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1、傳感器技術(shù)實驗指導書實驗室名稱：測控與傳感器實驗室（2）實驗室房號： A 主 1109重慶大學光電工程學院2016.3實驗一電容式傳感器原理與使用一、實驗?zāi)康模毫私獠顒邮酵S變面積電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用。二、基本原理：1、原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來實現(xiàn)測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C= eA/d關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇 e、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以 有測干燥度（e變）、測位移（d變）和測液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分 成平板、圓板

2、形和圓柱（圓筒）形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實驗采用 的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R;圓柱的半徑為r；圓柱的長為x,則電容量為C=S 2nx / ln（R / r）。圖中C1、C2是差動連接， 當圖中的圓柱產(chǎn)生？*位移時，電容量的變化量為 ?C=C1-C2= 2ti2?X/ln（R /r）,式中e 2n、ln（R /r）為常數(shù)，說明？C與？X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。R住C2圓筒2圓C1連桿2、測量電路（

3、電容變換器電容傳感器結(jié)構(gòu)圖廣 測量電路畫在實驗?zāi)０宓拿姘迳?。其電路的核心部分是下圖的二極管環(huán)路充放電電路。1)3二極管環(huán)形充放電電路在圖中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、。電容、L1電感和C100kHz）輸入至Ua點，由低電平E1躍到高電平E2時，電容Cxi和C2兩端 電壓均由 日充到以。充電電荷一路由a點經(jīng) D3到b點，再對CX1充電到。點(地)；另一路由由a點 經(jīng)C4到C點，再經(jīng)D5到d點對CX2充電到。點。此時，口和D6由于反偏置而截止。在 t 1充電時間 內(nèi)，由a至ij c點的電荷量為：Q = CX2(E2-E1)(1)當高頻激勵電壓由高電平E2返回到低電平 E1時，電

4、容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點、口、c點、C4、a點、L1放電到。點；CX2經(jīng)d點、D6、L1放電到。點。在t2放電時間內(nèi)由c點到a點的電荷量為：Q2=CX1(E2-E1)(2)當然，(1)式和(2)式是在C4電容值遠遠大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C4的充放電回路由圖中實線、虛線箭頭所示。在一個充放電周期內(nèi)(T= t 1+t2),由c點到a點的電荷量為：Q = Q2-Q1 = (CX1-CX2)(E 2-E 1) = aCX aE(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

5、電流i為：i =f Q= f ACX AE(4)式中：AE激勵電壓幅值；ACX一傳感器的電容變化量。由(4)式可看出：f、 一定時，輸出平均電流 i與aCX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、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。3、電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如下圖電容式位移傳感器實驗方塊圖三、需用器件與單元：主機箱土 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濉?測微頭。四、實驗步驟：附：測微頭的組成與使用測微頭組成和讀數(shù)如圖微調(diào)鈕側(cè)桿安裝建微分

6、筒測微頭組成：測微頭由不可動部分安裝套、軸套和可動部分測桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標有數(shù)字的是整毫米刻線 （1mM格），另一排是半毫米刻線（0.5mm/格）；微分筒前部圓周表面上刻 有50等分的刻線（0.01mm/格）。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向移動微小位移0.01mm,這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準微分筒上的數(shù)值、可以估讀 1/10分度，如上圖甲讀數(shù)為 3.678mm,不是3.178mm；

7、遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應(yīng)看微分筒的示值是否過零，如上圖乙已過零則讀2.514mm；如上圖丙未過零，則不應(yīng)讀為 2mm讀數(shù)應(yīng)為1.980mm=測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動微分筒到10mn#（為了保留測桿軸向前、后位移的余量），再將測微頭軸套上的主尺橫線面 向自己安裝到專用支架座上，移動測微頭的安裝套（測微頭整體移動）使測桿與被測體連接并使被測體處于合適位置（視具體實驗而定）時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測 體就會隨測桿而位移。1、按示意圖安裝、接線。交架座電容傳感器位移實驗安裝、接線示意圖2

8、、將實驗?zāi)０迳系?Rw調(diào)節(jié)到中間位置（方法：逆時針轉(zhuǎn)到底再順時傳3圈）。3、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=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)（這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù)），將數(shù)據(jù)填入下表（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)4、根據(jù)數(shù)據(jù)作出AX- V實驗曲線并截取線性比較好的線段計算靈敏度S=a V/AX和非線性誤差8

9、,指出線性測量范圍，分析產(chǎn)生非線性現(xiàn)象的原因。五、擴展問題：本實驗怎樣提高系統(tǒng)靈敏度?實驗完畢關(guān)閉電源開關(guān)。注：傳感器專用插頭（黑色航空插頭）的插、拔法：插頭要插入插座時，只要將插頭上的凸鎖對 準插座的平缺口稍用力自然往下插；插頭要拔出插座時，必須用大姆指用力往內(nèi)按住插頭上的凸鎖 同時往上拔。實驗二電阻應(yīng)變片與直流電橋一、實驗?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過 一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形

10、，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻 的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的 各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行 業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為p時，根據(jù)電阻的定義式得j 7rM（1）當導體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時，其長度L、截面積A和電阻率P的變化為dL、dA、dp相應(yīng)的電阻變化為dR對式

11、（1）全微分得電阻變化率 dR/R為：dR dL 汽 dr dp=-2+R L r p式中：dL/L為導體的軸向應(yīng)變量j dr/r為導體的橫向應(yīng)變量 十由材料力學得：也=-re式中：科為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負號表示兩者的變化方向相反。將式（3）代入式（2）得：空=(1 +如E +生RP(4)式（4）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導電性能（壓阻效應(yīng)）2、應(yīng)變靈敏度它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。（1）、金屬導體的應(yīng)變靈敏度K:主要取決于其幾何效應(yīng)；可取(5)其靈敏度系數(shù)為：K= 1-然金屬導體在受到應(yīng)變

12、作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應(yīng) 變成正比。金屬導體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。（2）、半導體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R = dp ?并導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導體受力變形時會暫時改變晶 體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為 半導體的壓阻效應(yīng) 。不同材質(zhì)的半導體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使 電阻增大）的或負（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導體將 得到完全相反的電阻變化效果。半導

13、體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線 性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應(yīng)變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。*本實驗以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖所示。（a）絲式應(yīng)變片L川禁匿法用然（b）箔式應(yīng)變片應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式

14、應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：4R/ R= Ke 式中：R/ R為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，e=4L/L為電阻絲長度相對變化。5、測量電路為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂(半橋)和全橋三種，單臂工作輸出信號

15、最小、線性、穩(wěn)定 性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作。基本電路如圖(a)、(b)、(c)所示。(b)半橋(c)全橋(a)單臂應(yīng)變片測量電路(a)、單臂Uo= UD-U3)=C (R1 +AR1)/(R1+ AR1 + R5) - R7/(R7+ R6) E=(R7+ R6)(R1+AR1)-R7(R5+R1+R1)/(R5+R1+4Rl)(R7+R6) E設(shè) R1= R5=R6=R7,且R/R： 4R/ R C+C (2)簡化為ey=-Q/Cf , ( 3)式(3)表明，在一定條件

16、下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關(guān)，輸出靈敏度取決于反饋電容Cf。所以，電荷放大器的靈敏度調(diào)節(jié)，都是采用切換運算放大器反饋電容q的辦法。采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達百米以上，其靈敏度也無明顯 變化，這是電荷放大器的主要優(yōu)點。5、壓電加速度傳感器實驗原理圖圖(a)壓電加速度傳感器實驗原理框圖圖(b)電荷放大器原理圖三、需用器件與單元：主機箱土 15V直流穩(wěn)壓電源、低頻振蕩器；壓電傳感器、壓電傳感器實驗?zāi)０?、移相?相敏檢波器/濾波器模板；振動源、雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、將壓電傳感器安裝在振動臺面上 (與振動臺面中心的磁鋼吸合 )，振動源的低頻輸入接主機箱 中的低頻振蕩器，其它連線參照壓電加速度傳感器實驗原理框圖連接。2、將主機箱上的低頻振蕩器幅度旋鈕旋到中間位置，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率大約為9Hz左右。再慢慢調(diào)節(jié)低頻振蕩器的幅度使振動臺明顯振動(如振動不明顯可調(diào)頻率)O3、改變低頻振蕩器的頻率 f,觀察輸出波形變化并記錄數(shù)據(jù)。f(Hz)6789101112131415Vp-p4、作出f-Vp-p曲線，并對曲線進行分析。