传感器综合实验报告

华北电力大学实验报告传感器综合实验报告(2012-2013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：加桑扎西，黄承德学生：加桑扎西指导教师：仝卫国实验周数：1周成绩：日期：2015年7月12日华北电力大学实验报告1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CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2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。华北电力大学实验报告22、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R1、R2、R3、R4，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4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：（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。CX2电容变换器低通差放电压表CX1－＋华北电力大学实验报告3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：位移x（mm）00.51.01.52.02.5输出电压U（mv）00.0780.1650.2420.3240.407位移x（mm）3.03.54.04.55.0输出电压U（mv）0.4880.5720.6530.7380.822根据试验段数据绘的电容式传感器的特性曲线如下：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华北电力大学实验报告4拟合直线如下：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、回差正行程：位移x（mm）00.51.01.52.02.5输出电压U（mv）00.0780.1650.2420.3240.407位移x（mm）3.03.54.04.55.0输出电压U（mv）0.4880.5720.6530.7380.822反行程：位移x（mm）00.51.01.52.02.5输出电压U（mv）00.0790.1590.2420.3240.405位移x（mm）3.03.54.04.55.0输出电压U（mv）0.4870.5720.6550.7420.822画出正反行程得出的曲线如下：华北电力大学实验报告5两条曲线基本重合，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：位移x（mm）00.51.01.52.02.5输出电压U（mv）00.0860.1750.2590.3420.431位移x（mm）3.03.54.04.55.0输出电压U（mv）0.5150.5940.6770.7530.830华北电力大学实验报告6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：华北电力大学实验报告7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）。（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－10VWD电涡流传感器－＋变换器差放电压表华北电力大学实验报告8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：位移（mm）00.10.20.30.40.50.60.7输出电压（v）00.81.331.631.842.042.252.44位移（mm）0.80.911.11.21.31.41.5输出电压（v）2.632.82.963.133.293.463.63.75位移（mm）1.61.71.81.922.12.22.3输出电压（v）3.94.044.174.254.314.434.544.67位移（mm）2.42.52.62.72.82.93输出电压（v）4.794.915.025.145.255.355.45根据试验段数据绘的电涡流式传感器的特性曲线如下：2、传感器特性曲线拟合直线华北电力大学实验报告9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+3.96522383、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WD，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。W(g)V(v)（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：华北电力大学实验报告10砝码重量m（g）019.839.659.479.299输出电压U（mv）0.0010.0330.0660.1020.1420.178称重南孚电池时显示的电压：0.165mv根据标定所得数据绘制折线图如下：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：华北电力大学实验报告11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0.165mv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=92.804g（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WD，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。W(g)V(v)（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。华北电力大学实验报告12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：砝码重量m（g）019.839.659.479.299输出电压U（v）3.944.234.514.785.025.25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：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