13.实验指导书-测试技术与传感器.docVIP

PAGE PAGE 21 淮 阴 工 学 院 测试技术与传感器实验指导书 编 者：纪剑祥 适用学院：机械与材料工程学院 电子与电气工程学院 2015年 6 月 20 日 目 录 实验一 应变片式传感器特性实验…………………………………………………1 实验二 电容式传感器位移实验……………………………………………………10 实验三 差动变压器的性能实验……………………………………………………17 实验四 电涡流传感器位移特性实验………………………………………………24 实验五 压电式传感器测振动实验…………………………………………………30 实验六 线性霍尔式传感器位移特性实验…………………………………………35 实验七 转速测量实验………………………………………………………………39 实验八 成分及浓度检测实验………………………………………………………43 实验九 光纤传感器的位移特性实验………………………………………………47 一 应变片式传感器特性实验 一、实验目的： 1、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。 2、了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。 3、了解应变片全桥工作特点及性能。 4、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、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变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。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。 1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得 （1-1） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式（1-1）全微分得电阻变化率 dR/R为： （1-2） 式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr 由材料力学得：?εL= - μεr ???????? ?(1-3）??????????????? 式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.30.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1-3）代入式（1-2）得： （1-4） 式（1-4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。 2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 ?(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取 （1-5） 其灵敏度系数为： K= 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R≈dρ?ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。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，这种物理现象我们称之为半导体的压阻效应 。且不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，可正可负，与材料性质和应变方向有关，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。 3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导