【2017年整理】感测技术实验四指导书(新版).doc

实验四 位移测量实验（二） 实验目的： 1. 了解霍尔式传感器原理与应用； 2. 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 3. 了解超声波在介质中的传播特性及超声波传感器测量距离的原理。 基本原理： 1.霍尔式传感器 霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图4—1（带正电的载流子）所示，把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I ，此时在板的横向两侧面, 图4—1霍尔效应原理 之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差UH称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为： UH＝RH＝KHIB （4-1） 式中：RH＝-1／(ne)是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；KH＝ RH／d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。 具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中自由电子浓度ｎ很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1μm左右。 霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。 本实验采用的霍尔式位移（小位移1mm～2mm）传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组成。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图4—2 (a)、(b)所示。将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为0， (a)工作原理 (b)实验电路原理 图4—2霍尔式位移传感器工作原理图 设这个位置为位移的零点，即X＝0，因磁感应强度B＝0，由霍尔效应公式UH＝KHIB可知输出电压UH＝0。当霍尔元件沿X轴有位移时，由于B≠0，则有电压UH输出，UH经差动放大器放大输出为V。V与X有一一对应的特性关系。 ＊注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端，另外二端是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。 2. 光纤位移传感器 光纤传感器主要分为两类：功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型)。功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。这里光纤不仅起传光的作用，而且还起敏感作用。工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数，如光的强度、相位、偏振、频率等，它们的改变反映了被测量的变化。非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用，由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。 本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，半园分布即双D分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距d，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，如图4—3所示。 发射光 接收光 (a)光纤测位移工作原理 (b)Y形光纤 图4—3 Y形光纤测位移工作原理图 转换器接收到的光源与发射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当发射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离变化而变化。当光纤探头与被测物接触或零间隙时(d=0)，则全部传输光量直接被反射至传输光纤，没有提供光给接收端之光纤，输出信号为“零”。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点（光峰值）后又随两者距离的增加而减小（探头与被测物距离继续增加时，将造成反射光扩散或超过接收端接收视野）。反射式光纤位移传感器输出特性曲线如图—4所示，利用这条特性曲线可通过对光强的检测得到位移量，一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。 图—4 反射式光纤位移传感器输出特性 3.超声波测距仪 超声波测距仪由超声波传感器（超声波发射探头T和接收探头R）及相应的测量电路组成。超声波是听觉阈值以外的振动，其常用频率范围在20KHz～60KHz之间，超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：横波、纵波、表面波。本实验为空气介质，用纵波测量距离。