【正文】 果。電容C4的充放電回路由圖16—2中實線、虛線箭頭所示。在一個充放電周期內(nèi)（Ｔ＝t1＋t2），由c點到ａ點的電荷量為：Ｑ＝Q2Q1＝(CX1CX2)(E2E1)＝△CX △E （16—3）式中：CX1與CX2的變化趨勢是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動式）。設(shè)激勵電壓頻率f＝1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：i＝fＱ＝f△CX △E （16—4） 式中：△E—激勵電壓幅值；△CX—傳感器的電容變化量。由（16—4）式可看出：f、△E一定時，輸出平均電流i與△CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1＝I Rw。由傳感器原理已知?C與?X位移成正比，所以通過測量電路的輸出電壓Vo1就可知?X位移。 電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如圖16—3圖16—3電容式位移傳感器實驗方塊圖三、需用器件與單元：主機箱177。15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)０?、測微頭。四、實驗步驟：按圖16—4示意安裝、接線。圖16—4 電容傳感器位移實驗安裝、接線示意圖將實驗?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時針轉(zhuǎn)到底再順時傳３圈)。將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0V ，再轉(zhuǎn)動測微頭(同一個方向)6圈，記錄此時的測微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實驗起點值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動測微頭1圈即△X=(這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填入表16(這樣單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的回差)。表16 電容傳感器位移實驗數(shù)據(jù)X (mm) V(mV)根據(jù)表16數(shù)據(jù)作出△X—V實驗曲線并截取線性比較好的線段計算靈敏度S=△V／△X和非線性誤差δ及測量范圍。實驗完畢關(guān)閉電源開關(guān)。實驗十七 線性霍爾傳感器位移特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。二、基本原理：霍爾式傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應(yīng)原理工作。它將被測量的磁場變化（或以磁場為媒體）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出?；魻栃?yīng)是具有載流子的半導體同時處在電場和磁場中而產(chǎn)生電勢的一種現(xiàn)象。如圖17—1（帶正電的載流子）所示，把一塊寬為b，厚為d的導電板放在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，并在導電板中通以縱向電流I ，此時在板圖17—1霍爾效應(yīng)原理的橫向兩側(cè)面,之間就呈現(xiàn)出一定的電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)可以用洛倫茲力來解釋），所產(chǎn)生的電勢差UH稱霍爾電壓?；魻栃?yīng)的數(shù)學表達式為：UH＝RH＝KHIB 式中：RH＝1／(ne)是由半導體本身載流子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)；KH＝ RH／d靈敏度系數(shù)，與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件，霍爾元件大多采用N型半導體材料（金屬材料中自由電子濃度ｎ很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件），厚度d只有1181。m左右。 霍爾傳感器有霍爾元件和集成霍爾傳感器兩種類型。集成霍爾傳感器是把霍爾元件、放大器等做在一個芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)，與霍爾元件相比，它具有微型化、靈敏度高、可靠性高、壽命長、功耗低、負載能力強以及使用方便等等優(yōu)點。 本實驗采用的霍爾式位移（小位移1mm～2mm）傳感器是由線性霍爾元件、永久磁鋼組成，其它很多物理量如：力、壓力、機械振動等本質(zhì)上都可轉(zhuǎn)變成位移的變化來測量?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯墓ぷ髟砗蛯嶒炿娐吩砣鐖D17—2 (a)、(b)所示。將磁場強度相同的兩塊永久磁鋼同極性相對放置著，線性霍爾元件置于兩塊磁鋼間的中點，其磁感應(yīng)強度為0，(a)工作原理 (b)實驗電路原理圖17—2霍爾式位移傳感器工作原理圖設(shè)這個位置為位移的零點，即X＝0，因磁感應(yīng)強度B＝0，故輸出電壓UH＝0。當霍爾元件沿X軸有位移時，由于B≠0，則有一電壓UH輸出，UH經(jīng)差動放大器放大輸出為V。V與X有一一對應(yīng)的特性關(guān)系。＊注意：線性霍爾元件有四個引線端。涂黑二端是電源輸入激勵端，另外二端是輸出端。接線時，電源輸入激勵端與輸出端千萬不能顛倒，否則霍爾元件就損壞。三、需用器件與單元：主機箱中的177。2V～177。10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、177。15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；霍爾傳感器實驗?zāi)０?、霍爾傳感器、測微頭。四、實驗步驟：調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm 刻度線。按圖17—3示意圖安裝、接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，177。2V～177。10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)到177。4V檔。檢查接線無誤后，開啟主機箱電源，松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套，使傳感器的PCB板（霍爾元件）處在兩園形磁鋼的中點位置(目測)時，擰緊緊固螺釘。再調(diào)節(jié)RW1使電壓表顯示０。圖17—3 霍爾傳感器(直流激勵)位移實驗接線示意圖測位移使用測微頭時，當來回調(diào)節(jié)微分筒使測桿產(chǎn)生位移的過程中本身存在機械回程差，為消除這種機械回差可用單行程位移方法實驗：順時針調(diào)節(jié)測微頭的微分筒3周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點。以后，反方向(逆時針方向) 調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，每隔△X=(總位移可取3～4mm)從電壓表上讀出輸出電壓Vo值，將讀數(shù)填入表17(這樣可以消除測微頭的機械回差)。表17 霍爾傳感器(直流激勵)位移實驗數(shù)據(jù)△X（mm）V(mV)根據(jù)表17數(shù)據(jù)作出V－X實驗曲線，分析曲線在不同測量范圍 (177。、177。1mm、177。2mm)時的靈敏度和非線性誤差。實驗完畢，關(guān)閉電源。實驗十八 線性霍爾傳感器交流激勵時的位移性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私饨涣骷顣r霍爾式傳感器的特性。二、基本原理：交流激勵時霍爾式傳感器與直流激勵一樣，基本工作原理相同，不同之處是測量電路。三、需用器件與單元：主機箱中的177。2V～177。10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、177。15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、電壓表；測微頭、霍爾傳感器、霍爾傳感器實驗?zāi)０?、移相器／相敏檢波器／低通濾波器模板、雙蹤示波器。四、實驗步驟：相敏檢波器電路調(diào)試：將主機箱的音頻振蕩器的幅度調(diào)到最?。ǚ刃o逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底），將177。2V～177。10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到177。2V檔，再按圖18—1示意接線，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=1kHz，峰峰值Vpp=5V（用示波器測量。提示：正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置，觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH水平掃描速度TIME/DIV ～10181。S范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V～5V范圍內(nèi)選擇。當CHCH2輸入對地短接時移動光跡線居中后再去測量波形。）。調(diào)節(jié)相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個波形。到此，相敏檢波器電路已調(diào)試完畢，以后不要觸碰這個電位器鈕。關(guān)閉電源。圖18—1相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖圖18—2 交流激勵時霍爾傳感器位移實驗接線圖調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm 刻度線。按圖18—2示意圖安裝、接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)。松開測微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著傳感器的位移方向移動測微頭的安裝套（左、右方向都可以），使傳感器的PCB板（霍爾元件）明顯偏離兩園形磁鋼的中點位置(目測)時，再調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器輸出為全波整流波形（示波器CH2的靈敏度VOLTS/DIV在50mV～1V范圍內(nèi)選擇監(jiān)測）。再仔細移動測微頭的安裝套，使相敏檢波器輸出波形幅值盡量為最?。ūM量使傳感器的PCB板霍爾元件處在兩園形磁鋼的中點位置）并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘。再仔細交替地調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳系碾娢黄鱎WRW2使示波器CH2顯示相敏檢波器輸出波形基本上趨為一直線并且電壓表顯示為零（示波器與電壓表二者兼顧，但以電壓表顯示零為準）。測位移使用測微頭時，當來回調(diào)節(jié)微分筒使測桿產(chǎn)生位移的過程中本身存在機械回程差，為消除這種機械回差可用單行程位移方法實驗：順時針調(diào)節(jié)測微頭的微分筒3周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點。以后，反方向(逆時針方向) 調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，每隔△X=(總位移可取3～4mm)從電壓表上讀出輸出電壓Vo值，將讀數(shù)填入表18(這樣可以消除測微頭的機械回差)。表18交流激勵時霍爾傳感器位移實驗數(shù)據(jù)△X（mm）V(mV)根據(jù)表18數(shù)據(jù)作出V－X實驗曲線，分析曲線在不同測量范圍 (177。、177。1mm、177。2mm)時的靈敏度和非線性誤差。實驗完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：根據(jù)對實驗曲線的分析再與實驗十七比較，線性霍爾傳感器測靜態(tài)位移時采用什么激勵電源為好（直流或交流）？實驗十九 開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實驗一、實驗?zāi)康模毫私忾_關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。二、基本原理：開關(guān)式霍爾傳感器是線性霍爾元件的輸出信號經(jīng)放大器放大，再經(jīng)施密特電路整形成矩形波（開關(guān)信號）輸出的傳感器。開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的原理框圖19—1所示。當被測圓盤上裝上6只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場就變化6次，開關(guān)式霍爾傳感器就同頻率f相應(yīng)變化輸出，再經(jīng)轉(zhuǎn)速表顯示轉(zhuǎn)速n。圖19—1開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理框圖三、需用器件與單元：主機箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)0～24V直流穩(wěn)壓電源、+5V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、頻率\轉(zhuǎn)速表；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動源。四、實驗步驟：根據(jù)圖19—2將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝于霍爾架上，傳感器的端面對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼并調(diào)節(jié)升降桿使傳感器端面與磁鋼之間的間隙大約為2～3ｍｍ。將主機箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源0～24V旋鈕調(diào)到最小(逆時針方向轉(zhuǎn)到底)后接入電壓表(電壓表量程切換開關(guān)打到20V檔)；其它接線按圖19—2所示連接（注意霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的三根引線的序號）；將頻頻\轉(zhuǎn)速表的開關(guān)按到轉(zhuǎn)速檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，在小于12V范圍內(nèi)(電壓表監(jiān)測)調(diào)節(jié)主機箱的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源(調(diào)節(jié)電壓改變直流電機電樞電壓)，觀察電機轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速表的顯示情況。圖19—2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實驗安裝、接線示意圖從2V開始記錄每增加1V相應(yīng)電機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)(待電機轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù))；畫出電機的Vｎ(電機電樞電壓與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系)特性曲線。實驗完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：利用開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速時被測對象要滿足什么條件？實驗二十 磁電式傳感器測轉(zhuǎn)速實驗一、實驗?zāi)康模毫私獯烹娛綔y量轉(zhuǎn)速的原理。二、基本原理：磁電傳感器是一種將被測物理量轉(zhuǎn)換成為感應(yīng)電勢的有源傳感器，也稱為電動式傳感器或感應(yīng)式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個匝數(shù)為Ｎ的線圈在磁場中切割磁力線時，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈兩端就會產(chǎn)生出感應(yīng)電勢，線圈中感應(yīng)電勢： 。線圈感應(yīng)電勢的大小在線圈匝數(shù)一定的情況下與穿過該線圈的磁通變化率成正比。當傳感器的線圈匝數(shù)和永久磁鋼選定(即磁場強度已定)后，使穿過線圈的磁通發(fā)生變化的方法通常有兩種：一種是讓線圈和磁力線作相對運動，即利用線圈切割磁力線而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢；另一種則是把線圈和磁鋼部固定，靠銜鐵運動來改變磁路中的磁阻，從而改變通過線圈的磁通。因此，磁電式傳感器可分成兩大類型：動磁式及可動銜鐵式(即可變磁阻式)。本實驗應(yīng)用動磁式磁電傳感器，實驗原理框圖如圖20—1所示。當轉(zhuǎn)動盤上嵌入6個磁鋼時，轉(zhuǎn)動盤每轉(zhuǎn)一周磁電傳感器感應(yīng)電勢e產(chǎn)生6次的變化，感應(yīng)電勢e通過放大、整形由頻率表顯示ｆ，轉(zhuǎn)速n=10f。圖20—1磁電傳感器測轉(zhuǎn)速實驗原理框圖三、需用器件與單元：主機箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)0～24V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、頻頻\轉(zhuǎn)速表；磁電式傳感器、轉(zhuǎn)動源。四、實驗步驟：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗除了傳感器不用接電源外(傳感器探頭中心與轉(zhuǎn)盤磁鋼對準)，其它完全與實驗十九相同；請按圖20—2示意安裝、接線并按照實驗十九中的實驗步驟做實驗。實驗完畢，關(guān)閉電源。圖20—2 磁電轉(zhuǎn)速傳感器測速實驗安裝、接線示意圖五、思考題：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測很低的轉(zhuǎn)速時會降低精度，甚至不能測量。如何創(chuàng)造條件保證磁電式轉(zhuǎn)速傳感器正常測轉(zhuǎn)速？能說明理由嗎？實驗二十一 壓電式傳感器測振動實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈮弘妭鞲衅鞯脑砗蜏y量振動的方法。二、基本原理：壓電式傳感器是一和典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換機理實現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導航方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電效應(yīng)：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常見的壓電材料有兩類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電材料受到外力作用時，在發(fā)生變形的同時內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷。當外力去掉時，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，當作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變，如圖21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。(a) (b) (c)圖21—1 壓電效應(yīng)壓電晶片及其等效電路多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個電極，如圖21—2(a)所示。當壓電晶片受到力的作用時，便有電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負電荷。這種情況和電容器十分相似，所不同的是晶片表面上的電荷會隨著時間的推移逐漸漏掉，因為壓電晶片材料的絕緣電阻(也稱漏電阻)雖然很大，但畢竟不是無窮大，從信號變換角度來看，壓電元件相當于一個電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它