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36选7位移传感器 大学物理实验

发布日期:2020-10-18 17:13

  位移传感器 大学物理实验_物理_自然科学_专业资料。实验三十七 位移传感器实验 实验目的 1. 了解电容式传感器结构及其特点。 2. 了解霍尔效应及其霍尔位移传感器工作原理。 实验原理 关于传感器的初步介绍请参见“应变片传感器”的相关内容。 3

  实验三十七 位移传感器实验 实验目的 1. 了解电容式传感器结构及其特点。 2. 了解霍尔效应及其霍尔位移传感器工作原理。 实验原理 关于传感器的初步介绍请参见“应变片传感器”的相关内容。 37.1 位移传感器的功能在于把机械位移量转换成电信号。根据不同的物理 现象(或物理过程),可以设计不同类型的位移传感器。本实验首先研究电 容位移传感器,在研究与拓展部分再讨论霍尔位移传感器。 原理讲解视频 1. 电容式传感器基本原理 电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它实质上是 具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理: C ? ? S ? ?0?rS (1) dd 式中,S 为极板面积,d 为极板间距离, 为真空介电常数, 为介质相对介电常数。 可以看出:当被测物理量使 S、d 或 发生变化时,电容量 C 随之发生改变。如果保持其中 两个参数不变而仅改变另一参数,就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以 电容传感器可以分为三种类型:改变极间距离的变间隙式,改变极板面积的变面积式和改变 介电常数的变介电常数式。本实验采用变面积式电容传感器。 变面积式电容传感器中,平板结构对极距特别敏感且边缘效应明显,测量精度容易受到 影响,而圆柱形结构受极板间径向变化的影响很小,边缘效应很小,且理论上具有更好的线 性关系(但实际由于边缘效应的影响,会引起极板间的电场分布不均,导致非线性问题仍然 存在,且灵敏度下降,但比变极距型好得多),因而成为实际工作中最常用的结构,如图 1 所示。两只圆柱形电容器 C1、C2 共享一个内圆柱极板,当内极板随被测物体移动时,两只 电容器 C1、C2 内外极板的有效面积一只增大,一只减小,将三个极板用导线引出,形成差 动电容输出;通过处理电路将差动电容的变化转换成电压变化,进行测量,就可以计算内极 板的移动距离。根据圆柱形电容器计算公式,线位移单组式的电容量 C 在忽略边缘效应时 为: C ? 2??l (2) ln(r2 / r1) 式中 l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;r2、 外极板2 内极板 r1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动 Δl 时,单组电容变化量 ΔC 外极板1 为: ?C ? 2??l ln(r2 / r1) ? 2?? (l ln(r2 ? ?l) / r1) ? 2???l ln(r2 / r1) ? C0 ?l l (3) 图 1 圆柱型电容传感器内部结构 于是,可得静态差动电容(C1-C2)变化灵敏度为: kg ? ?C ?l ? ? 2?? (l ? ? ln(r2 ? ?l) / r1) ? 2?? (l ln(r2 ? ?l) ? / r1) ? ? / ?l ? 4?? ln(r2 / r1) (4) 可见灵敏度与 r2/r1,有关,r2 与 r1 越接近,灵敏度越高,虽然内外圆筒原始覆盖长度 l 与灵敏度无关,但 l 不可太小,否则边缘效应将影响到传感器的线性。 ?C ? kg ?l (5) (5)是本实验的测量原理。本实验采用变面积式电容传感器,为差动式圆柱形结构。 可以很好地消除极距变化对测量精度的影响,并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏 度。 2. 电容位移传感器电路原理: +12V R1 330 R2 10K 1N4148 R3 100 C1 50P 1N4148 4 8 7 NE555 6 2 1 C6 0.01u CX1 1N4148*4 C3 0.1u 3 5 C2 0.1u CX2 L1 410801 L2 410801 RW -15V GND +15V R7 47K C4 0.22u RW 10K R5 3.3K μA741 R8 2K C5 R6 Vo 1u 3.3K 图 2 电容位移传感器电路 本实验所用的电容位移传感器电路如图 2 所示。该电路由三部分构成: (1)多谐振荡器:由集成电路 555 定时器及其外围元件构成(原理见附录一)。该振荡 器输出频率 550kHz 左右方波信号,由 R2 调节频率。555 定时器 3 脚输出的脉动方波经隔 离电容器 C3 去除直流成分,变成交变方波后送入整流电路。 (2)整流电路:由 4 个二极管 1N4148、电容传感器 CX1、CX2 、负载电阻 RW 和一 些 LC 滤波元件组成。该电路由二极管双 T 交流电桥电路变形而来(双 T 交流电桥电路原理 见附录二)。其作用是利用多谐振荡器输入的交变方波信号对电容传感器的电容 CX1、CX2 充放电,在负载电阻 RW 上得到与差动电容值(CX1?CX2)成正比的直流电压输出。 (3)电压放大电路:由集成运算放大器 μA741 及其外围电路构成。该电路将信号电压 放大输出到数字电压表显示。 实验仪器 THQC-1 典型传感器特性综合实验仪。 实验内容与步骤: 1.按图 3 将电容式传感器装于电容传感器实验模板上,将传感器引线 插头插入实验模板的插座中。 2.将电容传感器实验模板的输出端 Vo 与主控箱上的数字电压表相接,Rw 调 节到中间位置(约 5 圈的位置)。 3.将螺旋测微器设定在 10mm 位置, 松开测量架上的紧固螺钉,将螺旋测微器 与电容传感器上的位移伸缩杆顶端的磁铁 吸合。 图 3 电容传感器安装示意图 4.移动电容传感器的位移伸缩杆和螺旋 37.2 仪器操作视频 测微器,使电容内极板调至中间位置(见位移伸缩杆标记),再锁定测量架上的紧固螺钉。 5.连接电容实验模板与主控箱的 15V 电源和接地。 6.打开直流电源开关,调节电容传感器实验模板上的增益调节电阻旋钮 RW,使数显直 流电压表显示为 0(选择 2V 档)。 7.旋动测微头改变电容传感器动极板的位置,每隔 0.5mm 记下位移 x 与输出电压值, 填入数据表格。 8.根据所测数据,用作图法计算电容传感器的系统灵敏度 S。 研究与拓展 本段内容讨论霍尔位移传感器。霍尔式传感器是一种利用霍尔效应进 37.3 行工作的传感器。根据霍尔效应原理制成的元件称为霍尔元件,它是霍尔 式传感器的核心敏感部件。 1. 霍尔元件的工作原理 霍尔原理视频 (1)霍尔效应 霍尔效应原理如图 4 所示。在一个 N 型半导体 薄片(霍尔元件)相对的两侧面通以控制电流 I, 在薄片垂直方向加以磁场 B,则在半导体另两侧面 会产生一个大小与控制电流 I 和磁场 B 相乘积成正 比例的电压 UH,即 UH = KHIB (6) 这一现象叫做霍尔效应。产生的电压 UH 叫做 霍尔电压。设霍尔元件为 N 型半导体制成,其导电机 构是自由电子。在磁场中运动的电子(电流)受洛仑 图 4 霍尔效应原理图 磁力的作用,即 FL ? qv ? B (7) 式中,v 为电子运动速度矢量,B 为磁场矢量,q 为带电粒子的电量。 由于洛仑兹力 FL 的作用,使电子向垂直于磁场和自由电子运动的方向移动,并在端面 上产生电荷积累。由于电荷的积累而产生了静电场,这个电场对电子的作用为 FE 为 FE ? ?eEH ? ?eUH / b (8) 式中,FE 为电场力,EH 为霍尔电场强度,UH 为霍尔电压,b 为霍尔元件宽度。FE 的作 用方向与 FL 相反。随着电荷积累增多,电场增强,FE 增大。当 FE 与 FL 对导电机构的电子 作用达到平衡时,电荷积累稳定在一定的数值上,这时有 FE=FL。 因为 FL ? ?evB , FE ? ?eEH ? ?e UH b ,所以有 UH=bvB(9) 流过霍尔元件的电流 I 为 I ? dQ ? bdvn(?e) (10) dt 式中,Q 为电量,d 为霍尔元件的厚度,n 为单位体积内的电子数,e 为电子的电量。将式(10) 代入式(9),得到 UH ? ? IB ned (11) 若是 P 型半导体霍尔元件,则 UH ? IB ped (12) 式中,p 为单位体积内空穴数。 为方便起见,一般对 N 型半导体霍尔元件的表达式也不写负号。 (2)霍尔系数及灵敏度 将(11)式中的 1 用 RH 表示,即取 ne RH ? 1 ne (13) 则有 UH ? RH IB d (14) 式中,RH 称为霍尔系数。 霍尔系数 RH 由半导体材料决定,它反映了材料的霍尔效应的强弱。单位体积内导电粒 子数越少,霍尔效应越强。半导体比金属导体效应强。另外定义 KH ? RH d (15) 为霍尔元件的灵敏度。这时,霍尔电压表示为 UH ? KH IB (16) 式中,KH 表示在单位电流、单位磁场作用下,开路的霍尔电势输出值。它与元件的厚 度成反比,降低厚度 d,可以提高灵敏度。但在考虑提高灵敏度的同时,必须兼顾元件的强 度和内阻。 2. 霍尔元件的基本电路 根据霍尔效应原理,霍尔元件的基本电路形式, 如图 5 所示。控制电流 I 由电源 E 供给,R 为可调电 阻,以保证得到所需要控制电流数值。霍尔电势端 接负截电阻 Rfz,它可以是放大器输入电阻或表头内 阻。磁场 B 要与元件平面垂直,图示为 B 指向纸面, 在 I 和 B 作用下,产生霍尔电势输出。 实际测量中,可以把 I 和 B 的乘积作为输入,也 可以把 I 和 B 单独作为输入,通过霍尔电势输出得到 图 5 霍尔元件的基本电路 测量结果。本实验通过固定电流 I,让霍尔元件在梯度磁场中运动。这样通过霍尔组件的电 流 I 一定,通过霍尔组件的磁感应强度 B 随霍尔组件的位移线性变化,导致霍尔电压变化。 就可以用来进行位移测量。 3.磁路系统 本实验采用的磁路系统如图 6 所示。由两对极性相反的永磁体组成。在两对磁极的共同 作用下形成一个梯度磁场,图 6 画出磁极间大致的磁力线分布,其理想的特性如图 7 所示, 磁感应强度 B,是位移 x 的函数,36选7即 B=f (x)。调整霍尔元件使处于图示中心位置时,由于 该处磁场作用抵消 B = 0,所以霍尔电压 UH = 0。沿 x 方向左右移动霍尔元件时,磁感应强 度大小和极性都会变化。根据式(11),霍尔电势大小和符号也会跟随变化,且有 UH = f(x)。 这样,就可以由霍尔电压的大小测量霍尔元件移动的位置 x。 4.实验步骤 (1)将霍尔传感器安装到传感器固定架上,传感器引线接到对应的霍 尔插座上。按图 8 接线,并连接霍尔传感器实验模板与主控箱的 15V 电 源和接地。 37.4 霍尔仪器视频 N S B S N 0 x 图 6 磁路系统 图 7 理想磁场分布 +5V -5V R6 51K R3 10K OP-07 R2 1.1K RW H 10K R1 470 R4 10K R5 51K R7 2K Vo RW 图 8 霍尔传感器直流激励接线)开启电源,直流数显电压表选择“2V”档,调零电位器 RW 置于中间位置(约 5 圈)。 (3)将测微头的起始位置调到“9mm”处,松开测量架上的紧固螺钉,将螺旋测微器 与霍尔传感器上的位移伸缩杆顶端的磁铁吸合。 (4)移动霍尔传感器的位移伸缩杆和螺旋测微器,使霍尔片基本在磁钢的中间位置(数 显表大致为 0),锁定测量架上的紧固螺钉,固定测微头。再调节 RW 使数显表显示为零。 (5)分别向左、右不同方向旋动测微头,每隔 0.1mm 记下一个读数,记入数据表。 (6)整理实验数据,根据所得实验数据做出传感器的特性曲线,计算不同线性范围时 的灵敏度和非线. 简述什么是传感器的边缘效应,它会对传感器的性能带来哪些不利影响。 2. 根据实验结果,分析引起这些非线性的原因,并说明怎样提高传感器的线. 电容式传感器和电感式传感器相比,有哪些优缺点? 4. 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映什么量的变化? 5. 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? 扩展阅读一 555 定时器构成的多谐振荡器 1.555 定时器简介:555 定时器是一种数字与模拟混合型集成电路,应用广泛。外加电 阻、电容等元件,可以构成多谐振荡器、单稳态电路、施密特触发器等。555 定时器内部框 图如图 9 所示,引脚如图 10 所示。定时器内部由比较器、分压电路、RS 触发器及放电三极 图 9 555 定时器内边框图 图 10 555 定时器引脚排列 管等组成。分压电路由三个 5KΩ 的电阻构成,分别给 A1 和 A2 提供参考电平 和 。 A1 和 A2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关 状态。当输入信号自 6 脚输入大于 时,触发器 复位,3 脚输出为低电平,放电管 T 导通;当输入 信号自 2 脚输入低于 时,触发器置位,3 脚输 出为高电平,放电管 T 截止。 2.555 定时器构成多谐振荡器工作原理: 555 多谐振荡器电路如图 11 所示。其工作过程 为:电源接通时,555 定时器的 3 脚输出高电平, 同时电源通过 R1、R2 向电容 C 充电,当电容 C 上的 图 11 555 多谐振荡器原理 电压到达 555 集成电路 6 脚的阀值电压 时,3 脚由高电平变成低电平;同时,放电三极 管 T 饱和导通,电容 C 通过 R2 从低电平 7 脚放电。当电容 C 的放电电压降到 2 脚阀值电压 时,3 脚又变为高电平,同时电源再次经 R1、R2 向电容充电。这样周而复始,形成振 荡。振荡频率可以通过 R2 调节。 扩展阅读二 双 T 交流电桥电路原理 二极管双 T 交流电桥电路原理如图 12 所示。供电电压是幅值为±UE、周期为 T、占空 比为 50%的方波。若将二极管理想化,则当电源为正半周时其等效电路如图 13 所示。其中 二极管 D1 导通、D2 截止,电容 C1 被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑,电容 C2 的电压初始值为 UE。 当 UE 为正半周时,由于 C1 在极短时间充电,很快达到 稳定值,所以可以视为断路, 因此电路可简化为图 14。 根据戴维南定理,将图 14 UE 中 ab 左端的电路进行等效,等 效后电路如图 15 所示,其中 (17) D2 D1 C1 传感器 电容 R2 R1 C2 RL 图 12 二极管双 T 交流电桥电路原理 R R (18) UE 根据图 15,可知电容 C2 上的电压为: C1 ic1 RL ic2 + ) (19) 其中 U0 为正半周初始时刻 C2 上的电压, US 戴维南等效电源电压: (20) (21) 图 13 电源为正半周时的等效电路 C2 + = (22) 因此: + ) (23) Req Ueq (24) 在 时,电流 的平均值 可以写成下式: 图 14 简化电路 R C2 ic2 + 图 15 戴维南等效电路 (25) 同理,在 UE 为负半周时,电容 C1 的平均电流值 为: (26) 因此,根据(25)、(26)式可知,全周期内在 RL 上产生的平均电压(相当于是在 Req 上产生的电压)为: (27) (27)式表明:二极管双 T 交流电路可以在负载电阻 RL 上得到与差动 电容值(C1-C2)成正比的直流电压输出。 37.5 实验课件