傳感器技術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、實驗目的：了解差動式同軸變面積電容式傳感器的原理、結構、特點及應用。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，將被測物理量轉換成電容量的變化來實現測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C= eA/d關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇 e、A、d中三個參數中，保持二個參數不變，而只改變其中一個參數，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構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，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（電容變換器電容傳感器結構圖廣 測量電路畫在實驗模板的面板上。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C<1、CX2 （實驗差動電容位移傳感器）組成。當高頻激勵電壓（f >100kHz）輸入至Ua點，由低電平E1躍到高電平E2時，電容Cxi和C<2兩端 電壓均由 日充到以。充電電荷一路由a點經 D3到b點，再對CX1充電到。點(地)；另一路由由a點 經C4到C點，再經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，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，電容CX1和CX2均放電。CX1經b點、口、c點、C4、a點、L1放電到。點；CX2經d點、D6、L1放電到。點。在t2放電時間內由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(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(傳感器的結構決定的，是差動式)。設激勵電壓頻率f = 1/T,則流過ac支路輸出的平均電流i為：i =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經電路中的電感L2、電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經RW轉換成電壓輸出 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、電容傳感器實驗模板、 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如圖微調鈕側桿安裝建微分筒測微頭組成：測微頭由不可動部分安裝套、軸套和可動部分測桿、微分筒、微調鈕組成。測微頭讀數與使用：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）。用手旋轉微分筒或微調鈕時，測桿就沿軸線方向進退。微分筒每轉過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。測微頭的讀數方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準微分筒上的數值、可以估讀 1/10分度，如上圖甲讀數為 3.678mm,不是3.178mm；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應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，則不應讀為 2mm讀數應為1.980mm=測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產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、將實驗模板上的 Rw調節(jié)到中間位置（方法：逆時針轉到底再順時傳3圈）。3、將主機箱上的電壓表量程切換開關打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，旋轉測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0V ,再轉動測微頭（同一個方向）6圈，記錄此時的測微頭讀數和電壓表顯示值為實驗起點值。以后，反方向每轉動測微頭 1圈即X=0.5mm位移讀取電壓表讀數（這樣轉12圈讀取相應的電壓表讀數），將數據填入下表（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據X(mm)V(mV)4、根據數據作出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,指出線性測量范圍，分析產生非線性現象的原因。五、擴展問題：本實驗怎樣提高系統(tǒng)靈敏度?實驗完畢關閉電源開關。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按住插頭上的凸鎖 同時往上拔。實驗二電阻應變片與直流電橋一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。二、基本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉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化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻 的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的 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)應用十分廣泛。1、應變片的電阻應變效應所謂電阻應變效應是指具有規(guī)則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產生應變而其電阻值也會產生相應地改變，這一物理現象稱為“電阻應變效應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為p時，根據電阻的定義式得j 7rM（1）當導體因某種原因產生應變時，其長度L、截面積A和電阻率P的變化為dL、dA、dp相應的電阻變化為dR對式（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為導體的軸向應變量j dr/r為導體的橫向應變量 十由材料力學得：也=-re式中：科為材料的泊松比，大多數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）說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）2、應變靈敏度它是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量。（1）、金屬導體的應變靈敏度K:主要取決于其幾何效應；可取(5)其靈敏度系數為：K= 1-然金屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應 變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。（2）、半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；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。在半導體受力變形時會暫時改變晶 體結構的對稱性，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，這種物理現象稱之為 半導體的壓阻效應 。不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同，可以是正（使 電阻增大）的或負（使電阻減小）的壓阻效應。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質的半導體將 得到完全相反的電阻變化效果。半導體材料的電阻應變效應主要體現為壓阻效應，其靈敏度系數較大，一般在100到200左右。3、貼片式應變片應用在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩(wěn)定性、線 性度不好而且易損壞）很少應用。一般半導體應變采用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變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應）傳感器。*本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。4、箔式應變片的基本結構金屬箔式應變片是在用苯酚、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）絲式應變片L川禁匿法用然（b）箔式應變片應變片結構圖金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，與絲式應變片工作原理相同。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，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：4R/ R= Ke 式中：R/ R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數，e=4L/L為電阻絲長度相對變化。5、測量電路為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號，在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現溫度補償等優(yōu)點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。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?；倦娐啡鐖D(a)、(b)、(c)所示。(b)半橋(c)全橋(a)單臂應變片測量電路(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 R1= R5=R6=R7,且R/R： 4R/ R < < 1, aR/R=K , K 為靈敏度系數。則 Ug (1 /4)( R1/R1)E = (1 /4)( AR/R)E=(1 /4)K E(b)、雙臂(半橋)同理：Uo=(1 /2)( R)E=(1/2)K E(C)、全橋同理：Uo=( AR/R)E= K E6、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖應變片單臂電橋性能實驗原理圖圖中R5、R5、R7為350a固定電阻，R1為應變片；RW1和R8組成電橋調平衡網絡，E為供橋電源4V。橋路輸出電壓 Ug （1/4）（ R4/R4）E = （1 /4）（R）E= （1/4）K e E 。差放輸出為 Vo。三、需用器件與單元： 主機箱中的土 2V10V （步進可調）直流穩(wěn)壓電源、土15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、祛碼；4 g位數顯萬用表。四、實驗步驟：應變傳感器實驗模板說明：應變傳感器實驗模板由應變式雙孔懸臂梁載荷傳感器（稱重傳感器）、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應變片測量電路、差動放大器組成。實驗模板中的R1（傳感器的左下）、R2（傳感器的右下）、R3（傳感器的右上）、R4（傳感器的左上）為稱重傳感器上的應變片輸出口； 沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學者組成電橋接線方便而設；R5、R6、卬是350a固定電阻，是為應變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋） 而設的其它橋臂電阻。加熱器 +5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應變片溫度影響實驗時用。 多芯插頭是振動源的振動梁上的應變片輸入口，做應變片測量振動實驗時用。要使實驗模板正常工 作必須接入土 15V直流電源。1、將托盤安裝到傳感器上，如圖所示。r 1固丈螺起/加勃絲 拒變后傳感器托盤安裝示意圖2、測量應變片的阻值：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變片R1、R2、R& R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只祛碼后再分別測量 R1、R2、R3 R4的阻值變化，分析應變片的受力情況（受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變小。）。3、對實驗模板中的差動放大器調零：運算放大器調零原則，在放大器的增益較大時（先將RW3順時針輕輕轉到底，再逆時針回轉1圈），運算放大器輸入為零時，輸出應為零。4、應變片單臂電橋實驗：按應變片單臂電橋性能實驗原理圖接線，注意電橋電源為4V,檢查接線無誤后合上主機箱電源開關， 調節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器 RW1使主機箱電壓表顯示為零； 在傳感器的托盤上依次增加放置一只 20g祛碼（盡量靠近托盤的中心點放置 ），讀取相應的數顯表電 壓值，記下實驗數據填入下表。應變片單臂電橋性能實驗數據重量(g)0電壓(mV)05、應變片半橋實驗：參考步驟 4,注意增益不能改變重量(g)0電壓(mV)06、應變片全橋實驗：參考步驟 4,重量(g)0電壓(mV)07、根據表中實驗數據在同一座標系中作出實驗曲線；分別計算系統(tǒng)靈敏度S= V/ AW( AV輸出電壓變化量，4Wi量變化量)；分別計算非線性誤差 8 =4m/yFS x 100%,式中am為輸出值(多 次測量時為平均值)與擬合直線的最大偏差，yFS滿量程輸出平均值，此處為 200g。五、選作實驗：如果應變計未按鄰臂受力方向相反，對臂受力方向相同的原則連接，電路輸出的理論值應該是 多少？用實驗驗證。實驗三電感傳感器原理與特性一、實驗目的：了解電感傳感器(差動變壓器)的工作原理和零點殘余電壓補償方法。二、基本原理：差動變壓器的工作原理屬于電磁互感原理。差動變壓器的結構如下圖所示，由一個一次繞組1和二個二次繞組2、3及一個銜鐵4組成。差動變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于把二個二次繞組反向串接(*同名端相接)，以差動電勢輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。當差動變壓器工作在理想情況下(忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響)，它的等效電路如下圖所示。圖中 U1為一次繞組激勵電壓；Mi、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感相同，因而由一 次側激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21,這時互感Ml大，/小,差動變壓器的結構示意圖因而二次繞組L21內感應電動勢大于二次繞組 L22內感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由差動變壓器的等效電路圖 可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應動勢為：44II心=S22 = -JaM J1由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：其有效值為：q, 一差動變壓器的輸出特性曲線如下圖所示.圖中匕1、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢，B為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中B的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際白輸出特性。E0為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。為了減小零點殘余電動勢可采取以卜方法:差動變壓器輸出特性曲線1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數及磁路的對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減 小零點殘余電動勢。3、采用補償線路減小零點殘余電動勢。下圖是典型的幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在差動變壓器的線圈中串、 并適當數值的電阻電容元件，當調整 W1 W加，可使零點殘余電動勢減小。(a)(b)(c)零點殘余電動勢的補償電路三、需用器件與單元：主機箱中的士 15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、差動變壓器、測微頭及實驗模板按下圖示意安裝、接線。實驗模板中的L1為差動變壓器的4kHz5kHz、幅度為峰峰初級線圈，L2、L3為次級線圈，*號為同名端；L1的激勵電壓必須從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節(jié)音頻振蕩器的頻率為值Vp-p= 2V作為差動變壓器初級線圈的激勵電壓。作展工友凝泳盤頭安裝札可 蹤I 示I 波I 器I差動變壓器性能實驗安裝、接線示意圖2、差動變壓器的性能實驗：使用測微頭時，當來回調節(jié)微分筒使測桿產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如下a、b兩種方法實驗，建議用 b方法可以檢測到差動變壓器零點殘余電壓附近的死區(qū)范圍。a、調節(jié)測微頭的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm刻度線。松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p（峰峰值）為較小值（越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置）時，擰緊緊固螺釘。仔細調節(jié)測微頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形 Vp-p為最小值（零點殘余電壓）并定為位移的相對零點。這時可假設其中一個 方向為正位移，另一個方向位移為負，從Vp-p最小開始旋動測微頭的微分筒，每隔X=0.2mm何取30點值）從示波器上讀出輸出電壓 Vp-p值，填入下表，再將測位頭位移退回到Vp-p最小處開始反方向（也取30點值）做相同的位移實驗。在實驗過程中請注意：從Vp-p最小處決定位移方向后，測微頭只能按所定方向調節(jié)位移，中途不允許回調，否則，由于測微頭存在機械回差而引起位移誤 差；所以，實驗時每點位移量須仔細調節(jié)，絕對不能調節(jié)過量，如過量則只好剔除這一點粗大誤差 繼續(xù)做下一點實驗或者回到零點重新做實驗。當一個方向行程實驗結束，做另一方向時，測微頭 回到Vp-p最小處時它的位移讀數有變化 （沒有回到原來起始位置）是正常的，做實驗時位移取相對變 化量AX為定值，與測微頭的起始點定在哪一根刻度線上沒有關系，只要中途測微頭微分筒不回調就不會引起機械回程誤差。*b、調節(jié)測微頭的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度線對準軸套的10mm刻度線。松 開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p（峰峰值）為較小值（越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置）時，擰緊緊固螺釘。仔細調節(jié)測微頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形 Vp-p為最小值（零點殘余電壓）并定為位移的相對零點，再順時針方向轉動測微頭的微分筒12圈，記錄此時的測微頭讀數和示波器CH2通道顯示的波形 Vp-p（峰峰值）值為實驗起點值。以后，反方向（逆時針方向）調節(jié)測微頭的微分筒，每隔 X=0.2mm（測60個數據）從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表（這樣單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的機械回差差動變壓器性能實驗數據 X(mm)Vp-p(mV) X(mm)Vp-p(mV) X(mm)Vp-p(mV)3、根據數據畫出X Vp-p曲線并找出差動變壓器的零點殘余電壓。五、選作實驗:零點殘余電動勢的補償：根據下圖接線，調整測微頭，使放大器輸出電壓（用示波器CH2通道監(jiān)測）最小，依次交替調節(jié) RW1 RW2使放大器輸出電壓進一步降至最小。從示波器上觀察，（注: 這時的零點殘余電壓是經放大后的零點殘余電壓，所以經補償后的零點殘余電壓: 是放大倍數約為7倍左右。）差動變壓器的零點殘余電壓值（峰峰值）與未補償的零點殘余電壓比較是否減小。五、思考題:1、能否用直流電壓激勵電感傳感器，為什么?實驗四光纖傳感器性能實驗（設計性實驗）一、實驗目的：了解光纖傳感器的工作原理和性能。二、基本原理：光纖傳感器是利用光纖的特性研制而成的傳感器。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等， 它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如 核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器主要分為兩類：功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器（也稱為物性型和結構型）。功能型光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖，構成“傳”和“感”合為一體 的傳感器。這里光纖不僅起傳光的作用，而且還起敏感作用。工作時利用檢測量去改變描述光束的 一些基本參數，如光的強度、相位、偏振、頻率等，它們的改變反映了被測量的變化。由于對光信 號的檢測通常使用光電二極管等光電元件，所以光的那些參數的變化，最終都要被光接收器接收并 被轉換成光強度及相位的變化。這些變化經信號處理后，就可得到被測的物理量。應用光纖傳感器 的這種特性可以實現力，壓力、溫度等物理參數的測量。非功能型光纖傳感器主要是利用光纖對光 的傳輸作用，由其他敏感元件與光纖信息傳輸回路組成測試系統(tǒng)，光纖在此僅起傳輸作用。本實驗采用的是傳光型光纖傳感器，它由兩束光纖混合后，組成丫形光纖，半園分布即雙 D分布，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距d,由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經被測體反射回來，另一束光纖接收光信號由光電轉換器轉換成電量，如下圖所示。(b)Y形光纖Y形光纖測位移工作原理圖傳光型光纖傳感器位移量測是根據傳送光纖之光場與受訊光纖交叉地方視景做決定。當光纖探頭與被測物接觸或零間隙時 （d=0）,則全部傳輸光量直接被反射至傳輸光纖。沒有提供光給接收端之 光纖，輸出訊號便為“零”。當探頭與被測物之距離增加時，接收端之光纖接收之光量也越多，輸出 訊號便增大，當探頭與被測物之距離增加到一定值時，接收端光纖全部被照明為止，此時也被稱之 為“光峰值”。達到光峰值之后，探針與被測物之距離繼續(xù)增加時，將造成反射光擴散或超過接收端 接收視野。使得輸出之訊號與量測距離成反比例關系。如下圖曲線所示，一般都選用線性范圍較好的前坡為測試區(qū)域。光纖位移特性曲線三、器件與單元：主機箱中的士 15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；Y型光纖傳感器、光纖傳感器實驗 模板、測微頭、反射面（拋光鐵圓片）、轉動源。四、實驗步驟：1、觀察光纖結構：二根多模光纖組成 Y形位移傳感器。將二根光纖尾部端面（包鐵端部）對住自然光照射，觀察探頭端面現象，當其中一根光纖的尾部端面用不透光紙擋住時，在探頭端觀察面為 半圓雙D形結構。2 、安裝各部件：安裝光纖：安裝光纖時，要用手抓捏兩根光纖尾部的包鐵部分輕輕插入光電座中，絕對不能用手抓捏光纖的黑色包皮部分進行插拔，插入時不要過分用力，以免損壞光纖座組件中光電管。測微頭、被測體安裝：調節(jié)測微頭的微分筒到5mm處（測微頭微分筒的 0刻度與軸套5mm刻度對準）。將測微頭的安裝套插入支架座安裝孔內并在測微頭的測桿上套上被測體（鐵圓片拋光反射面），移動測微頭安裝套使被測體的反射面緊貼住光纖探頭并擰緊安裝孔的緊固螺釘。集成運放IC3輸出接電壓表。3、檢查接線無誤后合上主機箱電源開關。調節(jié)實驗模板上的R/V使主機箱中的電壓表顯示為0V。4、逆時針調動測微頭的微分筒，每隔0.1mm讀取電壓表顯示值填入下表。光纖位移傳感器輸出電壓與位移數據表X (mrmV(v)X (mrmV(v)5、根據數據畫出實驗曲線并找出線性區(qū)域較好的范圍計算靈敏度和非線性誤差。6、設計性實驗：用光纖傳感器測量旋轉臺的轉速（使用旋轉臺時要注意人身及器材安全，通電前一定要把主機箱上的轉速調節(jié)旋鈕調為最小 ，加大轉速時，轉速電源最大值必須小于12V）。記錄電機電樞電壓從 2V開始，每增加0.5V相應光纖傳感器和光電轉速傳感器的數據，畫出電機的V-n （電機電樞電壓與電機轉速的關系）特性曲線，并進行分析，n的單位是：轉/分。V(v)22.533.544.555.566.577.58n （光纖）n （光電）實驗完畢，關閉電源。五、思考題：光纖位移傳感器測位移時對被測體的表面有些什么要求?實驗五壓電加速度傳感器及振動測試一、實驗目的：了解壓電傳感器的原理和測量振動的方法。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 料的壓電效應為轉換機理實現力到電量的轉換。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用。1、壓電效應：具有壓電效應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，如鈦酸銀、錯鈦酸鉛等。壓電材料受到外力作用時，在發(fā)生變形的同時內部產生極化現象，它表面會產生符號相反的電 荷。當外力去掉時，又重新回復到原不帶電狀態(tài)，當作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變， 如下圖所示。這種現象稱為壓電效應。(a)(b)(c)壓電效應2、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，金屬膜構成兩個電極，如下圖（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。從結構上看，它又是一個電容器。因此通常將壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯的電路如下圖（b）所示。其中ea=Q/Ca。式中，ea為壓電晶片受力后所呈現的電壓，也稱為極板上的開路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。實際的壓電傳感器中，往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進行并聯或串聯。壓電晶片并聯時如 下圖（c）所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負電極在兩側的電極上，因而電容量大，輸出電荷量 大，時間常數大，宜于測量緩變信號并以電荷量作為輸出。壓電傳感器的輸出，理論上應當是壓電晶片表面上的電荷Q。根據下圖（b）可知測試中也可取等效電容Ca上的電壓值，作為壓電傳感器的輸出。 因此，壓電式傳感器就有電荷和電壓兩種輸出形式。 3、壓電式加速度傳感器下圖（d）是壓電式加速度傳感器的結構圖。圖中， M是慣性質量塊，K是壓電晶片。壓電式加速 度傳感器實質上是一個慣性力傳感器。在壓電晶片K上，放有質量塊 Mo當殼體隨被測振動體一起振動時，作用在壓電晶體上的力F = Ma。當質量M 一定時，壓電晶體上產生的電荷與加速度a成正比。(c)并聯(d)壓電式加速度傳感器壓電晶片及等效電路4、壓電式加速度傳感器和放大器等效電路壓電傳感器的輸出信號很弱小，必須進行放大，壓電傳感器所配接的放大器有兩種結構形式：一種是帶電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。電壓放大器測量系統(tǒng)的輸出電壓對電纜電容Cc敏感。當電纜長度變化時，Cc就變化，使得放大器輸入電壓e變化，系統(tǒng)的電壓靈敏度也將發(fā)生變化，這就增加了測量的困難。電荷放大器則克服了上述電壓放大器的缺點。 它是一個高增益帶電容反饋的運算放大器。當略去傳感器的漏電阻 Ra和電傳感器-電纜-電荷放大器系統(tǒng)的等效電路圖。荷放大器的輸入電阻R影響時，有 Q=ei(Ca+Cc+Ci)+( ei-ey)Cf, ( 1)式中，ei為放大器輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓 ey=-Kei； k為電荷放大器開環(huán)放大倍數;Cf為電荷放大器反饋電容。將ey=-Kei代入式(1),可得到放大器輸出端電壓ey與傳感器電荷 Q的關系式：設C=Ca+Cc+Ciey=-KQ/(C+C f)+KCf , ( 2)當放大器的開環(huán)增益足夠大時，則有KCf>>C+C (2)簡化為ey=-Q/Cf , ( 3)式(3)表明，在一定條件下，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，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、壓電傳感器實驗模板、移相器/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，調節(jié)低頻振蕩器的頻率大約為9Hz左右。再慢慢調節(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據。f(Hz)6789101112131415Vp-p4、作出f-Vp-p曲線，并對曲線進行分析。