传感器特性研究.doc

实验二十九 传感器特性研究  实验内容 描绘传感器的静态特性曲线。 描绘传感器的动态特性曲线。 教学要求 １．了解压力传感器的工作原理和研究方法。  ２．进一步熟悉箱式电位差计的结构原理和使用方法。 实验器材  传感器特性仪，稳压电源，电压表，砝码，滑线变阻器，直流电位差计。 传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，传感器在现代科学技术领域中的地位越来越重要。各类传感器的研制、推广和使用飞速发展。通过实验，初步掌握传感器的静态特性为以后的应用奠定基础。  将非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。传感器的作用也就是把非电量信号的被测量（如力、热、声、磁和光等物理量）转换成与之成比例的电量信号（如电压和电流），然后再经过适当的测量电路处理后，送至指示器以发出指示或送至记录仪进行记录。  这种由非电量至电量的转换是利用了不同物质的某些电学性质与被测量之间的特定关系来实现的。例如压阻效应、热电效应、磁电效应、光电效应和压电效应等等关系。利用这些独特的物理效应，可以设计和制造出适用于各种场合与不同用途的传感器。 实验原理  传感器的基本特性分为静态特性和动态特性两种。  １．传感器的静态特性  所谓静态特性是指输入不随时间变化的情况下的输出特性。也即在静载荷（力值）作用下，用实验的方法测得加载力Ｆ与传感器输出ＵSC 之间的关系，即输入与输出的关系。利用此关系就可研究其静态特性。 (1)灵敏度Ｓ 传感器的灵敏度可定义为 其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率，如图29-1所示。 亦可以这样计算。 式中，ＵSC为满载时输出电压的平均值，Ｆm为满载时的载荷值。 图29-1 传感器灵敏度的定义 (2)线性度（非线性误差）Ｌ 线性度是指输入（理想）-输出关系对于线性比例关系的偏差程度。可以定义为 式中为加载时输出曲线与理想直线（按拟合法求得）的最大差值。如图29-２所示。 图29-2传感器的线性度 (3)滞后性（迟滞差）Ｈ 迟滞性是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。如图29-3所示。其数值用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示。即 或 式中为输出值在正反行程间的最大偏差；表示传感器的滞后性。  滞后现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动、元件腐蚀或碎裂及积塞灰尘等，都会引起传感器的滞后现象。 图29-3 传感器的滞后性 (4)重复性 重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动所得特性曲线的不一致性，如图29-4所示。数值上可用下式表示 式中为三次加载时特性曲线输出值之间的最大差值。  图29-4传感器的重复性 ２．传感器的动态特性 动态特性是指输入信号随时间变化时传感器的输出特性。此时，要求传感器能够随时间精确地跟踪输入，其输出能够按照输入的变化规律发生相应的变化，这个过程又称为响应。响应是描述动态特性的重要参数。 ３．测力传感器 传感器的种类很多，测力传感器是最普通的一种，是由四片电阻应变片分别粘贴在弹性体平衡梁上、下两表面上而构成，如图29-5所示。 图29-5压力传感器的结构（R1、R2、R3、R4为应变片） 工作原理是贴在弹性梁上的四个应变片组成电桥，采用非平衡电桥原理进行测量，电路图如图29-6所示。当贴有传感器的弹性平衡梁受到载荷Ｆ（砝码）作用时，电阻应变片Ｒ1和Ｒ2受到拉伸作用，阻值增加；Ｒ3和Ｒ4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生的不平衡电压ＵSC的大小与所受作用力Ｆ（重量）成正比，此输出电压可用电位差计测量，所加载荷的力值由砝码的重量直接给出。 图29-6 传感器应变片电路图 操作步骤  如图29-7中Ｆ是砝码，PT-1是传感器特性仪，E是直流稳压电源，Ｒ是滑线变阻器，Ｖ是电压表，UJ是直流电位差计。 图29-7实验装置线路图  1.研究加载力Ｆ与输出电压ＵSC的关系  (1)根据图29-7连好线路。保持工作电压为10.0Ｖ。  (2)加载砝码,每次加１kg（约１０Ｎ），加至5kg（50N），记录每次加载时的输出电压值。  (3)加到额定值后，开始减载，每次减1kg,记录每次减载时的输出电压值。  (4)重复进行上述两步骤３次，将输出电压记录在同一表格中，计算其平均值。  (5)在ＵSL一定的条件下，作出Ｆ－ＵSC关系图。  2.研究工作电压ＵSL与输出电压ＵSC的关系  (1)保持加载砝码为５kg，改变输入工作电压，从１.０~Ｖ每次升高1.0V，分别记录各次的输