大学物理实验报告（清华大学）传感器原理及应用系列实验二

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1、传感器原理及应用系列实验二机械61刘小蒙2006010397传感器原理及应用系列实验二一实验目的：了解电涡流传感器、霍尔传感器、光纤传感器的使用和静态特性。二实验仪器简介：CSY系列传感器系统实验仪是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，组成一个完整的测试系统。实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。传感器系列实验二所用的传感器位于实验工作台右边，装在圆盘式工作台的四周，依次为（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式、压阻式等传感器。光纤传感器的一端已固定在“光电变换器”上，另一端为活动

2、的圆柱形探头，可根据要求加以固定。木实验只做电涡流传感器、霍尔传感器和光纤传感器，相应的处理电路及显示电路请看下面的讲义。当传感器的输入量处于稳定状态时，传感器的输出一输入特性称为静态特性，静态特性包括：线性度、灵敏度、分辨率、阈值等，本实验只对前两项进行研究。三实验任务：1.电涡流传感器的静态标定2.了解光纤传感器的结构和工作原理，学会用光纤传感器做位移测试3.了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试4.了解半导体应变计的工作特性和温度效应（补充）电涡流式传感器一.实验原理：电涡流传感器由平面线圈和金屈片组成，它是基于电磁感应原理

3、制成的。由电磁场理论可知，在受到交变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。电涡流传感器的作用原理如左下图：A等效（A涡流式传感器与被测金属的等效电路把线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈，如右上图所示。设凡为线圈的电阻；厶为线圈电感；&为短路环的电阻；厶2为短路环电感；M为线圈与短路环间的互感，随二者之间距离X减少而增大；3为激励电压。*••••由等效电路可写出两个电压平衡方程式：尺』+丿皿"-丿册？2=5•••—jct^/11

4、1+12+jj=（）解上面的联立方程可得到i,从而求出受金属影响后空心线圈的等效阻抗为DM厶2R22+（叫尸z=~r=R+co2M2+（皿2尸"从上式可看岀线圈阻抗的实部即有效电阻随M的增加而增加；虚部即等效电感随M的增加而减少，这样使线圈阻抗发生了变化。在木实验中，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗乙而涡流的大小与金属片的电阻率,导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X都有关。当平面线圈、被测体（金展片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化通过“涡流变换器”转为电压信号V

5、输出，则输出电压是距离X的单值函数。二.实验步骤：1.电涡流传感器的静态标定1.1实验目的：了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。1.2实验所需部件：电涡流传感器、涡流变换器、螺旋测微仪、电压表、（示波器）1.3实验步骤：（1）安装好电涡流线圈与金属片，注意两者必须保持平行，安装好测微仪，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输岀端接数字电压表20V档。(2)开启主机电源，用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈吋输出电压为零(可适当改变支架中的线圈角度)，然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，从电压表有读数时每隔0.25mm记录一个电压值，测量20

6、组数据记录如下：X/mm10.1009.8509.6009.3509.100&850&6008.3508.100U/v-0.02-0.83-1.26一1・66-2.04-2.42-2.77-3.14-3.477.8507.6007.3507.1006.8506.6006.3506.1005.8505.6005.350-3.814.11-4.41-4.69-4.96-5.2-5.43-5.64-5.83-6.01-6.16图形绘制如下:4.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.511.0X/mm霍尔式传感器一.实验

7、原理:霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器。本实验所用的霍尔传感器，由两个产生梯度磁场的环形磁钢和霍尔元件组成。霍尔元件通以恒定电流时，霍尔电势的大小正比于磁场强度，当霍尔元件在梯度磁场屮上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。二.实验内容：1.霍尔式传感器的直流激励特性1.1实验目的：了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。1.2实验所需部件：霍尔传感器、直流稳压源（2V）、电位器、差动放大器、数字电压表、测微仪。实验原理图:1.3实验步骤：（1）按上图接线，确认霍

8、尔元件直流激励电压为2V,另一激励端接地，差动放大器增益适度（即在