國(guó)家開放大學(xué)-傳感器與測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(實(shí)驗(yàn)成績(jī))

傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告PAGE實(shí)驗(yàn)成績(jī)5次實(shí)驗(yàn)分別為：實(shí)驗(yàn)1：溫度測(cè)量：熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器；實(shí)驗(yàn)2：位移測(cè)量:電容式位移測(cè)量、電感式位移測(cè)量、光電式位移測(cè)量；實(shí)驗(yàn)3：流量測(cè)量；實(shí)驗(yàn)4：基于CMOS圖像傳感器的圖像測(cè)量；實(shí)驗(yàn)5：虛擬儀器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片——單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。實(shí)驗(yàn)原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：ΔR/R=Kε式中ΔR/R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=ΔL/L為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測(cè)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(yīng)了相應(yīng)的受力狀態(tài)。對(duì)單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。實(shí)驗(yàn)器材應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)。實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)中用到的應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０暹B接圖如REF_Ref339064282\h圖1應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)連接圖REF_Ref339064294\h圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)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(dòng)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(yīng)的數(shù)顯表值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如REF_Ref339104407\h表格1所示。表格SEQ表格\*ARABIC1單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片的選用時(shí)正、負(fù)應(yīng)變片均可使用，換成負(fù)應(yīng)變片時(shí)，所得的電壓值為負(fù)值，需做一定的變換后方能比較直觀?？偨Y(jié)與感想本次實(shí)驗(yàn)讓我了解了應(yīng)變片的以及單臂電橋的工作原理，并對(duì)單臂電橋的性能有了一個(gè)定量的了解，這對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)將會(huì)有較大幫助。實(shí)驗(yàn)二金屬箔式應(yīng)變片——半橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋容^半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理不同受力方向的兩片應(yīng)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(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓U02=EK/ε2。實(shí)驗(yàn)器材同實(shí)驗(yàn)一。實(shí)驗(yàn)步驟同實(shí)驗(yàn)一，將差動(dòng)放大器調(diào)0，電橋部分如REF_Ref339104035\h圖2所示，其他與實(shí)驗(yàn)一同。圖SEQ圖\*ARABIC2半橋?qū)嶒?yàn)接線圖 接入電源，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器Rw1進(jìn)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(yīng)的數(shù)顯表值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如REF_Ref339104625\h表格2所示。表格SEQ表格\*ARABIC2半橋性能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在鄰邊，因?yàn)檫@樣可以保證電橋輸出電壓值達(dá)到最大，若在對(duì)邊，則得到的輸出電壓值最小。橋路測(cè)量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)閼?yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的，其中單臂橋路的非線性還與其測(cè)量方法有關(guān)?？偨Y(jié)與感想本實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)半橋電路有了較為深刻的了解，與實(shí)驗(yàn)一的單臂電橋相比起線性誤差減小了。實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片——全橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馊珮驕y(cè)量電路優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理全橋測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其變化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時(shí)，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(shí)驗(yàn)器材同實(shí)驗(yàn)一。實(shí)驗(yàn)步驟安裝傳感器，將差動(dòng)放大器調(diào)零，電橋部分如REF_Ref339107948\h圖3所示，其他與實(shí)驗(yàn)一同。圖SEQ圖\*ARABIC3全橋?qū)嶒?yàn)線路圖 接入電源，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器Rw1進(jìn)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(yīng)的數(shù)顯表值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如所示。表格SEQ表格\*ARABIC3全橋性能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2時(shí)，仍可組成全橋，但在電路處理時(shí)需注意偏移量的存在。某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測(cè)試時(shí)在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如REF_Ref339109873\h圖4所示，如何利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖SEQ圖\*ARABIC4應(yīng)變式傳感器受拉時(shí)傳感器圓周面展開圖 答：若按第一組應(yīng)變片的貼法，則在材料被拉時(shí)，應(yīng)變片的阻值都是增大的，若用這些電阻應(yīng)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(duì)邊，領(lǐng)取兩個(gè)阻值與未收拉力時(shí)應(yīng)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(yīng)變片的貼法，則在材料被拉時(shí)，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(duì)邊，R1和R2放于對(duì)邊即可?？偨Y(jié)與感想本實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)全橋電路有了深刻的了解，為我今后學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有著較大的幫助。實(shí)驗(yàn)四金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋容^單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)步驟 根據(jù)實(shí)驗(yàn)一、二、三所得的數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)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(jì)算其靈敏度和非線性度，并從理論上進(jìn)行論證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 為得到正確結(jié)果，故將實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三的輸出電壓均取絕對(duì)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(shí)驗(yàn)一、二、三的電壓/重量輸出曲線 由實(shí)驗(yàn)一、二、三的結(jié)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(jié)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(dāng)R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7時(shí)，在單臂電橋中，由于只有一個(gè)電阻為應(yīng)變片，即電橋中只有一個(gè)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(shí)，非線性在?R越大則非線性越嚴(yán)重，且靈敏度較小，為半橋時(shí)，其非線性度相對(duì)于單臂橋路有所改善；由于全橋的互補(bǔ)作用，其線性度為三種橋路中最優(yōu)，同時(shí)其靈敏度由于差動(dòng)作用增大了一倍。總結(jié)與感想本實(shí)驗(yàn)比較了單臂、半橋、全橋的性能，讓我對(duì)于三種橋路的優(yōu)缺點(diǎn)在比較中有了更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)我后續(xù)的學(xué)習(xí)將會(huì)有較大的幫助。實(shí)驗(yàn)五電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理利用平板電容C=εA/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇ε、A、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度(ε變)測(cè)微小位移(變d)和測(cè)量液位(變A)等多種電容傳感器。實(shí)驗(yàn)器材電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、相敏檢波、濾波模板、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?，將電容傳感器連線插入電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，?shí)驗(yàn)線路如REF_Ref339955342\h圖9所示。圖SEQ圖\*ARABIC9電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖 旋動(dòng)Rw旋鈕，使得數(shù)顯表最小，之后左右推進(jìn)，并每隔0.2mm記下位移x與輸出電壓值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)為傳感器在其中點(diǎn)位置并非絕對(duì)的0，這將使得結(jié)果產(chǎn)生一定的偏移，同時(shí)測(cè)量中數(shù)顯表精度不夠也可能引起測(cè)量誤差。觀察結(jié)果可知，此傳感器的靈