【正文】 傳感器原理及檢測技術(shù)實驗指導(dǎo)書李 鍶 張敏 譚竹梅編著機械設(shè)計制造及控制中心教材前 言傳感器原理及檢測技術(shù)課程是和實際應(yīng)用結(jié)合非常緊密的課程，因此實踐教學(xué)對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神的實踐能力具有特殊作用。綜合實驗環(huán)節(jié)是課堂理論教學(xué)的重要補充，目的是使學(xué)生加深對課堂講述理論內(nèi)容的理解和掌握，更重要的是對學(xué)生進行實驗技能的基本訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，樹立工程實際觀點和嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，得到科學(xué)研究的初步訓(xùn)練。本實驗課的目的在于培養(yǎng)學(xué)生掌握傳感器應(yīng)用及檢測技術(shù)的基本實驗方法與操作技能，通過實驗教學(xué)，使學(xué)生對常用測量傳感器的工作原理、物理結(jié)構(gòu)、測量電路和實際應(yīng)用等形成感性認識，加深學(xué)生對傳感器的選型、調(diào)理電路設(shè)計方法的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，并能根據(jù)實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容及實驗設(shè)備進行傳感器應(yīng)用的自行設(shè)計，確定實驗步驟，測取所需數(shù)據(jù)，進行分析研究，得出必要結(jié)論，從而完成實驗報告，達到培養(yǎng)學(xué)生在傳感器應(yīng)用及檢測技術(shù)中具備分析問題和解決問題的初步能力，為今后在工程實際中設(shè)計性能優(yōu)良的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。實驗教學(xué)與理論教學(xué)緊密配合，理論上難于理解的內(nèi)容通過實驗進行分析和驗證；將課程分解出若干個知識點，從知識應(yīng)用的角度議定實驗項目，從工程應(yīng)用的角度議定實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力。本課程開設(shè)2個必修實驗（4課時），其他為18課時的選修實驗，在任選實驗時，根據(jù)學(xué)生掌握知識的程度選做4課時實驗。 實驗一：金屬箔式應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋比較實驗實驗學(xué)時：2實驗類型：驗證 實驗要求：（必修）一、實驗?zāi)康? 熟悉CSY998型傳感器系統(tǒng)實驗儀的結(jié)構(gòu)及使用方法 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，電橋工作原理，放大器性能。通過實驗增加學(xué)生對傳感器的感性認識。驗證單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關(guān)系。 二、實驗內(nèi)容單臂電橋?qū)嶒灠霕螂娐沸阅軐嶒?，比較金屬應(yīng)變片半橋和單臂橋的性能。全橋電路性能實驗，了解全橋測量電路的優(yōu)點。三、實驗原理、方法和手段電阻應(yīng)變式傳感器簡稱電阻應(yīng)變計 , 結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)將電阻應(yīng)變計用特殊膠劑粘在被測構(gòu)件的表面上時，則敏感元件將隨構(gòu)件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構(gòu)件的變形保持一定的線性關(guān)系，進而通過相應(yīng)的二次儀表系統(tǒng)即可測得構(gòu)件的變形。通過應(yīng)變計在構(gòu)件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即可測得應(yīng)力、變形、扭矩等機械參數(shù) 金屬箔式電阻應(yīng)變片典型結(jié)構(gòu)敏感柵是用柵狀金屬箔片代替金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能 好等優(yōu)點，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片。 應(yīng)變式傳感器的工作原理：應(yīng)變電阻在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。實驗時，將金屬箔式應(yīng)變片貼在一個懸臂梁上，改變測微頭，使應(yīng)變電阻發(fā)生機械變形，通過放大器輸出電量的變化， 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。 單臂、半橋、全橋電路的工作原理單臂、半橋、全橋是指在電橋組成工作時，有一個橋臂、二個橋臂、四個橋臂（用應(yīng)變片）阻值都隨被測物理量而變化。相鄰邊兩橋臂電阻變化是各自引起的輸出電壓相減，相對邊二橋臂電阻變化是各自引起的輸出電壓相加。選用正確的應(yīng)變片，可以提高電橋的靈敏度。四、實驗儀器設(shè)備CSY998型傳感器系統(tǒng)實驗儀所需單元和部件：直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、F／V表、雙孔懸臂梁稱重傳感器、應(yīng)變片、砝碼、主、副電源。五、實驗步驟直流穩(wěn)壓電源打到177。2V檔，F(xiàn)／V表打到2V檔，差動放大器增益打到最大。(1)了解所需單元、部件在實驗儀上的所在位置，觀察梁上的應(yīng)變片，應(yīng)變片為棕色襯底箔式結(jié)構(gòu)小方薄片。上下二片梁的外表面各貼二片受力應(yīng)變片和一片補償應(yīng)變片，測微頭在雙平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右調(diào)節(jié)。（2）將差動放大器調(diào)零：用連線將差動放大器的正（＋）、負（－）、地短接。將差動放大器的輸出端與F／V表的輸入插口Vi 相連；開啟主、副電源；調(diào)節(jié)差動放大器的增益到最大位置，然后調(diào)整差動放大器的調(diào)零旋鈕使F／V表顯示為零，關(guān)閉主、副電源。圖11 實驗電路接線圖（3）根據(jù)圖11接線RRR3為電橋單元的固定電阻。R4為應(yīng)變片；將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置177。4V檔，F(xiàn)／V表置20V檔。開啟主、副電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的W1，使F／V表顯示為零，等待數(shù)分鐘后將F／V表置2V檔，再調(diào)電橋W1（慢慢地調(diào)），使F／V表顯示為零。（4）在傳感器托盤上放上一只砝碼，記下此時的電壓數(shù)值，然后每增加一只砝碼記下一個數(shù)值并將這些數(shù)值填入下表。根據(jù)所得結(jié)果計算系統(tǒng)靈敏度S=ΔV／ΔW，并作出VW關(guān)系曲線，ΔV為電壓變化率，ΔW為相應(yīng)的重量變化率。重量（g）電壓（mV） (5)保持放大器增益不變，將R3固定電阻換為與R4工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片即取二片受力方向不同應(yīng)變片，形成半橋，調(diào)節(jié)電橋W1使F／V表顯示表顯示為零，重復(fù)（3）過程同樣測得讀數(shù)，填入下表：重量（g）電壓（mV）（6）保持差動放大器增益不變，將R1，R2兩個固定電阻換成另兩片受力應(yīng)變片組橋時只要掌握對臂應(yīng)變片的受力方向相同，鄰臂應(yīng)變片的受力方向相反即可，否則相互抵消沒有輸出。接成一個直流全橋，調(diào)節(jié)電橋W1同樣使F／V表顯示零。重復(fù)（3）過程將讀出數(shù)據(jù)填入下表：重量（g）電壓（mV）(7) 在同一坐標紙上描出XV曲線，比較三種接法的靈敏度。注意事項：(1) 在更換應(yīng)變片時應(yīng)將電源關(guān)閉。(2) 在實驗過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應(yīng)將電壓量程擴大。(3) 在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。(4) 直流穩(wěn)壓電源177。4V不能打的過大，以免損壞應(yīng)變片或造成嚴重自熱效應(yīng)。(5) 接全橋時請注意區(qū)別各片子的工作狀態(tài)方向。六、實驗報告要求實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：預(yù)習(xí)報告：在預(yù)習(xí)報告中要寫出實驗?zāi)康?、要求，需要用到的儀器設(shè)備、物品資料、實驗原理圖、主要操作方法以及簡要的實驗步驟。實驗數(shù)據(jù)、及處理方法：將實驗中所做的每一步操作、觀察到的現(xiàn)象和所測得的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件如實地記錄下來。實驗記錄中應(yīng)有指導(dǎo)教師的簽名。實驗結(jié)果及分析：對實驗數(shù)據(jù)、實驗中的特殊現(xiàn)象、實驗操作的成敗、實驗的關(guān)鍵點等內(nèi)容進行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法等。七、思考題單臂橋測量時，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：⑴ 正（受力）應(yīng)變片 ⑵ 負（受力）應(yīng)變片 ⑶ 正、負應(yīng)變片均可以。測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)放在：⑴ 對邊 ⑵ 鄰邊全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R1185。、R3185。為對邊）電阻值R相同時，R1185。=R3185。， R2185。=R4185。而R1185。 ≠R2185。時，是否可以組成全橋？⑴ 可以 ⑵ 不可以實驗二：霍爾式傳感器的特性及應(yīng)用實驗實驗學(xué)時：2實驗類型：綜合 實驗要求：（必修）一、實驗?zāi)康? 了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)； 了解霍爾式傳感器的原理與特性； 了解霍爾式傳感器在靜態(tài)測量中的應(yīng)用 。二、相關(guān)知識點 霍爾式傳感器的特性的研究；霍爾式傳感器在靜態(tài)測量中的應(yīng)用—電子秤。三、實驗原理、方法和手段若在如圖所示的金屬或半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 ，在與薄片方向上施加磁感應(yīng)強度為 的磁場，那么在垂直于電流和磁場方向的薄片的另兩側(cè)會產(chǎn)生電動勢 ， 的大小正比于控制電流 和磁感應(yīng)強度 ，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱霍爾傳感器。 霍爾電勢 　　霍爾系數(shù) ，其中 為載流體的電阻率， 為載流子的遷移率，半導(dǎo)體材料（尤其是 N 型半導(dǎo)體）電阻率較大，載流子遷移率很高，因而可以獲得很大的霍爾系數(shù)，適于制造霍爾傳感器。 　　 若磁場方向與元件平面成一角度 時，則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即 ，則有 　　 當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出電勢的方向也將改變，若電流和磁場同時改變方向時，霍爾電勢方向不變。 霍爾電勢的大小正比于控制電流 和磁感應(yīng)強度 ，靈敏度 表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時輸出霍爾電勢的大小，一般要求越大越好，元件的厚度 越薄， 越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小只和控制電流 和磁感應(yīng)強度 有關(guān)，因此霍爾傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動等。四、實驗儀器設(shè)備 CSY998型傳感器系統(tǒng)實驗儀 所需單元及部件：霍爾片、磁路系統(tǒng)、電橋、差動放大器、F／V表、直流穩(wěn)壓電源、測微頭、振動平臺、主、副電源。五、實驗步驟及結(jié)果測試 霍爾式傳感器的特性的研究差動放大器增益旋鈕打到最小，電壓表置２０Ｖ檔，直流穩(wěn)壓電源置２Ｖ檔，主、副電源關(guān)閉。（１） 了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)及實驗儀上的安裝位置，熟悉實驗面板上霍爾片的符號?；魻柶惭b在實驗儀的振動圓盤上，兩個半圓永久磁鋼固定在實驗儀的頂板上，二者組合成霍爾傳感器。（２） 開啟主、副電源將差動放大器調(diào)零后，增益置最小，關(guān)閉主電源，根據(jù)圖１接線，Ｗ１、r為電橋單元的直流電橋平衡網(wǎng)絡(luò)。圖１（３） 裝好測微頭，調(diào)節(jié)測微頭與振動臺吸合并使霍爾片置于半圓磁鋼上下正中位置。（４） 開啟主、副電源調(diào)整Ｗ１使電壓表指示為零。（５） 上下旋動測微頭，記下電壓表的讀數(shù)，將讀數(shù)填入表1：作出Ｖ－Ｘ曲線指出線性范圍，求出靈敏度，關(guān)閉主、副電源?？梢?，本實驗測出的實際上是磁場情況，磁場分布為梯度磁場與磁場分布有很大差異，位移測量的線性度，靈敏度與磁場分布有很大關(guān)系。（6）實驗完畢關(guān)閉主、副電源，各旋鈕置初始位置。注意事項：（１） 由于磁路系統(tǒng)的氣隙較大，應(yīng)使霍爾片盡量靠近極靴，以提高靈敏度。（２） 一旦調(diào)整好后，測量過程中不能移動磁路系統(tǒng)。（３） 激勵電壓不能過大，以免損壞霍爾片。數(shù)據(jù)：表1X(mm)V(V)X(mm)V(v)霍爾式傳感器在靜態(tài)測量中的應(yīng)用—電子秤所需單元及部件：霍爾片、磁路系統(tǒng)、差動放大器、直流穩(wěn)壓電源、電橋、砝碼、F／V表（電壓表）、主、副電源、振動平臺。直流穩(wěn)壓電源２Ｖ，電壓表２Ｖ檔，主、副電源關(guān)閉。（１） 開啟主、副電源將差動放大器調(diào)零，關(guān)閉主、副電源。（２） 調(diào)節(jié)測微頭脫離平臺并遠離振動臺。（３） 按圖１接線，開啟主、副電源，將系統(tǒng)調(diào)零。（４） 差動放大器增益調(diào)至最小位置，然后不再改變。（５） 在稱重平臺上放上砝碼，填入下表： (６)在平面上放一個未知重量之物，記下表頭讀數(shù)。根據(jù)實驗結(jié)果作出Ｖ－Ｗ曲線，求得未知重量。注意事項：（１） 此霍爾傳感器的線性范圍較小，所以砝碼和重物不應(yīng)太重。（２） 砝碼應(yīng)置于平臺的中間部分。數(shù)據(jù)W(g)V(v)六、實驗報告要求實驗報告應(yīng)包含下列幾項內(nèi)容：預(yù)習(xí)報告：在預(yù)習(xí)報告中要寫出實驗?zāi)康摹⒁?，需要用到的儀器設(shè)備、物品資料、實驗原理圖、主要操作方法以及簡要的實驗步驟。實驗數(shù)據(jù)及處理方法：將實驗中所做的每一步操作、觀察到的現(xiàn)象和所測得的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件如實地記錄下來。實驗記錄中應(yīng)有指導(dǎo)教師的簽名。實驗結(jié)果及分析：對實驗數(shù)據(jù)、實驗中的特殊現(xiàn)象、實驗操作的成敗、實驗的關(guān)鍵點等內(nèi)容進行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法等。七、思考題（1）霍爾式傳感器實驗中差動放大器的作用是什么？（2）比較霍爾式傳感器與應(yīng)變式、差動變壓器式、電容式傳感器的應(yīng)用情況。（3）利用霍爾元件測量位移和振動時，使用上有何限制？實驗三：壓電傳感器的動態(tài)響應(yīng)實驗實驗學(xué)時：2實驗類型：綜合 實驗要求：（選修）一、實驗?zāi)康牧私鈮弘娛絺鞲衅鞯脑?、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；了解低頻振蕩器、電荷放大器、低通濾波器的作用。二、相關(guān)知識點壓電傳感器的動態(tài)響應(yīng)測試；低頻振蕩器、電荷放大器、低通濾波器的工作原理。三、實驗原理、方法和手段壓電效應(yīng)是在1880年Jacques和Pierre Curie發(fā)現(xiàn)的，是應(yīng)用于傳感和控制學(xué)科的最重要的物理效應(yīng)之一。在外加應(yīng)力時，一些特殊結(jié)構(gòu)的晶體可以產(chǎn)生電壓差，反過來，在外電場的作用下，該晶體可以產(chǎn)生彈性形變。壓電效應(yīng)是把應(yīng)力互換為電信號的重要物理過程，如圖1所示。 圖41 壓電效應(yīng)原理振動的變化率就是我們關(guān)心的頻率，它決定于振源晶體切割的方位，大小和形狀以及磨光程度，最終中心頻率的調(diào)整和確定是通過在晶體表面鍍一層原子級厚度的金來實現(xiàn)振動穩(wěn)定。四、實驗儀器設(shè)備CSY998型傳感器系統(tǒng)實驗儀所需單元及設(shè)備：低頻振蕩器、電荷放大器、低通濾波器、單芯屏蔽線、壓電傳感器、雙線示波器、激振線圈、磁電傳感器、Ｆ／Ｖ表、主、副電源、振動平臺。五、實驗步驟及結(jié)果測試低頻振蕩器的幅度旋鈕置于最小，F(xiàn)／V表置Ｆ表２ＫＨＺ檔。（１） 觀察壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖1的電路結(jié)構(gòu)，將壓電式傳