位移檢測傳感器應(yīng)用

1、位移檢測傳感器的應(yīng)用實(shí) 驗(yàn) 課 程： 實(shí) 驗(yàn) 名 稱： 姓 名： 學(xué) 號： 班 級： 指 導(dǎo) 教 師： 實(shí) 驗(yàn) 日 期： 1616傳感器與檢測技術(shù) 位移檢測傳感器的應(yīng)用 位移檢測傳感器應(yīng)用1、 實(shí)驗(yàn)類型 綜合性實(shí)驗(yàn)。2、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵? 了解微位移、小位移、大位移的檢測方法。2 運(yùn)用所學(xué)過的相關(guān)傳感器設(shè)計(jì)三種位移檢測系統(tǒng)。3對檢測系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償和標(biāo)定。三、實(shí)驗(yàn)條件 本實(shí)驗(yàn)在沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)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的情況下進(jìn)行。四、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 為了滿足實(shí)驗(yàn)要求，現(xiàn)使用電渦流，

2、光纖，和差動三種傳感器設(shè)計(jì)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0.2為單位。進(jìn)行試驗(yàn)后，用MATLAB處理數(shù)據(jù)，分析結(jié)論。（1） ：電渦流傳感器測位移電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導(dǎo)電體金屬渦流片）組成，如圖所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz2MHz）I1時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場H1，當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”

3、形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣就可得到如圖中的等效電路。 電渦流傳感器原理圖 電渦流傳感器等效電路圖圖1（2） ：光纖傳感器測位移實(shí)驗(yàn)原理： 反射式光纖傳感器工作原理如下圖所示，光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖合并于一端組成光纖探頭，一束作為接受，另一束為光源發(fā)射，近紅外二極管發(fā)出的近紅外光經(jīng)光源光纖照射至被測物，由被測物反射的光信號經(jīng)接受光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，反射光的強(qiáng)弱與反射物與光纖探頭的距離成一定的比例關(guān)系，通過對光強(qiáng)的檢測就可得知位置量的變化。 圖2（三）：差

4、動電感式傳感器測位移實(shí)驗(yàn)原理： 差動動螺管式電感傳感器由電感線圈的二個次級線圈反相串接而成，工作在自感基礎(chǔ)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(nèi)組成的電橋電路的輸出電壓信號因而發(fā)生相應(yīng)變化。下圖為差動式位移檢測傳感器原理圖。圖3五、實(shí)驗(yàn)步驟（1） ：電渦流傳感器測位移1按下圖2將電渦流傳感器裝好； 圖42在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓盤，作為電渦流傳感器的被測體。調(diào)節(jié)測微頭，使鐵質(zhì)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53傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K按圖3連接，將電渦流傳感器連接線接到模塊上標(biāo)有“電壓輸出”的兩端，再將實(shí)驗(yàn)?zāi)K輸出端Uo與數(shù)顯電壓表單元輸入端

5、Ui相接。數(shù)顯電壓表量程切換開關(guān)選擇電壓20V檔，模塊電源用導(dǎo)線從實(shí)驗(yàn)臺接入+15V電源。 4打開實(shí)驗(yàn)臺電源，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。表一（二）：光纖傳感器測位移1安裝光纖位移傳感器，二束光纖插入實(shí)驗(yàn)板上光電變換座孔上。其內(nèi)部已和發(fā)光管及光電轉(zhuǎn)換管T相接。2、將光纖實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆薞01與數(shù)顯單元相連。3、實(shí)驗(yàn)?zāi)０褰尤?#177;15V電源，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)RW使數(shù)顯表顯示為零。4將測微頭起始位置調(diào)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。5將模塊輸出“Uo”接到直流電壓表（20V檔），仔細(xì)調(diào)節(jié)電位器Rw使電壓表顯示為零。6旋動

6、測微器，使反射面與光纖探頭端面距離增大，每隔0.01mm讀出一次輸出電壓值， 填入表二。 圖6 光纖傳感器安裝示意圖 圖7 光纖傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖表二（三）：差動電感式傳感器測位移1、將差動變壓器安裝在差動變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，并將傳感器引線插入實(shí)驗(yàn)?zāi)K插座中。2、 連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K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(diào)節(jié)移相器使輸入輸出同相或者反相，然后調(diào)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(diào)節(jié)Rw1和Rw2使電壓表顯示為零，當(dāng)銜鐵在線圈中左、右位移時，L2L3，電橋失衡，

7、輸出電壓的大小與銜鐵位移量成比例。5、以銜鐵位置居中為起點(diǎn)，分別向左、向右各位移5mm，記錄V、X值并填入表三。 圖8應(yīng)變式傳感器安裝示意圖 圖9 全橋性能實(shí)驗(yàn)接線圖表三6、 原始數(shù)據(jù)記錄表一：電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)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

8、.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：光纖傳感器實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)X(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)18.017.517.016.516.015.515.014.514.013.513.012.51

9、2.011.511.010.510.0Uo(V)4.064.424.815.205.605.076.316.516.476.355.975.384.543.512.260.900.01表三：差動傳感器實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)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)13.213.012.812.612.412.212.011.81

10、1.611.411.211.010.810.610.410.210.0Uo(V)4.854.774.684.634.544.424.294.124.023.783.593.312.942.702.221.851.677、 數(shù)據(jù)整理、分析（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，其程序如下所示：x1=5:0.2:11.8;y1=1.62 1.68 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.94 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57 4.64 4.69 4.78 4.8 4.85 4.91 4.94

11、4.96 4.95 4.97 4.95 4.96 4.98 4.98 5.05 5.08 5.09 5.08 5.08 5.2 5.21;x2=12:-0.2:5;y2=5.2 5.2 5.2 5.15 5.17 5.16 5.14 5.12 5.10 5.10 5.06 5.06 5.05 5.02 4.98 4.94 4.90 4.89 4.85 4.77 4.68 4.62 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59 3.31 2.94 2.70 2.22 1.85 1.67;k=polyfit(x1,y1,1) (計(jì)算擬合直線的斜率b、截距a)Y=polyva

12、l(k,x1) (計(jì)算X數(shù)據(jù)點(diǎn)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(0,12,0,7)title('電渦流傳感器測位移') 運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖10：電渦流傳感器正行程測位移設(shè)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=0.4368 a= 0.73012、 計(jì)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

13、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(shù)，所以靈敏度為 S=0.4368 (1)另一個重要參數(shù)是非線性誤差，定義為實(shí)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。利用matlab計(jì)算非線性誤差，程序如下： y2=y1-Y (3) L=max(y2) (計(jì)算最大非線性絕對誤差) (4) 運(yùn)行程序，得到 L=0.5835，進(jìn)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(jì)算傳感器的遲滯性的程序如下所

14、示：x1=5:0.2:11.8;y1=1.62 1.68 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.94 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57 4.64 4.69 4.78 4.8 4.85 4.91 4.94 4.96 4.95 4.97 4.95 4.96 4.98 4.98 5.05 5.08 5.09 5.08 5.08 5.2 5.21;x2=12:-0.2:5;y2=5.2 5.2 5.2 5.15 5.17 5.16 5.14 5.12 5.10 5.10 5.06 5.06 5.05 5.02 4.98 4.94 4.90 4.89 4.85

15、4.77 4.68 4.62 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59 3.31 2.94 2.70 2.22 1.85 1.67;plot(x1,y1,'r-',x2,y2,'g-'),axis(0,14,0,7),title(遲滯特性圖), xlabel(位移值(mm),ylabel('輸出電壓（V）')運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖七： 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 ）(一) 、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

16、下所示： x1=3:0.5:15;y1=3.83 3.71 3.51 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(jì)算擬合直線的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1) (計(jì)算X數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合輸出值）holdplot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')grid onxlabel('正行程位移值（mm)')ylabel(

17、9;正行程位電壓（V)')axis(0,16,0,7)title('光纖傳感器測位移') 運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖11 設(shè)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=-0.2794 a= 4.3452 -0.2878 4.34462、計(jì)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，即靈敏度S=yx=K，K為一常數(shù)，所以靈敏度為 S=-0.2794 (1) 另一個重要參數(shù)是非線性誤差，定義為實(shí)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。用matlab計(jì)算非線

18、性誤差提供了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，程序如下： y2=y1-Y (3) L=max(y2) (計(jì)算最大非線性絕對誤差) (4) 運(yùn)行程序，得到 L= 0.4868，進(jìn)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(jì)算傳感器的遲滯性的程序如下所示： x1=0:0.5:15; y1=0 0.9 2.04 2.91 3.51 3.79 3.83 3.71 3.51 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.73 1.57 1.43 1.3 1.17

19、1.07 0.97 0.88 0.79 0.72 0.66 0.60 0.53 0.49 0.48;x2=15:-0.5:0;y2=0.48 0.5 0.55 0.61 0.67 0.73 0.81 0.89 0.98 1.08 1.19 1.31 1.45 1.59 1.75 1.92 2.12 2.33 2.55 2.77 3.04 3.29 3.53 3.74 3.87 3.87 3.60 3.00 2.12 0.98 0.03;plot(x1,y1,'r-',x2,y2,'g-'),axis(0,16,0,7),title(遲滯特性圖), xlabel(

20、位移值(mm),ylabel('輸出電壓（V）');運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖12：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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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，其程序如下所示：x1=10.2:0.4:19.8y1= 0.23 0.98 1.89 2.81 3.91 4.64 5.53 6.50 7.33 8.30 9.27 10.21 11.20 12.25 13.23 14.59 15.60 16.69 17.50 18.20 18.70 19.08 19.33 1

21、9.50 19.57k=polyfit(x1,y1,1) (計(jì)算擬合直線的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1) (計(jì)算X數(shù)據(jù)點(diǎn)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(10,23,0,25)title('差動電感式傳感器測位移') 運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖13：正行程位移 設(shè)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(jì)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