《感測器與檢測技術》
實驗指導書
適用專業: 測控、資訊工程
課程**: 6001369
總學時: 總學分:
編寫單位: 測控技術與儀器系
編寫人: 林豔
審核人審批人
批准時間: 年月日
目錄 實驗一箔式金屬應變片效能及單臂、半橋、全橋效能比較
與半導體應變片效能比較試驗（實驗**13
實驗二熱電式感測器——熱電偶、熱敏電阻測溫試驗（實驗**2）……………6
實驗三基於上位機檢測的光電測速、測頻率綜合實驗（實驗**3）……………9
實驗四基labview的霍爾式感測器的直流激勵特性綜合實驗（實驗**4）……12
實驗五數字儲存示波器原理和應用（實驗**515
實驗六溫度檢測與控制系統綜合實驗 （實驗**619
附錄1：成績考核辦法23
附錄2：推薦教材、參考書23
實驗一箔式應變片效能及單臂、半橋、全橋效能比較
與半導體應變片效能比較試驗
一、 實驗目的和任務
1． 觀察了解箔式應變片的結構及貼上方式；
2． 測試應變梁變形的應變輸出；
3． 比較各橋路間的輸出關係；
4． 比較金屬應變片與半導體應變片的各種的特點。
二、 實驗內容
1． 測量直流單臂，半橋和全橋的輸出特性；
2． 比較溫度對單臂，半橋和全橋效能的影響；
3． 對單臂、半橋和全橋的靈敏度，線性度進行比較；
4． 採用單臂電橋進行測量，對金屬應變片、半導體應變片進行靈敏度的比較。
三、 實驗儀器、裝置及材料
直流穩壓電源（±4v檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、測微頭、（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表。
四、 實驗原理
1. 金屬箔式應變片效能及單臂、半橋、全橋效能
本實驗說明箔式應變片及單臂直流電橋的原理和工作情況。
應變片是最常用的測力感測元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地貼上在測試體表面，當測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電訊號輸出顯示。
優點: 穩定性和溫度特性好；缺點: 靈敏度係數小。
電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻r1、r2、r3、r4中，電阻的相對變化率分別為△r1／r1、△r2／r2、△r3／r3、△r4／r4，當使用乙個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且r1＝r2＝r3＝r4＝r，。
由此可知，單臂，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。單臂電橋測試原理如圖1.1所示。
如果 r1＝r2＝r3＝r4，則
從上式中可以看出電橋中相鄰兩臂的應變片受力應相反。
2. 半導體材料的壓阻效應
半導體材料的電阻率隨作用應力而變化的現象稱為半導體材料的壓阻效應。
對於長l，截面積s，電阻率ρ的條形半導體應變片，在軸向力f作用下：
應變靈敏係數
式中，e — 半導體應變片材料的彈性模量；
πl — 半導體晶體材料的縱向壓阻係數，與晶向有關。
特點：靈敏係數高（其靈敏度是金屬應變片的幾十倍），可測微小應變，機械遲滯和橫向效應小，體積小。但溫度穩定性差，靈敏係數非線性大，需補償。
五、 主要技術重點、難點
測試方法的理解和運用。
六、 實驗步驟
1．調零。開啟儀器電源，差動放大器增益置100倍（順時針方向旋到底），「＋、－」輸入端用實驗線對地短路。輸出端接數字電壓表，用「調零」電位器調整差動放大器輸出電壓為零，然後拔掉實驗線。
調零後電位器位置不要變化，調零後關閉儀器電源。
2．按圖1.1將實驗部件用實驗線連線成測試橋路。橋路中r1、r2、r3、和wd為電橋中的固定電阻和直流調平衡電位器，r為金屬箔式應變片（可任選上、下樑中的一片工作片）。
直流激勵電源為±4v。
3．確認接線無誤後開啟儀器電源，並預熱數分鐘。測微頭裝於懸臂梁前端的永久磁鋼上，並調節使應變梁處於基本水平狀態。調整電橋wd電位器，使測試系統輸出為零。
4．旋動測微頭，帶動懸臂梁分別作向上和向下的運動，以懸臂梁水平狀態下電路輸出電壓為零為起點，向上和向下移動各5mm，測微頭每移動0.5mm記錄乙個差動放大器輸出電壓值，並列表。
5. 半導體應變片單臂電橋測試：保持差動放大器增益不變，按圖1.1將實驗部件用實驗線連線成測試橋路，將圖1.1中的r換為半導體應變片，重複金屬箔式單臂電橋的步驟；
6. 直流半橋：保持差動放大器增益不變，將r2換成與應變片r工作狀態相反的另一金屬箔式應變片，（若r拉伸，換上去的應為壓縮片）形成半橋。重複單臂電橋的步驟；
7 直流全橋：保持差動放大器增益不變，將r1換成與應變片r工作狀態相反的另一金屬箔式應變片，（若r拉伸，換上去的應為壓縮片），將 r3換成與應變片r工作狀態相同的另一金屬箔式應變片，形成全橋。重複單臂電橋的步驟。
七、 實驗報告要求
1. 用**形式列出金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋實驗資料；
2. 分別在座標紙上繪出三種情況下的輸出特性曲線（x-v曲線）並在同一座標紙上描出此三條曲線，討論三種情況下的線性誤差，靈敏度；
3. 用**形式列出半導體應變片單臂電橋實驗資料，在座標紙上繪出金屬箔式應變片單臂電橋和半導體應變片單臂電橋情況下的輸出特性曲線（x-v曲線）並在同一座標紙上描出此二條曲線，以便比較靈敏度，討論這二種情況下的線性誤差，靈敏度。
例：直流單臂電橋
1、 資料表
2、x-v曲線
3、最大線性誤差
式中為非線性誤差。
︱︱輸出值與理論直線的最大偏差絕對值。此處理論曲線取兩端點的連線。滿量程輸出＝︱vh－vl︱為上下限標稱值之差的絕對值，此處下限vl＝0所以＝vh。
4、 靈敏度
此處近似為輸出特性曲線兩端點連線直線的斜率。
最後在同一座標紙上作出三種情況下的輸出特性曲線。
通過以上比較可以得出什麼樣的結論？並回答為什麼應變片感測器常採用半橋式或全橋形式？
5、重複以上步驟，比較半導體應變片和金屬箔式應變片，通過以上比較可以得出什麼樣的結論？並回答為什麼採用半導體應變片來測量微應變？為什麼儘管金屬應變片的靈敏度很小，但仍在許多場合得到應用？
八、 實驗注意事項
1．實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連線電路時應盡量使用較短的接插線，以避免引入干擾；
2．接插線插入插孔，以保證接觸良好，，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內導線斷裂；
3．穩壓電源不要對地短路；
4. 進行上述實驗時激勵電壓，差動放大器增益、測微頭起始點位置等實驗條件必須一致，否則就無可比性。
九、 思考題
1. 為什麼需要將放大器增益放到最大後再進行調零？
2. 應變片的安裝位置如何？
3. 半導體應變片的特點是什麼？
4. 增益放在什麼位置好？
5. 你怎樣確定零點、量程和測量範圍？
實驗二熱電式感測器——熱電偶、熱敏電阻測溫試驗
一、實驗目的和任務
1、觀察了解熱電偶的結構；
2、熟悉熱電偶的工作特性；
3、學會查閱熱電偶分度表；
4、了解熱敏電阻的特性；
5、比較熱電偶和熱敏電阻的特性。
二、實驗內容
1. 採用k型熱電偶進行測溫
2. 並通過計算算出環境溫度對溫度測量的影響；
3. 採用熱敏電阻進行測溫；
4. 比較熱電偶和熱敏電阻的測溫特點、
三、實驗儀器、裝置及材料
熱電偶、熱敏電阻rt、溫度變換器、加熱器、差動放大器、電壓表、溫度計（自備）。
四、 實驗原理
1、熱電偶測溫：熱電偶是熱電式感測器的一種，它可將溫度變化轉化成電勢的變化，其工作原理是建立在熱電效應的基礎上的。即將兩種不同材料的導體組成乙個閉合迴路，如果兩個結點的溫度不同，迴路中將產生一定的電流（電勢），其大小與材料的性質和結點的溫度有關。
因此只要保持冷端溫度t0不變，當加熱結點時，熱電偶的輸出電勢e會隨溫度t變化，通過測量此電勢即可知道兩端溫差，從而實現溫度的測量。本儀器中熱電偶為銅—康銅熱電偶（k型）。
2、熱敏電阻測溫：熱敏電阻是熱電式感測器的一種，它可將溫度變化轉化為電阻變化以達到測量溫度的目的。熱敏電阻是利用半導體材料製成的熱敏元件，它具有靈敏度高，可以應用於各領域的優點。
熱電偶一般測高溫線性較好，熱敏電阻則用於200℃以下溫度較為方便。
本實驗中所用熱敏電阻為負溫度係數。其定義為熱敏電阻在其自身溫度變化1℃時，電阻值的相對變化量，可用下式表示為：
式中b為熱敏電阻常數。本實驗所用的熱敏電阻b=3200k。
負溫度係數的熱敏電阻其特性可以表示為：
式中rt、rt0分別為溫度t和t0時的電阻值。
因此當溫度變化時，熱敏電阻阻值的變化將導致由運放組成的壓/阻變換電路的輸出電壓變化，其關係可表示為
式中ut、u t0分別為溫度t和t0時的壓/阻變換電路的輸出電壓值。
根據上面兩式
五、 主要技術重點、難點
熱電偶的冷端處理，所測溫度的計算與修正。
六、 實驗步驟
1、熱電偶的測溫試驗步驟
1) 調節差動放大器輸出為零。開啟儀器總電源並將儀器左下角的±15v電源開關置於「開」的位置。差動放大器增益置100倍（順時針方向旋到底） 「+、-」輸入端用實驗線對地短路。
輸出端接數字電壓表，用「調零」電位器調整差動放大器輸出電壓為零，然後拔掉實驗線。調零後，差動放大器的兩個電位器的位置不要變化；
2) 將熱電偶接入差動放大器的雙端輸入，記錄數字表顯示的電壓值ut；
3) 開啟加熱開關，觀察差動放大器輸出電壓的變化，每隔1-2分鐘記錄一次電壓值，待溫度不再上公升時（達到相對的熱穩定狀態），記錄電壓表讀數，並求出溫度值；
4) 本儀器上熱電偶是由兩支銅－康銅熱電偶串接而成，熱電偶的冷端溫度為室溫，放大器的增益為100倍，計算熱電勢時均應考慮進去。用溫度計讀出熱電偶參考端所處的室溫t1；
e（t , to） = e（t , t1e（t1 , to）
實際電動勢測量所得電勢溫度修止電動勢
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