传感器实验1解析.docx
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传感器实验1解析.docx
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传感器实验1解析
传感器综合实验
班级:
测控1003
姓名:
李志鑫芦炼付中博
学号:
201002030309
201002030312
201002030303
指导老师:
仝卫国
实验日期:
2013.6.27
一、综合实验的目的与要求
1、培养学生理论联系实际,独立设计、应用传感器解决实际问题的能力;
2、掌握具体传感器的测量原理、特性分析及实际应用的方法;
3、熟悉传感器开发、设计及应用的具体过程。
要求:
根据选定的实验任务,查阅相关资料,完成两种传感器的综合实验;要求独立设计具体的实验内容和实验步骤,并达到试验任务书规定的要求。
二、实验设备:
1、CSY10型传感器系统试验仪一台;
2、示波器;
3、标定砝码10g、15g,20g若干;
4、称重物(一号电池一块与黑磁铁两块);
5、连接导线若干。
三实验原理
1,电涡流传感器
根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关,且切割不变化的磁场时无涡流),导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。
而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,在探头头部的线圈中产生交变的磁场。
当被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗),这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。
通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。
则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。
通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变,则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数,虽然它整个函数是一非线性的,其函数特征为“S”型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。
于此,通过前置器电子线路的处理,将线圈阻抗Z的变化,即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。
输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化,电涡流传感器
就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
2.电容式传感器
把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器(见图)。
若忽略边缘效应,平板电容器的电容为εA/δ,式中ε为极间介质的介电常数,A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。
δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化,并可用于测量。
因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。
极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
四、相敏检波器实验
1、实验目的
(1)、了解相敏检波电路的原理和应用。
(2)、学会分析移相器和低通滤波器对相敏检波的影响。
2、实验仪器。
移相器、相敏检波器、低通滤波器、音频震荡器、示波器、电压表
3、实验原理
开关相敏检波器原理图如图1所示,示意图如图2所示:
图1检波器原理图
图2检波器示意图
图1中Ui为输入信号端,AC为交流参考电压输入端,Uo为检波信号输出端,DC为直流参考电压输入端。
当AC、DC端输入控制电压信号时,通过差动电路的作用使
、
处于开或关的状态,从而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。
输入端信号与AC参考输入端信号频率相同,相位不同时,检波输出的波形也不相同。
当两者相位相同时,输出为正半周的全波信号,反之,输出为负半周的全波信号。
4、实验步骤
(1)、把音频输出电压(0°,180°)接至相敏检波器输入。
(2)、将直流稳压电源±2V档的输出电压(正、负均可)接至相敏的参考输入端。
(3)示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端,观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。
(4)改变DC端参考电压的极性,观察输入、输出波形的相位和幅值关系。
由以上可以得出结论:
当参考电压为正时,输入与输出反相,当参考电压为负时,输入与输出同相。
此电路的放大倍数为1倍。
(5)将音频振荡器180°输出信号送入移相器的输入端,移相器的输出端与相敏检波器的参考输入端④之间连接起来,相敏检波器的信号输入端与音频振荡器的180°输出口连接起来。
(6)用示波器两通道观察
、
的波形。
结论:
可以看出,“相敏检波器”中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波,使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
(7)将“相敏检波器”的输出端与“低通滤波器”的输入端连接,如图6-4(图6-3为低通滤波器的原理图),“低通滤波器”输出端接数字电压表20V档。
(8)示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端。
(9)适当调节音频振荡器的幅值旋钮和“移相器”相位“调节旋钮,观察示波器中波形变化和电压表电压值变化,然后将“相敏检波器”的输入端Ui改接至音频振荡器的0°输出端口,观察示波器和电压表的变化。
结论:
当“相敏检波器”的输入信号与开关信号同相时,输出为正极性的全波整流信号,电压表指示正极性方向最大值,反之,则输出负极性的全波整流波形,电压表指示负极性的最大值。
(10)调节移相器“相位调节”旋钮,使输入信号与参考信号同相,利用示波器和电压表,测出“相敏检波器”的输入Vp-p值与输出直流电压UO的关系。
(11)使输入信号Ui相位改变1800,得出Vp-p值与输出直流电压UO1的关系,并填入下表。
(12)当相敏检波器输入为直流时,输出方波,平均值为零。
(13)数据记录如下
图3低通滤波器原理图图4低通滤波器示意图
(14)实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
第一组(电涡流式传感器)
位移
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
电压
-0.49
-0.43
-0.37
-0.32
-0.27
-0.22
-0.18
-0.13
-0.09
-0.06
-0.02
位移
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
电压
0.02
0.05
0.08
0.11
0.14
0.16
0.19
0.22
0.24
0.26
0g-0.622
20g-0.52
电池-0.15
Y=-0.0529+0.3682X
20g对应位移-1.556电池对应位移-0.550g对应位移-1.834
电池质量:
92.30g
第二组(电涡流式传感器):
位移
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
电压
-0.48
-0.43
-0.38
-0.32
-0.27
-0.22
-0.17
-0.12
-0.08
-0.04
0
位移
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
电压
0.04
0.08
0.13
0.16
0.19
0.21
0.23
0.25
0.27
0.28
0g-0.622
20g-0.52
电池-0.15
Y=-0.0319+0.3921X
0g对应位移-1.667
20g对应位移-1.407
电池对应位移-0.464
电池质量:
92.53g
第三组(电涡流式传感器):
位移
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
电压
-0.48
-0.43
-0.38
-0.33
-0.28
-0.23
-0.18
-0.13
-0.08
-0.05
-0.01
位移
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
电压
0.03
0.05
0.08
0.11
0.14
0.16
0.19
0.22
0.25
0.26
0g-0.622
20g-0.52
电池-0.15
Y=-0.0519+0.3712X
0g对应位移-1.815
20g对应位移-1.537
电池对应位移-0.543
电池质量91.51g
电容传感器
重量
0
20
40
60
80
100
电压
0.06
0.12
0.18
0.24
0.3
0.36
电池
0.35
电池质量:
96.7g
六、误差分析
1、实验过程的人为误差(随机误差):
在实验过程中需要我们耐心的调整实验仪器才能得出准确的实验结果。
像做电涡流实验室要不断地旋转螺旋测微仪,但是又不能旋转过了,不能回旋,否则必然影响实验结果。
要耐心的等待数据稳定之后再记录数据。
像电容式传感器和霍尔传感器由于有回差、迟滞的存在,如果不等数据稳定就记录必然会产生误差。
2、实验仪器的误差(系统误差)
实验室的设备由于年复一年的使用,系统误差必然已经变化,跟标注的误差范围有了出入。
再者砝码标定是由于砝码本身就存在误差,再加上有效位数的不同导致的误差很难以消除,只能在实验中细心再细心尽量减少误差。
七实验总结
通过本次实验是我们对传感器的使用,原理等有了更深一层的了解。
传感器越是灵敏做实验的时候越是要仔细小心,因为一个很小的原因,就会对实验结果产生很大的影响。
同时,通过本次实验增强了我们对实验数据的处理能力,是我们懂得了如何在复杂的数据中,提炼到需要的信息。
实验中出现了一些意外情况,需要我们静下心来,正确合理的解决问题,从而得到一个满意的实验结果。
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