位移传感器设计报告

综合性实验报告实验课程：传感器与检测技术实验名称：位移检测传感器的应用姓名：学号：班级：指导教师：实验日期：2013年12月17日传感器与检测技术位移检测传感器的应用1位移检测传感器应用一、实验类型位移检测综合性实验二、实验目的和要求1．了解微位移、小位移、大位移的检测方法。2．运用所学过的相关传感器设计三种位移检测系统。3．对检测系统进行补偿和标定。三、实验条件本实验在没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85%，大气压力为101±7kPa的情况下进行。四、实验方案设计为了满足实验要求，现使用电涡流，光纤，和差动三种传感器设计位移检测系统，电涡流取0.1mm为单位，光纤取0.5mm为单位，差动取0.2mm为单位。进行试验后，用MATLAB处理数据，分析结论。（一）：电涡流传感器测位移实验原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。（二）：光纤传感器测位移实验原理：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图36-1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。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，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。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。传感器与检测技术位移检测传感器的应用2（三）：差动电感式传感器测位移实验原理：差动动螺管式电感传感器由电感线圈的二个次级线圈反相串接而成，工作在自感基础上，由于衔铁在线圈中位置的变化使二个线圈的电感量发生变化，包括两个线圈在内组成的电桥电路的输出电压信号因而发生相应变化。五、实验步骤（一）：电涡流传感器测位移1．按下图1安装电涡流传感器。图12．在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。图23．传感器连接按图2，将电涡流传感器连接线接到模块上标有“”的两端，实验模块输出端Uo与数显单元输入端Ui相接。数显表量程切换开关选择电压20V传感器与检测技术位移检测传感器的应用3档，模块电源用连接导线从实验台接入+15V电源。4．打开实验台电源，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表1。（二）：光纤传感器测位移1．光纤传感器的安装如图36-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。接通电源预热数分钟。2．将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。3．实验模块从主控台接入±15V电源，打开实验台电源。4．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值，填入下表2（三）：差动电感式传感器测位移实验内容与步骤1、按差动变压器性能实验将差动变压器安装在差动变压器实验模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。传感器与检测技术位移检测传感器的应用42、连接主机与实验模块电源线，按下图连线组成测试系统，两个次级线圈必须接成差动状态。3、使差动电感传感器的铁芯偏在一边，使差分放大器有一个较大的输出，调节移相器使输入输出同相或者反相，然后调节电感传感器铁芯到中间位置，直至差分放大器输出波形最小。4、调节Rw1和Rw2使电压表显示为零，当衔铁在线圈中左、右位移时，L2≠L3，电桥失衡，输出电压信号的大小与衔铁位移量成比例。5、以衔铁位置居中为起点，分别向左、向右各位移5mm，记录V、X值并填入下表3六、原始数据记录表一：电涡流表二：光纤X(mm)10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.211.311.411.511.6Uo(V)000.010.050.130.220.300.370.450.540.620.700.770.830.900.961.03X(mm)11.611.511.411.311.211.111.010.910.810.710.610.510.410.310.210.110.0Uo(V)1.020.960.900.830.760.700.620.540.460.380.360.220.140.060.0100X(mm)10.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.516.016.517.017.518.0Uo(V)00.882.243.504.585.436.036.436.586.586.345.995.655.234.834.444.06X(mm)18.017.517.016.516.015.515.014.514.013.513.012.512.011.511.010.510.0Uo(V)4.064.424.815.205.605.076.316.516.476.355.975.384.543.512.260.900.01传感器与检测技术位移检测传感器的应用5表三：差动七、数据整理、分析（一）、电涡流传感器测位移1、用matlab作出表一的拟合直线和正行程位移----电压曲线，用matlab编程，运行程序结果如下图所示：电涡流传感器正行程测位移正行程位移X(mm)10.010.210.410.610.811.011.211.411.611.812.012.212.412.612.813.013.2正行程电压Uo(V)1.621.862.152.652.943.273.563.703.944.124.254.394.464.574.644.694.78X(mm)13.213.012.812.612.412.212.011.811.611.411.211.010.810.610.410.210.0Uo(V)4.854.774.684.634.544.424.294.124.023.783.593.312.942.702.221.851.67传感器与检测技术位移检测传感器的应用6图中的红线为实验数据点，描点法绘制的曲线是根据表一实测数据绘制的特性曲线图，图中用直线则是MATLAB基于最小二乘法原理确定的拟合直线，省去了用坐标纸绘图的人为误差和手工计算的繁杂的计算工程，节省了工作量，提高了效率。设拟合直线的直线方程位p=bx+a（b为拟合直线的斜率，a为截距）则：b=0.4259a=0.75002、计算其灵敏度和线性度。传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，对于线性传感器，它的灵敏度就是静态特性的斜率，即灵敏度S=y／x=K，K为一常数，非线性传感器的灵敏度为一变量，在实验数据处理中，一般将拟合直线的斜率作为传感器的灵敏度，由程序运行结果可知拟合直线的斜率b即为传感器的灵敏度，所以灵敏度为S=0.4259(1)另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差，即为L=100FSyL％(2)式中L最大非线性绝对误差;FSy一输出满量程。为了计算非线性误差，必须先求出最大非线性绝对误差和输出满量程，matlab提供了强大的数值计算功能，求L也很简单，在上面程序中应用最小二乘法求得了拟合直线方程以及35个位移测试点所对应的拟合输出值，求两者的差并取其中最大值即为最大非线性绝对误差。程序如下：y2=y1-Y(3)L=max(y2)(％计算最大非线性绝对误差)(4)运行程序，得到L=0.5835，进而由线性度的定义，可得其线性度为：L=5.21000.5835=11.2％2、迟滞性传感器在正行程(输入量增大)反行程(输入量减小)期间输出与输入特性曲线不重合的程度即为迟滞误差。。用matlab计算传感器的迟滞性如下所示：运行程序结果如下图所示：传感器与检测技术位移检测传感器的应用7电涡流正反行程测位移（迟滞性）（红线为正行程，绿线为反行程）（二）、光纤传感器测位移1、用matlab作出表二的拟合直线和正行程位移----电压曲线，用matlab编程，其程序如下所示：x1=3:0.5:15;y1=[3.833.713.513.263.012.762.532.312.101.911.731.571.431.31.171.070.970.880.790.720.660.600.530.490.48];k=polyfit(x1,y1,1)(％计算拟合直线的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1)(％计算X数据点的拟合输出值）holdplot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')gridonxlabel('正行程位移值（mm)')ylabel('正行程位电压（V)')axis([0,16,0,7])title('光纤传感器测位移')运行程序结果如下图所示：传感器与检测技术位移检测传感器的应用8图中的红线为实验数据点，描点法绘制的曲线是根据表三实测数据绘制的特性曲线图，图中用直线则是MATLAB基于最小二乘法原理确定的拟合直线，省去了用坐标纸绘图的人为误差和手工计算的繁杂的计算工程，节省了工作量，提高了效率。设拟合直线的直线方程位p=bx+a（b为拟合直线的斜率，a为截距）则：b=-0.2899a=4.3422-0.28994.34222、计算其灵敏度和线性度。传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，对于线性传感器，它的灵敏度就是静态特性的斜率，即灵敏度S=y／x=K，K为一常数，非线性传感器的灵敏度为一变量，在实验数据处理中，一般将拟合直线的斜率作为传感器的灵敏度，由程序运行结果可知拟合直线的斜率b即为传感器的灵敏度，所以灵敏度为S=-0.2899(1)另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差，即为L=100FSyL％(2)式中L最大非线性绝对误差;FSy一输出满量程。传感器与检测技术位移检测传感器的应用9为了计算非线性误差，必须先求出最大非线性绝对误差和输出满量程，matlab提供了强大的数值计算功能，求L也很简单，在上面程序中应用最小二乘法求得了拟合直线方程以及31个位移测试点所对应的拟合输出值，求两者的差并取其中最大值即为最大非线性绝对误差。程序如下：y2=y1-Y(3)L=max(y2)(％计算最大非线性绝对误差)(4)运行程序，得到L=0.4868，进而由线性度的定义，可得其线性度为：L=3.83000.4868=12.7％2、迟滞性传感器在正行程(输入量增大)反行程(输入量减小)期间输出与输入特性曲线不重合的程度即为迟滞误差。。用matlab计算传感器的迟滞性:运行程序结果如下图所示：光纤正反行程测位移（迟滞性）（红线为正行程，绿线为反行程）（三）、差动电感式传感器测位移实验数据的处理：用matlab作出表三的拟合直线和正行程位移----电压曲线，用matlab编程，运行程序结果如下图所示：传感器与检测技术位移检测传感器的应用10图一差动正行程位移图中的红线为实验数据点，描点法绘制的曲线是根据表三实测数据绘制的特性曲线图，图中用直线则是MATLAB基于最小二乘法原理确定的拟合直线，省去了用坐标纸绘图的人为误差和手工计算的繁杂的计算工程，节省了工作量，提高了效率。设拟合直线的直线方程位p=bx+a（b为拟合直线的斜率，a为截距）则：b=2.2203a=-22.2227