传感器实验报告
《传感器原理及⼯程应⽤》吉林⼤学珠海学院
《传感器原理及⼯程应⽤》课程实验指导书
主编：徐杭主审：刘向阳王丽机电⼯程系2008年4⽉、前⾔
本书是针对机电⼯程系机械设计制造及其⾃动化专业，与《传感器原理及⼯程应⽤》这门必修专业基础课相配套，所编写的⼀本实验指导书。
《传感器原理及⼯程应⽤》课程实验是为了使学⽣更深刻地理解书本上的原理与结论，亲⾃动⼿进⾏验证，提⾼感性认识和解决实际问题的能⼒，使学⽣能更好地掌握理论知识。所以《传感器原理及⼯程应⽤》课程实验指导书是紧密结合理论知识，根据教学⼤纲要求以实验报告形式所编写的⼀本实验指导书。
本实验指导书根据课时要求与课程的重点内容，⼀共编写了三个实验：⾦属箔式应变⽚——全桥性能实验，电容式传感器的位移特性实验，直流激励时霍尔传感器位移特性实验。实验内容包括实验⽬的、预习要点、基本原理、实验设备及仪器、实验说明及操作步骤、实验注意事项、思考题、实验报告等。
由于编者⽔平有限，加之时间仓促，书中错误在所难免，恳请读者批评指正。编者2008年4⽉⽬录
学⽣实验守则 (2)
实验⼀⾦属箔式应变⽚——全桥性能实验 (3)实验⼆电容式传感器的位移特性实验 (6)实验三直流激励时霍尔传感器位移特性实验 (9)学⽣实验守则
⼀、学⽣必须按照教学计划规定时间，或预定的时间上实验课，不得迟到，早退或⽆故缺课。
⼆、必须遵守实验室的各项规章制度，服从实验教师指导，保持室
内清洁，卫⽣，安静，有序。实验室内不得吸烟，接打⼿机。三、遵守操作规程，注意⼈⾝安全。未经教师允许不许动⽤与本实
验题⽬⽆关的仪器设备；凡因违反操作规程或擅⾃动⽤其他设备⽽造成损坏的，应按学校规定赔偿。四、实验前必须认真阅读实验指导书，明确实验⽬的，理解实验原
理，掌握实验步骤，填写实验报告中的相应内容；实验中要正确操作，仔细观察，认真记录实验数据，经教师签字后⽅可结束实验；课后要独⽴完成实验报告，并按时交给实验教师批阅。五、实验完毕后，应将实验仪器及⽤过的⼯具清理复原，搞好室内
卫⽣，关好⽔电门窗，经教师同意后⽅可离开实验室。实验⼀⾦属箔式应变⽚——全桥性能实验⼀．实验⽬的
了解全桥测量电路的原理及优点⼆．预习要点
1．什么是应变式传感器？它的⼯作原理是什么？2．什么叫应变效应？
3．试述应变⽚温度误差的概念，产⽣原因和补偿办法。4．什么是直流电桥？若按不同桥臂⼯作⽅式，可分为哪⼏种？三．基本原理
全桥测量电路中，将四个应变⽚接⼊到电桥中（受⼒性质相同的两个应变⽚接⼊电桥对边），当应变⽚初始阻值：R1=R2=R3=R4，当有应变产⽣时，其电阻变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度⽐半桥⼜提⾼⼀倍，⾮线性误差和温度误差均得到明显改善。四．实验设备及仪器1．应变式传感器实验模板2．砝码3．数显表
4．±15V电源，±5V电源五．实验内容与步骤
1. 应变⽚的安装位置如图1-1所⽰，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变⽚已接⼊模板左上⽅的R1，R2，R3，R4。可⽤万⽤表进⾏测量，R1= R2=R3= R4=350Ω。
2. 接⼊模板电源±15V（从主控箱引⼊），检
查⽆误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之⼤致位置位于中间位置，再进⾏差动放⼤器调零，⽅法为：将差放的正、负输⼊端与地短接，输出端与主控箱⾯板上数显电压表输⼊端Vi 相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表为零，（数显表的切换开关打到2V 档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw2的位置⼀旦确定，就不能改变。） 3. 根据图1-2接线。R 1，R 2，为实验模板左上⽅的应变⽚，注意R 2应和
R 1受⼒状态相反，即将传感器中两⽚受⼒相反（⼀⽚受拉，⼀⽚受压）的电阻应变⽚作为电桥的相邻边。接⼊桥路电源±5V，此时应将±5V 地与±15V 地短接（因为不共地）。调节电桥调零电位器Rw1进⾏桥路调零。
4. 在砝码盘上放置⼀个砝码，读取数显表数值，以后每增加⼀个砝码并读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完。记下实验结果填⼊表1-1，关闭电源。
5. 根据表1-1计算系统灵敏度W U S ??=/（ΔU ：输出电压的变化量，ΔW ：重量变化量）和⾮线性误差%100/1??=FS f y m δ式中Δm （多次测
量时的平均值）为输出值与拟合直线的最⼤偏差：y FS 满量程输出平均值，
此处为200g 。六、实验注意事项：
1.不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2.电桥的电压为±5V,绝对不可错接成±15V，否则可能烧毁应变⽚。七、思考题：
1.全桥测量中，当两组对边（R1，R3为对边）值R相同时，即R1=R3，R2=R4，⽽R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。
2.某⼯程技术⼈员在进⾏材料拉伸测试时在棒材上贴了两组应变⽚，如何利⽤这四⽚电阻应变⽚组成电桥，是否需要外加电阻。
⼋、实验报告要求：
1根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。
2⽐较单臂，半桥，全桥输出时的灵敏度和⾮线性度，并从理论上加以⽐较，得出相应的结论。实验⼆ 电容式传感器的位移特性实验⼀．实验⽬的
了解电容式传感器结构及其特点⼆．预习要点
1． 根据⼯作原理可将电容式传感器分为哪⼏种类型？每种类型各有什么特点？三．基本原理
利⽤平板电容d S C /ε=和其他结构关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε，S ，d 中三个参数，保持两个参数不变，⽽只改变其中⼀个参数，则可以有测量⾕物⼲燥度（ε发⽣变化），测微⼩位移（变d ）和测量液位（变ε）等多种电容传感器。变⾯积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响；⽽圆柱形结构受极板径向变化的影响很⼩，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致⾮线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但⽐变极距型好的多。）成为实际中最常⽤的结构，其中线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为：
1) 式中l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r 2，r 1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l ?时，电容变化量ΔC 为)ln(212r rl C πε=l
l C r r l r r l l r r l C ?=?=?--=0121212)ln(2)
ln()(2)ln(2πεπεπε
2) 于是，可得其静态灵敏度为：3) 可见灵敏度与有关，r
2与r 1越接近，灵敏度越⾼，虽然内外极筒原
始覆盖长度l 但l 不可太⼩，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变⾯积式电容传感器，采⽤差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减少⾮线性误差和增加传感器的灵敏度。四．实验设备及仪器1．电容传感器；
2．电容传感器实验模板； 3．测微头； 4．数显单元； 5．直流稳压源。、五．实验⽅法及步骤
1. 将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插⼊实验模板的插座中。
2. 将电容传感器实验模板的输出端V ol 与数显单元Vi 相接（插⼊主控箱Vi 孔）Rw 调节到中间位置。
3. 接⼊15±V 电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm 记下位移X 与输出电压值，填⼊表2-1。
)ln(4/)ln()(2)ln()(2121212
r r l r r l l r r l l lC k g πεπεπε=--+=
=12r r
六、实验注意事项：
1传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。
2做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。七、思考题：
1.简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。
2.电容式传感器和电感式传感器相⽐，有哪些优点？⼋、实验报告要求：
1.根据表2-1 数据，⽤作图法计算电容传感器的系统灵敏度S和⾮线性误差。f
2.根据实验结果，分析引起这些⾮线性的原因，并说明怎样提⾼传感器的线性度
实验三直流激励时霍尔传感器位移特性实验⼀．实验⽬的1．了解霍尔式传感器原理与应⽤⼆．预习要点
2．什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？3．影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？4．温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？三．基本原理
⾦属或半导体薄⽚置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的⽅向上将产⽣电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件称为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势U H=K H IB，当保持霍尔元件的控制电流恒定，⽽使霍尔元件在⼀个均匀梯度的磁场中沿⽔平⽅向移动，则输出的霍尔电动势为U H=kx，式中k——位移传感器的灵敏度。这样它就可以⽤来测量位移。霍尔电动势的极性表⽰了元件的位移⽅向。磁场梯度越⼤，灵敏度越⾼；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。四．实验设备及仪器1．霍尔传感器实验模板2．霍尔传感器3．15V直流电源4．测微头6．数显单元五．实验⽅法及步骤
1. 将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模板上，将传感器引线插头插⼊实
验模板的插座中，实验板的连接线按图3-1进⾏。1，3为电源 5V，2，4为输出。2. 开启电源，调节测微头使霍尔⽚⼤致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指⽰为零。
3. 测微头往轴向⽅向推进，每转动0.2mm记下⼀个读数，直到读数近似不变，将读数填⼊表3-1。
六、实验注意事项：
1.对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。
2.不要将霍尔传感器的激励电压错接成 15V，否则将可能烧毁霍尔元件。七、思考题：
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？⼋、实验报告要求：
整理实验数据，根据所得的实验数据作出传感器V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和⾮线性误差。1.
2.归纳总结霍尔元件的误差主要有哪⼏种，各⾃的产⽣原因是什么，应怎样进⾏补偿。
