傳感器綜合實驗報告.doc

華北電力大學(xué)實驗報告?zhèn)鞲衅骶C合實驗報告( 2012-2013年度第二學(xué)期)名 稱：傳感器綜合實驗報告 題 目: 利用傳感器測量重物質(zhì)量 院 系：自動化系 班 級：測控1201 班 小組成員：加桑扎西，黃承德 學(xué)生 ： 加桑扎西 指導(dǎo)教師：仝衛(wèi)國 實驗周數(shù)：1周 成 績： 日期： 2015 年 7 月 12日傳感器綜合實驗報告一、實驗?zāi)康?、了解各種傳感器的工作原理與工作特性。2、掌握多種傳感器應(yīng)用于電子稱的原理。3、根據(jù)不同傳感器的特性，選擇不同的傳感器測給定物體的重量。4、能根據(jù)原理特性分析結(jié)果，加深對傳感器的認識與應(yīng)用。5、測量精度要求達到1%。二、實驗設(shè)備、器材1、金屬箔式應(yīng)變片傳感器用到的設(shè)備：直流穩(wěn)壓電源、雙平行梁、測微器、金屬箔式應(yīng)變片、標(biāo)準(zhǔn)電阻、差動放大器、直流數(shù)字電壓表。2、 電容式傳感器用到的設(shè)備：電容傳感器、電容變換器、差動放大器、低通濾波器、電壓表、示波器。3、 電渦流式傳感器用到的設(shè)備：電渦流式傳感器、測微器、鋁測片、鐵測片、銅測片、電壓表、示波器。三、傳感器工作原理1、電容式傳感器的工作原理： 電容器的電容量C是的函數(shù)，當(dāng)被測量變化使S、d或任意一個參數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之而變，從而可實現(xiàn)由被測量到電容量的轉(zhuǎn)換。電容式傳感器的工作原理就是建立在上述關(guān)系上的，若保持兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，就可以把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路再轉(zhuǎn)換為電量輸出。差動平行變面積式傳感器是由兩組定片和一組動片組成。當(dāng)安裝于振動臺上的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的相對面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動電容。如將上層定片與動片形成的電容定為CX1，下層定片與動片形成的電容定為CX2，當(dāng)將CX1和CX2接入雙T型橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān)。依據(jù)該原理，在振動臺上加上砝碼可測定重量與橋路輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，稱未知重量物體時只要測得橋路的輸出電壓即可得出該重物的重量。2、電渦流式傳感器的工作原理：電渦流式傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成，當(dāng)線圈中通以高頻交變電流后，與其平行的金屬片上感應(yīng)產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻抗Z，而渦流的大小與金屬渦流片的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離X有關(guān)。當(dāng)平面線圈、被測體（渦流片）、激勵源已確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗Z只與X距離有關(guān)。將阻抗變化經(jīng)渦流變換器變換成電壓V輸出，則輸出電壓是距離X的單值函數(shù)。依據(jù)該原理可制成電渦流式傳感器電子稱。3、金屬箔式應(yīng)變片傳感器工作原理：應(yīng)變片應(yīng)用于測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，當(dāng)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，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。實驗中，通過旋轉(zhuǎn)測微器可使雙平梁的自由端上、下移動，從而使應(yīng)變片的受力情況不同，將應(yīng)變片接于電橋中即可使雙平衡的位移轉(zhuǎn)換為電壓輸出。電橋的四個橋臂電阻R1、R2、R3、R4，電阻的相對變化率分別為R1R1、R2R2、R3R3、R4R4成正比。當(dāng)E和電阻相對變化一定時，電橋輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。四、傳感器特性測試（一）電容式傳感器特性分析：按以下步驟進行實驗：（1）按圖接線，電容變換器和差放的增益均調(diào)至最大。CX2電容變換器 低 通 差放 電壓表CX1（2） 測微器帶動振動臺移動至系統(tǒng)輸出為零，此時動片位于兩靜片組之間。旋動測微器，每次0.5mm，記下位移X與電壓輸出U值，直至動片與靜片覆蓋面積最大為止。然后向相反方向做上述實驗，記下實驗數(shù)據(jù)。特性分析數(shù)據(jù)記錄分析如下：I第一次特性測試1、電容傳感器特性曲線實驗所得數(shù)據(jù)如下：位移x（mm）00.51.01.52.02.5輸出電壓U（mv）00.0780.1650.2420.3240.407位移x（mm）3.03.54.04.55.0輸出電壓U（mv）0.4880.5720.6530.7380.822根據(jù)試驗段數(shù)據(jù)繪的電容式傳感器的特性曲線如下： 從特性曲線可以看出，電容式傳感器的輸出電壓與位移之間幾乎是線性的，非線性誤差非常小，線性特性很好。2、 傳感器特性曲線擬合直線根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)利用最小二乘法對電容式傳感器的特性曲線進行擬合：利用excel中的函數(shù)LINEST,可以使用最小二乘法對已知數(shù)據(jù)進行最佳直線擬合，由此得到的擬合直線方程為：U=0.164327x-0.00273擬合直線如下：從所得的擬合直線可以看出，特性曲線與擬合直線基本保持一致，說明電容式傳感器的線性特性很好，同時說明在所測的范圍內(nèi)，電容傳感器均保持線性，所以可以利用該特性將電容式傳感器應(yīng)用于電子秤，在線性范圍內(nèi)可以用于程未知重量的物體質(zhì)量。3、 回差正行程：位移x（mm）00.51.01.52.02.5輸出電壓U（mv）00.0780.1650.2420.3240.407位移x（mm）3.03.54.04.55.0輸出電壓U（mv）0.4880.5720.6530.7380.822反行程：位移x（mm）00.51.01.52.02.5輸出電壓U（mv）00.0790.1590.2420.3240.405位移x（mm）3.03.54.04.55.0輸出電壓U（mv）0.4870.5720.6550.7420.822 畫出正反行程得出的曲線如下：兩條曲線基本重合，說明回差非常小。4、綜合特性分析：（1） 線性度：根據(jù)特性曲線可知，電容式傳感器的輸出電壓與位移之間幾乎是線性的，非線性誤差非常小，線性特性很好。（2） 靈敏度：根據(jù)電容式傳感器特性曲線的擬合曲線可以的到它的靈敏度即擬合直線的斜率為：0.164327.（3） 量程：在量程范圍內(nèi)基本保持線性。 （4）回差：根據(jù)回差曲線圖可以看出電容傳感器的回差接近于0.II第二次特性測試1、電容傳感器特性曲線實驗所得數(shù)據(jù)如下：位移x（mm）00.51.01.52.02.5輸出電壓U（mv）00.0860.1750.2590.3420.431位移x（mm）3.03.54.04.55.0輸出電壓U（mv）0.5150.5940.6770.7530.830 從特性曲線可以看出，電容式傳感器的輸出電壓與位移之間幾乎是線性的，非線性誤差非常小，線性特性很好。2、傳感器特性曲線擬合直線根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)利用最小二乘法對電容式傳感器的特性曲線進行擬合：利用excel中的函數(shù)LINEST,可以使用最小二乘法對已知數(shù)據(jù)進行最佳直線擬合，由此得到的擬合直線方程為：U=0.166673x+0.007136擬合直線如下： 所得的擬合直線可以看出，特性曲線與擬合直線基本保持一致，說明電容式傳感器的線性特性很好，同時說明在所測的范圍內(nèi)，電容傳感器均保持線性。綜合特性分析：（1）線性度：根據(jù)特性曲線可知，電容式傳感器的輸出電壓與位移之間幾乎是線性的，非線性誤差非常小，線性特性很好。（2）靈敏度：根據(jù)電容式傳感器特性曲線的擬合曲線可以的到它的靈敏度即擬合直線的斜率為：0.166673.（3）量程：在量程范圍內(nèi)基本保持線性。（2） 電渦流傳感器特性分析按以下步驟進行實驗：（1）按下圖接線，用導(dǎo)線將渦流式傳感器與渦流變換器輸入端相接，將變換器輸出端接至直流電壓表。電壓表量程設(shè)定為20V檔（差動放大器的增益旋到較小位置，否則輸出易飽和）。10VWD電渦流傳感器變換器 差放 電壓表（2）測微頭位移將電渦流線圈與渦流片分開一定距離，此時輸出端有一電壓值輸出。用示波器接渦流變換器輸入端觀察電渦流傳感器的高頻波形，信號頻率約為1MHZ。用測微頭帶動振動平臺使平面線圈貼緊金屬渦流片，此時渦流變換器輸出電壓為零。（3）旋動測微頭使平面線圈離開金屬渦流片，從電壓表開始有讀數(shù)起每位移0.25mm記錄一個讀數(shù)。將V、X數(shù)據(jù)填入下表，作出VX曲線，指出線性范圍，求出靈敏度。特性分析數(shù)據(jù)記錄分析如下：1、 電渦流傳感器特性曲線實驗所得數(shù)據(jù)如下：位移（mm）00.10.20.30.40.50.60.7輸出電壓（v）00.81.331.631.842.042.252.44位移（mm）0.80.911.11.21.31.41.5輸出電壓（v）2.632.82.963.133.293.463.63.75位移（mm）1.61.71.81.922.12.22.3輸出電壓（v）3.94.044.174.254.314.434.544.67位移（mm）2.42.52.62.72.82.93輸出電壓（v）4.794.915.025.145.255.355.45根據(jù)試驗段數(shù)據(jù)繪的電渦流式傳感器的特性曲線如下：2、傳感器特性曲線擬合直線根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)利用最小二乘法對電容式傳感器的特性曲線進行擬合：利用excel中的函數(shù)LINEST,可以使用最小二乘法對已知數(shù)據(jù)進行最佳直線擬合，由此得到的擬合直線方程為：U=0.013261x+3.96522383、綜合特性分析：（1）線性度：根據(jù)特性曲線可知，電渦流式傳感器的輸出電壓與位移之間在某一段內(nèi)是線性的，非線性誤差較小。超出該范圍，曲線非線性變大。（2）靈敏度：根據(jù)電渦流式傳感器特性曲線的擬合曲線可以的到它的靈敏度即擬合直線的斜率為：0.013261五 實際測試與實驗數(shù)據(jù)處理（1） 電容傳感器測重物質(zhì)量按如下步驟進行實驗：（1）按圖（1）接線，輸出接電壓表20V檔，利用特性測試的結(jié)果，將平面線圈安裝在線性工作范圍的起始點。（2）調(diào)整電橋WD，使系統(tǒng)輸出為零。（3）在平臺中間逐步加上砝碼，記錄V、W值，并做出VW曲線，計算靈敏度。W(g)V(v)（4） 取下砝碼，放上未知重量的待測物電池，根據(jù)標(biāo)定曲線大致求出被稱物的重量。實驗結(jié)果記錄分析：1、 由給定砝碼對砝碼進行標(biāo)定實驗結(jié)果如下所示：砝碼重量m（g）019.839.659.479.299輸出電壓U（mv）0.0010.0330.0660.1020.1420.178稱重南孚電池時顯示的電壓：0.165 mv根據(jù)標(biāo)定所得數(shù)據(jù)繪制折線圖如下： 從標(biāo)定得到的砝碼質(zhì)量與輸出電壓的折線圖可以看出，輸出電壓與砝碼的質(zhì)量基本接近線性，并且輸出電壓在特性曲線的線性范圍內(nèi)，因此可以對該曲線進行最小二乘法擬合，得到線性擬合直線，由此得出重物質(zhì)量。2、砝碼質(zhì)量-電壓擬合直線根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)利用最小二乘法對電容式傳感器測的的砝碼質(zhì)量-電壓曲線進行擬合：利用excel中的函數(shù)LINEST,可以使用最小二乘法對已知數(shù)據(jù)進行最佳直線擬合，由此得到的擬合直線方程為：U=0.001801m-0.00214擬合直線如下： 因為砝碼標(biāo)定時的輸出電壓與重物稱重時的輸出電壓均在電感式傳感器的線性范圍內(nèi)，故可以利用擬合線性直線的方法算出重物質(zhì)量。 將稱重南孚電池時顯示的電壓0.165 mv帶入擬合直線方程U=0.001801m-0.00214可以計算得出電池的質(zhì)量m=92.804 g（2） 電渦流式傳感器測質(zhì)量（用于驗證）按以下步驟進行實驗（1）按圖（1）接線，差放增益為1，輸出接電壓表20V檔，利用特性測試的結(jié)果，將平面線圈安裝在線性工作范圍的起始點。（2）調(diào)整電橋WD，使系統(tǒng)輸出為零。（3）在平臺中間逐步加上砝碼，記錄V、W值，并做出VW曲線，計算靈敏度。W(g)V(v)（4）取下砝碼，放上未知重量的待測物電池，根據(jù)標(biāo)定曲線大致求出被稱物的重量。實驗結(jié)果記錄分析：1、 由給定砝碼對砝碼進行標(biāo)定實驗結(jié)果如下所示：砝碼重量m（g）019.839.659.479.299輸出電壓U（v）3.944.234.514.785.025.25稱重南孚電池時顯示的電壓：5.20v根據(jù)標(biāo)定所得數(shù)據(jù)繪制折線圖如下： 從標(biāo)定得到的砝碼質(zhì)量與輸出電壓的折線圖可以看出，輸出電壓與砝碼的質(zhì)量基本接近線性，因此可以對該曲線進行最小二乘法擬合，得到線性擬合直線，由此得出重物質(zhì)量。2、砝碼質(zhì)量-電壓擬合直線 根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)利用最小二乘法對電容式傳感器測的的砝碼質(zhì)量-電壓曲線進行擬合：利用excel中的函數(shù)LINEST,可以使用最小二乘法對已知數(shù)據(jù)進行最佳直線擬合，由此得到的擬合直線方程為：U=0.013261m+3.965238 因為砝碼標(biāo)定時的輸出電壓與重物稱重時的輸出電壓均在電渦流式傳感器的線性范圍內(nèi)，故可以利用擬合線性直線的方法算出重物質(zhì)量。 將稱重南孚電池時顯示的電壓5.20 v帶入擬合直線方程： U=0.013261m+3.965238可以計算得出電池的質(zhì)量m=93.112g六 實驗結(jié)果分析此次實驗以電容式傳感器為主來測量重物質(zhì)量，對電容傳感器的特性進行了一系列分析。從線性度、靈敏度、量程、回差等角度對電容式傳感器特性曲線分析的出的結(jié)論是：電容式傳感器的線性特性很好，靈敏度，同時說明在所測的范圍內(nèi)，電容傳感器均保持線性，所以可以利用該特性將電容式傳感器應(yīng)用于電子秤，在線性范圍內(nèi)可以用于程未知重量的物體質(zhì)量。故由電容式傳感器測量得出的重物的質(zhì)量比較可靠。電容式傳感器測量得出的重物質(zhì)量是m=92.804 g，又因為測量精度為1%，故重物質(zhì)量在91.87596g93.73204g之間。實驗還利用電渦流式傳感器測量質(zhì)量來驗證電容式傳感器測出重物的質(zhì)量，通過對電渦流傳感器的特性進行的分析，發(fā)現(xiàn)電渦流式傳感器特性曲線的線性程度并不如電容式傳感器的好。所以我們的測量結(jié)果以電容式傳感器的為主。利用電渦流驗證得出的重物質(zhì)量是m=93.112g，又因為測量精度為1%，故重物質(zhì)量在92.18088g94.04312之間。這個結(jié)果與電容式傳感器得出的結(jié)果節(jié)本接近，所以可以得知，電容式傳感器的測量結(jié)果是可靠的。經(jīng)過上述分析，我們得出的重物質(zhì)量為m=91.87596g93.73204g。、七、實驗總結(jié)本次傳感器綜合實驗基本達到了預(yù)期目標(biāo)，通過這次綜合實驗我進一步的了解了各傳感器的工作原理、工作特性、適用范圍和優(yōu)缺點，通過用各種傳感器測一個未知質(zhì)量的重物，把課堂上所學(xué)的理論知識真正的與實際運用相結(jié)合，讓我們更加理解了理論知識，也能把理論知識運用到現(xiàn)實中用以解決實際問題。同時我們也通過這次實驗，提高了數(shù)據(jù)處理與分析的能力，能把多而復(fù)雜的實驗數(shù)據(jù)通過擬合、分析、處理從而得到較為準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。另外，我們了解了相敏檢波器的原理，并通過實驗知道了相敏檢波器的作用。在實驗中，我們先做了相敏檢波器的實驗，剛開始實施反向作用后示波器的波形卻不顯示