《传感器与检测技术》课程教学资源（实验指导书，共三十五个实验）

实验一金属箔式应变片一单臂电桥性能实验实验二金属箔式应变片一半桥性能实验实验三金属箔式应变片一全桥性能实验实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验实验五金属箔式应变片一温度影响实验实验六直流全桥的应用一电子秤实验实验七交流全桥的应用一振动测量实验实验八压阻式压力传感器的压力测量实验实验九扩散硅压阻压力传感器差压测量实验*实验十差动变压器的性能实验实验十一激励频率对差动变压器特性的影响实验实验十二差动变压器零点残余电压补偿实验实验十三差动变压器的应用一振动测量实验实验十四电容式传感器的位移实验实验十五直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验十七霍尔测速实验实验十八磁电式转速传感器的测速实验实验十九用磁电式原理测量地震*实验二十压电式传感器振动实验实验二十一电涡流传感器的位移特性实验实验二十二被测体材质对电涡流传感器特性影响实验实验二十三被测体面积大小对电涡流式传感器的特性影响实验实验二十四电涡流传感器测量振动实验实验二十五电涡流测转速实验*实验二十六光纤传感器的位移特性实验实验二十七光电转速传感器的转速测量实验实验二十八利用光电传感器测转速的其它方案*实验二十九集成温度传感器的温度特性实验1

1 实验一 金属箔式应变片―单臂电桥性能实验 实验二 金属箔式应变片―半桥性能实验 实验三 金属箔式应变片―全桥性能实验 实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 实验五 金属箔式应变片―温度影响实验 实验六 直流全桥的应用―电子秤实验 实验七 交流全桥的应用―振动测量实验 实验八 压阻式压力传感器的压力测量实验 实验九 扩散硅压阻压力传感器差压测量实验＊ 实验十 差动变压器的性能实验 实验十一 激励频率对差动变压器特性的影响实验 实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验 实验十三 差动变压器的应用―振动测量实验 实验十四 电容式传感器的位移实验 实验十五 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 实验十六 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 实验十七 霍尔测速实验 实验十八 磁电式转速传感器的测速实验 实验十九 用磁电式原理测量地震＊ 实验二十 压电式传感器振动实验 实验二十一 电涡流传感器的位移特性实验 实验二十二 被测体材质对电涡流传感器特性影响实验 实验二十三 被测体面积大小对电涡流式传感器的特性影响实验 实验二十四 电涡流传感器测量振动实验 实验二十五 电涡流测转速实验＊ 实验二十六 光纤传感器的位移特性实验 实验二十七 光电转速传感器的转速测量实验 实验二十八 利用光电传感器测转速的其它方案＊ 实验二十九 集成温度传感器的温度特性实验

实验三十铂电阻温度特性实验实验三十一→铜电阻温度特性实验光纤传感器测量振动实验实验三十二K型热电偶测温实验光纤传感器的测速实验实验三十三E型热电偶测温实验热电偶冷端温度补偿实验*实验三十四实验三十五气敏传感器实验2

2 实验三十 铂电阻温度特性实验 实验三十一 铜电阻温度特性实验 光纤传感器测量振动实验 实验三十二 K 型热电偶测温实验 光纤传感器的测速实验 实验三十三 E 型热电偶测温实验 实验三十四 热电偶冷端温度补偿实验＊ 实验三十五 气敏传感器实验

实验一金属箔式应变片一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，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：△R/R=Kε式中△R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△(/八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。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器一电子秤、码、数显表、土15V电源、土4V电源、万用表（自备）。四、实验步骤：1、根据图（1一1）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。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R=R2=R3=R4=350Q，加热丝阻值为50Q左右应变片托盘引出线弹性体限程螺丝固定垫圈模板L82888888888加热丝V应变片固定螺丝图1一1应变式传感器安装示意图2、接入模板电源土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V：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、Rw的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）。3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R（即模板左上方的Rl）接入电桥作为一个桥臂与Rs、R6、R7接成直流电桥（Rs、R6、Rz模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥3

3 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，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。 三、需用器件与单元：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）。 四、实验步骤： 1、根据图（1－1）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。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1 ＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为 50Ω左右. 图 1－1 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

接主控箱接数显表OO电源输出Vi地加热器接主控箱接数显表OO电源输出加热器R2RR1OGEG@1+15v150KTEVolVoR1应变传感器实验模板RwRwHTXPRw4图1一2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码，读取数显表数值，依次增加码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）码加完。记下实验结果填入表1一1，关闭电源。表1-1：实验结果重量(g)电压(mv)5、根据表1-1计算系统灵敏度S=△U/△W（△U输出电压变化量，△W重量变化量）和非线性误差8n=△m/yE.sX100%式中△m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF.s满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。X

4 路电源±4V（从主控台引入）如图 1－2 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 1－2 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 1－1，关闭电源。 表 1－1：实验结果 重量(g) 电压(mv) 5、根据表 1－1 计算系统灵敏度 S＝ΔU/ΔW（ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）和非线 性误差δf1=Δm/yF.S ×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：yF·S满量程输出平均值，此处为 200g（或 500g）

五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。实验二、金属箔式应变片一半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、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。三、需用器件与单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤2，实验模板差动放大器调零。2、根据图1一3接线。Rl、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和Ri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。接入桥路电源土4V，调节电桥调零电位器RWL进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表12，计算灵敏度S2=U/W，非线性误差82。若实验时无数值显示说明R2与R为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。接主控箱接数显表OC电源输出V地加热器RR2R3R.2POR11R13fTCPD.1VoTR1应变传感器实验模板ORwRw3RW4图1-3应变式传感器半桥实验接线图表1一2：半桥测量时，输出电压与加负载重量值5

5 五、思考题： 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片 （3）正、负应变片均可以。 实验二 金属箔式应变片―半桥性能实验 一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 二、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。 三、需用器件与单元：同实验一。 四、实验步骤： 1、传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤 2，实验模板差动放大器调零。 2、根据图 1－3 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 同实验一中 4、5 的步 骤，将实验数据记入表 1－2，计算灵敏度 S2＝U／W，非线性误差δf2。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 1－3 应变式传感器半桥实验接线图 表 1－2：半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量电压五、思考题：1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。实验三、金属式应变片一全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。二、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：Ri=R2=R;=R4，其变化值△Ri=△R2=△R3=△R4时，其桥路输出电压Uo3=KEe。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。三、需用器件和单元：同实验一四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。2、根据图1一4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1一3；进行灵敏度和非线接主控箱接主控箱接数显表性误差计算O电源输出电源输出V地加热器R2RR3R4GEOGOGOGR11IC1-15v+15vC-414VRRR16R18R9RwEORbLIcaIC4RR10.Vo1Vo2R5R17CR15R19R14ReR1RJRRw4+EYERwieRwQ应变传感器实验模板ORw2RWJRW3RW41-4全桥性能实验接线图6

6 重量 电压 五、思考题： 1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。 2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应 变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。 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。 二、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。 三、需用器件和单元：同实验一 四、实验步骤： 1、传感器安装同实验一。 2、根据图 1－4 接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表 1－3；进行灵敏度和非线 性误差计算。 1－4 全桥性能实验接线图

表1-3全桥输出电压与加负载重量值重量电压五、思考题：1、全桥测量中，当两组对边（Ri、R为对边）电阻值R相同时，即Ri=R3，R2=R4，而Ri≠R时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。KR3R1R1R3R4R2R2R4FF图1一5应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

7 表 1－3 全桥输出电压与加负载重量值 重量 电压 五、思考题： 1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）电阻值 R 相同时，即 R1＝R3，R2＝R4，而 R1≠R2 时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。 2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片 组成电桥，是否需要外加电阻。 图 1－5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图 R3 R1 R4 R2 R3 R4 R1 R2 F F F F

实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。实验五金属箔式应变片-温度影响实验一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。三、需用器件与单元：应变传感器实验模板、数显表单元、直流源、加热器（已贴在应变片底部）四、实验步骤：1、保持实验四的实验结果。2、放200g码加于码盘上，在数显表上读取某一整数值Uo1。3、将5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot,Uot-Uoi即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差Uot -Uol ×100%8=Uot五、思考题00

8 实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较 一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论 上进行分析比较。阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。 实验五 金属箔式应变片-温度影响实验 一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。 二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线 膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被 测体受力状态不变时，输出会有变化。 三、需用器件与单元：应变传感器实验模板、数显表单元、直流源、加热器（已贴在应变片底部） 四、实验步骤： 1、保持实验四的实验结果。 2、放 200g 砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一整数值 UO1。 3、将 5V 直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定 后，记下读数 Uot ,Uot-U01 即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差 五、思考题 100% U U U ot ot o1  −  =

1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？2、应变式传感器可否用于测量温度？实验六直流全桥的应用一电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、码四、实验步骤：1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图1一4全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位Rw1，使数显表显示0.00V。2、将10只码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量）或一0.200V。3、拿去托盘上的所有码，调节电位器Rw4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。5、把码依次放在托盘上，填入下表1一4。重量(g)电压(mv)6、根据上表，计算误差与非线性误差

9 1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？ 2、应变式传感器可否用于测量温度？ 实验六 直流全桥的应用―电子秤实验 一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值 为重量对应值，电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码 四、实验步骤： 1、按实验一中 2 的步骤，将差动放大器调零，按图 1－4 全桥接线，合上主控台电源开关，调 节电桥平衡电位 RW1，使数显表显示 0.00V。 2、将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器 RW3（增益即满量程调节）使数显表显 示为 0.200V(2V 档测量)或－0.200V。 3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 R W4（零位调节）使数显表显示为 0.0000V。 4、重复 2、3 步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲 V 改为重量纲 g，就可以称重。 成为一台原始的电子秤。 5、把砝码依次放在托盘上，填入下表 1－4。 重量（g） 电压(mv) 6、根据上表，计算误差与非线性误差

实验七交流全桥的应用一振动测量实验一、实验目的：了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。二、基本原理：对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、万用表（自备）、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、双综示波器、振动源。四、实验步骤：1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350Q，若二组对角线阻值均为350Q则接法正确（万用表测量）。3、根据图1一8，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rwl、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p（频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）10

10 实验七 交流全桥的应用―振动测量实验 一、实验目的：了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。 二、基本原理：对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显 示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用 交流电压表读得。 三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、万用表（自备）、应变式传感器实验模板、相敏 检波器模板、双综示波器、振动源。 四、实验步骤： 1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。 2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已 组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时 应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为 350Ω，若二组对角线阻值均为 350Ω则接 法正确（万用表测量）。 3、根据图 1－8，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2 为交流电桥调平衡网络。检 查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到 1KHz 左右，幅度调节到 10Vp-p（频率可用数显表 Fin 监测，幅度用示波器监测）