傳感器實(shí)驗(yàn)(1)

1、傳感器綜合實(shí)驗(yàn) 班級(jí)：測(cè)控1003 姓名：李志鑫 蘆煉 付中博 學(xué)號(hào)：201002030309 201002030312 201002030303 指導(dǎo)老師：仝衛(wèi)國(guó) 實(shí)驗(yàn)日期：2013.6.27一、綜合實(shí)驗(yàn)的目的與要求1、培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，獨(dú)立設(shè)計(jì)、應(yīng)用傳感器解決實(shí)際問題的能力；2、掌握具體傳感器的測(cè)量原理、特性分析及實(shí)際應(yīng)用的方法；3、熟悉傳感器開發(fā)、設(shè)計(jì)及應(yīng)用的具體過程。要求：根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，查閱相關(guān)資料，完成兩種傳感器的綜合實(shí)驗(yàn)；要求獨(dú)立設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，并達(dá)到試驗(yàn)任務(wù)書規(guī)定的要求。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、 CSY10型傳感器系統(tǒng)試驗(yàn)儀一臺(tái)；2、 示波器；3、 標(biāo)定砝碼10

2、g、15g，20g若干；4、 稱重物（一號(hào)電池一塊與黑磁鐵兩塊）；5、 連接導(dǎo)線若干。三 實(shí)驗(yàn)原理1， 電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)（與金屬是否塊狀無關(guān)，且切割不變化的磁場(chǎng)時(shí)無渦流），導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng)，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅

3、度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、尺寸因子、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強(qiáng)度I和頻率參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I, )函數(shù)來表示。通常我們能做到控制, , , I, 這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器電子

4、線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。2.電容式傳感器把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器（見圖）。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為A/，式中為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積,為兩電極之間的距離。、A、 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為極距變化

5、型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化(見電容式壓力傳感器)。面積變化型一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。四、相敏檢波器實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）、了解相敏檢波電路的原理和應(yīng)用。(2)、學(xué)會(huì)分析移相器和低通濾波器對(duì)相敏檢波的影響。2、實(shí)驗(yàn)儀器。移相器、相敏檢波器、低通濾波器、音頻震蕩器、示波器、電壓表3、實(shí)驗(yàn)原理開關(guān)相敏檢波器原理圖如圖1所示，示意圖如圖2所示：圖1 檢波器原理圖圖2 檢波器示意圖圖1中Ui為輸入信號(hào)端，AC為交流參考電壓輸入端，Uo為檢波信號(hào)輸出端，DC為直

6、流參考電壓輸入端。當(dāng)AC、DC端輸入控制電壓信號(hào)時(shí)，通過差動(dòng)電路的作用使、處于開或關(guān)的狀態(tài)，從而把Ui端輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成全波整流信號(hào)。輸入端信號(hào)與AC參考輸入端信號(hào)頻率相同，相位不同時(shí)，檢波輸出的波形也不相同。當(dāng)兩者相位相同時(shí)，輸出為正半周的全波信號(hào)，反之，輸出為負(fù)半周的全波信號(hào)。4、實(shí)驗(yàn)步驟（1）、把音頻輸出電壓（0°，180°）接至相敏檢波器輸入。（2）、將直流穩(wěn)壓電源±2V檔的輸出電壓（正、負(fù)均可）接至相敏的參考輸入端。（3）示波器兩通道分別接“相敏檢波器”輸入、輸出端，觀察輸入、輸出波形的相位關(guān)系和幅值關(guān)系。（4）改變DC端參考電壓的極性，觀察輸入、輸

7、出波形的相位和幅值關(guān)系。由以上可以得出結(jié)論：當(dāng)參考電壓為正時(shí)，輸入與輸出反相，當(dāng)參考電壓為負(fù)時(shí)，輸入與輸出同相。此電路的放大倍數(shù)為1倍。（5）將音頻振蕩器180°輸出信號(hào)送入移相器的輸入端，移相器的輸出端與相敏檢波器的參考輸入端之間連接起來，相敏檢波器的信號(hào)輸入端與音頻振蕩器的180°輸出口連接起來。(6)用示波器兩通道觀察、的波形。結(jié)論：可以看出，“相敏檢波器”中整形電路的作用是將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換成方波，使相敏檢波器中的電子開關(guān)能正常工作。(7)將“相敏檢波器”的輸出端與“低通濾波器”的輸入端連接，如圖6-4（圖6-3為低通濾波器的原理圖），“低通濾波器”輸出端接數(shù)字電壓

8、表20V檔。(8)示波器兩通道分別接“相敏檢波器”輸入、輸出端。(9)適當(dāng)調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅值旋鈕和“移相器”相位“調(diào)節(jié)旋鈕，觀察示波器中波形變化和電壓表電壓值變化，然后將“相敏檢波器”的輸入端Ui改接至音頻振蕩器的0°輸出端口，觀察示波器和電壓表的變化。結(jié)論：當(dāng)“相敏檢波器”的輸入信號(hào)與開關(guān)信號(hào)同相時(shí)，輸出為正極性的全波整流信號(hào)，電壓表指示正極性方向最大值，反之，則輸出負(fù)極性的全波整流波形，電壓表指示負(fù)極性的最大值。(10)調(diào)節(jié)移相器“相位調(diào)節(jié)”旋鈕，使輸入信號(hào)與參考信號(hào)同相，利用示波器和電壓表，測(cè)出“相敏檢波器”的輸入Vp-p值與輸出直流電壓UO的關(guān)系。(11)使輸入信號(hào)Ui相位

9、改變1800，得出Vp-p值與輸出直流電壓UO1的關(guān)系，并填入下表。(12)當(dāng)相敏檢波器輸入為直流時(shí)，輸出方波，平均值為零。(13)數(shù)據(jù)記錄如下 圖3低通濾波器原理圖 圖4低通濾波器示意圖（14） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，整理好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。第一組（電渦流式傳感器）位移-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10電壓-0.49-0.43-0.37-0.32-0.27-0.22-0.18-0.13-0.09-0.06-0.02位移0.10.20.30.40.50.60.70.80.91電壓0.020.050.080.110.140.160.190.220.240

10、.260g -0.62220g -0.52電池 -0.15Y=-0.0529+0.3682X20g對(duì)應(yīng)位移-1.556 電池對(duì)應(yīng)位移-0.55 0g對(duì)應(yīng)位移-1.834電池質(zhì)量：92.30g 第二組（電渦流式傳感器）：位移-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10電壓-0.48-0.43-0.38-0.32-0.27-0.22-0.17-0.12-0.08-0.040位移0.10.20.30.40.50.60.70.80.91電壓0.040.080.130.160.190.210.230.250.270.280g -0.62220g -0.52電池 -0.1

11、5Y=-0.0319+0.3921X0g對(duì)應(yīng)位移-1.66720g對(duì)應(yīng)位移-1.407電池對(duì)應(yīng)位移-0.464電池質(zhì)量：92.53g第三組（電渦流式傳感器）：位移-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10電壓-0.48-0.43-0.38-0.33-0.28-0.23-0.18-0.13-0.08-0.05-0.01位移0.10.20.30.40.50.60.70.80.91電壓0.030.050.080.110.140.160.190.220.250.260g -0.62220g -0.52電池 -0.15Y=-0.0519+0.3712X0g對(duì)應(yīng)位移-1

12、.81520g對(duì)應(yīng)位移-1.537電池對(duì)應(yīng)位移-0.543電池質(zhì)量91.51g電容傳感器重量020406080100電壓0.060.120.180.240.30.36電池0.35電池質(zhì)量：96.7g六、誤差分析1、實(shí)驗(yàn)過程的人為誤差（隨機(jī)誤差）：在實(shí)驗(yàn)過程中需要我們耐心的調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器才能得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。像做電渦流實(shí)驗(yàn)室要不斷地旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微儀，但是又不能旋轉(zhuǎn)過了，不能回旋，否則必然影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。要耐心的等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后再記錄數(shù)據(jù)。像電容式傳感器和霍爾傳感器由于有回差、遲滯的存在，如果不等數(shù)據(jù)穩(wěn)定就記錄必然會(huì)產(chǎn)生誤差。2、實(shí)驗(yàn)儀器的誤差（系統(tǒng)誤差）實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備由于年復(fù)一年的使用，系統(tǒng)誤差必然已經(jīng)變化，跟標(biāo)注的誤差范圍有了出入。再者砝碼標(biāo)定是由于砝碼本身就存在誤差，再加上有效位數(shù)的不同導(dǎo)致的誤差很難以消除，只能在實(shí)驗(yàn)