位移傳感器設計報告

1、 綜合性實驗報告 實 驗 課 程：傳感器與檢測技術 實 驗 名 稱：位移檢測傳感器的應用 姓 名： 學 號： 班 級： 指 導 教 師： 實 驗 日 期： 2013年12月17日 13傳感器與檢測技術 位移檢測傳感器的應用 位移檢測傳感器應用1、 實驗類型 位移檢測綜合性實驗2、 實驗目的和要求1了解微位移、小位移、大位移的檢測方法。2運用所學過的相關傳感器設計三種位移檢測系統(tǒng)。3對檢測系統(tǒng)進行補償和標定。3、 實驗條件 本實驗在沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5）、相對濕度不大于85% ，大氣壓力為101±7kPa的情況

2、下進行。4、 實驗方案設計 為了滿足實驗要求，現使用電渦流，光纖，和差動三種傳感器設計位移檢測系統(tǒng)，電渦流取0.1mm為單位，光纖取0.5mm為單位，差動取0.2mm為單位。進行試驗后，用MATLAB處理數據，分析結論。（一）：電渦流傳感器測位移實驗原理： 通過高頻電流的線圈產生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，因此可以進行位移測量。（二）：光纖傳感器測位移實驗原理： 反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖36-1所示：光纖采用型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖

3、。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收，轉換器接收到的光源與反射體表面的性質及反射體到光纖探頭距離有關。當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射面時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應速度快，測量線性化（在小位移范圍內）等優(yōu)點，可在小位移范圍內進行高速位移檢測。 （三）：差動電感式傳感器測位移實驗原理： 差動動螺管式電感傳感器由電感線圈的二個

4、次級線圈反相串接而成，工作在自感基礎上，由于銜鐵在線圈中位置的變化使二個線圈的電感量發(fā)生變化，包括兩個線圈在內組成的電橋電路的輸出電壓信號因而發(fā)生相應變化。5、 實驗步驟（一）：電渦流傳感器測位移1按下圖1安裝電渦流傳感器。 圖1 2在測微頭端部裝上鐵質金屬圓盤，作為電渦流傳感器的被測體。調節(jié)測微頭，使鐵質金屬圓盤的平面貼到電渦流傳感器的探測端，固定測微頭。 圖2 3傳感器連接按圖2，將電渦流傳感器連接線接到模塊上標有“”的兩端，實驗 模塊輸出端Uo與數顯單元輸入端Ui相接。數顯表量程切換開關選擇電壓20V檔，模塊電源用 連接導線從實驗臺接入+15V電源。 4打開實驗臺電源，記下數顯表讀數，然

5、后每隔0.2mm讀一個數，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結果列入下表1。（二）：光纖傳感器測位移1光纖傳感器的安裝如圖36-2所示，將Y型光纖安裝在光纖位移傳感器實驗模塊上。探頭對準鍍鉻反射板，調節(jié)光纖探頭端面與反射面平行，距離適中；固定測微頭。接通電源預熱數分鐘。 2將測微頭起始位置調到14cm處，手動使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定測微頭。 3實驗模塊從主控臺接入±15V電源，打開實驗臺電源。 4將模塊輸出“Uo”接到直流電壓表（20V檔），仔細調節(jié)電位器Rw使電壓表顯示為零。 5旋動測微器，使反射面與光纖探頭端面距離增大，每隔.1讀出一次輸出電壓值， 填入下表2（三）：差動電感式

6、傳感器測位移實驗內容與步驟 1、按差動變壓器性能實驗將差動變壓器安裝在差動變壓器實驗模塊上，將傳感器引線插入實驗模塊插座中。 2、 連接主機與實驗模塊電源線，按下圖連線組成測試系統(tǒng)，兩個次級線圈必須接成差動狀態(tài)。3、 使差動電感傳感器的鐵芯偏在一邊，使差分放大器有一個較大的輸出，調節(jié)移相器使輸入輸出同相或者反相，然后調節(jié)電感傳感器鐵芯到中間位置，直至差分放大器輸出波形最小。 4、 調節(jié)Rw1和Rw2使電壓表顯示為零，當銜鐵在線圈中左、右位移時，L2L3，電橋失衡，輸出電壓信號的大小與銜鐵位移量成比例。5、 以銜鐵位置居中為起點，分別向左、向右各位移5mm，記錄V、X值并填入下表36、 原始數據

7、記錄表一：電渦流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)1.020.960.900.830.760.700.620.540.460.380.360.220.140.060.0100表二：光纖X(mm)10

8、.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表三：差動正行程位移X(mm)10.

9、010.210.410.610.811.011.211.411.611.812.012.212.412.612.813.013.2正行程電壓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)4.854.774.684.634.544.424.294.124.023.783.593.312.942.702.221.851.677、 數據整理、分析（

10、一）、電渦流傳感器測位移1、用matlab作出表一的擬合直線和正行程位移-電壓曲線，用matlab編程，運行程序結果如下圖所示： 電渦流傳感器正行程測位移 圖中的紅線為實驗數據點，描點法繪制的曲線是根據表一實測數據繪制的特性曲線圖，圖中用直線則是MATLAB基于最小二乘法原理確定的擬合直線，省去了用坐標紙繪圖的人為誤差和手工計算的繁雜的計算工程，節(jié)省了工作量，提高了效率。 設擬合直線的直線方程位p=bx+a （b為擬合直線的斜率，a為截距）則： b=0.4259 a= 0.75002、 計算其靈敏度和線性度。 傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)下輸出的變化對輸入變化的比值，對于線性傳感器，它的靈敏度就

11、是靜態(tài)特性的斜率，即靈敏度S=yx=K，K為一常數，非線性傳感器的靈敏度為一變量，在實驗數據處理中，一般將擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度，由程序運行結果可知擬合直線的斜率b即為傳感器的靈敏度，所以靈敏度為 S=0.4259 (1)另一個重要參數是非線性誤差，定義為實際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差，即為 = (2)式中L最大非線性絕對誤差;一輸出滿量程。為了計算非線性誤差，必須先求出最大非線性絕對誤差和輸出滿量程，matlab提供了強大的數值計算功能，求L也很簡單，在上面程序中應用最小二乘法求得了擬合直線方程以及35個位移測試點所對應的擬合輸出值，求兩者的差并取其中最大值即為最大非線性絕對

12、誤差。程序如下： y2=y1-Y (3) L=max(y2) (計算最大非線性絕對誤差) (4) 運行程序，得到 L=0.5835，進而由線性度的定義，可得其線性度為： =11.22、遲滯性 傳感器在正行程(輸入量增大)反行程(輸入量減小)期間輸出與輸入特性曲線不重合的程度即為遲滯誤差。用matlab計算傳感器的遲滯性如下所示：運行程序結果如下圖所示： 電渦流正反行程測位移（遲滯性） （紅線為正行程，綠線為反行程）（2） 、光纖傳感器測位移 1、用matlab作出表二的擬合直線和正行程位移-電壓曲線，用matlab編程，其程序如下所示： x1=3:0.5:15;y1=3.83 3.71 3.5

13、1 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.73 1.57 1.43 1.3 1.17 1.07 0.97 0.88 0.79 0.72 0.66 0.60 0.53 0.49 0.48;k=polyfit(x1,y1,1) (計算擬合直線的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1) (計算X數據點的擬合輸出值）holdplot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')grid onxlabel('正行程位移值（mm)')ylabel('正行程位電壓（V)')axis(0,16,0,7)ti

14、tle('光纖傳感器測位移') 運行程序結果如下圖所示： 圖中的紅線為實驗數據點，描點法繪制的曲線是根據表三實測數據繪制的特性曲線圖，圖中用直線則是MATLAB基于最小二乘法原理確定的擬合直線，省去了用坐標紙繪圖的人為誤差和手工計算的繁雜的計算工程，節(jié)省了工作量，提高了效率。 設擬合直線的直線方程位p=bx+a （b為擬合直線的斜率，a為截距）則： b=-0.2899 a= 4.3422 -0.2899 4.34222、計算其靈敏度和線性度。 傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)下輸出的變化對輸入變化的比值，對于線性傳感器，它的靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率，即靈敏度S=yx=K，K為一常數，

15、非線性傳感器的靈敏度為一變量，在實驗數據處理中，一般將擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度，由程序運行結果可知擬合直線的斜率b即為傳感器的靈敏度，所以靈敏度為 S=-0.2899 (1) 另一個重要參數是非線性誤差，定義為實際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差，即為 = (2)式中L最大非線性絕對誤差;一輸出滿量程。為了計算非線性誤差，必須先求出最大非線性絕對誤差和輸出滿量程，matlab提供了強大的數值計算功能，求L也很簡單，在上面程序中應用最小二乘法求得了擬合直線方程以及31個位移測試點所對應的擬合輸出值，求兩者的差并取其中最大值即為最大非線性絕對誤差。程序如下： y2=y1-Y (3) L=m

16、ax(y2) (計算最大非線性絕對誤差) (4) 運行程序，得到 L= 0.4868，進而由線性度的定義，可得其線性度為： =12.7 2、遲滯性 傳感器在正行程(輸入量增大)反行程(輸入量減小)期間輸出與輸入特性曲線不重合的程度即為遲滯誤差。用matlab計算傳感器的遲滯性:運行程序結果如下圖所示： 光纖正反行程測位移（遲滯性） （紅線為正行程，綠線為反行程） （三）、差動電感式傳感器測位移實驗數據的處理：用matlab作出表三的擬合直線和正行程位移-電壓曲線，用matlab編程，運行程序結果如下圖所示： 圖一 差動正行程位移圖中的紅線為實驗數據點，描點法繪制的曲線是根據表三實測數據繪制的特

17、性曲線圖，圖中用直線則是MATLAB基于最小二乘法原理確定的擬合直線，省去了用坐標紙繪圖的人為誤差和手工計算的繁雜的計算工程，節(jié)省了工作量，提高了效率。 設擬合直線的直線方程位p=bx+a （b為擬合直線的斜率，a為截距）則： b=2.2203 a=-22.22273、 計算其靈敏度和線性度。 傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)下輸出的變化對輸入變化的比值，對于線性傳感器，它的靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率，即靈敏度S=yx=K，K為一常數，非線性傳感器的靈敏度為一變量，在實驗數據處理中，一般將擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度，由程序運行結果可知擬合直線的斜率b即為傳感器的靈敏度，所以靈敏度為 S=2.22

18、03 (1)另一個重要參數是非線性誤差，定義為實際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差，即為 = (2)式中L最大非線性絕對誤差;一輸出滿量程。為了計算非線性誤差，必須先求出最大非線性絕對誤差和輸出滿量程，matlab提供了強大的數值計算功能，求L也很簡單，在上面程序中應用最小二乘法求得了擬合直線方程以及25個位移測試點所對應的擬合輸出值，求兩者的差并取其中最大值即為最大非線性絕對誤差。程序如下： y1=y-Y (3) L=max(y1) (計算最大非線性絕對誤差) (4) 運行程序，得到 L= 1.1678，進而由線性度的定義，可得其線性度為： =5.97 2、遲滯性 傳感器在正行程(輸入量增大)反行程(輸入量減小)期間輸出與輸入特性曲線不重合的程度