目錄實驗一電阻應變片的原理及應用3
實驗二電容式感測器的原理及應用8
實驗三光纖感測器原理及應用11
實驗四光電和磁電感測器原理及應用14
實驗一電阻應變片的原理及應用
一、實驗目的：
1. 了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和效能。
2. 比較半橋與單臂電橋的不同效能、了解其特點。
3. 了解全橋測量電路的優點。
二、實驗裝置：
雙桿式懸臂梁應變感測器、托盤、砝碼、數顯電壓表、±5v 電源、差動放大器、電壓放大器、萬用表（自備）。
三、實驗原理：
㈠ 單臂電橋實驗
電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關係式為
1-1）
式中為電阻絲電阻相對變化；為應變靈敏係數；為電阻絲長度相對變化。
金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝製成的應變敏感元件。如圖1-1所示，將四個金屬箔應變片（r1、r2、r3、r4）分別貼在雙桿式懸臂梁彈性體的上下兩側，彈性體受到壓力發生形變，應變片隨懸臂梁形變被拉伸或被壓縮。
圖1-1 雙桿式懸臂梁稱重感測器結構圖
通過這些應變片轉換懸臂梁被測部位受力狀態變化，可將應變片串聯或併聯組成電橋。電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，如圖 1-2 所示 r6=r7=r8=r 為固定電阻，與應變片一起構成乙個單臂電橋，其輸出電壓
1-2）
e為電橋電源電壓；
式 1-2表明單臂電橋輸出為非線性，非線性誤差為
圖 1-2 單臂電橋面板接線圖
㈡ 半橋效能實驗
不同受力方向的兩隻應變片接入電橋作為鄰邊，如圖1-3所示。電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善，當兩隻應變片的阻值相同、應變數也相同時，半橋的輸出電壓為
1-3）
式中為電阻絲電阻相對變化；
為應變靈敏係數；
為電阻絲長度相對變化。
e為電橋電源電壓。
式 1-3表明，半橋輸出與應變片阻值變化率呈線性關係。
圖1-3 半橋面板接線圖
㈢全橋測量電路
全橋測量電路中，將受力性質相同的兩隻應變片接到電橋的對邊，不同的接入鄰邊，如圖1-4，當應變片初始值相等，變化量也相等時，其橋路輸出
1-4）
式中e為電橋電源電壓。為電阻絲電阻相對變化；
式1-4表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差得到進一步改善。
圖1-4 全橋面板接線圖
四、實驗內容與步驟
㈠單臂電橋實驗
1．懸臂梁上的各應變片已分別接到調理電路面板左上方的 r1、r2、r3、r4上，可用萬用表測量判別，r1=r2=r3=r4=350ω。
2．按圖 1-2 只接好「差動放大器」和「電壓放大器」部分，將「差動放大器」的輸入端短接並與地相連， 「電壓放大器」輸出端接數顯電壓表（選擇 200mv 檔），開啟直流電源開關。將「差動放大器」增益電位器與「電壓放大器」增益電位器調至最大位置（順時針最右邊），調節調零電位器使電壓表顯示為0v。關閉直流開關電源。
（兩個增益調節的位置確定後不能改動）
3．按圖1-2接好所有連線，將應變式感測器的其中乙個應變電阻（如r1）接入電橋與r6、r7、r8 構成乙個單臂直流電橋。電橋輸出接到「差動放大器」的輸入端，電壓放大器的輸出接數顯電壓表。預熱五分鐘。
4．加托盤後調節rw2使電壓表顯示為零（採用200mv 檔）。
5．在應變感測器托盤上放置乙隻砝碼，讀取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，直到 200g砝碼加完，記錄實驗資料填入表 1-1。
表1-1
㈡半橋效能實驗
1．應變感測器已安裝在懸臂梁上，可參考圖1-1。
2．按圖1-3 接好「差動放大器」和「電壓放大器電路」。「差動放大器」調零，參考實驗a步驟2。
3．按圖 1-3接線，將受力相反（一片受拉，一片受壓）的兩隻應變片接入電橋的鄰邊。
4．加托盤後電橋調零，參考實驗㈠步驟4。
5．在應變感測器托盤上放置乙隻砝碼，讀取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，直到 200g砝碼加完，記下實驗結果，填入表1-2。
表1-2
㈢全橋測量電路
1．應變感測器已安裝在懸臂梁上，r1、r2、r3、r4均為應變片，可參考圖1-1。
2．差動放大器調零，參考實驗㈠步驟2。
3．按圖1-4接線，將受力相反（一片受拉，一片受壓）的兩對應變片分別接入電橋的鄰邊。
4．加托盤後電橋調零，參考實驗㈠步驟4
5．在應變感測器托盤上放置乙隻砝碼，讀取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，直到200g砝碼加完，記下實驗結果，填入下表。
表1-3
6． 實驗結束後，關閉實驗台電源，整理好實驗裝置。
五、實驗報告
㈠單臂電橋實驗
1．根據實驗所得資料計算系統靈敏度s＝δu/δw（δu輸出電壓變化量，δw重量變化量）
2．計算單臂電橋的非線性誤差δf1=δm/ ×100％。
式中δm為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差；yf·s為滿量程（200g）輸出平均值。
㈡半橋效能實驗
根據所得實驗資料，計算靈敏度s=δu/δw和半橋的非線性誤差δf2。
㈢全橋測量電路
根據實驗資料，計算靈敏度s=δu/δw和全橋的非線性誤差δf3。
六、思考題
1、引起半橋測量時非線性誤差的原因是什麼？
2、全橋測量中，當兩組對邊（r1、r3 為對邊）電阻值r相同時，即r1＝r3，r2＝r4，而r1≠r2時，是否可以組成全橋？
七、注意事項
實驗所採用的彈性體為雙桿式懸臂梁稱重感測器，量程較小。因此，加在感測器上的壓力不應過大（稱重感測器量程為0.5kg），以免造成應變感測器的損壞！
實驗二電容式感測器的原理及應用
一、實驗目的
1. 了解電容感測器的結構及特點。
2. 了解電容式感測器進行位移量測量的應用。
3. 了解電容感測器的動態效能的測量原理與方法。
二、實驗儀器
電容感測器、電容變換器、測微頭、數顯直流電壓表、直流穩壓電源、絕緣護套 、低通濾波器、訊號源、頻率/轉速表、振動源、示波器。
三、實驗原理
電容式感測器是指能將被測物理量的變化轉換為電容量變化的一種感測器它實質上是具有乙個可變引數的電容器。利用平板電容器原理：
2-1）
式2-1中，s 為極板面積，d 為極板間距離，ε0為真空介電常數，εr為介質相對介電常數，由此可以看出當被測物理量使 s、d 或εr發生變化時，電容量 c 隨之發生改變，如果保持其中兩個引數不變而僅改變另一引數，就可以將該引數的變化單值地轉換為電容量的變化。所以電容感測器可以分為三種型別：改變極間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介電常數的變介電常數式。
這裡採用變面積式，如圖 2-1，兩隻平板電容器共享乙個下極板，當下極板隨被測物體移動時，兩隻電容器上下極板的有效面積乙隻增大， 乙隻減小，將三個極板用導線引出，形成差動電容輸出。通過處理電路將電容的變化轉換成電壓變化，進行測量。
圖 2-1 電容感測器內部結構示意圖
四、實驗內容與步驟
㈠ 電容式感測器進行位移量測量的實驗步驟
1．按圖2-2安裝好電容感測器，並將電容感測器引出線與「電容插座」相連線。
2．將底面板上「電容感測器」與「電容變換器」相連， 「電容變換器」的輸出接到數顯直流電壓表，如圖2-3所示。（注：此處應選用三根相同長度的實驗導線）
3．開啟直流電源開關。將電容感測器的下極板調至中間位置，調節電容變換器的增益調節旋鈕，使得數顯直流電壓表顯示為0（選擇2v檔）。（增益調節電位器確定後不能改動）
4．旋動測微頭推進電容感測器的中間極板（下極板），左右各移動1cm,每隔 0.2mm記下位移量x與輸出電壓值v的變化，填入下表2-1。
表2-1
圖2-2 電容感測器安裝示意圖
圖2-3 電容感測器連線圖
㈡ 電容感測器的動態效能的測量實驗步驟
1．將電容感測器安裝到公升降架的懸臂梁上，感測器引線接入「電容」插座。如圖2-4，將底面板上「電容感測器」與「電容變換器」相連（注：選用三根相同長度的實驗導線）。
將「電容變換器」的輸出端接「低通濾波器」的輸入端， 「低通濾波器」輸出端接示波器。增益調節調到最大位置（順時針旋到底） ，通過「緊定旋鈕」使電容感測器的動極板處於中間位置，使電壓表顯示為零。
2．將訊號源us2接到「振動源輸入」，us2頻率選「10-15hz」之間，振動幅度初始調到零。
3．檢查接線無誤後，開啟直流電源，調節us2激勵訊號的幅度，用示波器觀察「電容變換器」輸出波形。將幅度調至vp-p為8v。
圖2-4 電容感測器動態試驗接線圖
4．保持us2的幅度旋鈕不變，改變振動頻率（用數顯頻率計監測），用示波器測出 uo 輸出的峰-峰值。填入下表。
表2-2
五、實驗報告
1、根據表2-1的資料計算電容感測器的系統靈敏度s和非線性誤差δf。
2、分析差動電容感測器測量振動的波形，作f-vp-p 曲線，找出振動源的固有頻率。
六、注意事項
當頻率較小時，振動幅度較小，輸出波形毛剌較為嚴重（毛剌為機械振動產生），實驗頻率可從10hz左右開始，實驗現像較為明顯。
實驗三光纖感測器原理及應用
一、實驗目的
1.了解反射式光纖位移感測器的原理與應用。
2.了解光纖位移感測器用於測轉速的方法。
二、實驗儀器
y 型光纖感測器、測微頭、反射面、差動放大器、電壓放大器、數顯電壓表頻率/轉速表、轉動源、示波器。
三、實驗原理
㈠反射式光纖位移感測器實驗
反射式光纖位移感測器是一種傳輸型光纖感測器。其原理如圖3-1所示，光纖採用ｙ型結構，兩束光纖一端合併在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最後由光電轉換器接收，轉換器接收到的光源與反射體表面的性質及反射體到光纖探頭距離有關。
當反射表面位置確定後，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射面時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加， 到達最大值點後又隨兩者的距離增加而減小。
反射式光纖位移感測器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應速度快，測量線性化（在小位移範圍內）等優點，可在小位移範圍內進行高速位移檢測。
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