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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
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 差动变压器的性能实验 ………………………………………6
实验四 电容式传感器的特性实验 ……………………………………8
实验五 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验 ……………………10
实验六 集成温度传感器的温度特性实验 …………………………11
实验七 光纤传感器的位移特性实验 …………………………………13
实验八 电子称的设计实验 ……………………………………………15
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 (1-1)
式中 为电阻丝电阻相对变化;
为应变灵敏系数;
为电阻丝长度相对变化。
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
(1-2)
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=。
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。
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,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,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。
(2-1)
式中d为元件两端距离
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