实
学生姓名：学 号：课程名称：传感器原理及应用指导教师：彭杰刚实验地点：实验日期：
实验评分：验 报 告
*** 03
主楼c2-108
2013 年 6 月 21
日 电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验一 应变片单臂电桥性能实验 实验学时：2 实验目的：
了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。 实验原理：
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 1、应变片的电阻应变效应
所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得
（1—1）
当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R为：
（1—2）
式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr 由材料力学得： εL= - μεr (1—3)
式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得：
（1—4）
式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。 2、应变灵敏度
它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取
（1—5）
其灵敏度系数为：
K=
金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。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 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同
样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。
3、贴片式应变片应用
在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。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半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。
＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。 4、箔式应变片的基本结构
金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右 的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。
(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片
图1—1应变片结构图
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，与丝式应变片工作原理相同。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。 5、测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂 （b）半桥 （c）全桥
图1—2 应变片测量电路
（a）、单臂 Uo＝U①－U③
＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E
＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E 设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。 则Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE (b)、双臂(半桥)
同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE (C)、全桥
同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE 6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3 应变片单臂电桥性能实验原理图
图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片； RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。桥路输出电压Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE 。差动放大器输出为Vo。
实验器材（设备、元器件）：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 41。 2位数显万用表（自备）
实验步骤及内容：
应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。
1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。
图1—4 传感器托盘安装示意图
2、测量应变片的阻值（不要求）：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4
的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。）。
图1—5测量应变片的阻值示意图
3、实验模板中的差动放大器调零：按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换 开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置(先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
图1—6差动放大器调零接线示意图
4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，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；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。
图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图
5、实验完毕，关闭电源。
实验数据及结果分析： 实验数据如下：
表1-1：第一次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电(mv) 压0.000 20 40 60 -0.013 80 -0.017 100 -0.022 120 -0.026 140 160 180 200 -0.004 -0.008 -0.030 -0.035 -0.039 -0.044 对应的实验曲线如下图1-1：
图1-1实验曲线图
表1-2第一次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电(mv) 压-0.001 20 40 60 -0.013 80 -0.018 100 -0.022 120 -0.026 140 160 180 200 -0.005 -0.009 -0.031 -0.035 -0.039 -0.044
对应的实验曲线如下图1-2：
图1-2实验曲线图
表1-3第二次实验数据（砝码增加）
重量（g） 0 电(mv) 压0.000 20 40 60 -0.014 80 -0.018 100 -0.022 120 -0.027 140 160 180 200 -0.004 -0.009 -0.031 -0.035 -0.040 -0.044 对应的实验曲线如下图1-3：
图1-3实验曲线图
表1-4第二次实验数据（砝码减少）
重量（g） 0 电(mv) 压-0.001 20 40 60 -0.014 80 -0.018 100 -0.022 120 -0.027 140 160 180 200 -0.005 -0.009 -0.031 -0.035 -0.040 -0.044
对应的实验曲线如下图1-4：
图1-4实验曲线图
表1-5第三次实验数据（砝码增加）
重量（g） 0 电(mv) 压0.000 20 40 60 -0.013 80 -0.018 100 -0.022 120 -0.027 140 160 180 200 -0.005 -0.009 -0.031 -0.035 -0.040 -0.044 对应的实验曲线如下图1-5：
图1-5实验曲线图
表1-6第三次实验数据（砝码减少）
重量（g） 0 电(mv) 压-0.001 20 40 60 -0.014 80 -0.018 100 -0.022 120 -0.027 140 160 180 200 -0.005 -0.009 -0.031 -0.035 -0.040 -0.044
对应的实验曲线如下图1-6：
图1-6实验曲线图
实验结论：
由曲线图可知，电压与所放重物的质量成正比基本符合理论推导的
／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE规律
Uo≈(1
总结及心得体会：
在实验中要熟悉电路，我们组在实验过程中由于对电路的不了解，在连接电路过程
中犯了一些错误，但经过及时的改正，仍旧在第三个按照要求完成任务。本实验难度不大，电路也不复杂，关键是耐心调整、认真记录数据和后期处理。由于是两个人的实验，感谢同组同学的帮助，以及助教老师的悉心指导。
对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验二 应变片半桥性能实验
实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。掌握测量方法。 实验学时：2 实验原理及内容：
应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE 。
图2—1 应变片半桥特性实验原理图
实验器材（设备、元器件）：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；
应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
实验步骤：
1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。
2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表2中。
图2—2 应变片半桥实验接线示意图
3、根据表2实验数据作出实验曲线。实验完毕，关闭电源。
实验数据及结果分析：实验数据如下： 表2-1：第一次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 0.008 40 0.017 60 0.026 80 0.035 100 0.044 120 0.053 140 0.062 160 0.071 180 0.080 200 0.089 对应的实验曲线如图2-1：
图2-1实验曲线图
表2-2第一次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 0.008 40 0.017 60 0.026 80 0.035 100 0.044 120 0.053 140 0.062 160 0.071 180 0.080 200 0.089 对应的实验曲线如图2-2：
图2-2实验曲线图
表2-3：第二次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 0.008 40 0.017 60 0.026 80 0.035 100 0.044 120 0.052 140 0.061 160 0.070 180 0.079 200 0.088 对应的实验曲线如图2-3：
图2-3实验曲线图
表2-4第二次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 0.008 40 0.017 60 0.026 80 0.035 100 0.043 120 0.052 140 0.061 160 0.070 180 0.079 200 0.088 对应的实验曲线如图2-4：
图2-4实验曲线图
表2-5：第三次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 0.008 40 0.017 60 0.026 80 0.035 100 0.043 120 0.052 140 0.061 160 0.070 180 0.079 200 0.088 对应的实验曲线如图2-5：
图2-5实验曲线图
表2-6第三次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 0.008 40 0.017 60 0.026 80 0.035 100 0.044 120 0.052 140 0.061 160 0.070 180 0.079 200 0.088 对应的实验曲线如图2-6：
图2-6实验曲线图
实验结论：
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，应按图
2—1 应变片
半桥特性实验原理图所示，放在邻边。
2.由曲线图可知，电压与所放重物的质量成正比基本符合理论推导的Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE规律
总结及心得体会：
通过实验，培养了我们的实际应用能力和动手能力。在老师的指导和大家的相互讨论学习下，我顺利完成实验的每个任务，记录了相关数据，绘制了相关表格。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验三 应变片全桥性能实验 实验学时：2
实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。掌握测量方法。 实验原理及内容：
应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。应变片全桥测量电路中，将应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Uo≈(△R／R)E＝KεE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
图3—1应变片全桥性能实验接线示意图
需用器件和单元：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
实验步骤：
实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。
图3—2 应变片全桥性能实验接线示意图
实验数据及结果分析：实验数据如下： 表3-1：第一次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 -0.020 40 -0.037 60 80 100 120 140 160 180 200 -0.054 -0.071 -0.089 -0.106 -0.124 -0.142 -0.159 -0.177 对应的实验曲线如图3-1：
图3-1实验曲线图
表3-2第一次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电压(mv) -0.003 20 -0.021 40 -0.038 60 80 100 120 140 160 180 200 -0.056 -0.073 -0.090 -0.108 -0.125 -0.142 -0.160 -0.177 对应的实验曲线如图3-2：
图3-2实验曲线图
表3-3：第二次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 -0.016 40 -0.034 60 80 100 120 140 160 180 200 -0.051 -0.068 -0.086 -0.103 -0.121 -0.138 -0.156 -0.173 对应的实验曲线如图3-3：
图3-3实验曲线图
表3-4第二次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.001 20 -0.016 40 -0.033 60 80 100 120 140 160 180 200 -0.051 -0.068 -0.086 -0.103 -0.121 -0.138 -0.156 -0.173 对应的实验曲线如图3-4：
图3-4实验曲线图
表3-5：第三次实验数据（砝码增加）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 -0.017 40 -0.035 60 80 100 120 140 160 180 200 -0.052 -0.070 -0.087 -0.105 -0.122 -0.140 -0.158 -0.175 对应的实验曲线如图3-5：
图3-5实验曲线图
表3-6第三次实验数据（砝码减少）：
重量（g） 0 电压(mv) 0.000 20 -0.017 40 -0.035 60 80 100 120 140 160 180 200 -0.052 -0.070 -0.087 -0.105 -0.122 -0.140 -0.158 -0.175 对应的实验曲线如图3-6：
图3-6实验曲线图
实验结论：
1.根据实验数据可求得：非线性误差=（0.1／200）×100%=0.05%
2.由曲线图可知，电压与所放重物的质量成正比基本符合理论推导的Uo≈(△R／R)E＝KεE规律
总结及心得体会：
通过实验，培养了我们的实际应用能力和动手能力。在老师的指导和大家的相互讨论学习下，我顺利完成实验的每个任务，记录了相关数据，绘制了相关表格。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验七 电容式传感器的位移实验 实验学时：2
实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 实验原理： 1、 原理简述：
电容传感器是以各
种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图7—1所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C =C1－C2=ε22∆X／ln(R／r)，式中ε2、ln(R／r)为常数，说明∆C与∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图7—1 实验电容传感器结构
1、 测量电路(电容变换器)：测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是图 16—2的二极管环路充放电电路。
图7—2 二极管环形充放电电路
在图7—2中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和CX1、CX2
（实验差动电容位移传感器）组成。
当高频激励电压(ｆ>100kHz)输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容CX1和 CX2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地)；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。此时，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为：
Q1＝CX2(E2-E1) （7—1）
当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电。CX1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为：
Q2＝CX1(E2-E1) （7—2）
当然，（7—1）式和（7—2）式是在C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图7—2中实线、虚线箭头所示。
在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为： Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （7—3）
式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。 设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为：
i＝fＱ＝f△CX △E （7—4）
式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。
由（7—4）式可看出：f、△E一定时，输出平均电流i与△CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝I Rw。由传感器原理已知∆C与∆X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知∆X位移。
2、 电容式位移传感器实验原理方块图如图7—3
图7—3电容式位移传感器实验方块图
实验器材（设备、元器件）：
主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
实验步骤及内容：
1、按图7—4示意安装、接线。
图7—4 电容传感器位移实验安装、接线示意图
2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传３圈)。 3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V ，再转动测微头(同一个方向)6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数(这样转12圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表7(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。
4根据表7数据作出实验曲线，实验完毕关闭电源开关。
实验数据及结果分析：
电容传感器数据表：x=10mm时，电压 v=0v，取起始值x=5mm 第一次测量数据：
X(mm) 15.008 14.508 14.008 13.508 13.008 12.508 12.008 11.508 11.008 10.508 V(mV) -0.585 -0.520 -0.455 -0.384 -0.322 -0.266 -0.212 -0.146 -0.099 -0.042 X(mm) 10.008 9.508 V(mV) 0.015 0.071 9.008 0.125 8.508 0.189 8.008 0.241 7.508 0.286 7.008 0.337 6.508 0.389 6.008 0.436 5.508 0.487 第一次测量数据曲线
第二次测量数据：
X(mm) 15.008 14.508 14.008 13.508 13.008 12.508 12.008 11.508 11.008 10.508 V(mV) -0.575 -0.510 -0.455 -0.376 -0.314 -0.261 -0.207 -0.147 -0.095 -0.037 X(mm) 10.008 9.508 V(mV) 0.020 0.073 9.008 0.123 8.508 0.184 8.008 0.234 7.508 0.278 7.008 0.326 6.508 0.380 6.008 0.430 5.508 0.478 第二次测量数据曲线
实验结论：
当极板面积和介质一定时极板距离越近电容量越大。
总结及心得体会：
1.当极板面积和介质一定时极板距离与电压成反比。 2.养成良好的实验习惯。
对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验八 线性霍尔传感器位移特性实验 实验学时：2
实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。掌握测量方法。 实验原理：
霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图8—1（带正电的载流子）所示，把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I ，此时在板
图8—1霍尔效应原理
的横向两侧面A,A之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差UH称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为：
UH＝RH
IB＝KHIB d式中：RH＝-1／(ne)是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；
KH＝ RH／d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。
具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中自由电子浓度ｎ很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1µm左右。
霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。
本实验采用的霍尔式位移（小位移1mm～2mm）传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组
成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图8—2 (a)、(b)所示。将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为0，
(a)工作原理 (b)实验电路原理
图8—2霍尔式位移传感器工作原理图
设这个位置为位移的零点，即X＝0，因磁感应强度B＝0，故输出电压UH＝0。当霍尔 元件沿X轴有位移时，由于B≠0，则有一电压UH输出，UH经差动放大器放大输出为V。 V与X有一一对应的特性关系。
＊注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端，另外二端是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。
实验器材（设备、元器件）：
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
实验步骤及内容：
1、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm 刻度 线。按图8—3示意图安装、接线，将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源调节到±4V档。
2、检查接线无误后，开启主机箱电源，松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套，使传感器的PCB板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置(目测)时，拧紧紧固螺钉。再调节RW1使电压表显示０。
图8—3 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图
3、测位移使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3周，记录电压表读数作为位移起点。以后，反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，每隔△X=0.25mm(总位移可取3～4mm)从电压表上读出输出电压Vo值，将读数填入表8(这样可以消除测微头的机械回差)。
4、根据表8数据作出实验曲线，实验完毕，关闭电源。
实验数据及结果分析：
X :位移量。
V1：第一次实验测到的输出电压值。 V2：第二次实验测到的输出电压值。 实验数据如下：
表8 ：霍尔传感器(直流激励)位移实验数据表（V1,V2） x=13mm-7mm △x=0.25mm
X（mm） 7.500 7.750 8.000 8.250 8.500 8.750 9.000 9.250 9.500 9.750 V1（mV） -1.609 -1.428 -1.258 -1.089 -0.922 -0.759 -0.599 V2（mV） -1.601 -1.418 -1.249 -1.089 -0.914 -0.752 -0.596 -0.447 -0.293 -0.142 -0.438 -0.288 -0.136 X（mm） 10.000 10.250 10.500 10.750 11.000 11.250 11.500 V1（mV） 0.007 V2（mV） 0.012 11.750 12.000 12.250 1.092 1.098 1.255 1.263 1.430 1.438 0.158 0.164 0.308 0.314 0.462 0.466 0.613 0.618 0.771 0.776 0.927 0.933 实验曲线如下：
霍尔传感器(直流激励)位移实验曲线
实验结论：
观察可知电压与霍尔传感器位移存在一定的线性型关系 总结及心得体会：
学会了实验方法提高了实际动手能力。 对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验九 开关式霍尔传感器测转速实验 实验学时：1 实验原理:
开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图9—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出，再经转速表显示转速n。
图9—1开关式霍尔传感器测转速原理框图
实验目的：
了解开关式霍尔传感器测转速的应用。掌握测量方法。
实验器材（设备、元器件）：
主机箱中的转速调节0～24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\\转速表；霍尔转速传感器、转动源。
实验步骤：
1、根据图9—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2～3ｍｍ。
2、将主机箱中的转速调节电源0～24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档)；其它接线按图19—2所示连接（注意霍尔转速传感器的三根引线的序号）；将频频\\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关，在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。
图9—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据)。请同学们自拟实验表格并记录两组实验数据。
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。实验完毕，关闭电源。
实验数据及结果分析：
开关式霍尔传感器测转速实验数据表 电压(V) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2720 2720 转速(n) 330 530 870 1090 1340 1550 1800 2040 2260 2500 转速(n) 390 640 860 1080 1340 1570 1800 2040 2265 2500 实验曲线如下
实验结论：
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象必须是磁导体材料。
总结及心得体会：
在实验中要熟悉电路，我们组在实验过程中由于对电路的不了解，在连接电路过程中犯了一些错误，但经过及时的改正，仍旧在第三个按照要求完成任务。本实验难度不大，电路也不复杂，关键是耐心调整、认真记录数据和后期处理。由于是两个人的实验，感谢同组同学的帮助，以及助教老师的悉心指导。
对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
学生姓名：*** 学 号：03 指导教师：彭杰刚 实验地点：主楼c2-108 实验室名称：传感器实验室
实验项目名称：实验十一 光电传感器测转速实验 实验学时：1 实验原理:
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(光电断续器也称光耦)，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，脉冲经处理由频率表显示ｆ，即可得到转速ｎ=10f。实验原理框图如图11—1所示。
图11—1 光耦测转速实验原理框图
实验目的：
了解光电转速传感器测量转速的原理及应用方法。掌握测量方法。
实验内容：光电转速传感器测转速实验。 实验器材（设备、元器件）：
主机箱中的转速调节0～24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\\转速表；转
动源、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源上)。
实验步骤：
1、将主机箱中的转速调节0～24V旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表；再按图11—2所示接线，将主机箱中频率／转速表的切换开关切换到转速处。
图11—2 光电传感器测速实验接线示意图
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，按照实验九中的实验步骤做实验，观察电机转动及转速表的显示情况。
3、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据)；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。实验完毕，关闭电源。
实验数据及结果分析：
光电转速传感器测转速实验数据表 电压(V) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2710 2710 转速(n) 370 610 840 1070 1320 1560 1780 2010 2240 2490 转速(n) 390 630 860 1090 1320 1560 1790 2030 2260 2490 实验曲线如下
实验结论：
本实验使用透射型的，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，测脉冲个数来测转速。
总结及心得体会：
通过实验，培养了我们的实际应用能力和动手能力。在老师的指导和大家的相互讨论学习下，我顺利完成实验的每个任务，记录了相关数据，绘制了相关表格。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 这次实验使我们对传感器有了进一步的了解，切身感受到传感器的巨大作用，对各种各样的传感器使用不再陌生，加强了我们的实践能力，对我们的帮助很大，也使我们对传感器的学习更加有信心。
对本实验过程及方法、手段的改进建议：
学生可以自己动手设计搭建电路。
报告评分：
指导教师签字：
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