实验33 传感器原理及应用实验报告马.docx
- 文档编号:8577880
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:24
- 大小:739.32KB
实验33 传感器原理及应用实验报告马.docx
《实验33 传感器原理及应用实验报告马.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《实验33 传感器原理及应用实验报告马.docx(24页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
实验33传感器原理及应用实验报告马
传感器原理及应用
实验者:
马志洪,合作者:
王宇炜2010年5月12日
(中山大学理工学院,光信息科学与技术专业2008级3班,学号0*******)
【实验目的】
1.了解传感器的工作原理。
2,掌握声音、电压等传感器的使用方法。
3.用基于传感器的计算机数据采集系统研究电热丝的加热效率。
【实验仪器】
PASCO公司750传感器接口1台,温度传感器1只,电流传感器1只,电压传感器1只,声音传感器1只,功率放大器1台,电阻1只(1k
),电容1只(非电解电容,参数不限),二极管1只(非稳压二极管,参数不限),导线若干。
【安全注意事项】
1、插拔传感器的时候需沿轴向平稳插拔,禁止上下或左右摇动插头,否则易损坏750接口。
2、严禁将电流传感器(Currentsensor)两端口直接接到750接口或功率放大器的信号输出端,使用时必须串联300欧姆以上的电阻。
由于电流传感器的内阻很小,直接接信号输出端则电流很大,极易损坏。
3、测量二极管特性时必须串联电阻,因为二极管的正向导通电压小于1V,不串联电阻则电流很大,容易烧毁,也易损坏电流传感器。
【原理概述】
传感器(sensor或transducer)有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器,是指那些对被测的某一物理量、化学量或生物量的信息具有感受与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。
为了与现代电子技术结合在一起,通常都转换为电信号,特别是电压信号,从而将各种理化量的测量简化为统一的电压测量,易于进一步利用计算机实现各种理化量的自动测量、处理和自动控制。
现在,传感技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一,与信息技术、计算机技术并称为支撑整个现代信息产业的三大支柱。
有关传感器的研究也得到深入而广泛的关注,在中国期刊全文数据库中可检索到超过2万篇题目中包含“传感器”三字的论文。
因此,了解并掌握一些有关传感器的基本结构、工作原理及特性的知识是非常重要的。
1.传感器基本结构及分类
传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的,因此不同传感器的组成细节有较大差异。
但一般都由敏感元件、转换元件和其它辅助部件三部分组成,基本结构如图1所示。
按被测量的性质可分为物理量传感器、化学量传感器、和生物量传感器等。
若将物理量传感器进一步细分,还可分为力学传感器(如压力、转动、位置、速度、加速度、声音等),热学传感器(如温度、温差等),电传感器(如微电流、弱电压等),磁传感器(如霍尔传感器,磁通等),光传感器(如光功率、光谱等)。
按信号转换的机理来分,还可分为应变式、电容式、电感式、压电式、光导纤维式传感器等。
按输出信号的种类又可分为模拟式和数字式传感器等。
2.750接口及系列传感器
美国PASCO公司生产的综合物理组合实验仪是基于750数据接口和传感器的综合物理实验系统,可完成近60个基础物理实验项目。
其基本组成如图2所示,包括计算机、750数据接口、传感器、被测系统四大部分。
其中计算机上已安装了名为DataStudio的控制软件,该软件具有采集数据,控制实验设备,数据处理和结果输出等功能。
750接口外形如图3所示,后面板有9V电源插孔、电源开关、USB接口;前面板有四个数字接口、三个模拟接口、两个函数信号输出端口(其中一端口为接地端)。
3.基于750接口的计算机数据采集系统的使用方法
(1)将750接口背面的开关拨至off,插上电源。
用USB线将接口背面的插口与计算机相连,将开关拨至on的位置,这时750接口前面板上绿色的电源指示灯点亮。
(2)双击计算机桌面上的DataStudio图标,进入控制软件。
计算机自动检测到750接口,提示设备已准备好,可以进行实验了。
主控程序界面如图4所示。
(3)将要使用的传感器接入750接口的模拟或数字端口。
在传感器列表中选择相应的传感器图标,单击鼠标左键并将图标拖放至相应的端口。
这时,传感器的图标就显示在端口的附近,并通过一黑线与端口相连。
(4)双击传感器的图标,弹出传感器参数设置窗口,按实验具体要求更改参数后点击“确定”。
则数据采集系统设置完毕。
每种传感器的参数都不尽相同,设置前需查阅说明书。
(5)将传感器连接至被测实验系统中,点击Start按钮就可开始记录数据了。
并将数据通过图表的形式在屏幕上实时显示出来。
图3
4.电子元器件的伏安特性
电阻、电容、二极管等元器件是构成电子线路的一些基本单位。
在元件两端加上电压,测量流过元件的电流随电压的变化关系,就称为元件的伏安特性。
若所加电压为直流电压,则测量的是直流特性;相应地,如果电压为交流电压,则测出的相位、分压幅度等参数随频率的变化关系则称为交流特性。
认识并掌握上述元器件的交直流特性将为进一步深入学习电子线路打下一定的基础。
(a)(b)(c)(d)
图4电阻器元件的伏安特性
图5二极管的伏安特性曲线
【实验内容】
(一)第一周
1.熟悉SW750接口或SW500接口的使用方法,用电压传感器测量实验室内的电磁干扰
下面以SW750接口为例介绍实验步骤:
(1)打开计算机,接通SW750接口的电源。
(2)打开DataStudio控制软件,点击“实验-更改接口”,选择750接口。
(3)将电压传感器插入A、B或C任一个模拟通道(AnalogChannel)。
(4)在DataStudio软件界面中双击电压传感器图标或将其拖放到对应通道中,此时在SW750接口通道下应该出现传感器的图标,表示传感器可以使用了。
(5)点击“启动”开始采集数据,点击“停止”可结束数据采集。
(6)在显示子窗口中分别点击“表格”、“示波器”、“数字表”、“图表”、“仪表”、“直方图”等选项,观察在不同模式下被采集数据的显示效果。
(7)用“示波器”模式观察电磁干扰信号,观察用两手分别接触电压传感器两端前后信号的异同,并记录观察到的现象。
(8)停止采集数据,单击电压传感器图标,按“Del”键删除传感器,再将传感器从SW750接口中拔出,就可结束传感器的使用。
其他传感器的使用方法与此类似。
2.学习和掌握功率放大器的使用方法(使用SW500接口的该内容不做)
功率放大器实际上是一台程控信号发生器,可以输出正弦波、三角波、方波等信号。
依说明书操作。
3.观察传感器采集参数对测量结果的影响。
(1)用功率放大器输出f=10Hz、Vp=2V的三角波。
(使用SW500接口的采用函数信号发生器提供)
(2)用电压传感器观察被测信号。
改变电压传感器的实验参数,“采样率”分别取1Hz、10Hz、100Hz、1kHz,“灵敏度”分别取“低1×”、“中10×”等,观察参数改变前后信号波形的变化情况,并记录现象。
4.用声音传感器观测音叉、说话声、桌面震动等声音信号的波形,并观察和分析这些信号的频谱
(1)用声音传感器,在“图表”模式下观察音叉振动的信号。
(2)使用傅立叶变换“FFT”模式观察并分析音叉振动信号的频谱,记录音叉的固有振动频率。
(3)采用相同方法,观察并分析“用手敲击桌面”、“实验者说话”两种声音信号及其频谱。
记录振动频率最低的频率以及振动幅度最大的频率。
(二)第二周
1.测量电阻、二极管的直流伏安特性
采用电流传感器、电压传感器、功率放大器等设备。
自行设计和搭建电子元器件直流伏安特性测量电路。
并测量电阻、二极管的直流伏安特性。
2.测量RC串联电路的幅频特性
RC串联,保持功率放大器输出正弦电压Vpp=4V不变,测量并记录不同频率下电阻(高通滤波器)或电容(低通滤波器)两端电压的Vpp值。
作出Vpp随频率的变化关系曲线,就得到该电路的幅频特性。
【实验数据与分析】
第一周:
1.用电压传感器(示波器模式)观察室内的电磁干扰:
(电磁干扰无接触)
(b)
(图6手触摸前的电压图像)
(a)
(b)
(图7手触摸后的电压图像)
分析:
1.手触摸前,电压振幅很小,曲线比较平稳。
手触摸后,电压振幅变大,而且曲线出现锯齿状,不够之前平滑。
2.用不同电压和时间灵敏度测量,其电压图像的波动大小不同。
灵敏度越高,图像波动现象越明显。
3.实验说明人触摸时有电磁干扰,人对电压传感器的电磁干扰能被传感器感应并记录下来。
2.观察采样参数对测量结果的影响
用功率放大器输出f=10Hz、Vp=2V的三角波。
用电压传感器观察被测信号。
改变电压传感器的实验参数,“采样率”分别取1Hz、10Hz、100Hz、1kHz,“灵敏度”分别取“低1×”、“中10×”,记录情况如下:
(图8采样率为1Hz,灵敏度低1×的信号波形)
(图9采样率为1Hz,灵敏度中10×的信号波形)
(图10采样率为10Hz,灵敏度低1×的信号波形)
(图11采样率为10Hz,灵敏度中10×的信号波形)
(图13采样率为100Hz,灵敏度低1×的信号波形)
(图14采样率为100Hz,灵敏度中10×的信号波形)
(图15采样率为1000Hz,灵敏度低1×的信号波形)
(图16采样率为1000Hz,灵敏度中10×的信号波形)
分析:
1.采样率的影响:
由上面的图像可以看出,当采样率越高时,图像上的点就选取的越密集,这样就使读取的图像发生变化。
比如,本来输出的是三角波,但是由于采样率过低而显示出直线(如图8、9、10、11),随着采样率的变大,开始出现有些失真的三角波(如图12、13),当采样率再增大时,出现完整的三角波(如图14、15)。
2.灵敏度的影响:
灵敏度主要影响电压的幅值,如采样率为100Hz时,比较灵敏度分别为“低1×”“中10×”两图像电压的幅值,分别为1.7和1.0。
3.用声音传感器观测音叉、说话声等声音信号的波形,并观察和分析这些信号的频谱
(1)音叉振动的信号:
图17短音叉振动信号的图像
图18短音叉振动信号的频谱
分析:
可以得知短音叉在频率为1012Hz下振幅最大,所以固有频率为1012Hz。
图19中音叉振动信号的图像
图20中音叉振动信号的频谱
分析:
可以得知中音叉在频率为128Hz下振幅最大,所以固有频率为128Hz。
图20中音叉振动信号的频谱
图21长音叉振动信号的图像
图22长音叉振动信号的频谱
分析:
可以得知长音叉在频率为741Hz下振幅最大,所以固有频率为741Hz。
(2)实验者说话的信号
在“图表”模式下,我们拿这声音传感器,说了几声,然后记下图像,如下:
(图23实验者说话的信号图像)
(图24实验者说话的信号频谱)
分析:
由上图可知实验者说话声音振动幅度最大频率为533Hz,幅度最小频率为320Hz。
第二周:
1.测量电阻的伏安特性
(图25电阻伏安特性曲线的测量电路)
其中:
电阻标称值为500
,实验中没有用到功率放大器。
实验得到的伏安特性曲线图表:
(图26500欧电阻伏安特性拟合曲线)
分析:
由图可知电阻的伏安特性曲线是一条直线,电压与电流之间有线性关系。
由线性拟合得图象的斜率A=509±0.057E-5.故电阻的测量值为(509
0.057)
.
电阻的准确值为1000
,则相对误差为.。
误差在允许范围内。
2.测量二极管的伏安特性
(图27二极管伏安特性曲线的测量电路)
其中,电阻标称值为100
,实验中没有用到功率放大器。
实验时,加上振幅为3V,频率为50Hz的三角波。
(图28二极管伏安特性曲线)
分析:
由二极管伏安特性曲线可知,这个二极管的正向导通电压约为1.7V。
然而,普通二极管的正向导通电压一般为0.7V左右。
造成这种不同的可能原因是连接各个元件的接线盘中有一定的内阻,而且实验过程中有一些干扰。
由于测量的二极管非稳压二极管,所以其反向击穿电压不易测得,通常约为UR的一倍。
不易测量的原因应该是可提供的反响电压最大值偏小,未能达到二极管的反向击穿电压。
如果二极管反向击穿电压过小,即二极管外加电压超过UR是,二极管很可能因反向击穿而损坏。
3.测量RC串联电路的幅频特性
(图29电容幅频特性电路)(图30电阻幅频特性电路)
如图连接电路,保持功率放大器输出正弦电压Vpp=4V不变,改变信号频率,C、R两端电压如下:
电源频率f(Hz)
C的电压振幅(V)
R的电压振幅(V)
1
4.00
0.01
2
4.00
0.02
5
3.98
0.05
10
3.96
0.09
20
3.92
0.18
50
3.81
0.45
100
3.78
0.88
200
3.61
1.61
300
3.33
2.20
400
2.99
2.58
500
2.63
2.96
800
1.98
3.48
1000
1.66
3.64
1200
1.42
3.75
1500
1.15
3.81
1800
0.98
3.88
2000
0.86
3.91
5000
0.36
3.99
(表1RC串联电路的幅频特性电阻和电容两端的电压振幅)
用origin分别拟和两电压振幅可得RC串联电路的幅频特性曲线如下:
(图31电容的幅频特性曲线)
(图32电阻的幅频特性曲线)
(图33RC串联电路的电阻与电容的幅频特性曲线)
分析:
因为采点有限,所作的图不算精确。
但是已经基本上表现出RC串联电路的幅频特性。
由图可见当频率很低时,电容容抗很大,电源电压主要降落在电容上;当频率很高时,电容容抗随着频率升高而减少,电源电压主要降落在在电阻上。
【思考题】
1.电阻、电容、二极管三者的特性有何异同点?
答:
不同点:
结合上面的伏安特性曲线分析,电阻的伏安特性曲线为直线,因而电阻是线性元件,它两端的电压,电流满足欧姆定律U=IR。
从二极管的伏安特性曲线,可以得出二极管具有单向导通性。
当二极管两端加足够大的正向电压时,正向电流随电压从0按指数规律递增,如果两端加一定的反向电压时,二极管截止,如果反向电压过大会出现反向击穿。
电容的伏安特性曲线得出电容呈非线性,且两端的电压受频率影响。
相同点:
电阻,电容,二极管都是电路元件,在一定条件下能传导电流,元件两端有一定的电压,只是伏安特性存在一定的差异。
2.实验测得的伏安特性曲线比较粗,噪声和干扰比较大,能否在实验过程中减小或消除?
应如何处理?
答:
能。
可以多次测量,取曲线重叠的部分,把偏差较大的点剔除。
或者设计电路:
1)首先稳定输出电压;2)尽量少使用一些老化的元件3)并且减少运行周期。
由元件自身存在一定的不稳定因素和外界的干扰,所以在不同的电压周期内元件的伏安特性会产生微小的变动,导致测的伏安特性曲线不重合变得较粗。
3.测量二极管的伏安特性曲线时,为什么要串联一个电阻?
答:
这是因为发光二极管正向导通时的电阻很小,且这时二极管两端的电压也很小,所以当加一定电压在两端时电路中的电流就会过大,有可能会烧坏电流传感器。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 实验33 传感器原理及应用实验报告马 实验 33 传感器 原理 应用 报告