國家開放大學-傳感器與測試技術實驗報告(實驗成績)

傳感器實驗報告PAGE實驗成績5次實驗分別為：實驗1：溫度測量：熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器；實驗2：位移測量:電容式位移測量、電感式位移測量、光電式位移測量；實驗3：流量測量；實驗4：基于CMOS圖像傳感器的圖像測量；實驗5：虛擬儀器實驗。實驗一金屬箔式應變片——單臂電橋性能實驗實驗目的了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能。實驗原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：ΔR/R=Kε式中ΔR/R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù)，ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反應了相應的受力狀態(tài)。對單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。實驗器材應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)。實驗步驟實驗中用到的應變傳感器實驗模板連接圖如REF_Ref339064282\h圖1應變式傳感器單臂電橋實驗連接圖REF_Ref339064294\h圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1應變式傳感器單臂電橋實驗連接圖 安裝傳感器，將IC1和IC2的同相端接地后，調(diào)節(jié)Rw4使得數(shù)顯表顯示為0后（即將差動放大器調(diào)0），再將電路的電橋部分按圖中所示接入電路后，調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表為0。然后在電子稱上放置砝碼讀取數(shù)顯表的數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值。實驗結果與分析實驗結果如REF_Ref339104407\h表格1所示。表格SEQ表格\*ARABIC1單臂電橋性能實驗數(shù)據(jù)記錄表重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)4.68.814.218.823.628.533.337.742.547.3由以上實驗結果知：平均電壓變化量：?u=[(28.5-4.6)/5+(33.3-8.8)/5+(37.7-14.2)/5+(42.5-18.8)/5+(47.3-23.6)/5]/5≈4.77mv平均重量變化量：?W=20g系統(tǒng)靈敏度：S1=?u/?W=0.2386mv/g線性誤差：=≈0.67%-思考題單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片的選用時正、負應變片均可使用，換成負應變片時，所得的電壓值為負值，需做一定的變換后方能比較直觀?？偨Y與感想本次實驗讓我了解了應變片的以及單臂電橋的工作原理，并對單臂電橋的性能有了一個定量的了解，這對后續(xù)學習將會有較大幫助。實驗二金屬箔式應變片——半橋性能實驗實驗目的比較半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點。實驗原理不同受力方向的兩片應變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當兩片應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出電壓U02=EK/ε2。實驗器材同實驗一。實驗步驟同實驗一，將差動放大器調(diào)0，電橋部分如REF_Ref339104035\h圖2所示，其他與實驗一同。圖SEQ圖\*ARABIC2半橋實驗接線圖 接入電源，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器Rw1進行橋路調(diào)零，然后在電子稱上放置砝碼讀取數(shù)顯表的數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值。實驗結果與分析實驗結果如REF_Ref339104625\h表格2所示。表格SEQ表格\*ARABIC2半橋性能實驗數(shù)據(jù)記錄表重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)-9.0-18.5-28.1-37.2-46.6-56.3-65.2-75.1-84.4-95.4 由以上實驗結果知： 輸出電壓變化量的平均值：?u=[(-56.3+9.0)/5+(-65.2+18.5)/5+(-75.1+28.1)/5+(-84.4+37.2)/5+(-95.4+46.6)/5]/5=-9.48mv 平均重量變化量：?W=20g系統(tǒng)靈敏度：S2=?u/?W=-0.474mv/g。非線性誤差：≈0.59%。思考題半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在鄰邊，因為這樣可以保證電橋輸出電壓值達到最大，若在對邊，則得到的輸出電壓值最小。橋路測量時存在非線性誤差，是因為應變片應變效應是非線性的，其中單臂橋路的非線性還與其測量方法有關?？偨Y與感想本實驗讓我對半橋電路有了較為深刻的了解，與實驗一的單臂電橋相比起線性誤差減小了。實驗三金屬箔式應變片——全橋性能實驗實驗目的了解全橋測量電路優(yōu)點。實驗原理全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其變化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時，其橋路輸出電壓U03=KEε。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。實驗器材同實驗一。實驗步驟安裝傳感器，將差動放大器調(diào)零，電橋部分如REF_Ref339107948\h圖3所示，其他與實驗一同。圖SEQ圖\*ARABIC3全橋實驗線路圖 接入電源，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器Rw1進行橋路調(diào)零，然后在電子稱上放置砝碼讀取數(shù)顯表的數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值。實驗結果與分析實驗結果如所示。表格SEQ表格\*ARABIC3全橋性能實驗數(shù)據(jù)記錄表重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)-19.0-37.8-56.8-75.4-94.1-113.0-131.9-151.0-169.8-190.9 由以上實驗結果知： 輸出電壓變化量的平均值：?u=[(-113.0+19.0)/5+(-131.9+37.8)/5+(-151.0+56.8)/5+(-169.8+75.4)/5+(-190.9+94.1)/5]/5=-18.94mv 平均重量變化量：?W=20g系統(tǒng)靈敏度：S3=?u/?W=-0.947mv/g。非線性誤差：≈0.154%。思考題全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2時，仍可組成全橋，但在電路處理時需注意偏移量的存在。某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如REF_Ref339109873\h圖4所示，如何利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖SEQ圖\*ARABIC4應變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖 答：若按第一組應變片的貼法，則在材料被拉時，應變片的阻值都是增大的，若用這些電阻應變片組成電橋，則需要外加電阻組成電橋，選取R2和R3作為電橋的對邊，領取兩個阻值與未收拉力時應變片阻值相等的電阻作為另外兩邊組成電橋；若按第二組應變片的貼法，則在材料被拉時，R1和R2的阻值減小，R3、R4的阻值增大，則無需外加電阻即可組成電橋，即將R3和R4放于對邊，R1和R2放于對邊即可。總結與感想本實驗讓我對全橋電路有了深刻的了解，為我今后學習傳感器的應用將會有著較大的幫助。實驗四金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較實驗目的比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結論。實驗步驟 根據(jù)實驗一、二、三所得的數(shù)據(jù)，在同一坐標系中分別作出單臂、半橋和全橋的電壓/重量輸出曲線，分別計算其靈敏度和非線性度，并從理論上進行論證實驗結果與分析 為得到正確結果，故將實驗一、實驗二和實驗三的輸出電壓均取絕對值，并用matlab畫出曲線得到如REF_Ref339112371\h圖5所示的曲線圖。圖SEQ圖\*ARABIC5實驗一、二、三的電壓/重量輸出曲線 由實驗一、二、三的結果分析知：系統(tǒng)靈敏度：|S1|=?u/?W=0.2386mv/g，|S2|=?u/?W=0.474mv/g，|S3|=?u/?W=0.947mv/g 非線性度：≈0.67%-，≈0.59%，≈0.154%。由以上結果知單臂電橋的靈敏度和線性度均為最低，而全橋電路的靈敏度和線性度均為最高。理論分析： 當R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7時，在單臂電橋中，由于只有一個電阻為應變片，即電橋中只有一個變量，其輸出由決定；半橋中，輸出由決定；全橋中，輸出由決定。故有在單臂時，非線性在?R越大則非線性越嚴重，且靈敏度較小，為半橋時，其非線性度相對于單臂橋路有所改善；由于全橋的互補作用，其線性度為三種橋路中最優(yōu)，同時其靈敏度由于差動作用增大了一倍?？偨Y與感想本實驗比較了單臂、半橋、全橋的性能，讓我對于三種橋路的優(yōu)缺點在比較中有了更深的認識，對我后續(xù)的學習將會有較大的幫助。實驗五電容式傳感器的位移實驗實驗目的了解電容式傳感器結構及其特點。實驗原理利用平板電容C=εA/d和其它結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇ε、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度(ε變)測微小位移(變d)和測量液位(變A)等多種電容傳感器。實驗器材電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭、相敏檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。實驗步驟 按REF_Ref339117717\h圖6所示安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模板上，將電容傳感器連線插入電容傳感器實驗模板，實驗線路如REF_Ref339955342\h圖9所示。圖SEQ圖\*ARABIC9電容傳感器位移實驗接線圖 旋動Rw旋鈕，使得數(shù)顯表最小，之后左右推進，并每隔0.2mm記下位移x與輸出電壓值。實驗結果與分析實驗結果見REF_Ref339955945\h表格6。表格SEQ表格\*ARABIC6電容傳感器位移與輸出電壓數(shù)據(jù)記錄表X(mm)-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.0V(mv)-45.4-34.6-22.3-10.10.810.722.432.843.054.4電壓變化量：?u=[(10.7+45.4+22.4+34.6+32.8+22.3+43.0+10.1+54.4-0.8)/5]/5=10.996mv位移變化量：?x=0.2mm靈敏度：S=?u/?x=54.98mv/mm非線性誤差：≈4.89%分析產(chǎn)生誤差的原因應為傳感器在其中點位置并非絕對的0，這將使得結果產(chǎn)生一定的偏移，同時測量中數(shù)顯表精度不夠也可能引起測量誤差。觀察結果可知，此傳感器的靈