应 变弹 性 模 量 ；压 阻 系 数 ；式 中 E)21()21(Rd因此，半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生明显变化。 （问题：是电阻的那个参数主要影响电阻的变化）2、实验中用的是扩散硅压阻式压力传感器，实验原理见图 1（a） ，实验接线见图 1（b） ，它是将 P 型杂质扩散到一片 N 型单晶硅的基片上，形成一层极薄的导电 P 型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。如果在圆形硅膜片上扩散出四个呈 X 型的等值电阻，构成惠斯通电桥的四个臂，在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。a 原理图 b 接线图（把需要接的几条线用动画标注）图 1 实验原理图和接线图3、差分放大电路：（见模板上电路图）IC1 和 IC2 是安全对称的同相放大器，IC3 为差分放大器，对 IC1 和 IC2 的输出电压实行减法4运算。电阻 R1=R2，R3=R4，R5=R6。该电路的差模电压放大倍数为 。电位器的作用1235WufRA四、实验步骤：（一） 半导体应变片性能的测试（1）安装传感器并接线：将压阻式压力传感器安装在实验模板的支座上，将传感器的导压橡胶管头部插入主控箱面板上的气源插座内（注意橡胶管拔出时用手指压住气源插座边缘往内压） 。按照原理图接线。（2）电路调零：将增益电位器 RW1 调到某一位置并保持不变，开启主机电源，调节零位电位器 RW2，使实验模块输出为 0。（3）开启气源开关，调节流量计旋钮，此时可看到流量计中的滚珠浮子在向上浮起悬于玻璃管中，使压力显示在 117KP 之间，每上升 1KP 分别读取压力表读数，记下相应的电压值，记于表1 中。找出该传感器测量的线性范围。注意：如果让气压保持在某一个值，应形成动态过程。 （气源打开充气，同时流量计打开到某一开度进行放气，才能使气压保持） 。P (KPa) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V0(V)P (KPa) 11 12 13 14 15 16 17V0(V)（二） 制作气压计1电路仍按照上图连接。2标定电路：首先要在上一步实验中找到该传感器的线性范围，在该线性范围内制作气压计。如果传感器的线性范围是 312KPa，调节流量计的调节阀，输入 3KPa 气压，调节实验模板的RW2（调零电位器） ，使电压表显示 0.3V，再输入 12KPa 气压，这时调节实验模板的 RW1（增益电位器） ，使电压表显示 1.2V。3重复第 2 步使电压表显示与气压表显示满足对应关系。再验证一下电压值随气压变化值，填于表中。P (KPa)V0(V)五、实验报告：1.整理表 1 的数据，作出 V-P 的曲线图，写出传感器的线性范围，计算灵敏度和线性度。2. 压阻式传感器是基于什么原理？简述该原理。3. 实验电路中， RW1 和 RW2 的作用分别是什么？5实验 3 金属箔应变片传感器压力测量实验一、实验目的：1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。2测试应变梁变形的应变输出。3比较单臂、半桥、全桥电路的不同性能、了解其特点。二、实验原理：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，由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂等组成。金属箔式应变片传感器的核心元件是金属应变片，它是基于电阻应变效应制成的。1、应变效应导体材料在外界作用下（如压力）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为应变效应。把依据这种效应制成的应变片粘贴在测试材料表面，当被测件受力发生形变，所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值发生相应的变化，且电阻相对变化与所受到的应变之间具有线性关系，用公式表示即：KR/或式中： 为电阻丝电阻相对变化；=L/L 为应变；K 为应变灵敏系数，表示导线每单位应变引起的阻值相对变化量。2、测量电路（1）电桥电路电桥电路的作用完成电阻到电压的比例变化，它是是最常用的非电量电测电路中的一种，如图1 所示。当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零。四个桥臂电阻任意一个、两个，三个甚至四个有变化时，电桥不平衡，输出电压 U 不等于零，此时的输出电压 U 就反映了桥臂电阻的变化。6图 1 电桥电路原理图单臂电桥：一个桥臂电阻有变化。例如当 R1 电阻有 R 的变化，则电阻变化率为 。如果RRX 增大， A 点电位下降，而 B 点电位不变，所以输出上负下正的电压；如果 RX 减小，A 点电位上升，而 B 点电位不变，所以输出下负上正的电压；半桥电路：两个桥臂电阻有相同的电阻变化，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，即二个应变片组成差动状态工作时，例如 R1 和 R2 发生变化 R，阻值分别变化为（R1+R ）和（R2-R ） ，则电阻变化率为 。R/2当 Rx 增大时，A 点电位下降，且当 R3 减小时，A 点电位下降。所以当 Rx 增大、且 R3 减小时，A 点电位下降 2 倍。输出电压也就是单臂电桥的 2 倍。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。所以差动形式会使电桥输出电压增大。全桥电路：四个桥臂电阻都有变化，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，例如四个电阻都变化了 R，则电阻变化率为 。其桥路输出电压 U03EK，其输出灵敏度比半桥又提高R/4了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。分析 R1 和 R2 的受力方向。注意：应变片的受力方向一定要接成差动形式，即相邻臂受力方向相反，相对臂受力方向相同。（2）放大电路（见模板上电路图）IC1 和 IC2 是安全对称的同相放大器，IC3 为差分放大器，对 IC1 和 IC2 的输出电压实行减法运算。电阻 R9=R10，R11=R12，R13=R14。该电路的差模电压放大倍数为 3921RAufRW3 ：放大电路增益电位器，调节电路放大倍数 ；RW4：放大电路调零电位器。三、实验器材：应变式传感器实验模板、应变式传感器电子秤、砝码、数显表、15V 电源、4V 电源。实验仪器上各