测试技术A实验指导书

陈志刚编

张玉萍审

长沙理工大学测控教研室

2024 年9月

目    录

一、霍尔传感器特性实验

二、电涡流传感器特性实验

三、电容传感器特性实验

四、电阻应变片及电桥性能实验

霍尔传感器特性实验

一、   实验目的：

1、            掌握霍尔传感器的工作原理及特性

2、            掌握霍尔传感器的静态标定方法

二、   实验器材：

THSRZ-2 型传感器系统综合实验装置，其中所取单元：霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、、数显电压表  振动源、直流稳压电源、通信接口

电子示波器、计算机数据采集系统

三、   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1—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1-1霍尔效应原理

的横向两侧面,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＝KHIB

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。

 本实验采用的霍尔式位移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1-2所示。将霍尔元件放入磁场强度线性变化的两块永久磁钢中间， (a)工作原理                              (b)实验电路原理

图1-2霍尔式位移传感器工作原理图

当霍尔元件沿Z轴从一侧移动到另一侧过程中，磁场方向发生改变，磁场强度线性变化，则有电压UH输出，UH经差动放大器放大输出为Vo，Vo与X有一一对应的特性关系。

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直流稳压电源、电压表；霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。。

四、   实验内容及步骤：

  1、将霍尔传感器按图1-3安装。霍尔传感器与实验模板的连接见图1-4进行。

                 　　　　　　图1-3

                                     图1-4

2．将霍尔传感器安装到霍尔传感器模块上，传感器引线接到霍尔传感器模块9芯航空插座。按图1-4接线。

3．开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，若显示-1，则调整到“20V”挡，手动调节测微头的位置，使霍尔芯片从磁场的一侧移动至另一侧，测微头位置以便于测量和读取数据为宜，每隔△X=0.2mm或0.5mm，从电压表上读出输出电压Vo值，将读数填入下表

五、注意事项：

1、激励电压不能任意打得过大，以免损坏霍尔片，本实验为±4v。

六、思考题：

1、            作出V—X曲线，指出线性范围，求出灵敏度，并计算非线性误差。

电涡流传感器特性实验

一、        实验目的：

1、            掌握电涡流传感器的原理及工作性能；

2、            了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、        实验器材：

1、            THSRZ-2 型传感器系统综合实验装置，其中所取单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、数显单元、被测体(铁、铜、铝圆片)振动源、直流稳压电源、信号源

三、        实验原理：

通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可用来测量传感器与被测体的距离。

四、        实验步骤：

1、            根据图1安装电涡流传感器。

图2-1

图2-2

1、观察传感器结构，这是一个扁平线圈。

2、电涡流传感器与实验模板的连接见图2-2进行：

3、在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头

4、将电涡流传感器连接线接到模块上标有“”的两端，实验模块输出端Uo与数显单元输入端Ui相接。数显表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用连接导线从实验台接入+15V电源。 

5、打开实验台电源，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止，将结果列入下表2-1。

6、将实验的被测体铁圆片换成铝和铜圆片，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别将实验数据列入表2-2和表2-3中。

表2－1被测体为铁圆片时的位移实验数据

表2－2被测体为铝圆片时的位移实验数据

表2－3被测体为铜圆片时的位移实验数据

3、根据实验数据在同一坐标上画出实验曲线进行比较。实验完毕，关闭电源。

五、        思考题：

对于三种材料，作出V—X曲线，对每种材料指出线性范围，求出灵敏度，试比较不同材质金属片对电涡流传感器的影响。

电容传感器特性实验

一、     实验目的：

1、            掌握电容式传感器的原理及工作性能。

2、            掌握电容式传感器的静态标定方法

二、实验器材：

1、            THSRZ-2 型传感器系统综合实验装置，其中所取单元：电容传感器实验模板、电容传感器、相敏检波、滤波模板、测微头、数显单元、信号源、直流稳压电源、振动源

2、            电子示波器、计算机数据采集系统

三、实验原理：

    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=ε2ｘ／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=ε22∆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

3-1实验电容传感器结构

四、实验步骤：

按图3-2将电容传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插入实验模块插座中。见图3-3

图3-2

图3-3

2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到适当增益。

3、开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，若显示“-1”，则调整到20V挡，手动调节测微头的位置，使电容中间极从磁场的一侧移动至另一侧，测微头位置以便于测量和读取数据为宜，每隔△X=0.2mm或0.5mm，从电压表上读出输出电压Vo值，将读数填入下表

五、   思考题

        作出V—X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。

电阻应变片及电桥性能实验

一、实验目的：

1、了解金属箔式应变片的应变效应，全桥、半桥、单臂电桥工作原理和性能。

2、比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

实验内容一    金属箔式应变片――单臂电桥性能实验

一   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。

二、需用器件与单元：THSRZ-2 型传感器系统综合实验装置、应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

三   实验步骤：

1、 根据图（4－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω。

图4－1  应变式传感器安装示意图

2、 接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，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，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验内容三为止）。

3、 将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如图4－2所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。

图4－2应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、 在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表4－1，关闭电源。

5、 根据表4－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）

实验内容二       金属箔式应变片――半桥性能实验

一、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。

二、用器件与单元：同实验内容一。

三、实验步骤：

1、  传感器安装同实验内容一。仔细阅读实验内容一的步骤2，

2、  根据图4－3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1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±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验内容一中4、5的步骤，将实验数据记入表4－2，计算灵敏度S2＝U／W。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

图4－3应变式传感器半桥实验接线图

表4－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

3；进行灵敏度计算

实验内容三    金属箔式应变片――全桥性能实验

一、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，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。

需用器件和单元：同实验内容一

二、实验步骤：

1、      传感器安装同实验内容一。

2、      根据图4－4接线，实验方法与实验内容二相同。将实验结果填入

表4－3；进行灵敏度计算。

4－4全桥性能实验接线图

表4－3全桥输出电压与加负载重量值

思考题：

根据实验内容一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验内容一、二、三中的放大器增益必须相同）。