检测技术压力传感器霍尔传感器.doc

实验十 压阻式压力传感器的压力测量实验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。
二、基本原理
扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P 型或N 型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
三、实验器材
主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。
四、实验步骤
1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图4-1 连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。
引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。
压力传感器引线为4芯线：1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源，4端为Uo－。

图4-1 压阻式压力传感器测压实验安装、接线图

2、实验模板上RW2用于调节放大器零位，RW1调节放大器增益。
按图4-1将实验模板的放大器输出V02 接到主机箱电压表的Vin插孔，将主机箱中的显示选择开关拨到2V 档，合上主机箱电源开关，RW1 旋到满度的1／3 位置（即逆时针旋到底再顺时针旋2圈），仔细调节RW2使主机箱电压表显示为零。
3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。
4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。
5、仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在2～18KPa之间变化，每上升1KPa 气压分别读取电压表读数，将数值列于表4-1。

表4-1
P(KPa)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Vo(p-p)

P(KPa)
11
12
13
14
15
16
17
18

Vo(p-p)

6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。

实验完毕，关闭电源。

五、思考题
如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定。
方法采用逼近法：输入4KPa 气压，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.25V（有意偏小），输入16KPa 气压，调节Rw1（高限调节），使电压表显示1.2V（有意偏小）；再调气压为4KPa，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.3V（有意偏小），调气压为16KPa，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.3V（有意偏小）；这个过程反复调节，直到逼近自己的要求（4KPa～0.4V，16KPa～1.6V），满足足够的精度即可。

实验十一 压电式传感器振动测量实验
一、实验目的
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成（观察实验用压电加速度计结构）。工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、实验器材
主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。

图4-2 压电传感器振动实验原理图

图4-3 压电传感器振动实验安装、接线示意图

四、实验步骤
1、按图4-3 所示将压电传感器安装在振动台面上（与振动台面中心的磁钢吸合），振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。
2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出的波形。
3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4、改变振动源的振荡频率（调节主机箱低频振荡器的频率），观察输出波形变化。
低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出
峰峰值填入表4-2。实验完毕，关闭电源。

表4-2
f(Hz)
5
7
12
15
17
20
25
V(p-p)

五、思考题
根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？传感器输出波形的相位差Δφ大致
为多少？

实验十二 电涡流传感器位移实验
一、实验目的
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理
通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。
四、实验步骤

图4-4 电涡流传感器原理图

图4-5 电涡流传感器安装、按线示意图

1、 观察传感器结构，这是一个平绕线圈。根据图4-5 安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。
2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V 档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据列入表4-2。
表4-2 电涡流传感器位移X 与输出电压数据
X(mm)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
V(v)

X(mm)
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
V(v)

X(mm)
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
V(v)

X(mm)
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
V(v)

X(mm)
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
V(v)

X(mm)
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
V(v)

3、画出V－X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点（即线
线性段的中点）。试计算测量范围为1mm与3 mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。实验完毕，关闭电源。

五、思考题
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

实验十五 直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理
根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KH·IB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
四、实验步骤

图5-1 霍尔传感器（直流激励）实验原理图

图5-2 霍尔传感器（直流激励）位移实验接线示意图

1、按图5-2示意图接线（实验模板的输出Ｖo1 接主机箱电压表的Ｖin），将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２v档。
2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节Rw1 使
数显表指示为零。
3、向某个方向调节测微头2ｍｍ位移，记录电压表读数作为实验起始点；
再反方向调节测微头，每增加0.2mm 记下一个读数（建议做4ｍｍ位移），将读数填入表5-1。

表5-1
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V(mv)

X(mm)
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0

V(mv)

作出V－X 曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。
实验完毕，关闭电源。

五、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

实验十六 交流激励时霍尔式传感器的位移实验
一、实验目的
了解交流激励时霍尔式传感器的特性。
二、基本原理
交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。
三、实验器材
主机箱、测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器／相敏检波器／低通滤波器模板、双线示波器。
四、实验步骤

图5-3 霍尔传感器（交流激励）实验原理图
1、实验模板接线见图5-4（注意：暂时不要将主机箱中的音频振荡器Ｌv接入实验模板）。
2、首先检查接线无误后，合上主机箱总电源开关。
调节主机箱音频振动器的频率和幅度旋钮，用示波器、频率表监测Lv输出频率为1KHz、
峰峰值为4V的信号。
关闭主机箱电源，将Lv输出信号作为传感器的激励电压接入图5-4 的实验模板中。
（注意：Lv电压峰峰值为4V，幅值过大会烧坏传感器）
3、合上主机箱电源，调节测微头使霍尔传感器的霍尔片处于两磁钢中点。
先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后观察数显表显示，调节电位器Rw1、
Rw2 使显示为零。
4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相器单元电位器Rw 和相敏检波器单元电位器Rw，使示波器显示全波整流波形，并观察数显表显示值。
直至数显表显示为零，此点作为测量原点。然后旋动测微头，每转动0.2mm，记下读数，
填入5-2。
表5-2 交流激励时输出电压和位移数据
X(mm)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V(mv)

X(mm)
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8

V(mv)

６、根据表5-2作出V～X 曲线，计算不同量程时的非线性误差。
实验完毕，关闭电源。

图5-4 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图

实验十七 霍尔转速传感器测电机转速实验
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：UH＝KH·IB，当被测圆盘上装上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、整形和计数电路计数就可以测量被测物体的转速。
三、实验器材
主机箱、霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤
1、根据图5-5 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。

图5-5 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
2、在接线以前，先合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2～24v旋钮调到最小（逆时针方向转到底），接入电压表（显示选择打到20v档），监测大约为１.25v；
关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图5-5 所示分别接到主机箱的相应电源和频率／转速表（转速档）的Fin上。
3、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），观察电机转动及转速表的显示情况。
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）。
表5-3
电压
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
转速

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。

五、思考题
1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？
传感器的线性度、灵敏度与分辨力
传感器的线性度
        通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标.
        拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
传感器的灵敏度
        灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
      它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。
      灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
      当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
      提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
传感器的分辨力
      分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
      通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

相敏检波器电路的原理:由施密特开关电路及运放组成的相敏检波器电路的原理。

实验原理：

相敏检波电路如图（7）所示：图中①为输入信号端，②为交流参考电压输入端，③为检波信号输出端，④为直流参考电压输入端。

当②、④端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把①端输入的正弦信号转换成全波整流信号。

（图7）

实验所需部件：

公共电路模块（二）{公共电路模块}（相敏检波器、移相器、低通滤波器）、音频信号源、直流稳压电源、电压表、示波器

实验步骤：

1、连接主机与实验模块电源线，音频信号输出接相敏检波输入端①。

2、直流稳压电源2V档输出（正或负均可）接相敏检波器④端。

3、示波器两通道分别接相敏输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。

4、改变④端参考电压的极性，观察输入、输出波形的相位和幅值关系。由此可以得出结论：当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。

5、将音频振荡器00 端输出信号送入移相器输入端，移相器的输出与相敏检波器的参考输入端②连接，相敏检波器的信号输入端①接音频00输出。

6、用示波器两通道观察附加观察插口⑤、⑥的波形。

可以看出，相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。

7、将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通输出端接数字电压表20V档。

8、示波器两通道分别接相敏检波器输入、输出端。

9、适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表电压值变化，然后将相敏检波器的输入端①改接至音频振荡器1800输出端口，观察示波器和电压表的变化。

由上可以看出，当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。

10、调节移相器“移相”旋钮，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入Vp-p值与输出直流电压的关系。

11、使输入信号与参考信号的相位改变1800，得出实验结果。

相敏检波的功用和原理
1、什么是相敏检波电路？
相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。

2、为什么要采用相敏检波？
包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。
3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别是什么？
相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。
4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们又有哪些区别？
将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。
二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。
（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性
1、相敏检波电路的选频特性
什么是相敏检波电路的选频特性？
相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。

2、相敏检波电路的鉴相特性
什么是相敏检波电路的鉴相特性？
如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。
由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。
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回答时间：2008-6-19 16:30 | 我来评论

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回答者： 不帅用砖拍 | 五级
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