1、信號與測試技術(shù)實驗報告實驗二 傳感器實驗學(xué) 院 班 級 學(xué) 號 1203 學(xué)生姓名 一活塞壓力計靜態(tài)校準一、實驗?zāi)康?. 掌握壓力傳感器的原理；2. 掌握壓力測量系統(tǒng)的組成；3. 掌握壓力傳感器靜態(tài)校準實驗和靜態(tài)校準數(shù)據(jù)處理的一般方法。二、實驗設(shè)備 本實驗系統(tǒng)由活塞式壓力計，硅壓阻式壓力傳感器，信號調(diào)理電路，4 位半數(shù)字電壓表，直流穩(wěn)壓電源盒采樣電阻組成。圖一為實驗系統(tǒng)方框圖，圖二為實驗電路接線圖。圖一 實驗系統(tǒng)方框圖圖二 實驗電路接線圖實驗設(shè)備型號及精度三、實驗原理 在實驗中，活塞式壓力計作為基準器，為壓力傳感器提供標準壓力00.6MPa。信號調(diào)理器為壓力傳感器提供恒流電源，并將壓力傳感器輸

2、出的電壓信號放大并轉(zhuǎn)換為電流信號。信號調(diào)理器輸出為二線制，420mA 信號在250 歐采樣電阻上轉(zhuǎn)換為15V 電壓信號，由4 位半數(shù)字電壓表讀出。四、實驗步驟1. 用調(diào)整螺釘和水平儀將活塞壓力計調(diào)至水平。2. 核對砝碼重量及個數(shù)，注意輕拿輕放。3. 將活塞壓力計的油杯針閥打開，逆時針轉(zhuǎn)動手輪向手搖泵內(nèi)抽油，抽滿后，將油杯針閥關(guān)閉（嚴謹未打開油杯針閥時，用手輪抽油，以防破壞傳感器）。4. 加載砝碼至滿量程，轉(zhuǎn)動手輪使測量桿標記對齊，再卸壓。反復(fù)12 次，以消除壓力傳感器內(nèi)部的遲滯。5. 卸壓后，重復(fù)步驟3，并在油杯關(guān)閉前記錄傳感器的零點輸出電壓，記為正行程零點。6. 按0.05MPa 的間隔，逐

3、級給傳感器加載至滿量程，每加載一次，轉(zhuǎn)動手輪使測量桿上的標記對齊，在電壓表上讀出每次加載的電壓值。7. 加載至滿量程后，用手指輕輕按一下砝碼中心點，施加一小擾動，稍后記錄該電壓值，記為反行程的滿量程值。此后逐級卸載，每卸載一次需要用手輪保證測量桿上的標記對齊，然后從電壓表上讀出相應(yīng)的電壓值。8. 卸載完畢，將油杯針閥打開，記錄反行程零點，一次循環(huán)測量結(jié)束。9. 稍停12 分鐘，開始第二次循環(huán)，從步驟（5）開始操作，共進行3 次循環(huán)。五、實驗數(shù)據(jù)處理1.實驗數(shù)據(jù)列表壓力/MP輸出電壓/V第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程01.0261.0271.0260.051.2751.2761.2750.11.

4、5861.5871.5860.151.8931.8931.8920.22.2032.2032.2030.252.5142.5142.5140.32.8252.8252.8250.353.1363.1363.1360.43.4413.4473.4410.453.7593.7593.7590.54.0714.0714.072反行程0.54.074.0694.0710.453.7583.7593.7580.43.4473.4483.4470.353.1363.1363.1370.32.8232.8252.8230.252.5112.5142.5110.22.2012.2032.2010.151.89

5、11.8921.8910.11.5841.5831.5830.051.2761.2751.27601.0281.0271.0272.數(shù)據(jù)處理(1)校準曲線（傳感器實際特性的數(shù)學(xué)期望）的確定壓力/MP正行程輸出反行程輸出平均輸出 (V)01.0263333331.0273333331.0268333330.051.2753333331.2756666671.27550.11.5863333331.5833333331.5848333330.151.8926666671.8913333331.8920.22.2032.2016666672.2023333330.252.5142.5122.5130

6、.32.8252.8236666672.8243333330.353.1363.1363333333.1361666670.43.4433.4473333333.4451666670.453.7593.7583333333.7586666670.54.0713333334.074.070666667最小二乘法擬合曲線，；可得a=0.9825，b=6.1533，即y=0.9825+6.1533x,r2=0.99972,可知線性度很好。由上述擬合圖像及數(shù)據(jù)可知，壓力與電壓之間存在著很好的線性度。(2)非線性度：壓力/MP平均輸出 (V)最小二乘直線輸出非線性偏差01.0268333330.9825

7、0.0443333330.051.27551.290165-0.0146650.11.5848333331.59783-0.0129966670.151.8921.905495-0.0134950.22.2023333332.21316-0.0108266670.252.5132.520825-0.0078250.32.8243333332.82849-0.0041566670.353.1361666673.1361551.16667E-050.43.4451666673.443820.0013466670.453.7586666673.7514850.0071816670.54.070666

8、6674.059150.011516667其中，, i=1,2.n 由表可知，=0.044333；6.1533×0.5=3.07665所以，由上述計算可知，非線性誤差較小，輸出電壓與壓力值線性度較好。(3)遲滯誤差壓力/MP正行程輸出反行程輸出正反行程偏差01.0263333331.027333333-0.0010.051.2753333331.275666667-0.0003333330.11.5863333331.5833333330.0030.151.8926666671.8913333330.0013333330.22.2032.2016666670.0013333330.2

9、52.5142.5120.0020.32.8252.8236666670.0013333330.353.1363.136333333-0.0003333330.43.4433.447333333-0.0043333330.453.7593.7583333330.0006666670.54.0713333334.070.001333333 可知,由表可知，(4)重復(fù)性l 極差法壓力/MP00.0010.0003067480.0010.0003067480.050.0010.0003067480.0010.0003067480.100.0010.0003067480.0010.0003067480

10、.150.0010.0003067480.0010.0003067480.20000.0020.0006134970.25000.0030.0009202450.30000.0020.0006134970.35000.0010.0003067480.400.0060.0018404910.0010.0003067480.45000.0010.0003067480.50.0010.0003067480.0020.000613497 標準偏差為: 重復(fù)性為: (5)總精度：l 直接代數(shù)和（重復(fù)性由極差法得到） l 方和根（重復(fù)性由極差法得到） l 綜合考慮遲滯和重復(fù)性（重復(fù)性由極差法得到） 二電感

11、式傳感器實驗一、實驗?zāi)康牧私怆姼惺絺鞲衅鞯幕窘M成及工作原理；了解差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)及原理，通過實驗驗證差動變壓器的基本特性；了解移相器的工作原理；了解相敏檢波器的工作原理；二、實驗儀器電感式傳感器實驗?zāi)K實驗?zāi)K公共電路示波器：DS5062CE信號發(fā)生器：DG1011型穩(wěn)壓電源：±12V萬用表 VC9806電源連接電纜2根螺旋測微儀三、實驗原理（1）實驗框圖電感式傳感器實驗框圖如圖1所示。從圖中看到，實驗系統(tǒng)包括差動變壓器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、信號源、電壓表，另外還包括示波器。（2）差動變壓器結(jié)構(gòu)及原理電感式傳感器是一種將位置量的變化轉(zhuǎn)為電感量變化的

12、傳感器。電感元件的基本特性方程為：m式中，W為電感線圈的匝數(shù)； 為空氣的導(dǎo)磁率； S為氣隙的截面積； 為氣隙長度； L為電感量。 差動變壓器就是一種電感式傳感器。 差動變壓器由銜鐵、初級線圈和次級線圈組成，初級線圈是差動變壓器激勵，相當(dāng)于變壓器原邊；次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器副邊。差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎(chǔ)上的，其原理及輸出特性見圖2、圖3和圖4。 差動變壓器的輸出為調(diào)幅信號，反映了位移的大小和方向，只有經(jīng)過相應(yīng)電路才能提取出這兩個信息。如圖5所示，其中，（a）為調(diào)制信號（位移），（b）為載波信號，（c）為調(diào)幅信號。 圖 2 差動變壓器結(jié)構(gòu)原

13、理圖 圖 3 差動變壓器位移-輸出特性 圖 4 差動變壓器原理 圖5調(diào)幅波形 （3） 差動變壓器零殘電壓及補償由于銜鐵在中間位置時，次級輸出不為0，因此存在零點殘余電壓。 零點殘余電壓的影響：造成差動變壓器零點附近的不靈敏區(qū)；此電壓經(jīng)過放大器會使放大器未級趨向飽和，影響電路正常工作。 零點殘余電壓的補償：從設(shè)計和工藝制作上盡量保證線路和磁路的對稱。 采用相敏檢波電路。 選用補償電路。 （4） 電橋及差動放大電路電路如圖6所示。 圖 6 電橋及差放電路其功能為：對信號進行放大，進行零點殘余電壓補償。 （5） 移相器 移相器電路示意如圖7所示。通過對電路的閉環(huán)增益的推導(dǎo)，可得 此式為移相器輸出信號

14、和輸入信號之間的相移。調(diào)節(jié)W可改變相移。 圖 7 移相器示意圖 （6） 相敏檢波器 相敏檢波電路如圖8所示：圖中為輸入信號端，為交流參考電壓輸入端，為檢波信號輸出端，為直流參考電壓輸入端。 當(dāng)、端輸入控制電壓信號時，通過差動電路的作用使D和J處于開或關(guān)的狀態(tài)，從而把端輸入的正弦信號轉(zhuǎn)換成全波整流信號。 圖 8 相敏檢波器 四、數(shù)據(jù)處理及分析：（1）說明差動變壓器位移測量的原理，分析差動變壓器輸出信號的特點：原理：工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式。輸出信號的特點：輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移

15、的大小，而不能反應(yīng)移動的極性；同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。因此，差動變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。（2）分析差分放大器功能： 對信號進行放大，對零點參與電壓進行補償（3）分析移相器功能及相位差同差動變壓器輸出電壓的關(guān)系：通過調(diào)節(jié)移相器，可以使系統(tǒng)輸出做到正負對稱移相器輸出和輸入的關(guān)系式為（4）分析相敏檢波器工作原理及功能：功能：相敏檢波電路(與濾波器配合)可以將調(diào)幅波還原成原信號波形，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號相位、頻率的能力。（5）分析測量數(shù)據(jù)，作出電壓-位移曲線，擬合出電壓-

16、位移表達式：位移 mm 正行程電壓 Vp-p 反行程電壓 Vp-p 0-1.36-1.361-1.33-1.332-1.28-1.273-1.22-1.224-1.15-1.155-1.07-1.076-0.97-0.977-0.86-0.858-0.73-0.739-0.6-0.6110-0.46-0.4611-0.31-0.3112-0.16-0.1613-0.01-0.01140.150.15150.320.32160.490.49170.660.66180.830.83190.990.99201.141.14211.281.28221.411.41231.521.52241.621.6

17、2251.71.7擬合的電壓位移曲線表達式為y= 0.13580x-1.67444（其中x為位移量單位mm,y為輸出電壓，單位為V）（6） 計算出靜態(tài)指標參數(shù)，繪制出滯回曲線。靜態(tài)指標參數(shù)的計算：零點：將電壓位移曲線放大，得銜鐵位于中間位置時，輸出電壓的值為-0.014V靈敏度：由擬合直線的斜率可知，遲滯：由表格原始數(shù)據(jù)知：正反行程各觀測點最大偏差：遲滯誤差：三金屬箔式應(yīng)變計實驗一、實驗?zāi)康模?）了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式（2）掌握使用電橋電路對應(yīng)變片進行信號調(diào)理的原理和方法（3）掌握使用應(yīng)變片設(shè)計電子秤的原理（4）掌握應(yīng)變片的溫補原理和方法二、實驗原理（1）應(yīng)變片測量原理應(yīng)變片是最常用的

18、測力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，即可將電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出。（2）應(yīng)變電橋原理電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4 ，當(dāng)使用一個應(yīng)變片時，；當(dāng)二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應(yīng)變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R4=R，則有。 （3）稱重原理本實驗選用的是標準商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，靈

19、敏度高，性能穩(wěn)定，四個特性相同的應(yīng)變片貼在如圖1所示位置，彈性體的結(jié)構(gòu)決定了R1和R3、R2 和R4的受力方向分別相同，因此將它們串接就形成差動電橋。（彈性體中間上下兩片為溫度補償片）當(dāng)彈性體受力時，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：å D（4）溫補原理當(dāng)應(yīng)變片所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于其敏感柵本身的溫度系數(shù)，自身的標稱電阻值發(fā)生變化，而貼應(yīng)變片的測試件與應(yīng)變片敏感柵的熱膨脹系數(shù)不同，也會引起附加形變，產(chǎn)生附加電阻。為避免溫度變化時引入的測量誤差，在實用的測試電路中要進行溫度補償。本實驗中采用的是電橋補償法。三、實驗儀器主機提供可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（±4V、±12V）

20、，應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K，雙孔懸臂梁稱重傳感器，稱重砝碼（20克/個），數(shù)字萬用表(可測溫)。 四、實驗步驟（1）觀察稱重傳感器彈性體結(jié)構(gòu)及傳感器粘貼位置，將三芯電纜供電線一端與應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K相連，另一端與主機實驗電源相連。（2）將差動放大器增益置于最大位置（順時針方向旋到底），差動放大器的“+”“-”輸入端接地。輸出端接電壓表200mV檔。開啟主機電源，用調(diào)零電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線，調(diào)零后模塊上的“增益、調(diào)零”電位器均不應(yīng)再變動。（3）按圖3將所需實驗部件連接成測試橋路（全橋接法），圖中R1、R2、R3和R均為應(yīng)變計（可任選雙孔懸臂梁上的一個應(yīng)變片），圖中每兩個

21、節(jié)之間可理解為一根實驗連接線，注意連接方式，勿使直流激勵電源短路。（±4V采用主機電源上的+V0和-V0）。（4）開啟微機電源，調(diào)節(jié)電橋WD調(diào)零電位器使無負載時的稱重傳感器輸出為零。（5）逐一將砝碼放上傳感器稱重平臺（共9個砝碼），調(diào)節(jié)增益電位器，使VOUT端輸出電壓與所稱重量成一比例關(guān)系，記錄W（克）與V（mV）的對應(yīng)值，并將數(shù)據(jù)填入表1和表2中（按靜態(tài)標定步驟進行正反三次循環(huán)）。 （6）做出V-W曲線。（7）用可測溫度的萬用表測出環(huán)境溫度大小，并記錄。（8）開啟“應(yīng)變加熱”電源，觀察電橋輸出電壓隨溫度升高而發(fā)生的變化，待加熱溫度達到一個相對穩(wěn)定值后（加熱器加熱溫度約高于環(huán)境溫度3

22、0），記錄VOUT端輸出電壓值，用可測溫度的萬用表測出孔懸臂梁上的溫度，并求出大致的溫飄V/T，然后關(guān)閉加熱電源，待其冷卻。（9）將圖3中電阻R2換成一片與應(yīng)變片在同一應(yīng)變梁上的補償應(yīng)變片，重新調(diào)整系統(tǒng)輸出為零。（10）開啟“應(yīng)變加熱”電源，觀察經(jīng)過補償?shù)碾姌蜉敵鲭妷旱淖兓闆r，并求出溫漂，然后與未進行補償時的電路進行比較，用文字說明比較的結(jié)果。五、實驗數(shù)據(jù)及處理原始數(shù)據(jù)：W(克）循環(huán)一循環(huán)二循環(huán)三平均01.66.29.75.8333332032.341.442.638.766674066.177.776.173.360100110.8106.7105.833380134.81414140.4

23、563.0667100168.9176.1178.9174.6333120202208214208140236241247241.3333160270275280275180305308313308.6667180306309314309.6667160272276281276.3333140239243248243.3333120206209215210100172176.9182176.966780140.2143.5148.6144.160107.1110.1115110.73334073.676.681.877.333332040.144.348.344.2333306.19.714.

24、610.13333數(shù)據(jù)處理及分析：由數(shù)據(jù)得：關(guān)于溫度補償：未加補償：加熱前溫度穩(wěn)定后溫度（）2453電壓（mV）12.3-0.03溫漂為12.6mv加補償應(yīng)變片：加熱前溫度穩(wěn)定后溫度（）3048電壓（mV）-1.0-9.1溫漂為8.1mv通過上述數(shù)據(jù)可知,通過溫度補償后的溫漂有明顯下降.這是由于橋臂2的溫度補償片與應(yīng)變片1處于相同的溫度下,當(dāng)溫度變化時,兩者產(chǎn)生相等的溫漂電壓變化,這兩個變化的電壓值通過電橋連接而抵消,故輸出電壓溫漂減小。傳感器靜態(tài)指標及滯回曲線靈敏度：由擬合直線的斜率可知，遲滯：由表格原始數(shù)據(jù)知：正反行程各觀測點最大偏差：遲滯誤差：四超聲測距實驗一、 實驗?zāi)康模毫私獬暡ǖ奶?/p>

25、性及其速度；了解測距的原理；了解超聲波探頭距離變化時，測量波形的變化。二、實驗儀器：超聲波傳感器測距實驗?zāi)K超聲探頭示波器：DS5062CE電源：WD990型，±12V電源連接電纜萬用表：VC9804A，附表筆及測溫探頭三、 實驗原理：（1）超聲波特性：超聲波是一種頻率高于20kHz，在彈性介質(zhì)中傳播的機械振蕩。其波長短，頻率高，故它有其獨特的特點：繞射現(xiàn)象小，方向性好，能定向傳播。能量較高，穿透力強，在傳播過程中衰減很小。在水中可以比在空氣或固體中以更高的頻率傳的更遠。而且在液體里的衰減和吸收比較低。能在異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。（2）超聲波速度：超聲波速度公式為： 式中：

26、 r 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R 氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T 絕對溫度，273K+T。近似公式為：V=V0+0.607×T式中：V0 為零度時的聲波速度332m/s；T 為實際溫度()。（3）測距原理：根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度，通過相關(guān)電路得到發(fā)射波與接收波之間的時間，即可得到發(fā)射與接收之間的距離，原理框圖如下圖所示：圖中距離 L=V×t。T 為測量所得時間。四、 實驗步驟：實驗連接圖如圖2所示。實驗步驟如下：（1）將超聲波探

27、頭相對裝于滑軌中，使兩探頭垂直于滑軌平行相對，連接探頭電纜至超聲波傳感器測距實驗?zāi)K的“超聲探頭”接口；（2）用連接電纜連接電源與超聲波傳感器測距實驗?zāi)K（接口位于前側(cè)面），其中電纜的橙藍線為+12V，白藍線為-12V，隔離皮（金色）為地，切記勿接錯！（3）將示波器通道1連接超聲波傳感器測距實驗?zāi)K的“超聲發(fā)射”，示波器通道2連接超聲波傳感器測距實驗?zāi)K的“超聲接收”；將示波器調(diào)至單次觸發(fā)狀態(tài)，并調(diào)出時間測量標尺，使示波器顯示兩標尺之間的時間差 t；（后附示波器相關(guān)使用說明）（4）將溫度探頭連接在萬用表的“TEMP”插座，萬用表置于“°C”檔；萬用表可測量溫度；（5）打開微機電源的開

28、關(guān)，打開超聲波傳感器測距實驗?zāi)K的“電源”開關(guān)，電源指示燈亮，數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)；（6）按動超聲波傳感器測距實驗?zāi)K的“時間/距離 顯示切換”按鈕，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)在距離和時間之間切換，對應(yīng)的“時間”、“距離”指示燈亮；（7）打開示波器電源開關(guān)，按動示波器操作面板右上角 “RUN CONTROL”框中的“RUN/STOP”按鈕，示波器狀態(tài)可在“WAIT”和“STOP”之間轉(zhuǎn)換；（8）使兩探頭緊貼相互靠近（如兩表面不平行可稍許扳動超聲探頭角度使兩平面吻合），此時數(shù)碼管顯示輸出并不為零；（9）記錄此時超聲波傳感器測距實驗?zāi)K上數(shù)碼管顯示的時間和距離，并按動示波器的“RUN/STOP”按鈕，示波器捕獲到

29、超聲波信號，用示波器的標尺測量超聲反射波形（1通道）的第一個下降沿與超聲接收波形（2通道）的上升沿之間的時間，記錄這個時間值；同時用萬用表記錄當(dāng)時的溫度值；（10）移動接收器，使接收器離開探頭，每隔50mm 重復(fù)第（9）步；（11）記錄數(shù)據(jù)填表1；表中計算距離為根據(jù)示波器得到的時間值及環(huán)境溫度測量的數(shù)值；（12）根據(jù)數(shù)據(jù)繪制距離與時間的關(guān)系曲線，分析超聲波傳感器測距實驗?zāi)K測量數(shù)據(jù)與示波器測量數(shù)據(jù)的差別，并分析其產(chǎn)生原因。五、數(shù)據(jù)處理及分析原始數(shù)據(jù)如下：距離/mm起始距離50100150200250300350400數(shù)碼管顯示距離5390134178221270314357401數(shù)碼管顯示時間17