传感器技术实验指导书(2015.9)

传感器与检测技术

实验指导书

现代传感技术实验室编

2015年9月

CSY－2000D传感器实验指南

实验注意事项

1、在每次实验前务必详细阅读实验指导书。

2、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。合上电源开关后，主机实验台上的数显表都显示0000，表示实验台状态正常。

3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地端（⊥）直接短接，因短接容易造成电路故障。

4、在将主机箱的±电源引入实验模板时注意不要接错。

5、每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。 6、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

7、实验完毕后，请将传感器、实验模板和连接线整理好（连接线按长短分成三组）。 8、实验接线时，要握住手柄插拔实验连接线，不能拉扯实验连接线。

9、主机箱上的不同信号电源的地端并不是公共地，接电源时要接与其相对应的地端。

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实 验 目 录

实验一 金属箔式应变片的性能检测实验??????????????????????? 1 实验二 压阻式压力传感器的压力测量实验?????????????????????? 8 实验三 移相器、相敏检波器实验?????????????????????????? 10 实验四 差动变压器的性能实验??????????????????????????? 14 实验五 激励频率对差动变压器特性的影响?????????????????????? 19 实验六 实验七 实验八 实验九 实验十 实验十一 实验十二 实验十三 实验十四 实验十五 P

位移实验中被测体材质对电涡流传感器特性影响???????????????? 20 电容式传感器的位移特性实验 ????????????????????????22 压电式传感器测振动实验 ????????????????????????? 24 直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验 ??????????????????26 交流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验 ??????????????????27 光纤传感器的位移特性实验????????????????????????? 29 霍尔转速传感器测电机转速实验??????????????????????? 30 磁电式转速传感器的测电机转速实验????????????????????? 31 光电转速传感器的测电机转速实验?????????????????????? 32 t100铂电阻测温特性实验????????????????????????? 33

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实验一 金属箔式应变片的性能检测实验

（一）单臂电桥性能检测法

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，并掌握应变片测量电路。

二、基本原理

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： ΔR／R＝Kε 式中：ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L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元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。

三、实验设备与器件单元

主机箱(±4V、±15V、电压表)，应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

图1－1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图

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注意：不要用手压应变梁和托盘！ 四、实验步骤

应变传感器实验模板说明：

实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。

应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，可用数字万用表进行测量判别。常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。

1、根据图1－1黑色画线所示连接导线。

用适中的导线将实验模板上的±15v、地端⊥插口与主机箱的电源±15v、地端⊥分别相连，差动放大器IC4的输出端Vo2和地端⊥与主机箱电压表的输入端Vin和地端⊥相连；用最长的导线连接电路到主机

箱的±4v电源；用最短的导线连接电桥电路。

2、将实验模板上的差动放大器调零

用一根短导线将实验模板中差动放大电路的两个放大器IC1、IC2的两输入端（＋端）短接(Vi＝0)，调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；再将主机箱电压表的量程显示选择切换开关打到2V档，并合上主机箱电源开关，调节实验模板差动放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零，（RW4调零比较困难，请耐心调节。）保证差动放大器在零输入时输出也为零。完成调零后，拆去差动放大器两输入端口的这根短接线。（注意：拆去这根短接线后电压表显示不为零是正常的！）

3、调节单臂电桥处于平衡状态

调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零（调节前电压表有时可能会显示1或-1，表示显示对象超过了电压表±2V的显示量程，可先将电压表的量程拨至20V，待显示对象调至低于±2V时再把量程拨回2V档），这样就保证在没有放入砝码之前电桥处于平衡状态，即输入为零时输出也应该为零。

4、应变片单臂电桥实验

测量电路的初始状态都调节好之后，下面开始进行单臂电桥的测量：在应变传感器的托盘上放置一只20g砝码，读取电压表显示数值，填入表1－1；接着每次增加一个20g砝码到托盘上并读取相应的电压值，直到10个20g砝码加完，记下实验数据填入表1－1中，画出重量和电压的关系曲线。

表1－1 重量和电压数据 重量(g) 电压(mv) 5、根据表1－1数据计算单臂电桥测量系统的灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS ×100％，式中Δm为实际测量值与拟合直线的最大偏差：yFS为一次

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完整测量的满量程输出值，此处为200g时的输出。

6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。

五、思考题

1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以；并说明理由。

2、查阅传感器的相关理论知识，概述衡量传感器的性能特性都有哪些指标？

（二）半桥性能检测法

一、实验目的

比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、基本原理

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EKε／2。

三、实验设备与器件单元

主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤

1、根据图1－2黑色画线所示连接导线。

2、将实验模板上的差动放大器调零。（此步骤在做单臂电桥实验时已完成，可以省略！）

图1－2 应变式传感器半桥接线图

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3、调节半桥处于平衡状态

调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零（调节前电压表有时可能会显示1或-1，表示显示对象超过了电压表±2V的显示量程，可先将电压表的量程拨至20V，待显示对象调至低于±2V时再把量程拨回2V档），这样就保证在没有放入砝码之前电桥处于平衡状态，即输入为零时输出也应该为零。

4、应变片半桥实验

测量电路的初始状态都调节好之后，下面开始进行半桥的测量：在应变传感器的托盘上放置一只20g砝码，读取电压表显示数值，填入表1－2；接着每次增加一个20g砝码到托盘上并读取相应的电压值，直到10个20g砝码加完，记下实验数据填入表1－2中，画出重量和电压的关系曲线。

表1－2 重量和电压数据 重量（g） 电压（mv） 5、根据表1－2数据计算半桥测量系统的灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS ×100％，式中Δm为实际测量值与拟合直线的最大偏差，yFS为一次完整测量的满量程输出值，此处为200g时的输出。

6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。

五、思考题

1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。 2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。

（三）全桥性能检测法

一、实验目的

了解全桥测量电路的优点。

二、基本原理

全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值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了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

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三、实验设备与器件单元

主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤

1、根据图1－3黑色画线所示连接导线。

2、将实验模板上的差动放大器调零。（此步骤在做单臂电桥实验时已完成，可以省略！）

图1－3 全桥性能实验接线图

3、调节全桥处于平衡状态

调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零（调节前电压表有时可能会显示1或-1，表示显示对象超过了电压表±2V的显示量程，可先将电压表的量程拨至20V，待显示对象调至低于±2V时再把量程拨回2V档），这样就保证在没有放入砝码之前电桥处于平衡状态，即输入为零时输出也应该为零。

4、应变片全桥实验

测量电路的初始状态都调节好之后，下面开始进行全桥的测量：在应变传感器的托盘上放置一只20g砝码，读取电压表显示数值，填入表1－3；接着每次增加一个20g砝码到托盘上并读取相应的电压值，直到10个20g砝码加完，记下实验数据填入表1－3中，画出重量和电压的关系曲线。

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表1－3 重量和电压数据

重量（g） 电压（mv） 5、根据表1－3数据计算全桥测量系统的灵敏度S和非线性误差δ。

6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。

五、思考题

测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值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。

（四） 直流全桥的应用――电子秤实验

一、实验目的

把应变片全桥测量电路校准成一台电子秤。

二、实验步骤

在完成实验（三）时，如果能够保证灵敏度S＝1（mv/g）且非线性误差δ＝0，则只要把电压表的量纲V改为重量的量纲g，全桥测量电路就可以当做一台原始的电子秤用来称重了，则本实验内容可以省略；如果灵敏度S≠1（mv/g）或非线性误差δ≠0，则必需按照以下步骤进行电子秤的校准。

1、在完成实验（三）的步骤4之后，十个砝码不要从托盘上拿下来，通过调节电位器RW3使主机箱电压表的显示为0.200（V）。

2、取下托盘上的所有砝码，仔细耐心的调节调零电位器RW1，使主机箱电压表的显示为0.000（V）。 3、再把十个砝码重新放到托盘上，重复上面两个步骤的标定过程，耐心调节，一直到精确为止（由于实验装置的老化，可能无法校得十分的精准，但是也要把误差尽量的降低，起码保证精度要比实验（三）的结果高）。

4、校准完成后，把十个砝码逐个的增加到托盘上，并依次记录重量和电压，填入下表1－4。 表1－4 重量和电压数据 重量（g） 电压（mv） 5、根据上表实验数据画出重量和电压关系曲线，以及计算系统灵敏度S和非线性误差δ。

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（五） 金属箔式应变片的温度影响实验

一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。

二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系

数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。

三、实验设备与器件单元：主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、加热器（在实验模板上，已

粘贴在应变传感器左下角底部）。

四、实验步骤

1、在完成电子秤实验之后，十个20g砝码放在托盘上不要取下来，从电压表上读取加热前的输出电压读数V1。

2、将主机箱中直流稳压电源＋5v、⊥接到实验模板的加热器＋5v、⊥插孔上，等待3～5分钟，待电压表电压显示基本稳定后，再记下读数Vt ,Vt-V1即为温度变化对测试系统的影响。计算这一温度变化产生的相对误差：

??Vt?V1?100%V13、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的传感器实验模板、砝码和连接线等实验物品。

五、思考题

查阅传感器的相关理论知识，阐述金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？

六、误差分析

分析本次实验（共五部分）过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。

七、实验报告说明

撰写实验报告的时候，重点是对实验数据的处理分析计算，相关问题的回答，误差原因分析和减少

误差方法的探讨。实验报告格式要完整，但是可以抄的内容尽量简洁。

本课程实验报告的一个重要内容是计算系统灵敏度S和非线性误差δ，请务必先弄清楚灵敏度和非线性误差的定义和计算方法。

本说明适用于以下所有实验项目，下面不再提示。

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实验二 压阻式压力传感器的压力测量实验

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和方法。

二、基本原理

扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N型电阻条）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图2—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。

图2—1 压阻式压力传感器压力测量实验原理 三、实验设备与器件单元

主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。

四、实验步骤

1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图2－2连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。压力传感器引线为4芯线： 1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源，4端为Uo－，接线见图2－2。

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图2－2 压阻式压力传感器测压实验安装、接线图

2、实验模板上RW2用于调节放大器零位，RW1调节放大器增益。按图2－2将实验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔，将主机箱中的显示选择开关拨到2V档，合上主机箱电源开关，RW1旋到满度的1／3位置（即逆时针旋到底再顺时针旋2圈），仔细调节RW2使主机箱电压表显示为零。

3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。

4、仔细地逐步调节流量计旋钮，从4Kpa开始使压力在4－55KPa之间变化，每上升3KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表2（仔细调节气压，调好气压后等电压显示稳定后再读数）。

表2 压阻式压力传感器测压实验数据（请自制合适的表格用于填写实验数据） P(KPa) Vo(mv) ?? 5、根据实验数据画出P－V曲线，计算本系统的灵敏度S和非线性误差δ。 6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。

五、思考题

查阅传感器相关理论知识，说明压阻式压力传感器大致有几种类型，在应用上各有什么特点。

六、误差分析

分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。

实验三

移相器、相敏检波器实验

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一、实验目的

深入了解移相器、相敏检波器的工作原理。

二、基本原理

1、 移相器工作原理

图3—1为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。图中，IC-1、R1、R2、R3、C1

图3—1 移相器原理图与模板上的面板图

构成一阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：

KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1) KF1(ω)=1

ΦF1(ω)=-л-2tgωR3C1

其中： ω=2лf,f为输入信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：

KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)

KF2(ω)=1

ΦF2(ω)=-л-2tgωRwC3

由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：

即ΦF=ΦF1=-л-2tg2лfR3C1

若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg2лfR3C1+2tg2лfΔRwC3

已知R3=10kΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定，即可算出图3—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。

2、相敏检波器工作原理

-1

-1

-1-1-1

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图3—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验模板上的面板图。图中，AC为交流参考电压输入端，DC为直流参考电压输入端，Vi端为检波信号输入端，Vo端为检波输出端。

图3—2 相敏检波器原理图与模板上的面板图

原理图中各元器件的作用：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V ～ -14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0 ～ -14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。

关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7＝0V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图3—3为相敏检波器的工作时序图。

图3—3相敏检波器工作时序图

三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电

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源、音频振荡器；移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；双踪示波器。

四、实验步骤

(一) 移相器实验

1、 按图3—4示意接线。检查接线无误后，合上主机箱电源开关，用数字示波器监测音频振荡器的输出，调节音频振荡器的输出频率约为ｆ=2kHz，幅值约为Vp-p＝5V（带负载）。

图3—4移相器实验接线图

2、 正确设置和使用数字示波器，采用《电子测量与仪器》实验课中学到的示波器测相位方法，测量波形的相角变化。调节移相器的移相电位器，当移相电位器处于0kΩ位置时（逆时针旋到最左端为0kΩ），用示波器测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）；然后顺时针慢慢旋动移相电位器，同时观察相位的变化情况，当相位不再变化时测定移相器的截至移相角（ΦＦ=ΦＦ2）（10kΩ的电位器只是部分接入，当相位不再变化时电位器还未到最大）。测量时请注意信号的超前和滞后关系，最后计算确定移相器的移相范围

△ΦＦ（用多少度表示）。

（注意：直接法测相位需要保证示波器CH1、CH2的扫描时间基线位于坐标横轴的零位置。）

3、改变输入信号的频率为ｆ=9kHz，幅值不变，再次测试相应的ΦＦ1、ΦＦ2和△ΦＦ，比较结果。 4、测试完毕关闭主电源。 （二）相敏检波器实验

1、按图3—5示意接线，将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关。保持音频振荡器的峰峰值Vp-p=5V（带负载）不变，调节音频振荡器的频率约为f=5kHz；把示波器两个输入通道的垂直输入耦合方式设置为“直流”，并调节CH1、CH2的扫描时间基线位于坐标横轴的零位置。结合相敏检波器工作原理，观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系(跟随关系，波形相同)。

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图3—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图

2、将相敏检波器的DC参考电压改接到-2V(-Vout)，调节相敏检波器的电位器旋钮使示波器显示的两个波形幅值相等(相敏检波器电路已调整完毕，以后不要触碰这个电位器旋钮)，观察相敏检波器的输入、输出波形关系(倒相作用，反相波形)。关闭电源。

3、按图3—6示意图接好线之后，合上主机箱电源，调节移相电位器旋钮(相敏检波器电路上一步已调好不要动)，结合相敏检波器的工作原理，观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系，记录当移相电位器旋钮处于最左边、中间同相（即图3—3第一列的V3波形）和最右边（即波形不再变化的位置）这三个位置时的输出波形图。（注：实际应用上一般要求相敏检波器工作状态Vi检波信号与参考电压AC相位处于同相或反相，才能正确的完成解调。）

图3—6相敏检波器检波实验接线示意图

4、将相敏检波器的AC参考电压改接到音频振荡器的180°输出，调节移相电位器旋钮，观察分析相

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敏检波器的输入、输出波形关系，记录当移相电位器旋钮处于最左边、中间反相（即图3—3第二列的V3波形）和最右边这三个位置时的输出波形图。

五、思考题：总结本次实验内容，并定性分析移相器和相敏检波器的工作原理。

实验四 差动变压器的性能实验

一、实验目的

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理

差动变压器的工作原理是电磁互感原理。差动变压器的结构如图4—1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接（＊同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图4—2所示。图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

图4—1差动变压器的结构示意图 图4—2差动变压器的等效电路图

在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

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由图4—2可以看出一次绕组的电流为：

二次绕组的感应动势为：

由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：

其有效值为：

差动变压器的

输出特性曲线如图4—3所示。图中E21、E22分别为两个二次

绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：

图4—3 差动变压器输出特性

1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。

2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。

3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图4—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。

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(a) (b) (c)

图4—4 减小零点残余电动势电路

简单的原理说明：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。

三、实验设备与器件单元

主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器；差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。

四、测微头的组成与使用

测微头组成和读数如图4—5所示。

测微头读数图 图4—5测位头组成与读数

测微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。 测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，上面标有数字的是整毫米刻线(1ｍｍ／格)，下面一排是半毫米刻线(０.５ｍｍ／格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(０.０１ｍｍ／格)。

用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。

测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒

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上的数值、可以估读1／10分度，如图4—5甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图4—5乙已过零则读２.５１４ｍｍ；如图4—5丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。

测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

五、实验步骤

1、将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；＊号为同名端，如下图4－6。

图4—6 差 动变压器性能实验安装、接线图

2、按图4—6接线，差动变压器的原边Ｌ１的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4～5KHz，调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（可用示波器监测）。

3、调节变压器铁芯大约处在变压器的中间位置

先调节测微头的微分筒，让测微头的起始刻度大约处在10mm 附近的合适位置，保证实验时测微头向左右两个方向都有充裕的位移距离；并用数字示波器的第二通道（探头设在1X位置，并在通道菜单里把倍乘数也设为1X）监测电路的3、4端点输出信号波形的电压；然后松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套（也就是移动整个测微头，而不是只调节微分筒，这样做是为了保证测微头的起始刻度大约处在10mm 的合适位置），通过观测示波器第二通道显示的输出波形，当输出信号波形的Vp-p比较小时，

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实验十四 光电转速传感器测速实验

一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器)，传感

器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。

三、需用器件与单元：主机箱、转动源 、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源上)。 四、实验步骤

图14 光电传感器测速实验

1、关闭主机箱电源开关！、将主机箱中转速调节电源2—24ｖ的旋钮逆时针方向慢慢转到底，再顺时针转约半圈，并接到电压表上；电压表选择20ｖ档，再按图14所示接线。

2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，顺时针慢慢调节主机箱的转速调节电源旋钮，从2Ｖ开始并每增加１Ｖ电压时记录相应电机转速的数据（转速调节旋钮不要钮得太快，待电机转速比较稳定后读取数据），记录到11V共10组电机转速数据填入到自制的表格中。

3、画出电机的ｖ—ｎ(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线并计算其非线性误差。 4、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。

五、思考题

分析比较前面三个实验中三种传感器测量转速的情况，哪种方法最简单、方便，请说明理由。

六、误差分析

综合分析这三个测速实验在实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。

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实验十五 Pt100铂电阻测温特性实验

一、实验目的：了解铂热电阻的特性与应用。

二、基本原理：利用导体电阻随温度变化的特性，可以制成热电阻，要求其材料电阻温度系数大，稳定

性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用的热电阻有铂电阻(650℃以内)和铜电阻(150℃以内)。铂电阻是将0.05～0.07ｍｍ的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成。在0－650℃以内，它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt)，式中： Ro系温度为0℃时的电阻值(本实验的铂电阻Ro＝100Ω)。A＝3.9684×10／℃，B＝－5.847×10／℃。铂电阻一般是三线制，其中一端接一根引线另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制，导线电阻忽略不计。)。实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再经放大器放大后直接用电压表显示。

温度传感器实验模板简介：图15中的温度传感器实验模板是由三运放组成的差动放大电路、调零电路、ａｂ传感器符号、传感器信号转换电路(电桥)及放大器工作电源引入插孔构成；其中RＷ2为放大器的增益电位器，RW3为放大器电平移动电位器。ａｂ传感器符号<接热电偶(Ｋ热电偶或Ｅ热电偶)，双圈符号接AD590集成温度传感器，Rt接Pt100铂热电阻。具体接线参照具体实验。

－3

－7

2

2

三、实验设备与器件单元：主机箱、温度源、Pt100热电阻(二支)、温度传感器实验模板。 四、实验步骤

1、Pt100热电阻有三根线，中其二根同种颜色（黄色）的线是短接的，编号设为1、2，另一根线（蓝色）编号设为3， Pt100热电阻在室温时的大致电阻值为100Ω。

2、在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下，根据图15示意图接线，温度传感器实验模板中ａ、ｂ(Ｒt)两端接传感器，这样传感器(Rt)与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

3、放大器调零：用一根导线将差动放大器的两输入端相连(短接)，将主机箱上的电压表量程(显示选择)切换开关打到2Ｖ档，合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2增益电位器，使放大器增益最小(逆时针转到底)，再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为０，然后拆掉差动放大器的短接导线。

4、合上温度源电源开关和调节仪电源开关，将调节仪控制方式(控制对象)开关按到内(温度)位置。 5、按住调节仪的SET键并保持约3秒钟，仪表进入参数设置状态；PV窗显示HIAL(上限)，用▼、▲、?键修改实验上限温度值，使SV窗显示实验上限温度值为35℃（当温度传感器检测到温度源里的温度超过35℃＋0.2℃时会有超温报警提示，并停止加温，同时启动散热风扇，进行降温）。

6、再按SET键，PV窗显示LoAL(下限) ，用▼、▲、?键修改实验下限温度值，使SV窗显示实验下限温度值为35℃（当温度传感器检测到温度源里的温度低于35℃－0.2℃时会有低温报警提示，并关闭散热风扇停止降温，同时给温度源进行加温）。

7、先按?键不放接着再按SET键退出参数设置状态（或不按任何键，等待约30秒钟后会自动退出设置参数状态）；再用▼、▲、?键修改实验温度设定值（先按▼或▲，再按?才有反应），使SV窗显示实

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验温度35℃。调节仪进入正常显示自动调节控制状态，经过一个相对漫长的调节过程（需要耐心等待），最终温度源温度会在设定的实验温度值35℃上达到动态平衡（即温度被控制在35℃±0.2℃的范围内），待温度源温度达到动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表15。

图15 Pt100铂电阻测温特性实验接线示意图

8、在35℃温度基础上，重复步骤5、6、7的温度源温度设定方法，按Δt=5℃增加实验温度值，待温度源温度达到动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表15。

表15 铂电阻温度实验数据 t(℃) V(mv) 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 9、根据表15的实验数据画出t-V曲线并计算其灵敏度和非线性误差。 10、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品（温度源不拆线）。

五、思考题

查阅传感器相关理论知识，阐述用于制作热电阻传感器的感温材料一般需满足哪些要求？

六、误差分析

分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。

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则变压器铁芯接近变压器的中间位置，然后拧紧紧固螺钉。

4、微调变压器铁芯至变压器的中间位置并测量零点残余电压

紧接上一步骤，把数字示波器的采样方式设置为16次的平均采样，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道输出波形的Vp-p达到最小值，则变压器铁芯处在了变压器的中间位置，记录下此时输出波形的最小Vp-p值（不大于3mV），此最小Vp-p就是差动变压器的零点残余电压；并把此位置定为位移的相对零点，记住此位置的刻度值（如果此时微分筒和轴套的刻度线没对齐，可以微调对齐以得到比较准确的起始刻度，方便下面的位移读数）。

5、差动变压器的位移实验

这时变压器铁芯可以左右位移（0点左边为负方向，右边为正方向），选择一个方向，从Vp-p最小处开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm（取15个点，共3mm）从示波器上读出一个输出电压Vp-p值，填入下表4；然后将测位头退回到Vp-p最小处开始反方向做相同的位移实验（也取15个点，共3mm；两个方向加上零点总共要读取31个点的数据）。

在实验过程中请注意：（1）从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，会由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好回到零点重新做实验。（2）当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化是正常的（实际上很难回到原来的起始位置），做实验时位移取相对变化量△Ｘ＝0.2mm为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。（3）在Vp-p最小处可以假设此处的刻度为0,不用记录实际的刻度值，这样比较方便灵敏度和非线性误差的计算。

6、根据表4画出实验的X－Vop-p曲线，并与图4－3差动变压器的输出特性曲线做比较，分析评价实验结果。

7、以位移零点为起点，作出位移距离分别为＋1mm、－1mm及＋3mm、－3mm时的灵敏度和非线性误差。

8、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。

表4 （请自制合适的表格用于填写实验数据） + X(mm) V(mv) - X(mm) V(mv) ?? ?? 六、思考题

查阅传感器相关理论知识，说明什么是差动变压器的零点残余电动势？如何产生？如何减少零点残余电动势和它的影响？在本次实验中你测得的零点残余电动势是多少？

七、误差分析

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分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。

实验五 激励频率对差动变压器特性的影响

一、实验目的

了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。

二、基本原理

差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：Uo=

?(M1?M2)UiR??L2p22p表示,式中LP、RP为初级

线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。

三、需用器件与单元

主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。

四、实验步骤

1、差动变压器及测微头的安装、接线同实验四图4—6并仔细参阅实验四的第四部分：测微头的组成与使用。

2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节主机箱音频振荡器LV输出频率为2KHZ，Vp-p＝2V(用示波器监测)。调节差动变压器的铁芯大约处在线圈的中心位置，即电路的3、4端点输出信号的Vp-p比较小时。（方法与实验四步骤3相同，注意测微头的位置大约处在10mm附近的位置。）

3、向任一方向调节测微头让差动变压器的铁芯做位移，位移量△Ｘ＝2.5mm（即是测微头旋动5圈），使差动变压器有某个较大的Vp-p输出，记录下此Vp-p输出，并填入表5的第一格。

4、在保持位移量△Ｘ＝2.5mm不变的情况下，改变激励信号（音频振荡器）的频率从3KHz～10KHz（激励电压Vp-p＝2Ｖ保持不变，可用主机箱的频率表监测频率的变化）时，记录差动变压器相应输出的Vp-p值，填入表5。

表5 F(Hz) Vp—p 2 KHz 3 KHz 4 KHz 5 KHz 6 KHz 7 KHz 8 KHz 9 KHz 10KHz 5、根据表5的数据作出差动变压器的幅频(Ｆ—Vp-p)特性曲线，标出谐振点。 6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。

五、思考题

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你认为检测频率特性对差动变压器的应用有什么意义？

实验六 位移实验中被测体材质对电涡流传感器特性影响

一、实验目的

1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、基本原理

通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态(线圈与金属体表面不接触)，当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。 涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

三、需用器件与单元

主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片、铝圆片和铜圆片)。

四、实验步骤

1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅实验四；根据图6安装电涡流传感器和测微头，并在测微头上套上铁圆片被测体，按下图接线。

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图6 电涡流传感器安装、按线示意图

2、移动测微头使铁被测体比较靠近传感器（但不接触），拧紧测微头紧固螺钉，然后调节测微头使铁被测体与传感器端部轻轻接触（但不能紧压），测微头所处位置当做零坐标起点（不记录具体刻度）。将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，从电压表记录输出电压。 3、接着旋动测微头，让铁被测体逐渐离开电涡流传感器，每隔0.1mm读一个输出电压值，共测量5mm的距离，将数据列入表6－1。（铁被测体的前面一小段位移输出读数都是0，从第一个非0输出开始读数。）

表6－1 被测体为铁圆片时位移X与输出电压数据（请自制合适的表格用于填写实验数据） X（mm） V(v) 0 1 2 ?? 48 49 4、将被测体换成铜圆片，并把测微头的刻度退回到较前的位置，重复铁圆片测量步骤（从0位移的第一个输出电压开始读数），进行铜被测体的位移特性测试，将数据列入表6－2。

表6－2 被测体为铜圆片时的位移X与输出电压数据（请自制合适的表格用于填写实验数据） X（mm） V(v) 0 1 2 ?? 48 49 5、将被测体换成铝圆片，并把测微头的刻度退回到较前的位置，重复铁圆片出来步骤（从0位移的第一个输出电压开始读数），进行铝被测体的位移特性测试，将数据列入表6－3。

表6－3 被测体为铝圆片时的位移X与输出电压数据（请自制合适的表格用于填写实验数据） X（mm） V(v) 0 1 2 ?? 48 49 6、根据以上三个表中的数据，画出被测体分别为铁、铜、铝的X－V曲线，根据不同曲线找出各自最

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理想的线性区域（大约1mm左右）及位移测量时的最佳工作点(即曲线线性段的中点)，并计算在线性段内测量范围为1mm和以线性段为中心左右延伸至3 mm时这两个测量线段的位移灵敏度和线性度。

（注：如果线性段在测量数据的开头或结尾，则3 mm的长度由线性段向一个方向延伸截取。从经验上总结得出：铁被测体的线形区在数据的中间段，铜和铝被测体的线形区都是在数据的前段。）

7、根据实验结果，总结不同被测体材质对电涡流传感器特性的影响。 8、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。

五、思考题

1、回答什么是电涡流效应，说明电涡流效应和磁效应的关系；查阅资料，结合课本第5.3.2节的内容，从理论上判断铁、铜、铝三种不同材质在电涡流效应中灵敏度的高低，并与实验结果做比较分析。

2、电涡流传感器的最大特点是什么？查阅最新资料，回答电涡流传感器主要应用于哪些测量对象？ 3、查阅资料，说明电磁炉和微波炉的简单原理，它们各是如何使食物加热的？

六、误差分析

分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ysad.html