传感器与自动检测技术
实验指导书
王莉君 范程华
合肥师范学院
电子信息工程学院
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目 录
实验一 应变片单臂电桥的特性实验 …………………………………2 实验二 压力传感器的特性实验 ………………………………………4 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八
差动变压器的性能实验 ………………………………………6 电容式传感器的特性实验 ……………………………………8 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验 ……………………10 集成温度传感器的温度特性实验 …………………………11 光纤传感器的位移特性实验 …………………………………13 电子称的设计实验 ……………………………………………15 1
实验一 应变片单臂电桥的特性实验
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、实验仪器
双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、±5V电源、差动放大器、电压放大器、万用表 三、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为
?R?k?? （1-1） R式中
?R为电阻丝电阻相对变化； Rk为应变灵敏系数；
???l为电阻丝长度相对变化。 l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组件。如图1-1所示，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。
图1-1 双杆式悬臂梁称重传感器结构图
通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R6=R7=R8=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
U0?E?R/R? （1-2）
1?R41??2RE为电桥电源电压；
式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=??1?R?100%。 2R 2
图1-2 单臂电桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1．悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．按图1-2接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端Ui短接并与地相连，“电压放大器”输出端Uo接数显电压表（选择2V档），开启直流电源开关。将“差动放大器”增益电位器与“电压放大器”增益电位器RW4调至最大位置（顺时针最右边），调节调零电位器RW3使电压表显示为0V。关闭直流开关电源。（两个增益调节的位置确定后不能改动）
3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R6、R7、R8构成一个单臂直流电桥。接好电桥调零电位器RW1，直流电源+4V（从主控台接入），电桥输出接到“差动放大器”的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关。电压放大器的输出接数显电压表。预热五分钟。
4．加托盘后调节Rw1使电压表显示为零。
5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节RW4，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示为2mV，读取数显表数值，保持RE4不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记录实验数据填入表1-1。
表1-1重量与电压数据记录表 重量(g) 电压(mV) 6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告
1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；
2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/yF.S ×100％。式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S为满量程（200g）输出平均值。
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实验二 压力传感器的特性实验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器
压力传感器、气室、气压表、分压器、差动放大器、电压放大器、直流电压表 三、实验原理
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器，如图2-1所示，在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。
扩散硅压力传感器的工作原理如图2-1，在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直于电流方向将会产生电场变化E????i，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo。
UO?d?E?d????i （2-1） 式中d为元件两端距离。
实验接线图如图2-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1 图2-1 扩散硅压力传感器原理图 四、实验内容与步骤 按图2-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接扩散 图2-2 硅压力传感器接线图 4