傳感器技術實驗指導書（07 級微電子專業(yè)）劉海浪編桂林電子科技大學二九年五月目錄實驗一應變式傳感器特性測試2實驗二電感式傳感器特性測試7實驗三霍爾傳感器應用實驗13實驗四傳感器應用的計算機仿真161 / 20實驗一應變式傳感器特性測試一、實驗目的1、掌握金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能；2、了解學習全橋測量電路的構成及其特點、優(yōu)點；3、比較單臂電橋與全橋的不同性能、了解其特點。二、實驗用器件與設備1、應變式傳感器實驗臺；2、傳感器實驗箱；3、砝碼；4、跳線；5、萬用表等。三、實驗原理直流電橋原理：在進行金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能實驗之前，我們有必要先來介紹一下直流電橋的相關知識。電橋電路有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標是橋路靈敏度、非線性和負載特性。下面具體討論有關直流電路和與之相關的這幾項指標。1、 平衡條件直流電橋的基本形式如圖1-1 所示。 R1， R2，R3 ， R4 為電橋的橋臂電阻， RL 為其負載（可以是測量儀表內阻或其他負載） 。當 RL時，電橋的輸出電壓V0 應為V0=E(R1R3)R1R2R3R4當電橋平衡時， V0=0，由上式可得到 R1R4=R2R3， 或R1R3R2R4（1-1 ）2 / 20圖 1-1直流電橋的基本形式式（1-1 ）秤為電橋平衡條件。平衡電橋就是橋路中相鄰兩橋臂阻值之比應相等，橋路相鄰兩臂阻值之比相等方可使流過負載電阻的電流為零。2、 平衡狀態(tài)單臂直流電橋：所謂單臂就是電橋中一橋臂為電阻式傳感器，且其電阻變化為R，其它橋臂為阻值固定不變，這時電橋輸出電壓 V0 0（此時仍視電橋為開路狀態(tài)） ，則不平衡電橋輸出電壓 V0 為R4R1V0R3R1E(1-2)R1R2R411R1R3R1設橋臂比 n= R2 ，由于 R1 R1 ，分母中R1 可忽略，輸出電壓便為R1R1R4R1R3R1EV"0=R21R41R3R1這是理想情況，式（ 1-2 ）為實際輸出電壓，由此可求出電橋非線性誤差。實際的非線性特性曲線與理想線性曲線的偏差秤為絕對非線性誤差。則其相對線性誤差r 為：R1R1V0V0R1=R1（ 1-3 ）r=V0=R1R21R1n1R1R1R13 / 20R1R1由此可見，非線性誤差與電阻相對變化R1有關，當R1 較大時，就不可忽略誤差了。R1下面來看電橋電壓靈敏度SV 。在式（ 1-2 ）中，忽略分母中R1 項，并且考慮到起始平衡條件 R1R3 ，從式（1-2 ）可以得到R2R4VnR1（1-4 ）0 E(1n) 2R1電橋靈敏度的定義為SV =V0 V0 =nE（1-5 ）R1R1(1n) 2R1R1當 n=1 時，可求得 SV 最大。也就是說，在電橋電壓E 確定后，當 R1 =R2， R3 =R4 時，電橋電壓靈敏度最高。此時可分別將式（1-2 ）、（1-3 ）、（1-4 ）、（ 1-5 ）化簡為：V0=1R11（1-6 ）E1R14R112 R1R1r =R1（1-7 ）R12R1V1R1（ 1-8 ）0 ER14SV =1 E（ 1-9 ）4R1由上面四式可知，當電源電壓E 和電阻相對變化R1 一定時，電橋的輸出電壓，非線性誤差，電壓靈敏度也是定值，與各橋臂阻值無關。差動直流電橋（半橋式） ：若圖 1-1 中支流電橋的相鄰兩臂為傳感器，即 R1 和 R2 為傳感器，并且其相應變化為 R1 和 R2，則該電橋輸出電壓 V00，當 R1 = R2，R1=R2，R3=R4 時，則得V1R1=E02R14 / 20R1上式表明， V0 與 R1 成線性關系， 比單臂電橋輸出電壓提高一倍，差動電橋無非線性誤差，而且電壓靈敏度SV 為SV = 1 E2比使用一只傳感器提高了一倍，同時可以起到溫度補償?shù)淖饔?。雙差動直流電橋（全橋式） ：若圖 1-1 中直流電橋的四臂均為傳感器，則構成全橋差動電路。若滿足 R1=R2 =R 3=R4，則輸出電壓和靈敏度為VR1SV = E0= ER1由此可知，全橋式直流電橋是單臂直流電橋的輸出電壓和靈敏度的4 倍，是半橋式直流電橋的輸出電壓和靈敏度的2 倍。四、實驗方法與步驟(一 )、全橋電路性能測量：1. 關閉實驗臺總電源，將紅色線接入 P1或者 P5口，黃色線接入 P2或者 P3口，將黑色線接入 P4或者 P8口，將藍色線接入 P6或P7口；2、用導線把全橋電路信號處理模塊的T8口接到信號輸出模塊的 T4或T5，然后用信號線連接信號輸出模塊的 BNC接口和多通道數(shù)據(jù)采集模塊的通道5上。3. 用電源線將基礎實驗臺上多路輸出電源引接到傳感器開放電路主板上；把主板上的5V、 12V、 12V的電源開關撥到 ON。4. 用萬用表測量 T8口的對地電壓， 如果該點電壓超過 5V，則調節(jié)電阻 R22的阻值以調節(jié)放大電路的零點，盡量使輸出為零（可調到 0.5V 以下即可），然后在應變壓辦實驗臺上放置法碼，觀察 T8口的輸出電壓，使其始終不超過5V，如果有超過的，則調節(jié)R21和 R9的阻值，使輸出不超過 5V；5. 調整完畢后，從質量為 0g開始，先測一個數(shù)據(jù)，再依次添加不同質量的砝碼到托盤上，用萬用表測量 T8口相應的電壓值，因為應變片的量程是 5kg，切勿放置過大質量物體在托盤上，更不可按壓托盤。6. 在托盤上放置一只砝碼， 讀取電壓數(shù)值， 依次增加砝碼和讀取相應的電壓值， 直到砝碼加完，記下實驗結果填入如表 1-1 類似的表中，關閉電源。表1-1 全橋實驗數(shù)據(jù) 樣表5 / 20重量（ g）電壓（ mv）7.根據(jù)表 1-1 計算系統(tǒng)靈敏度S= U（輸出電壓變化量與重量變化量之比） 。W8. 繪出電壓和質量之間的關系曲線，并對其進行線性擬合，求出擬合直線，記下斜率和截距 b待用（ v=km+b）。(二)、 全橋電路的應用 -稱重實驗 ：1. 運行 Labview主程序，打開“全橋電路的應用物體重量測量” 程序，建立實驗環(huán)境，2. 在實驗界面上輸入對應通道數(shù)， 然后分別輸入上步擬合得到的 k值和 b值，運行程序；3. 在托盤上分別放置不同質量的砝碼，在實驗界面可看到一個測量的質量值，分別記錄實驗測量值和托盤上實際放置的法碼的質量，比較誤差，如果誤差過大請重新計算 k值和 b值；7. 計算實際質量與程序測量得到的質量之間的實驗誤差，分析產(chǎn)生誤差的原因。6 / 20實驗二電渦流傳感器特性測試及應用預習要求：1、學習理解電渦流傳感器的結構及工作原理，并掌握電渦流傳感器用于位移測量時的測量電路和測試原理。2、根據(jù)實驗要求，作好實驗前的準備（測試方法及測試點選擇、數(shù)據(jù)記錄的格式等）。一、實驗目的1、了解電渦流傳感器的結構、特點，掌握其工作原理和使用方法；2、通過測量電渦流傳感器的輸入輸出關系曲線，深入理解電渦流傳感器的特性及其指標的含義；3、利用電渦流傳感器進行傳感器靜態(tài)特性的測量；4、利用機械結構、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器平臺構建測試系統(tǒng)。二、 實驗原理1、電渦流的形成原理如圖 2-1 所示，由物理學知識可知，若在線圈中通入交變電流I ，在線圈周圍的空間就產(chǎn)生了交變磁場 i，將金屬導體置于此交變磁場范圍內，導體表面層產(chǎn)生渦電流，渦電流的高頻磁場 e 以反作用于傳感器電感線圈，從而改變了線圈的阻抗Z 或線圈的電感和品L質因素。 ZL 的變化取于線圈到金屬板之間的距離x、金屬板的電阻率 、磁導率 以及激勵電流的幅值 A 和頻率 f 。iii高頻交變磁場e 渦流磁場e渦流i 高頻激勵電流金屬導體圖 2-1 電渦流傳感器的工作原理2、電渦流位移傳感器原理電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過同軸電纜流入探頭線圈中，線圈將產(chǎn)生一個高頻電磁場。當被測金屬7 / 20體靠近該線圈時，由于高頻電磁場的作用，在金屬表面上就產(chǎn)生感應電流，既電渦流。該電流產(chǎn)生一個交變磁場，方向與線圈磁場方向相反，這兩個磁場相互疊加就改變了原線圈的阻抗。這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數(shù)有關。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統(tǒng)的物理性質可由金屬導體的電導率 、磁導率 、尺寸因子 、頭部體線圈與金屬導體表面的距離 D、電流強度 I 和頻率 參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F( , , , D, I, ) 函數(shù)來表示。通常我們能做到控制 , , , I, 這幾個參數(shù)在一定范圍內不變， 則線圈的特征阻抗 Z 就成為距離 D 的單值函數(shù)，雖然它整個函數(shù)是一非線性的， 其函數(shù)特征為“ S”型曲線， 但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器對信號進行處理，將線圈阻抗 Z 的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離 D 的變化轉化成電壓或電流的變化。 輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距的變化而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的磁場強度也發(fā)生變化，磁場強度的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化成電壓 （電流）變化，最終完成機械位移 ( 間隙 ) 轉換成電壓（電流）。所以探頭與被測金屬體表面距離的變化可通過探頭線圈阻抗的變化來測量。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓。 圖 2-2 為電渦流傳感器的工作原理示意圖。圖 2-2電渦流傳感器工作示意圖主要技術指標：供電電壓探頭直徑線性量程輸出方式24V11mm4mm1-5V8 / 203、最小二乘法 合原理： 定平面上一 點（ xi,f(xi)）(i=1,2,3n) ，用直 合。即求得 f(x),使得偏差Vm達到最小。三、實驗儀器和設備1 算機1臺2LabVIEW8.2 以上版本1套3數(shù)據(jù)采集模 1 臺4 流特性 模 1臺5. 源模 1臺6.操作工具1套四、 實驗內容與實驗步驟1、 前準 及 路的 接（ 1） 關 數(shù)據(jù)采集卡 源，將 流 感器 接到采集卡的數(shù)據(jù)采集一個AD 通道上。注意不要在 的情況下從采集卡上插拔 感器，以免 采集卡和 感器造成 壞。（ 2） 流 感器的工作 源 24V ，把 流 感器的 源接到 臺的 24V 源口，并把數(shù)據(jù) 接到采集卡的某一通道上，接通 臺和數(shù)據(jù)采集卡的 源。 定好“通道 ”、 “采 率”、 “采 度”等參數(shù)后點 如下 2-3所示的運行按 運行程序， 察各部分運行燈的亮 情況。運行按 圖 2-3 程序運行按 （ 4）將千分尺 零，將滑 上反射 片 靠在 流探 表面， 察此 的 。（ 5）滑 離 感器， 察 數(shù) 的 化， 感器的最大 量距離。2、 并求出 感器的 性區(qū)范 ： 流 感器的 性區(qū)定 ：不在此 量范 內 ，其函數(shù)將不成 性關系。(1) 接好 量系 中 感器及其采集卡等模 的通道號及其 源， 整滑 到一個初始位置， 下 數(shù) X0 。(2) 打開“ 一 流靜 特性 .vi ”， 置每次移 千分尺的距離 0.3mm，將 兩個數(shù) 入到“ 一 流靜 特性 .vi ”的“采 隔”控制 量里。 圖 2-4 流靜 特性曲 的程序截 。 定好“通道 ”、 “采 率”、 “采 9 / 20長度”等參數(shù)。圖2-4電渦流靜態(tài)特性試驗（ 3）運行“試驗一 電渦流靜態(tài)特性試驗 .vi ”，點擊“第 1 次采集”按鈕， 指示燈亮后，程序將自動記錄對應電渦流傳感器的讀數(shù)。（ 4）將千分尺向遠離探頭方向移動 0.3mm，點擊“第 2 次采集”按鈕，依次改變測量的距離進行 30 次測量，采集 30 組數(shù)據(jù)。注：圖上按鈕可反復使用，也可只反復使用一個，將數(shù)據(jù)記錄在 Excel 表格中，進行繪圖。（ 5）數(shù)據(jù)采集完成后，將采集到的 30組位移與電壓數(shù)據(jù)在 Excel 中進行電渦流傳感器的特性曲線的繪制。（ 6）觀測出傳感器的線性區(qū)范圍，并對線性區(qū)進行擬后，將擬合直線的表達式記錄，并同時記錄擬合直線、斜率 K 和截距 b待用。3、利用測得結果進行距離反測和誤差分析：(1) 打開“試驗一 電渦流距離測量及誤差分析試驗 .vi ”，圖 2-5 為電渦流距離測量及誤差分析程序截圖。設定好“通道選擇”、“采樣頻率”、“采樣長度”等參數(shù)。10 / 20圖 2-5 電渦流距離測量及誤差分析程序（ 2）設置千分尺讀數(shù)到觀測到的線性區(qū)的起點處， 并將此值輸入的實驗界面的起點坐標框中，計算采樣間隔為整個線性區(qū)長度的 1/10 ；（ 3）照此采樣間隔的值調節(jié)千分尺， 分別點擊實驗界面中的 10個采集按鈕，采集 10組數(shù)據(jù)，直接采集在實驗界面中，不必再記錄在 Excel 中。（ 4）數(shù)據(jù)采集完成后，點擊擬合按鈕，得出線性區(qū)擬合線在波形顯示框中。（ 5）將上一步中得到的擬合線的斜率 K 和截距 b填入實驗界面相應的框中，點擊距離計算得到由實驗程序反測出的千分尺的距離讀數(shù)。（ 6）將千分尺的實際讀數(shù)填入界面的最后一行的相應位置， 點擊誤差分析按鈕， 得到實驗反測的相對誤差。（ 7）將具有結果的整個實驗界面拷入 Word文檔備用。五、實驗報告要求1、拷貝實驗系統(tǒng)的運行結果頁面，插入到word格式的實驗報告中。2、求出所用傳感器的線性區(qū)范圍。11 / 203、對所用傳感器的輸出特性進行線性擬合，求出擬合直線、斜率K 和截距 b。4、求出所用傳感器的線性誤差和靈敏度。六、 參考與提示1、測試系統(tǒng)的輸入輸出特性曲線- V (mV)V 2V mV 10x1x2x (mm)圖 2-7測試系統(tǒng)的輸入輸出特性曲線2、電渦流傳感器的靜態(tài)特性指標分析方法（各參量如上圖2-7 中）線性區(qū)范圍：x 1 x2 (mm) 對線性區(qū)對應的電壓值：V 1V2 (mV)Vm線性誤差：100%V2V1靈 敏 度：V2V1(mV/mm)x2x1七、 思考題1、電渦流傳感器為什么可作為位移傳感器用？2、電渦流的大小還與那些因素有關？3、試想電渦流傳感器還可以用來測量那些物理量？12 / 20實驗三霍爾傳感器的應用實驗一實驗目的：1、了解霍爾開關集成傳感器的工作原理和應用；2、掌握霍爾傳感器的基本特性；3、學習霍爾傳感器構成的應用電路的基本原理和設計方法。二基本原理：圖 3 1 是霍爾開關集成傳感器的 內部結構 框圖。當有磁場作用在傳感器上時，根據(jù)霍爾效應原理，霍爾元件輸出霍爾電壓 Vh ，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當放大后的 Vh 電壓大于 “開啟” 閥值時，施密特整形電路翻轉， 輸出高電平，使輸出三極管導通。 當磁場減弱時， 霍爾元件輸出的 Vh 電壓很小，施密特整形電路再次翻轉，輸出低電平，輸出三極管關閉。這樣，一次磁場強度的變化，就使傳感器完成一次開關動作。當被測電機飛輪上裝有N 只磁性體時，飛輪每轉一周磁場就變化N 次，霍爾傳感器輸出的電平也變化N 次，通過計算即可知道電機的轉速。圖 3 1霍爾開關集成傳感器的內部結構13 / 20三實驗元件和設備：1實驗電路板；2電機組件；3霍爾開關傳感器CS3020；44.7K 電阻；5跳線若干；6示波器或虛擬平臺的實驗程序。四實驗步驟：先用工具將實驗用電機和飛輪組件固定到實驗主板上，電機輸入端接入主板上的 Motor 端口上。( 一) 、用現(xiàn)成的實驗電路小模塊驗證測量：1、把各電源開關撥到OFF，接好并關閉主板電源；2、把實驗電路模塊插到實驗主板的面包板上，霍爾傳感器的探頭盡量靠近電機轉盤( 不大于 5mm)；3、把主板上的 5V， GND用導線引到電路模塊相應引腳上。4、把電路模塊上信號輸出端OUT腳引到主板的輸出口T4 或 T5 口上，然后將數(shù)據(jù)線接入實驗臺的信號采集模塊上（通道5 或 6）。5、在電腦上打開相關的測試用實驗程序界面。6、把主板上的 12V、+5V 電源開關打開，把運行模式開關打到Motor 檔，把 PowerSurply 開關撥到 ON。7、運行程序，開始電機轉速的測量。8、調節(jié)電阻 R28的阻值即可調節(jié)電機的轉速。9、由霍爾傳感器輸出信號脈沖的頻率就可以計算出直流電機的轉速。如磁鐵個數(shù)為 N，轉速為 n，脈沖頻率為 f ，則有： n=f/N。通常，轉速的單位是轉/ 分鐘，所以要在上述公式的得數(shù)再乘以60，才是轉速數(shù)據(jù)，即n=60f/N 。14 / 20圖 3-5實驗程序窗口( 二 ) 、手動自搭電路進行測量：1. 按模塊上的電路，利用給定的元器件自行設計自搭電路，在實驗主板的面包板上搭建好實驗電路，并仔細檢查接線；注意霍爾傳感器的探頭盡量靠近電機轉盤( 不大于 5mm)；2、其它步驟同上3 9 中。五思考題：1、霍爾傳感器的基本特性及其基本特性曲線如何；2、說明本實驗中的霍爾傳感器是如何應用霍爾傳感器的特性實現(xiàn)正負電平轉換的。15 / 20實驗四傳感器應用的計算機仿真注：請準備盤，自行將先前傳給你們的軟件(Multisim)拷貝帶上參加實驗！一、實驗目的：1、進一步掌握傳感器應用電路的組成和設計原理及方法；2、了解計算機在傳感器技術中的應用及完成仿真的方法；3、了解霍爾接近開關電路的構成和基本工作原理。二、基本原理：在計算機上進行傳感器技術方面的實驗，內容之一就是傳感器應用電路的仿真，對傳感器應用電路的仿真的好處在于，可以在設計應用電路的時候不受實驗室儀器設備和電子元器件的限制，而且可以在短時間內得到實驗結果。本實驗以“霍爾接近開關電路的計算機仿真”為內容進行實驗，實驗是在上一實驗三中了解了霍爾傳感器的特性及開關電路的原理的基礎上進行的，霍爾傳感器的靜態(tài)特性曲線如圖4-1 所示，圖 4-2 是其構成的接近開關仿真電路，Vh 模擬霍爾傳感器工作的輸出電壓，當調整電位器的標定值，使霍爾傳感器的輸入電壓經(jīng)放大與比較器的翻轉電壓相比達到一定比較量時，輸出電平發(fā)生翻轉。 60mV0 60mV051015202530圖 41霍爾傳感器的特性曲線16 / 20圖 4-2 霍爾接近開關仿真電路17 / 20個人精品文檔，值得您的擁有三、需要的元件和設備：1、實驗電路；2、計算機一臺；3、Multisim 仿真軟件；四、實驗內容及步驟：1. 在 Multisim 軟件環(huán)境下按圖 4-2 建立霍爾接近開關的仿真電路（注意各元器件的選取與放置，可用基本元器件，也可用虛擬儀器元器件） 。2. 對各元器件的值及標號進行相應設置，放置電路仿真觀察點電壓標號；3. 設置仿真參數(shù)，設置霍爾傳感器模擬電壓 Vh 的 Tine/Voltage項為：0mss 60mV 5ms60mV25ms-60mV30ms-60mV ，注意中間用空格間隔，如圖4-3 所示；圖 4-3 霍爾傳感器模擬電壓 V3 設置4. 調節(jié)電位器 WD 的值為 0.5（ 50%）仿真 V1 V4 各點電壓，設置加以電壓表或示波器，以方便觀察仿真結果，對電路進行仿真；分析說明V1 V4 各點電壓有什么規(guī)律，由此說明霍爾接近開關電路的工作原理；5. 說明當電位器 WD 的值為 0.5 時，此開關電路的開關動作 （即翻轉點）在什么位置。6. 調節(jié)電位器 WD 的值，使霍爾接近開關動作位置分別在 10ms、20ms 處，用 V118 / 20個人精品文檔，值得您的擁有V4 各點電壓的仿真結果說明工作原理；7. 用仿真結果說明是否有電阻 R1、R2，電路工作有何不同，由些說明電阻 R1、R2在電路中的作用 （選做）。8用仿真結果說明是否有電阻電壓跟隨器U1A ，電路工作有何不同，由些說明電壓跟隨器 U1A 在電路中的作用 （選做）。六、思考題：霍爾傳感器構成的接近開關電路的工作原理如何，它是怎樣通過電壓跟隨器的電壓比較器來實現(xiàn)開關功能的。19 / 20