光纤传感器的位移测量

传感器实训

实训一　双孔应变传感器——称重实验

实训目标

1.知识目标

(1)了解电阻应变式传感器的基本结构。

(2)掌握电阻应变式传感器的使用方法。

(3)掌握电阻应变式传感器扩大电路的调试方法。

2.技能目标

(1)学会测量并调整电阻应变式传感器。

(2)熟悉传感器实验装置操作流程。

实训原理

1.电阻式传感器的结构和工作原理。

2.应变片是最常用的测力传感器，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形。通过测量电路，转换成电信号输出。

电桥电路是最常用的测量电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂的4个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻相对变化率分别为、、、。

当弹性体受力时，根据电桥的加减特性，其输出电压:

=4××

实训器材

直流稳压电源(±4 V)、应变式传感器实验模块、传感器综合实验台、称重砝码6个。

实训器内容与步骤

(一)实训步骤

1.连接主机(如图9-1-1所示)与模块电路电源连接线。这时要注意实验连线插头为灯矩状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不需旋转锁紧，使用时应避免摇晃。

2.开启主机电源，用调零电位器高速差放输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后的“增益、调零”电位器均不再变动。

图9-1-1　传感器综合实验台

3.按图9-1-2所示将所需实验部件接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计(可任选上梁或下梁中的一个工作片)，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。

图9-1-2　称重实验电路

4.观察称重传感器弹性体结构及贴片位置，连接主机与实验模块的电源连接线，开启主机电源，称重传感器工作电压选用±4 V，将差动放大器的增益调到最大(100倍)，输出端接电压表。调节电桥WD调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。

5.逐一将砝码放上传感器称重平台，调节增益电位器，使V0端与所称重量成一定比例，记录W(g)与V(mV)的对应值，并将数据填入表9-1-1中。

图9-1-3　实验模块

图9-1-4　电压显示的正确连接方式

6.取一物品(不能超过120 g)，放到称重平台上，根据显示的电压值，计算出它的重量，记录在表9-1-2中。

(二)实训记录与结果

表9-1-1　称重实验数据1

表9-1-2　称重实验数据2

根据W、V的值，做出V-W曲线，画在图9-1-5上。

图9-1-5　V-W特性曲线

实训注意事项

1.称重平台不能按压或上抬。

2.称重传感器的激励电压不能随意提高。

3.保护传感器的引线及应变片使之不受损伤。

思考题

对生成的V-W曲线进行灵敏度、线性度与重复性的比较。

实训二　光纤传感器的位移测量

实训目标

1.知识目标

(1)了解光纤传感器的结构和工作原理。

(2)了解反射光的强弱与反射物及与光纤探头的距离的关系。

2.技能目标

(1)培养学生严谨的操作习惯及仔细的观察能力。

(2)熟悉螺旋测微仪的使用。

实训原理

1.光电传感器和超声波传感器的工作原理。

2.反射式光纤传感器的工作原理如图9-2-1所示，光纤采用Y形结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二极管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。

图9-2-1　反射式光纤位移传感器原理图

图9-2-2　光纤实验模块

实训器材

传感器综合实验台；光纤光电传感器实验模块；螺旋测微仪；反射镜片；光纤探头。

实训器内容与步骤

(一)实训步骤

1.观察光纤结构，本实验仪所配的光纤探头为半圆形结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。

2.连接主机与实验模块电源及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央(镀铬圆铁片)，螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。

3.开启主机电源，实验时注意调节增益，输出最大信号以3 V左右为宜，避免过强的背景光照射。光电变换器的Vo端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片(如果表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合)，此时输出电压Vo=0，然后旋动测

图9-2-3　输出特性曲线

微仪，使反射镜片离开探头，每隔1 mm记录一数值并记入表9-2-1中。

4.位移如再加大，就可观察到光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，参照图示输出特性曲线，根据表9-2-1的实验数据，作出V-X特性曲线，画在图9-2-3中。通常测量用的是线性较好的前坡范围。

(二)实训记录与结果

表9-2-1　光纤反射实验数据

图9-2-4　V-X特性曲线

此曲线选用的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。

实训注意事项

1.预习实验操作规范，记住光纤勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤要注意保护，否则会使光通量衰耗加大造成灵敏度下降。

2.每台仪器的光电转换器(包括光纤)与转换电路都是单独调配的，实验前注意检查与仪器编号是否配对。

思考题

更换不同材料的反射镜片，结果有没有不同？为什么？

实训三　霍尔传感器

实训目标

1.知识目标

(1)掌握霍尔式传感器及其应用技术。

(2)熟悉霍尔效应，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。

2.技能目标

(1)掌握螺旋测微仪的使用。

(2)学生能够根据实验指导书合理选择测量元件和电路模块。

实训原理

1.磁敏传感器的结构和工作原理。

2.霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就形成了霍尔位移传感器。

3.霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度(磁场位置)，当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。

图9-3-1　霍尔传感器的实验模块

实训器材

传感器综合实验台；霍尔传感器实验模块；螺旋测微仪；直流稳压电源(2V)；霍尔元件。

实训器内容与步骤

(一)实训步骤

1.安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2 V，霍尔元件另一激励端接地，实验接线按图9-3-2所示，差动放大器增益10倍左右。

图9-3-2　霍尔传感器的实验电路

2.用螺旋测微仪调节精密装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。

3.从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件3.5 mm，每变化0.5 mm读取相应的电压值，并记入表9-3-1中。

4.在图9-3-3中作出V-X曲线，分析其灵敏度和线性工作范围。

(二)实训记录与结果

表9-3-1　霍尔传感器实验数据

图9-3-3　V-X特性曲线

灵敏度和线性工作范围分析：　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。

实训注意事项

1.记住操作步骤，严格按照操作步骤进行，直流激励电压只能是2 V，不能接±2 V(4 V)，否则锑化铟霍尔元件会烧坏。

2.复习关于磁传感器的相关知识，特别是霍尔元件。

思考题

特性曲线如果出现非线性情况，请查找原因。

实训四　电容式传感器性能

实训目标

1.知识目标

(1)了解差动式同轴变面积电容的结构；

(2)掌握差动式电容器的工作原理。

2.技能目标

能独立完成实验项目，完成完整的实验报告。

实训原理

1.电容式传感器的工作原理。

2.差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。

图9-4-1　差动式电容传感器的工作原理

实训器材

传感器综合实验台；电容传感器实验模块；螺旋测微仪；电容传感器；双踪示波器。

实训器内容与步骤

(一)实训步骤

1.观察电容传感器结构，如图9-4-2所示：传感器由一个动极与两个定极组成，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图9-4-1接好实验线路，调节增益到适当数值。

图9-4-2　电容式传感器实验模块

2.打开主机电源，用螺旋测微仪带动传感器动极移位至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。前后移动动极，每次1 mm，直至动静极完全重合为止，将数据记录到表9-4-1中。

3.在图9-4-3中作出V-X曲线，求出灵敏度。

4.移开测微仪，在主机振动平台旁的安装支架上装上电容传感器，在振动平台上装好传感器动极，用手按动平台，使平台振动时电容动极与定极不碰擦为宜。

5.开启“激振I”开关，振动台带动动极在定极中上下振动，用示波器观察输出波形。

(二)实训记录与结果

表9-4-1　电容传感器实验数据

图9-4-3　V-X特性曲线

灵敏度：　　　　　　　　　　　　 。

实训注意事项

1.复习双踪示波器的使用。

2.在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号之间严禁用边线接短路。

3.电容动极须位于环型定极中间，安装时须仔细作调整，实验时电容不能发生擦片，否则信号会发生突变。

思考题

1.为什么要用差动式电容传感器来测量电路？

2.实验得出的灵敏度与哪些条件有关？

实训五　MPX扩散硅压阻式传感器

实训目标

1.知识目标

(1)了解压阻式传感器的结构特点。

(2)掌握气压与电压之间的特性关系。

2.技能目标

(1)熟悉气囊的使用。

(2)通过改变交流全桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度。

实训原理

1.电阻式传感器的各种结构和工作原理。

2.MPX压阻式传感器芯片是集成工艺技术在硅片上制造出四个由X形的等值电阻组成的电路，它的工作原理图如图9-5-1所示：

图9-5-1　MPX压阻式传感器的工作原理

实训器材

传感器综合实验台；应变式传感器实验模块；气压表；MPX压阻传感器；气囊。

实训器内容与步骤

(一)实训步骤

1.连接主机与实验模块的电源线与探头连接线，电压表拨在+2 V挡，电源给定+4 V。胶管连接气压源输出与压力传感器输入口(传感器另一端空置感受大气压力)，如图9-5-2所示。

图9-5-2　气压源的提供

2.将差动放大器的增益调置最大位置(顺时针旋到底)。

3.接好实验接线，如图9-5-3所示。

图9-5-3　实验接线图

4.开启主机电源，调节电桥WD调零电位器，使实验模块输出为零，开启气源开关，逐步加大气压，观察随气压上升模块电压输出的变化情况。

5.待到气压相对稳定后，调节模块增益使电压值与气压值成一定比例关系，并记录p(kPa)与V(mV)的对应值，填到表9-5-1中。

6.根据p、V值，在坐标上做出p-W曲线，标在图9-5-4中。

7.利用气囊，观察气压下降到某一固定值时相对的电压值。

(二)实训记录与结果

表9-5-1

图9-5-4　p-V特性曲线

气压下降到某一固定值时相对的电压值为　　　　　　　　　　 　。

实训注意事项

1.学习并掌握本次实验的操作流程，注意气源平时是否关闭，以免影响其他电路工作。

2.实验前检查胶管有没有老化破坏。

思考题

1.气源平时常开状态对其他电路工作有没有影响？

2.气囊破损怎么办？

(曹　彦)