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传感器综合实验报告

传感器综合实验报告

传感器综合实验报告

( 2014-2015年度第二学期)

名称:传感器综合实验报告

题目: 利用传感器测量重物质量院系:自动化系

班级:测控1201 班

小组成员:张克延张琨

指导教师:仝卫国

实验周数:1周

成绩:

日期:2015 年7 月12日

传感器综合实验报告

一、实验目的

1、了解各种传感器的工作原理与工作特性。

2、掌握多种传感器应用于电子称的原理。

3、根据不同传感器的特性,选择不同的传感器测给定物体的重量。

4、能根据原理特性分析结果,加深对传感器的认识与应用。

5、测量精度要求达到1%。

二、实验设备、器材

1、金属箔式应变片传感器用到的设备:

直流稳压电源、双平行梁、测微器、金属箔式应变片、标准电阻、差动放大器、直流数字电压表。

2、电容式传感器用到的设备:

电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、电压表、示波器。

3、电涡流式传感器用到的设备:

电涡流式传感器、测微器、铝测片、铁测片、铜测片、电压表、示波器。

三、传感器工作原理

1、电容式传感器的工作原理:

电容器的电容量C是的函数,当被测量变化使S、d或 任意一个参数发生变化时,电容量也随之而变,从而可实现由被测量到电容量的转换。电容式传感器的工作原理就是建立在上述关系上的,若保持两个参数不变,仅改变另一参数,就可以把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路再转换为电量输出。

差动平行变面积式传感器是由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置,与两组静片之间的相对面积发生变化,极间电容也发生相应变化,成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为C X1,下层定片与动片形成的电容定为C X2,当将C X1和C X2接入双T型桥路作为相邻两臂时,桥路的输出电压与电容量的变化有关,即与振动台的位移有关。依据该原理,在振动台上加上砝码可测定重量与桥路输出电压的对应关系,称未知重量物体时只要测得桥路的输出电压即可得出该重物的重量。

2、电涡流式传感器的工作原理:

电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成,当线圈中通以高频交变电流后,与其平行的金属片上感应产生电涡流,电涡流的大小影响线圈的阻抗Z ,而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X 有关。当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定,并保持环境温度不变,阻抗Z 只与X 距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V 输出,则输出电压是距离X 的单值函数。依据该原理可制成电涡流式传感器电子称。 3、金属箔式应变片传感器工作原理:

应变片应用于测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路,转换成电信号输出显示。

实验中,通过旋转测微器可使双平梁的自由端上、下移动,从而使应变片的受力情况不同,将应变片接于电桥中即可使双平衡的位移转换为电压输出。电桥的四个桥臂电阻R 1、R 2、R 3、R 4,电阻的相对变化率分别为△R 1/R 1、△R 2/R 2、△R 3/R 3、△R 4/R 4

成正比。当E 和电阻相对变化一定时,电桥输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

四、传感器特性测试

(一)电容式传感器特性分析:

按以下步骤进行实验:

传感器综合实验报告

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(1)按图接线,电容变换器和差放的增益均调至最大。

(2)测微器带动振动台移动至系统输出为零,此时动片位于两静片组之间。

电容变换器 低 通 差放 电压表

C

旋动测微器,每次0.5mm,记下位移X与电压输出U值,直至动片与静片覆盖面积最大为止。然后向相反方向做上述实验,记下实验数据。

特性分析数据记录分析如下:

I第一次特性测试

1、电容传感器特性曲线

实验所得数据如下:

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根据试验段数据绘的电容式传感器的特性曲线如下:

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从特性曲线可以看出,电容式传感器的输出电压与位移之间几乎是线性的,非线性误差非常小,线性特性很好。

2、传感器特性曲线拟合直线

根据实验所得数据利用最小二乘法对电容式传感器的特性曲线进行拟合:利用excel中的函数LINEST,可以使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合,由此得到的拟合直线方程为:U=0.164327x-0.00273

拟合直线如下:

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从所得的拟合直线可以看出,特性曲线与拟合直线基本保持一致,说明电容式传感器的线性特性很好,同时说明在所测的范围内,电容传感器均保持线性,所以可以利用该特性将电容式传感器应用于电子秤,在线性范围内可以用于程未知重量的物体质量。

3、回差

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画出正反行程得出的曲线如下:

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两条曲线基本重合,说明回差非常小。

4、综合特性分析:

(1)线性度:根据特性曲线可知,电容式传感器的输出电压与位移之间几乎是线性的,非线性误差非常小,线性特性很好。

(2)灵敏度:根据电容式传感器特性曲线的拟合曲线可以的到它的灵敏度即拟合直线的斜率为:0.164327.

(3)量程:在量程范围内基本保持线性。

(4)回差:根据回差曲线图可以看出电容传感器的回差接近于0.

II第二次特性测试

1、电容传感器特性曲线

实验所得数据如下:

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从特性曲线可以看出,电容式传感器的输出电压与位移之间几乎是线性的,非线性误差非常小,线性特性很好。

2、传感器特性曲线拟合直线

根据实验所得数据利用最小二乘法对电容式传感器的特性曲线进行拟合:利用excel中的函数LINEST,可以使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合,由此得到的拟合直线方程为:U=0.166673x+0.007136

拟合直线如下:

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所得的拟合直线可以看出,特性曲线与拟合直线基本保持一致,说明电容式传感器的线性特性很好,同时说明在所测的范围内,电容传感器均保持线性。

综合特性分析:

(1)线性度:根据特性曲线可知,电容式传感器的输出电压与位移之间几乎是线性的,非线性误差非常小,线性特性很好。

(2)灵敏度:根据电容式传感器特性曲线的拟合曲线可以的到它的灵敏度即拟合直线的斜率为:0.166673.

(3)量程:在量程范围内基本保持线性。

(二)电涡流传感器特性分析

按以下步骤进行实验:

(1)按下图接线,用导线将涡流式传感器与涡流变换器输入端相接,将变换器输出端接至直流电压表。电压表量程设定为20V档(差动放大器的增益旋到较小位置,否则输出易饱和)。

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(2)测微头位移将电涡流线圈与涡流片分开一定距离,此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形,信号频率约为1MHZ。用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片,此时涡流变换器输出电压为零。

(3)旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片,从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数。将V、X数据填入下表,作出V-X曲线,指出线性范

围,求出灵敏度。

特性分析数据记录分析如下:

1、电涡流传感器特性曲线

实验所得数据如下:

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根据试验段数据绘的电涡流式传感器的特性曲线如下:

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2、传感器特性曲线拟合直线

根据实验所得数据利用最小二乘法对电容式传感器的特性曲线进行拟合:利用excel中的函数LINEST,可以使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合,由此得到的拟合直线方程为:U=0.013261x+3.9652238

3、综合特性分析:

(1)线性度:根据特性曲线可知,电涡流式传感器的输出电压与位移之间在某一段内是线性的,非线性误差较小。超出该范围,曲线非线性变大。

(2)灵敏度:根据电涡流式传感器特性曲线的拟合曲线可以的到它的灵敏度即拟合直线的斜率为:0.013261

五实际测试与实验数据处理

(一)电容传感器测重物质量

按如下步骤进行实验:

(1)按图(1)接线,输出接电压表20V档,利用特性测试的结果,将平面线圈安装在线性工作范围的起始点。

(2)调整电桥W D,使系统输出为零。

(3)在平台中间逐步加上砝码,记录V、W值,并做出V—W曲线,计算灵敏度。

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(4)取下砝码,放上未知重量的待测物电池,根据标定曲线大致求出被称物的重量。

实验结果记录分析:

1、由给定砝码对砝码进行标定

实验结果如下所示:

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称重南孚电池时显示的电压:0.165 mv

根据标定所得数据绘制折线图如下:

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从标定得到的砝码质量与输出电压的折线图可以看出,输出电压与砝码的质量基本接近线性,并且输出电压在特性曲线的线性范围内,因此可以对该曲线进行最小二乘法拟合,得到线性拟合直线,由此得出重物质量。

2、砝码质量-电压拟合直线

根据实验所得数据利用最小二乘法对电容式传感器测的的砝码质量-电压曲线进行拟合:

利用excel中的函数LINEST,可以使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合,由此得到的拟合直线方程为:U=0.001801m-0.00214

拟合直线如下:

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因为砝码标定时的输出电压与重物称重时的输出电压均在电感式传感器的线性范围内,故可以利用拟合线性直线的方法算出重物质量。

将称重南孚电池时显示的电压0.165 mv带入拟合直线方程U=0.001801m-0.00214

可以计算得出电池的质量m=92.804 g

(二)电涡流式传感器测质量(用于验证)

按以下步骤进行实验

(1)按图(1)接线,差放增益为1,输出接电压表20V档,利用特性测试的结果,将平面线圈安装在线性工作范围的起始点。

(2)调整电桥W D,使系统输出为零。

(3)在平台中间逐步加上砝码,记录V、W值,并做出V—W曲线,计算灵敏度。

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(4)取下砝码,放上未知重量的待测物电池,根据标定曲线大致求出被称物的重量。

实验结果记录分析:

1、由给定砝码对砝码进行标定

实验结果如下所示:

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称重南孚电池时显示的电压:5.20v

根据标定所得数据绘制折线图如下:

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从标定得到的砝码质量与输出电压的折线图可以看出,输出电压与砝码的质量基本接近线性,因此可以对该曲线进行最小二乘法拟合,得到线性拟合直线,由此得出重物质量。

2、砝码质量-电压拟合直线

根据实验所得数据利用最小二乘法对电容式传感器测的的砝码质量-电压曲线进行拟合:

利用excel中的函数LINEST,可以使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合,由此得到的拟合直线方程为:U=0.013261m+3.965238

因为砝码标定时的输出电压与重物称重时的输出电压均在电涡流式传感器的线性范围内,故可以利用拟合线性直线的方法算出重物质量。

将称重南孚电池时显示的电压 5.20 v带入拟合直线方程:U=0.013261m+3.965238

可以计算得出电池的质量m=93.112g

六实验结果分析

此次实验以电容式传感器为主来测量重物质量,对电容传感器的特性进行了一系列分析。从线性度、灵敏度、量程、回差等角度对电容式传感器特性曲线分析的出的结论是:电容式传感器的线性特性很好,灵敏度,同时说明在所测的范围内,电容传感器均保持线性,所以可以利用该特性将电容式传感器应用于电子秤,在线性范围内可以用于程未知重量的物体质量。故由电容式传感器测量得出的重物的质量比较可靠。电容式传感器测量得出的重物质量是m=92.804 g,又因为测量精度为1%,故重物质量在91.87596g~93.73204g之间。

实验还利用电涡流式传感器测量质量来验证电容式传感器测出重物的质量,通过对电涡流传感器的特性进行的分析,发现电涡流式传感器特性曲线的线性程度并不如电容式传感器的好。所以我们的测量结果以电容式传感器的为主。利用电涡流验证得出的重物质量是m=93.112g,又因为测量精度为1%,故重物质量在92.18088g~94.04312之间。这个结果与电容式传感器得出的结果节本接近,所以可以得知,电容式传感器的测量结果是可靠的。

经过上述分析,我们得出的重物质量为m=91.87596g~93.73204g。

七、结论

1、数据结论

我们的主传感器电容式传感器测量得出的重物质量是m=92.804 g,又因为测量精度为1%,我们得出的重物质量范围为m=91.87596g~93.73204g。

2、心得体会

本次传感器综合实验基本达到了预期目标,通过这次综合实验我进一步的了解了各传感器的工作原理、工作特性、适用范围和优缺点,通过用各种传感器测一个未知质量的重物,把课堂上所学的理论知识真正的与实际运用相结合,让我们更加理解了理论知识,也能把理论知识运用到现实中用以解决实际问题。同时我们也通过这次实验,提高了数据处理与分析的能力,能把多而复杂的实验数据通过拟合、分析、处理从而得到较为准确的实验结果。另外,我们了解了相敏检波器的原理,并通过实验知道了相敏检波器的作用。

在实验中,我们先做了相敏检波器的实验,刚开始实施反向作用后示波器的波形却不显示反向,后来通过反复分析和实验,才发现移相器有移向作用,只是变化很不明显。另外由于这次实验所使用的是数字示波器,操作起来还有些不熟悉,但总体来说,相敏检波器的实验进行得很快也很顺利。

随后,我们进行了测未知物体重量的实验,这个实验老师没有给任何提示,就靠实验室的各种传感器来测重量,自己通过对各传感器的特性测试来选取最佳的两、三个传感器来测量,后期通过对实验数据的分析处理得到最准确的重量值,并要分析处理出量程、线性度、灵敏度、回差等,这个实验很好的检验了学生的分析能力,处理实际问题的能力,对传感器的掌握能力和数据处理能力等,实验中,我们组的两个人分别运用霍尔传感器、电涡流式传感器、金属应变片式传感器和电容式传感器进行测量,最终通过所测得数据综合考虑传感器的线性范围、线性度、灵敏度和准确性等,我们选取了电容式传感器作为基本的测量传感器,电涡流式传感器作为检验的传感器,电容式的线性很好,量程大,电涡流式的虽然量程小但精度高。经过多次的特性测量、砝码标定、重物测量,我们得到多组数据,经过最小二乘法等处理方法进行曲线拟合、数据处理后得到最终待测物的重量为g。

总之,这次实验让我们学到很多,这是课堂上无法学到的,通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。培养了我们创新工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。

八、参考文献

[1]王化祥、张淑英,传感器原理及应用,天津大学出版社-2版,1999、2

[2]仝卫国、苏杰、赵玉辉、赵劲松,传感器原理及应用实验指导书华

北电力大学

[3]刘爱华、满宝元,传感器实验与设计,人民邮电出版社,2010

相敏检波器实验

一、实验目的:

1、熟悉差动变压器测试系统的组成

2、掌握差动变压器的标定方法 二、实验设备:

差动变压器,音频振荡器,电桥,差放,相敏检波器,低通滤波器,电压表。示波器,测微器 三、实验步骤:

1、音频振荡器的输出频率为5KMZ ,其峰峰值Vp-p 为1.5V 差动放大器的增益旋钮调到最大位置。

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2、旋转测微器,使差动变压器铁芯处于线圈中段位置。观察示波器和数字电压表调整各调零及平衡电位器D W ,A W 使数字电压表指零。

3、使铁芯有较大位移,调整移相器使电压表指示为最大,同时用示波器观察相敏检波器的输出波形。

4、旋转测微器,每旋一周记录实验数据,并填入相应的表格。 四、实验结果:

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