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传感器实验报告

传感器实验报告
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实验一、二、三应变片单臂、半桥、全桥特性实验

一、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。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。

根据表中数据画出实验曲线后,计算灵敏度S=ΔV/ΔW(ΔV输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δ(用最小二乘法),δ=Δm/yFS ×100%式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:yFS满量程输出平均值,此处为200g。

四、思考题

1、ΔR转换成ΔV输出用什么方法?

通过电阻的分压,将电阻两端的电压测量出来经过差动放大器。从而将ΔR转换成ΔV。

2、根据图4机头中应变梁结构,在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变方向(是拉?还是压?+压变大)。

所连接的应变片电阻中,带有符号↑是拉伸,电阻会变大;带有符号↓的是压缩,电阻会减小。

3、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应接在:(1)对边?(2)邻边?为

什么?

应该接在邻边,这样能保证测量的灵敏度,同时能使一些去除干扰因素的影响。

4、应变片组桥时应注意什么问题?

要注意应变片的受力状态和接入电路时的位置。

实验五应变直流全桥的应用—电子秤实验

一、实验原理

常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图5—1。本实验只做放大器输出Vo实验,通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。

图5—1 数字电子称原理框图

二、实验结果

表5电子称实验数据

二、实验分析

实验八移相器、相敏检波器实验

一、实验原理

1、移相器工作原理:

图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的面板图。图中,IC-1、R1、R2、R3、C1

图8—1 移相器原理图与面板图

构成一阶移相器(超前),在R2=R1的条件下,可证明其幅频特性和相频特性分别表示为: KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)

KF1(ω)=1

ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1

其中:ω=2лf,f为输入信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器(滞后),在R5=R4条件下的特性为:

KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)

KF2(ω)=1

ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωRwC3

由此可见,根据幅频特性公式,移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式,相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然,当移相电位器Rw=0,上式中ΦF2=0,因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角:

即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1

若调整移相电位器Rw,则相应的移相范围为:ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3

已知R3=10KΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定,即

可计算出图8—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。

2、相敏检波器工作原理:

图8—2为相敏检波器(开关式)原理图与实验箱主板上的面板图。图中,AC为交流参考电压输入端,DC为直流参考电压输入端,Vi端为检波信号输入端,Vo端为检波输出端。

图8—2 相敏检波器原理图与面板图

原理图中各元器件的作用:C5-1交流耦合电容并隔离直流;IC5-1反相过零比较器,将参考电压正弦波转换成矩形波(开关波+14V ~ -14V);D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V(0 ~ -14V);Q5-1是结型场效应管,工作在开、关状态;IC5-2工作在倒相器、跟随器状态;R5-6限流电阻起保护集成块作用。

关键点:Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7=0V时,Q5-1导通,使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器,即V3=-V1;当V7<0V时,Q5-1截止(相当于断开),IC5-2成为跟随器,即V3=V1。相敏检波器具有鉴相特性,输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图8—3为相敏检波器的工作时序图。

图8—3相敏检波器工作时序图

三、实验结果及数据分析

相敏检波器的输出波形随着移相电位器的改变而改变。

四、思考题

移相器能够改变系统的相频响应,而相敏检波器能够同时鉴别幅度特性和相位特性。

实验九应变片交流全桥的应用(应变仪)—振动测量实验

一、实验原理

图9—1是应变片测振动的实验原理方块图。当应变梁的振动台受到F(t)作用而振动,使粘贴在应变梁上的应变片产生应变信号dR/R,应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波,再经差动放大器放大为u1(t),u1(t)经相敏检波器检波解调为u2(t),u2(t)经低通滤波器滤除高频载波成分后输出应变片检测到的振动信号u3(t)(调幅波的包络线),u3(t)可用示波器显示。图中,交流电桥就是一个调制电路,W1、r、W2、C是交流电桥的平衡调节网络,移相器为相敏检波器提供同步检波的参考电压。这也是实际应用中的动态应变仪原理。

图9—1 应变仪实验原理方块图

二、实验结果

表9应变交流全桥振动测量实验数据

三、实验分析

实验十压阻式压力传感器的压力测量实验

一、实验原理

扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应,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。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多个半导体电阻应变薄膜(扩散出敏感栅)组成电桥。在压力(压强)作用下弹性元件产生应力,半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化,引起电阻的变化,经电桥转换成电压输出,则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图10—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。

图10—1 压阻式压力传感器压力测量实验原理

二、实验结果

表10 压阻式压力传感器测压实验数据

三、实验分析

实验十一电容式传感器的位移实验

一、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11—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=ε2πx/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=ε2π2?X/ln(R/r),式中ε2π、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11-1 实验电容传感器结构

1、测量电路(电容变换器):如图11—2所示,测量电路的核心部分是图11—3的电路

图11—2 电容测量电路

图11—3 二极管环形充放电电路

在图11—3

中,环形充放电

电路由D3、D4、

D5、D6二极管、C5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C5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) (11—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、C5、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) (11—2)

当然,(11—1)式和(11—2)式是在C5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C5的充放电回路由图11—3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aQ2=CX1(E2-E1)点的电荷量为:

Q=Q2-Q1=(CX1-CX2)(E2-E1)=△CX △E (11—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 (11—4)

式中:△E—激励电压幅值;△CX—传感器的电容变化量。

由(11—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C6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。

1、电容式位移传感器实验原理方块图如图11—4

图11—4电容式位移传感器实验方块图

二、实验结果

表11电容传感器测位移实验数据

三、实验分析

实验十二差动变压器的性能实验

一、实验原理

差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。差动变压器的结构如图

12—1所示,由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接(同名端相接),以差动电势输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响),它的等效电路如图12—2所示。图中U1为一次绕组激励电压;M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感:L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻;L21、L22分别为两个二次绕组的电感;R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器,当衔铁处于中间位置时,

图12—1差动变压器的结构示意图图12—2差动变压器的等效电路图

两个二次绕组互感相同,因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接,所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21,这时互感M1大,M2小,因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势,这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内,衔铁位移越大,差动输出电动势就越大。同样道理,当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零,但由于移动方向改变,所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

由图12—2可以看出一次绕组的电流为:

二次绕组的感应动势为:

由于二次绕组反向串接,所以输出总电动势为:

其有效值为:

差动变压器的输出特性曲线如图12—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势,E2为差动输出电动势,x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性,而虚线部分表示实际的输出特性。Eo为零点残余电动势,这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在,使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏,给测量带来误差,此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法:

图12—3 差动变压器输出特性

1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理,

消除内部的残余应力,使其性能均匀稳定。

2、选用合适的测量电路,如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性,减小零点残余电动势。

3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图12—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件,当调整W1、W2时,可使零点残余电动势减小。

(a) (b) (c)

图12—4 减小零点残余电动势电路

二、实验结果

表12 差动变压器性能实验数据

三、实验分析

四、思考题:

1.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同?

差动变压器的工作原理类似一般电源变压器的作用原理,差动变压器在使用时采用了两个二次绕组反向串接,以差动方式输出,当衔铁处于中间位置时,两个二次绕组互感相同,因而由一次侧激励引起的感应电动势相同,由于两个二次绕组反向串接,所以差动输出电动势为零。 2.用直流电压激励会损坏传感器。为什么? 因为是差动变压器的输出电压可正可负。

3.如何理解差动变压器的零点残余电压?用什么方法可以减小零点残余电压?

这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。减小零点残余电压可以:1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。2、选用合适的测量电路,如采用相敏整流电路。3、采用补偿线路减小零点残余电动势。

实验十三 激励频率对差动变压器特性的影响

一、 实验原理

差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式: o U =

22

2

21)(p

p

i

L

R U M M ωω+- 表示,式中Lp 、Rp

为初级线圈电感和损耗电阻,i U 、ω为激励电压和频率,M 1、M 2为初级与两次级间互感系数,由关系式可以看出,当初级线圈激励频率太低时,若R P 2>ω2L P 2,则输出电压Uo 受频率变动影响较大,且灵敏度较低,只有当ω2L P 2>>R P 2时输出Uo 与ω无关,当然ω过高会使线圈寄生电容增大,对性能稳定不利。 二、实验结果

表13差动变压器幅频特性实验数据

三、实验分析

实验十四差动变压器零点残余电压补偿实验

一、实验原理

由于差动变压器次级二线圈的等效参数不对称,初级线圈的纵向排列的不均匀性,铁芯B-H 特性的非线性等,造成铁芯(衔铁) 无论处于线圈的什么位置其输出电压并不为零,其最小输出值称为零点残余电压。在实验四(差动变压器的性能实验)中已经得到了零点残余电压,用差动变压器测量位移应用时一般要对其零点残余电压进行补偿。补偿方法阅读实验四(二、基本原理),本实验采用(c)补偿线路减小零点残余电压。

实验十五差动变压器测位移实验

一、实验原理

差动变压器的工作原理参阅实验四(差动变压器性能实验)。差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区,选用合适的测量电路,如采用相敏检波电路,既可判别衔铁移动(位移)方向又可改善输出特性,消除测量范围内的死区。图15—1是差动变压器测位移原理框图。

图15—1差动变压器测位移原理框图

二、实验结果

表15 差动变压器测位移实验数据

三、实验分析

四、思考题:

差动变压器输出经相敏检波器检波后是否消除了零点残余电压和死区?从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗?实验完毕关闭所有电源开关。

从实验结果来看没有消除零点残余电压和死区。但应该是实验的误差所致。从实验中不能理解鉴相特性,因为想要理解的话需要多个φ值,而该图表中只显示了其中的一个φ值

实验二十一压电式传感器测振动实验

一、实验原理

压电式传感器是一和典型的发电型传感器,其传感元件是压电材料,它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量,在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。

1、压电效应:

具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有两类压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。

压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。

(a) (b) (c)

图21—1 压电效应

2、压电晶片及其等效电路

多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看,它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中ea=Q/Ca 。式中,ea为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;Q为压电晶片表面上的电荷;Ca 为压电晶片的电容。

实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。

(a) 压电晶片(b) 等效电荷源

(c) 并联 (d) 压电式加速度传感器

图21—2 压电晶片及等效电路

压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容Ca 上的电压值,作为压电传感器的输出。因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。

3、压电式加速度传感器

图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上,放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。

4、压电式加速度传感器和放大器等效电路

压电传感器的输出信号很弱小,必须进行放大,压电传感器所配接的放大器有两种结构形式:一种是带电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比;另一种是带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷量成正比。

电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容C c敏感。当电缆长度变化时,C c就变化,使得放大器输入电压e i变化,系统的电压灵敏度也将发生变化,这就增加了测量的困难。电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。它是

一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略

图21—3是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。

去传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri影响时,有Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf……

(21—1)。

式中,ei为放大器输入端电压;ey为放大器输出端电压ey=-Kei;K为电荷放大器开环放大倍数;Cf为电荷放大器反馈电容。将ey=-Kei代入式(21—1),可得到放大器输出端电压ey与传感器电荷Q的关系式:设C=Ca+Cc+Ci

ey=-KQ/[(C+Cf)+KCf] ……(21—2)

当放大器的开环增益足够大时,则有KCf>>C+Cf (21—2)简化为

ey=-Q/Cf ……(21—3)

式(21—3)表明,在一定条件下,电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比,而与电缆的分布电容无关,输出灵敏度取决于反馈电容。所以,电荷放大器的灵敏度调节,都是采用切换运算放大器反馈电容的办法。采用电荷放大器时,即使连接电缆长度达百米以上,其灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器的主要优点。

5、压电加速度传感器实验原理图

压电加速度传感器实验原理、电荷放大器与实验面板图由图21—4(a)、(b)所示。

图21—4(a) 压电加速度传感器实验原理框图

图21—4(b) 电荷放大器原理图与实验面板图

二、实验结果及数据分析

低频振荡器的频率越高,输出波形的频率越高。

实验二十六 NTC热敏电阻温度特性实验

一、实验原理

热敏电阻的温度系数有正有负,因此分成两类:PTC热敏电阻(正温度系数:温度升高而电阻值变大)与NTC热敏电阻(负温度系数:温度升高而电阻值变小)。一般NTC热敏电阻测量范围较宽,主要用于温度测量;而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄,一般用于恒温加热控制或温度开关,也用于彩电中作自动消磁元件。有些功率PTC也作为发热元件用。PTC缓变型热敏电阻可

一般的NTC热敏电阻大都是用Mn,Co,Ni,Fe等过渡金属氧化物按一定比例混合,采用陶瓷工艺制备而成的,它们具有P型半导体的特性。热敏电阻具有体积小、重量轻、热惯性小、工作寿命长、价格便宜,并且本身阻值大,不需考虑引线长度带来的误差,适用于远距离传输等优点。但热敏电阻也有:非线性大、稳定性差、有老化现象、误差较大、离散性大(互换性不好)等缺点。一般只适用于低精度的温度测量。一般适用于-50℃~300℃的低精度测量及温度补偿、温度控制等各种电路中。NTC热敏电阻RT温度特性实验原理如图26—1所示,恒压电源供电Vs=2V,W2L为采样电阻(可调节)。计算公式:Vi=[W2L/(RT+W2)]·Vs

式中:Vs=2V、RT为热电阻、W2L为W2活动触点到地的阻值作为采样电阻。

图26—1 热敏电阻温度特性实验原理图

二、实验结果及数据分析

当温度升高时,RT阻值减小,Vi 升高。当温度下降时,RT阻值增加,Vi 下降。

实验二十七 PN结温度传感器温度特性实验

一、实验原理

晶体二极管、三极管的PN结正向电压是随温度变化而变化的,利用PN结的这个温度特性可制成PN结温度传感器。目前用于制造温敏二极管的材料主要有锗、硅、砷化镓、碳化硅等。对于硅二极管,当电流保持不变时,温度每升高1℃,正向电压下降约2mV。,它的温度系数为-2mV/℃,它具有线性好、时间常数小(0.2~2秒)、灵敏度高等优点,测温范围为:-50℃~+120℃。其不足之处是离散性较大,互换性较差。PN结测温实验原理图如图27—1所示。

图27—1 PN结测温特性实验原理图

二、实验结果及数据分析

当温度升高时,PN结的电压降低,Vi 减小。当温度下降时,PN结的电压降上升,Vi 增加。

实验二十八线性霍尔式传感器位移特性实验

一、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28—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28—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U H称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为:

U H =R H

d

IB=K

H

IB

式中:R H=-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;

K

= R H/d灵敏度系数,与材料的物理性质和几何尺寸有关。

H

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R H很小,使输出U H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28—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28—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U H=0。当霍尔

元件沿X轴有位移时,由于B≠0,则有一电压U H输出,U H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。

二、实验结果

表28 霍尔传感器(直流激励)位移实验数据

三、实验分析

研究性实验报告——各向异性磁阻传感器与磁场测量

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持. 基础物理学 研究性实验报告 题目:各向异性磁阻传感器(AMR)与地磁场测量第一作者: 第二作者: 学院:航空科学与工程学院 专业:飞行器设计与工程 班级:110519 2013年5月14日 1

目录 摘要 ............................................................................................... 错误!未定义书签。关键词 ........................................................................................... 错误!未定义书签。 一、实验要求 ............................................................................... 错误!未定义书签。 二、实验原理 ............................................................................... 错误!未定义书签。 三、实验仪器介绍 ....................................................................... 错误!未定义书签。 四、实验内容 ............................................................................... 错误!未定义书签。 1、测量前的准备工作 ......................................................... 错误!未定义书签。 2、磁阻传感器特性测量...................................................... 错误!未定义书签。 3、测量磁阻传感器的各向异性特性.................................. 错误!未定义书签。 4、赫姆霍兹线圈的磁场分布测量...................................... 错误!未定义书签。 5、地磁场测量 ..................................................................... 错误!未定义书签。 五、思考题 ................................................................................... 错误!未定义书签。 六、误差分析 ............................................................................... 错误!未定义书签。 七、AMR传感器的应用举例 ...................................................... 错误!未定义书签。 八、实验感想 ............................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ....................................................................................... 错误!未定义书签。附录——原始实验数据(影印版).................................................. 错误!未定义书签。 各向异性磁阻传感器与磁场测量 摘要:物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应,磁阻传感器利用磁阻效应制成。磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化,如弱磁场测量。也可通过磁场变化测量其它物理量,如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器,广泛用于各类需要自动检测与控制的领域。磁阻元件的发展经历了半导体磁阻(MR),各向异性磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),庞磁阻(CMR)等阶段。本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。 关键词:AMR,磁阻效应,电磁转换,磁场测量

传感器测试实验报告

实验一 直流激励时霍尔传感器位移特性实验 一、 实验目的: 了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理: 金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件,根据霍尔效应,霍尔电势U H =K H IB ,当保持霍尔元件的控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动,则输出的霍尔电动势为kx U H ,式中k —位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高;磁场梯度越均匀,输出线性度就越好。 三、需用器件与单元: 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V 直流电源、测微头、数显单元。 四、实验步骤: 1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上,将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V , 2、4为输出。 2、开启电源,调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。 图9-1 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图 3、测微头往轴向方向推进,每转动0.2mm 记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表9-1。 表9-1 X (mm ) V(mv)

作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项: 1、对传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。 2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V,否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题: 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化? 七、实验报告要求: 1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种,各自的产生原因是什么,应怎样进行补偿。

传感器实验报告

传感器实验报告(二) 自动化1204班蔡华轩 U2 吴昊 U5 实验七: 一、实验目的:了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理:利用平板电容C=εA/d 和其它结构的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,则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。 三、需用器件与单元:电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏 检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。 四、实验步骤: 1、按图6-4 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板,实验线路见图7-1。图 7-1 电容传感器位移实验接线图 3、将电容传感器实验模板的输出端V01 与数显表单元Vi 相接(插入主控 箱Vi 孔),Rw 调节到中间位置。 4、接入±15V 电源,旋动测微头推进电容传感器动极板位置,每间隔 记下位移X 与输出电压值,填入表7-1。

5、根据表7-1 数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差δf。 图(7-1) 五、思考题: 试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构,并叙述一 下在此设计中应考虑哪些因素 答:原理:通过湿度对介电常数的影响从而影响电容的大小通过电压表现出来,建立起电压变化与湿度的关系从而起到湿度传感器的作用;结构:与电容传感器的结构答大体相同不同之处在于电容面板的面积应适当增大使测量灵敏度更好;设计时应考虑的因素还应包括测量误差,温度对测量的影响等

六:实验数据处理 由excle处理后得图线可知:系统灵敏度S= 非线性误差δf=353=% 实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 一、实验目的:了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理: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。 根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,当霍尔元件处在梯度磁场中 运动时,它就可以进行位移测量。图8-1 霍尔效应原理

传感器实验报告.doc

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥 1、实验目的了解金属箔式应变片,单臂单桥的工作原理和工作情况。 2、实验方法在CSY-998传感器实验仪上验证应变片单臂单桥的工作原理 3、实验仪器CSY-998传感器实验仪 4、实验操作方法 所需单元及部件:直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、F/V表、主、副电源。 旋钮初始位置:直流稳压电源打倒±2V档,F/V表打到2V档,差动放大增益最大。 实验步骤: (1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置,观察梁上的应变片,应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。 (2)将差动放大器调零:用连线将差动放大器的正(+)、负(-)、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi 相连;开启主、副电源;调节差动放大器的增益到最大位置,然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零,关闭主、副电源。 (3)根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片;将稳压电源的切换开关置±4V 档,F/V表置20V档。开启主、副电源,调节电桥平衡网络中的W1,使F/V表显示为零,等待数分钟后将F/V表置2V档,再调电桥W1(慢慢地调),使F/V表显示为零。 (4) 将测微头转动到10㎜刻度附近,安装到双平行梁的右端即自由端(与自由端磁钢吸合),调节测微头支柱的高度(梁的自由端跟随变化)使V/F表显示值最小,再旋动测微头,使V/F表显示为零(细调零),这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 (5) 往下或往上旋动测微头,使梁的自由端产生位移记下V/F表显示的值,每旋动测微头一周即 压值的相应变化。

传感器测速实验报告(第一组)

传感器测速实验报告 院系: 班级: 、 小组: 组员: 日期:2013年4月20日

实验二十霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理 利用霍尔效应表达式:U H=K H IB,当被测圆盘上装有N只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化,输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用3144E开关型霍尔传感器,当转盘上的磁钢转到传感器正下方时,传感器输出低电平,反之输出高电平 三、需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流电源+5V,转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。 四、实验步骤 1、根据下图所示,将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上,调节探头对准转盘内的磁钢。 图9-1 霍尔转速传感器安装示意图 2、将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端,红(+)、黑( ),不能接错。 3、将霍尔传感器的输出端插入数显单元F,用来测它的转速。 4、将转速调解中的转速电源引到转动源的电源插孔。 5、将数显表上的转速/频率表波段开关拨到转速档,此时数显表指示电机的转速。 6、调节电压使转速变化,观察数显表转速显示的变化,并记录此刻的转速值。

五、实验结果分析与处理 1、记录频率计输出频率数值如下表所示: 电压(V) 4 5 8 10 15 20 转速(转/分)0 544 930 1245 1810 2264 由以上数据可得:电压的值越大,电机的转速就越快。 六、思考题 1、利用霍尔元件测转速,在测量上是否有所限制? 答:有,测量速度不能过慢,因为磁感应强度发生变化的周期过长,大于读取脉冲信号的电路的工作周期,就会导致计数错误。 2、本实验装置上用了十二只磁钢,能否只用一只磁钢? 答:如果霍尔是单极的,可以只用一只磁钢,但可靠性和精度会差一些;如果霍尔 是双极的,那么必须要有一组分别为n/s极的磁钢去开启关断它,那么至少要两只磁钢。

传感器实验报告1

机 械 工 程 测 试 实 验 报 告 学 院: 机电工程学院 系 专业班级: 机制122 学生姓名: 黄余林 龙杰 李刚 孙龙宇 朱国帅 实验日期: 备,

目录 实验一箔式应变片性能—单臂电桥??????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1 .1 实验目的????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1. 2 实验原理????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1. 3 实验原理????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1. 4 实验步骤????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1. 5 注意事项????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1. 6试验数据?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3

传感器与检测技术实验报告

“传感器与检测技术”实验报告 学号: 913110200229 姓名:杨薛磊 序号: 83

实验一电阻应变式传感器实验 (一)应变片单臂电桥性能实验 一、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。 二、基本原理: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。 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 1位数显万用表(自备)。 稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码; 4 2 四、实验步骤: 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。

霍尔传感器制作实训报告

佛山职业技术学院 实训报告 课程名称传感器及应用 报告内容霍尔传感器制作与调试 专业电气自动化技术 班级08152 姓名陈红杰‘’‘’‘’‘’‘’‘’‘’‘ 学号31 二0一0年六月 佛山职业技术学院

《传感器及应用》 霍尔传感器制作实训报告 班级08152学号31 姓名陈红杰时间2009-2010第二学期项目名称霍尔传感器电路制作与 指导老师张教雄谢应然调试 一、实验目的与要求: 1.对霍尔传感器的实物(电路部分)进行一个基本的了解。 2.了解双层PCB板以及一定(霍尔传感器)的焊接排版的技术和工艺。 二、实验仪器、设备与材料: 1.认识霍尔传感器(电路部分)的元件(附图如下): 2.焊接电路PCB板(双层)和对电路设计的排版工艺的了解。 3.对霍尔传感器的电路原理图进行基本的分析(附图如下):

实验开始,每组会得到分发的元件,我先由霍尔传感器的电路原理图开始分析,将每个元件插放好位置,这点很重要,如果出了问题那么会使电路不能正常工作,严重的还有可能导致电路元件受损而无法恢复。所以我先由霍尔传感器的电路原理图开始着手,分析清楚每个元件的指定位置,插放好了之后再由焊接,最后要把多余的脚剪掉。 整个电路的元件除了THS119是长脚直插式元件之外,其余的元件均为低位直插或者贴板直插。 焊接的过程中,所需要注意的事情就是不能出现虚焊脱焊或者更严重的烙铁烫坏元件的表壳封装损坏印制电路板等。这些都是在焊接的整个过程中要注意的事情。 比如,焊接三端稳压管7812时,要考虑到电路板的外壳封装和三端稳压管7812的散热问题,如果直插焊接的话那么就会放不进塑料外壳里,还有直插没有折引脚的话对三端稳压管7812的散热影响很大。综合这些因素再去插放焊接元件,效果会好很多。 又比如,焊接THS119的时,原本PCB板在设计的时已经排好版了,就是在TL082的背面插放THS119。这样的设计很巧妙,能够保证每一个THS119插进去焊接完了之后都能很好地与塑料外壳严密配合安放进去。因为这是利用了IC引脚与PCB板的间距来实现定距离的,绝不会给焊接带来任何麻烦。 最后,顺便提及一下,在保证能将每一个元件正确地焊接在印制电路板上的前提条件下要尽量将元件插放焊接得美观。 五、实验心得体会 (1)首先,从整个霍尔传感器来看,设计的电路的合理性,元件的选用,还有焊接的制作工艺是保证整个电路能正常工作前提。 (2)在学习电子电路的过程中,急需有一个过度期,焊接霍尔传感器电路的过程当中就会得到一个这样的练习。 (3)简单的说就是,拿到一张电路原理图未必做得出一个比较好的产品,这里需要对整个电路设计的元件参数的考虑和排版,元件插放等等。只有将这些问题逐一解决了,才能做好一个电路,也只有这样才能做好一个产品。 (4)霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低。霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用,需要用机械的方法来改变磁场强度。 六、实验收获 从拿到第一个元件开始,我仍然没有太多的收获,直到开始分析整个电路原理图的时候才慢慢开始了解到一些确实精巧的设计,可以说是独具匠心,到整个霍尔传感器电路完成之后才算是明白了一二。 在此,我具体地说说。首先,为什么不用一个普通的稳压管替代Z2这个精密稳压集成电路TL431呢?我查阅相关资料知道它的温度范围宽能在 区间工作。将其的R、C脚并焊再串上一个电阻来等效代替电

传感器实训心得体会.doc

传感器实训心得体会 篇一:传感器实训心得 实训报告 学了一学期的传感器实训心得体会)传感器,在最后期末的时候我们也参加了传感器这一学科的实训,收获还是颇多。 在做测试技术的实验前,我以为不会难做,就像以前做物理实验一样,做完实验,然后两下子就将实验报告做完.直到做完测试实验后,才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我们受益匪浅.做实验时,最重要的是一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,这样,也会有事半功倍的效果。 实验就是使我们加深理解所学基础知识,掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围;具有测试系统的选择及应用能力;具有实验数据处理和误差分析能力;得到基本实验技能的训练与分析能力的训练,使我们初步掌握测试技术的基本方法,具有初步独立进行机械工程测试的能力,对各门知识得到融会贯通的认识和掌握,加深对理论知识的理解。更重要的是能够提高我们的动手能力。 这次实习的却让我加深了对各种传感器的了解和它们各自的原理,而且还培养我们分析和解决实际问题的能力。 在做实验的时候,连接电路是必须有的程序,也是最重要的,而连接电路时最重要的就是细心。我们俩最开始做实验的时候,并没有多注意,还是比较细心,但当我们把电路连接好通电后发现我们并不能得到数据,不管怎么调节都不对,后来才知道是我们电路连接错了,然

后我们心里也难免有点失落,因为毕竟是辛辛苦苦连了这么久的电路居然是错了,最后我们就只有在认真检查一次,看错啊你处在哪里。有了这次的经验下次就更加细心了。以上就是我们组两人对这次实训最大的感触,下次实训虽然不是一样的学科,但实验中的经验和感受或许会有相似的,我们会将这次的经验用到下次,经验不断积累就是我们实训最大的收获。 篇二:传感器实训报告 上海第二工业大学 传感器与测试技术技能实习 专业:机械电子工程 班级:10机工A2 姓名: 学号: 指导老师:杨淑珍 日期:2013年6月24日~7月7日 项目五:转子台转速测量及振动监控系统。 (一)内容 设计一个转子台的振动检测系统,能实时测量转子台工作时的振动信号(振幅)并实时显示转速,当振幅超过规定值时,报警。具体要求: 1.能测量振动信号并显示波形,若振动超过限值,报警(软硬件报警); 2.能测量并显示转子的转速; 3.限值均由用户可设定(最好以对话框方式设置,软件重新打开后,能记住上次的设置结果);

传感器综合的实验报告

传感器综合实验报告( 2012-2013年度第二学期) 名称:传感器综合实验报告 题目: 利用传感器测量重物质量院系:自动化系 班级:测控1201 班 小组成员:加桑扎西,黄承德 学生:加桑扎西 指导教师:仝卫国 实验周数:1周 成绩:

日期:2015 年7 月12日

传感器综合实验报告 一、实验目的 1、了解各种传感器的工作原理与工作特性。 2、掌握多种传感器应用于电子称的原理。 3、根据不同传感器的特性,选择不同的传感器测给定物体的重量。 4、能根据原理特性分析结果,加深对传感器的认识与应用。 5、测量精度要求达到1%。 二、实验设备、器材 1、金属箔式应变片传感器用到的设备: 直流稳压电源、双平行梁、测微器、金属箔式应变片、标准电阻、差动放大器、直流数字电压表。 2、电容式传感器用到的设备: 电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、电压表、示波器。 3、电涡流式传感器用到的设备: 电涡流式传感器、测微器、铝测片、铁测片、铜测片、电压表、示波器。 三、传感器工作原理 1、电容式传感器的工作原理: 电容器的电容量C是的函数,当被测量变化使S、d或 任意一个参数发生变化时,电容量也随之而变,从而可实现由被测量到电容量的转换。电容式传感器的工作原理就是建立在上述关系上的,若保持两个参数不变,仅改变另一参数,

就可以把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路再转换为电量输出。 差动平行变面积式传感器是由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置,与两组静片之间的相对面积发生变化,极间电容也发生相应变化,成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为C X1,下层定片与动片形成的电容定为C X2,当将C X1和C X2接入双T型桥路作为相邻两臂时,桥路的输出电压与电容量的变化有关,即与振动台的位移有关。依据该原理,在振动台上加上砝码可测定重量与桥路输出电压的对应关系,称未知重量物体时只要测得桥路的输出电压即可得出该重物的重量。 2、电涡流式传感器的工作原理: 电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成,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Z,而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定,并保持环境温度不变,阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出,则输出电压是距离X的单值函数。依据该原理可制成电涡流式传感器电子称。3、金属箔式应变片传感器工作原理: 应变片应用于测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路,转换成电信号输出显示。 实验中,通过旋转测微器可使双平梁的自由端上、下移动,从而使应变片的受力情况不同,将应变片接于电桥中即可使双平衡的位移转换为电压输出。电桥的四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4,电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△

传感器实验报告详解

五邑大学 《传感器与电测技术》 实验报告 实验时间:2016年11月16日-17日实验班级:班 实验报告总份数: 4 份 实验教师:

信息工程学院(系) 611 实验室 __交通工程_____专业 班 学号 姓名_______协作者______________ 成绩:

实验一熟悉IAR 集成开发环境下C程序的编写 一.实验目的 1、了解IAR 集成开发环境的安装。 2、掌握在IAR 环境下程序的编辑、编译以及调试的方法。 二.实验设备 1、装有IAR 开发环境的PC 机一台 2、物联网开发设计平台所配备的基础实验套件一套 3、下载器一个 三.实验要求 1、熟悉IAR 开发环境 2、在IAR 开发环境下编写、编译、调试一个例程 3、实验现象节点扩展板上的发光二极管 D9 被点亮 三、问题与讨论 根据提供的电路原理图等资料,修改程序,点亮另一个LED 灯D8。(分析原理,并注释。) 先定义IO口,再初始化,最后点亮

一、实验目的与要求 1、理解光照度传感器的工作原理 2、掌握驱动光照度传感器的方法 二、实验设备 1、装有IAR 开发工具的PC 机一台 2、下载器一个 3、物联网开发设计平台一套 三、实验要求 1、编程要求:编写光照度传感器的驱动程序 2、实现功能:检测室内的光照度 3、实验现象:将检测到的数据通过串口调试助手显示,用手遮住传感器,观察数据变化。 四、实验讨论 讨论:光敏电阻的工作原理?光敏电阻是否为线性测量元件,为什么?常用于什么测量场合? 1.它的工作原理是基于光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其 封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强,光生电子—空穴对就越多,阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失,电子-空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小 2.不是线性测量元件,可以说光敏电阻在照度固定时是线性的。光敏电阻的阻 值随光照的增强而减少,但这个关系不是线性的。 3.常用作开关式光电转换器

传感器与检测技术实验报告

“传感器与检测技术”实验报告 学号:913110200229 姓名:杨薛磊 序号:83

实验一电阻应变式传感器实验 (一)应变片单臂电桥性能实验 一、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。 二、基本原理: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。 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 1位数显万用表(自备)。 稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码; 4 2 四、实验步骤: 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

电子秤课程设计实验报告

电 子 设 计 实 验 报 告 电子科技大学 设计题目:电子称姓名:

学生姓名 任务与要求 一、任务 使用电阻应变片称重传感器,实现电子秤。用砝码作称重比对。 二、要求 准确、稳定称重; 称重传感器的非线性校正,提高称重精度; 实现“去皮”、计价功能; 具备“休眠”与“唤醒”功能,以降低功耗。

电子秤 第一节绪论 摘要:随着科技的进步,在日常生活以及工业运用上,对电子秤的要求越来越高。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面,因材料结构强度和刚度的限制,会使力的传递出现误差,而传感器输出特性存在非线性,加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性,使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此,在高精度的称重场合,迫切需要电子秤能自动校正系统的非线性。此外,为了保证准确、稳定地显示,要求所采用的ADC具有足够的转换位数,而采用高精度的ADC,自然增加了系统的成本。基于电子秤的现状,本文提出了一种简单实用并且精度高的智能电子秤设计方案。通过运用很好的集成电路,使测量精度得到了大大提高,由于采用数字滤波技术,使稳态测量的稳定性和动态测量的跟随性都相当好。并取得了令人满意的效果。 关键词:压力传感器,AD620N放大电路,ADC模数转换,STM32单片机,OLED 显示屏,矩阵键盘,电子秤。 1.1引言 本课程设计的电子秤以单片机为主要部件,利用全桥测量原理,通过对电路输出电压和标准重量的线性关系,建立具体的数学模型,将电压量纲(V)改为重量纲(g)即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种,本设计采用全桥测量电路,是系统产生的误差更小。输出的数据更精确。而AD620N放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大,以满足A/D 转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号,进行模拟量转数字量转换,然后把数字信号输送到显示电路中去,最后由OLED

磁阻效应及磁阻传感器实验

一、实验题目:磁阻效应及磁阻传感器的特性研究 二、实验目的:1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法; 2、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系; 3、画出锑化铟传感器电阻变化与磁感应强度的关系曲线,并进行相应的曲线 和直线拟合; 4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。 三、实验原理: 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。和霍尔效应一样,磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。若外加磁场与外加电场垂直,称为横向磁阻效应;若外加磁场与外加电场平行,称为纵向磁阻效应。磁阻效应还与样品的形状有关,不同几何形状的样品,在同样大小的磁场作用下,其电阻不同,该效应称为几何磁阻效应。由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加,有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。目前,磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。 一定条件下,导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化规律称为磁阻效应。如图1所示,当半导体处于磁场中时,导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用,发生偏转,在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消,则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转,而大于此速度的电子则沿相反方向偏转,因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少,即沿电场方向的电流密度减小,电阻增大,也就是由于磁场的存在,增加了电阻,此现象称为磁阻效应。如果将图1中U H短路,磁阻效应更明显。因为在上述的情况里,磁场与外加电场垂直,所以该磁阻效应称为横向磁阻效应。 当磁感应强度平行于电流时,是纵向情况。若载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向无关,纵向磁感应强度不引起载流子漂移运动的偏转,因而没有纵向霍尔效应的磁阻。而对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形,若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上,此时,载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同,也可引起载流子漂移运动的偏转现象,其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。在磁感应强度与电流方向平行情况下所引起的电阻增加的效应,被称为纵向磁阻效应。 通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小,即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)为零磁场时的电阻率,设磁电阻电阻值在磁感受应强度为B的磁场的电阻率为ρ(B),则Δρ=ρ(B)-ρ(0)。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/ R(0)正比于Δρ/ρ(0),这里ΔR=R (B)-R(0)。因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/ R(0)来表示磁阻效应的大小。 测量磁电阻电阻值R与磁感应强度B的关系实验装置及线路如图2所示。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度,但其电阻的相对变化率ΔR/ R(0)与外磁场的关系都是相似的。实验证明,磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏,就是正负磁场的相应相同。一般情况下外加磁场较弱时,电阻相对变化率ΔR/ R(0)正比于磁感应强度B的二次方;随磁场的加强,ΔR/ R (0)与磁感应强度B呈线性函数关系;当外加磁场超过特定值时,ΔR/ R(0)与磁感应强

无线传感器网络实验报告

无线传感器网络实验报告 Contiki mac协议与xmac协议的比较 1.简介 无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)节点由电池供电,其能力非常有限,同时由于工作环境恶劣以及其他各种因素,节点能源一般不可补充。因而降低能耗、延长节点使用寿命是所有无线传感器网络研究的重点。 WSN中的能量能耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗,其中通信能耗所占的比重最大,因此,减少通信能耗是延长网络生存时间的有效手段。同时,研究表明节点通信时Radio 模块在数据收发和空闲侦听时的能耗几乎相同,所以要想节能就需要最大限度地减少Radio 模块的侦听时间(收发时间不能减少),及减小占空比。 传统的无线网络中,主要考虑到问题是高吞吐量、低延时等,不需要考虑能量消耗,Radio 模块不需要关闭,所以传统无线网络MAC协议无法直接应用于WSN,各种针对传感器网络特点的MAC协议相继提出。现有的WSN MAC协议按照不同的分类方式可以 分成许多类型,其中根据信道访问策略的不同可以分为: X-MAC协议 X-MAC协议也基于B-MAC协议的改进,改进了其前导序列过长的问题,将前导序列分割成许多频闪前导(strobed preamble),在每个频闪前导中嵌入目的地址信息,非接收节点尽早丢弃分组并睡眠。 X-MAC在发送两个相邻的频闪序列之间插入一个侦听信道间隔,用以侦听接收节点的唤醒标识。接收节点利用频闪前导之间的时间间隔,向发送节点发送早期确认,发送节点收到早

期确认后立即发送数据分组,避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听。 X-MAC还设计了一种自适应算法,根据网络流量变化动态调整节点的占空比,以减少单跳延时。 优点: X-MAC最大的优点是不再需要发送一个完整长度的前导序列来唤醒接收节点,因而发送延时和收发能耗都比较小;节点只需监听一个频闪前导就能转入睡眠。 缺点: 节点每次醒来探测信道的时间有所增加,这使得协议在低负载网络中能耗性比较差。而且分组长度、数据发送速率等协议参数还需进一步确定 X-MAC原理图如图3所示: ContikiMAC协议 一.ContikiMAC协议中使用的主要机制: 1.时间划分

传感器检测技术实验报告

《传感器与检测技术》 实验报告 姓名:学号: 院系:仪器科学与工程学院专业:测控技术与仪器实验室:机械楼5楼同组人员: 评定成绩:审阅教师: 传感器第一次实验

实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理 电阻丝在外力作用下发生机械形变时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应。 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,通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是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。单臂电桥输出电压 1/4o U EK ε=,其中K 为应变灵敏系数,/L L ε=?为电阻丝长度相对变化。 三、实验器材 主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。 四、实验步骤 1. 根据接线示意图安装接线。 2. 放大器输出调零。 3. 电桥调零。 4. 应变片单臂电桥实验。

050 100150200 246810x y untitled fit 1y vs. x 由matlab 拟合结果得到,其相关系数为0.9998,拟合度很好,说明输出电压与应变计上的质量是线性关系,且实验结果比较准确。 系统灵敏度 (即直线斜率),非线性误 差= = 五、思考题 单臂电桥工作时,作为桥臂电阻的应变片应选用:(1)正(受拉)应变片;(2)负(受压)应变片;(3)正、负应变片均可以。 答:(1)负(受压)应变片;因为应变片受压,所以应该选则(2)负(受压)应变片。 实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验 一、实验目的 了解全桥测量电路的优点

巨磁电阻实验报告

巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移,了解GMR转速(速度)传感器的原理 【原理简述】 根据导电的微观机理,电子在导电时并不是沿电场直线前进,而是不断和晶格中的原子产生碰撞(又称散射),每次散射后电子都会改变运动方向,总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程,电子散射几率小,则平均自由程长,电阻率低。电阻定律 R=ρl/S中,把电阻率ρ视为常数,与材料的几何尺度无关,这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程(例如铜中电子的平均自由程约34nm),可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级,只有几个原子的厚度时(例如,铜原子的直径约为0.3nm),电子在边界上的散射几率大大增加,可以明显观察到厚度减小,电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外,还具有自旋特性,自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年,英国物理学家,诺贝尔奖获得者N.F.Mott指出,在过渡金属中,自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子,所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻,这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中,无外磁场时,上下两层磁性材料是反平行(反铁磁)耦合的。施加足够强的外磁场后,两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致,外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 电 阻 \ 欧 姆 磁场强度/ 高斯 图3 某种GMR材料的磁阻特性

测试技术与传感器实验报告..

测试技术与传感器 实验报告 班级: 学号: 姓名: 任课老师: 年月日

实验一:静压力传感器标定系统 一、实验原理: 压力传感器输入—输出之间的工作特性,总是存在着非线性、滞后和不重复性,对于线性传感器(如压力传感器)而言,就希望找出一条直线使它落在传感器每次测量时实际呈现的标准曲线内,并相对各条曲线上的最大偏离值与该直线的偏差为最小,来作为标定工作直线。标定工作线可以用直线方程=+表示。 y k x b 对压力传感器进行静态标定,就是通过实验建立压力传感器输入量与输出量 =+使它落之间的关系,得到实际工作曲线,然后,找出一条直线y kx b 在实际工作曲线内,由于方程中的x和y是传感器经测量得到的实验数据,因此一般采用平均斜率法或最小二乘法求取拟合直线。本实验通过最小二乘法求取拟合直线,并通过标定曲线得到其精度。即常用静态特性:工作特性直线、满量程输出、非线性度、迟滞误差和重复性。 二、准备实验: 1)调节活塞式压力计底座四个调节旋钮,使整个活塞式压力计呈水平状态如图6所示; 2)松开活塞筒缩紧手柄,将活塞系统从前方绕水平轴转动,使飞轮在水平转轴上方且活塞在垂直位置锁紧,调整活塞系统底座下部滚花螺母,使活塞筒上的水平仪气泡居于中间位置,如图6,并紧固调水平处的滚花螺母; 图6 调节好,已水平 3)被标定三个压力传感器接在截止阀上(参见下图7),打开截止阀、进气调速阀、进油阀,关闭进气阀和排气阀,将微调器的调节阀门旋出15mm左右位置; 4)打开空气压缩机,待空气压缩机压力达到0.4MPa时,关闭压气机。因为对于最大量程为0.25MPa的活塞式压力计,压力必须小于等于0.4MPa。 5)打开采集控制柜开关,检查串口连接情况。双击桌面的“压力传感器静态标定”软件,进入测试系统,如图7所示。

实验报告磁阻传感器和地磁场的测量

实验报告磁阻传感器和 地磁场的测量 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】

磁阻传感器和地磁场的测量 一. 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二.实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属,当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时,电阻几乎不随外加磁场变化;当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时,此类金属的电阻减小,这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺,将铁镍合金薄膜附着在硅片上,如图6-8-1所示。薄膜的电阻率 )(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ,具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流,而垂直于电流方向施加一个外界磁场时,合金带自身的阻值会生较大的变化,利用合金带阻值这一变化,可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带,一条是置位与复位带,该传感器遇到强磁场感应时,将产生磁畴饱和现象,也可以用来置位或复位极性;另一条是偏置磁场带,用于产生一个偏置磁场,补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时,磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系),使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器,它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥,非平衡电桥输出部分接集成运算放大器,将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示,图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同,当存在外界磁场时,引起电 阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???=

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