北航信号与测试实验报告2文档格式.docx
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将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。
（5）PN结温敏二极管
半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结特性表达公式可知，当可知,当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结正向压降就下降2mv，利用PN结的这一特性可以测得温度的变化。
（6）热敏电阻
热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。
它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。
（7）集成温度传感器
用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1μA/K的恒定比值.输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接显示℃温度值。
四、实验步骤：
（1）观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理（见附1）。
（2）温控电加热炉电源插头插入主机“220V加热电源出”插座；
热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，（注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶）；
（3）连接主机的“实验模块电源”至温度传感器实验模块电源插座（在后侧板）。
（4）VC9806型万用表置200mv档，当主机的“热电偶转换”开关倒向“温控”时，测E分度热电偶的热电势；
当主机的“热电偶转换”开关倒向“测试”时，测K分度热电偶的热电势。
记
录电炉温度与热电势的关系。
（5）打开主机“电源开关”，“测试设定”开关倒向“设定”，调节“设定调节”旋钮，将温度设定在40℃。
“加热炉”置“开”，“加热”指示灯亮，温控电加热炉加热；
加热炉到达设定温度后，“加热”指示灯灭，“关闭”指示灯亮，温控炉在设定温度保温。
（6）将“测试设定”开关倒向“测量”，用VC9806型万用表分别测量K型和E型热电偶的热电势。
（7）用VC9804型万用表测量冷端温度。
（将温度探头连接在万用表的“TEMP”插座，万用表置于“℃”档）
（8）按照步骤（5），分别将温度设定在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，重复（6）~（7）步，记录测量数据。
（9）按照步骤（5），分别将温度设定在100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃，重复（6）~（7）步，记录测量数据.
（10）重复（5）~（9）步2次。
（11）其他热敏电阻步骤同上。
五、实验数据及处理:
原始数据：
给定温度/℃
40
50
60
70
80
90
100
冷端温度/℃
24
K型温度
热电势/mv
0.4
0.9
1.3
1.7
2.1
2.5
2.9
冷端补偿电势/mv
0.96
实际电动势/mv
1.36
1.86
2.26
2.66
3.06
3.46
3.86
测量温度/℃
39
48
59
69
78
88
99
E型温度
0.7
1.9
2.6
3.2
3.9
4.5
1.434
2.134
2.734
3.334
4.034
4.634
5.334
5.934
铂热电阻输出电压/mv
PN结温敏二极管输出电压/v
0.262
0.334
0.386
0.478
0.605
0.685
0.795
半导体热敏电阻输出电压/v
1.585
1.334
1.189
0.960
0.746
0.633
0.504
集成温度传感器输出电压/mv
0.326
0.360
0.382
0.434
0.493
0.533
0.584
数据处理及分析：
1、热电偶测温：
E型热电偶的标定：
e校测
e标测
e校分
2.357
2.921
3.619
4.264
4.832
5.513
6.250
e标分
1.570
1.940
2.394
2.809
3.183
3.598
4.054
∆e
-0.013
-0.107
-0.151
-0.081
-0.075
-0.041
-0.122
热电偶测温电压——温度曲线：
从图中可以看出，经过标定后E型热电偶相比标定前测量更准确，但由于仪器本身原因测量温度与实际温度相差较大，导致E型热电偶测温不准确，与K型热电偶相比差距较大。
结合参考资料，我们可以知道热电偶测温方法测温范围较宽，一般为-50至1600℃，热电偶构造简单，使用方便，而且具有较高的准确度。
从图像中看出经过温度补偿后，热电偶两段电势与测量温度基本呈线性关系，而且热电势随温度变化情况较明显，灵敏度高。
2、铂热电阻：
由于实验设备中铂热电阻有故障，所以没有得到正确的实验数据。
3、PN结温敏二极管
由于PN结的正向电压与温度间存在良好的线性关系，广泛用于1至400K范围的温度测量。
其灵敏度约为-2mV/℃。
4、半导体热敏电阻
半导体热敏电阻由于其非线性，测温范围较小，常用于小范围较高精度的测量。
但其灵敏度较高，电阻温度系数一般为-4.75%/℃。
5、集成温度传感器
集成温度传感器典型工作温度范围是-50至+150℃。
与分立元件温度传感器相比，其最大优点为小型化、使用方便和成本低廉。
二、金属箔式应变计实验
一、实验目的
（1）了解箔式应变片的结构及粘贴方式
（2）掌握使用电桥电路对应变片进行信号调理的原理和方法
（3）掌握使用应变片设计电子秤的原理
（4）掌握应变片的温补原理和方法
二、实验原理
（1）应变片测量原理
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路，即可将电阻变化转换成电信号输出。
（2）应变电桥原理
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，；
当二个应变片组成差动状态工作，则有；
用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，则有。
（3）称重原理
本实验选用的是标准商用双孔悬臂梁式称重传感器，灵敏度高，性能稳定，四个特性相同的应变片贴在如图1所示位置，弹性体的结构决定了R1和R3、R2和R4的受力方向分别相同，因此将它们串接就形成差动电桥。
（弹性体中间上下两片为温度补偿片）
当弹性体受力时，根据电桥的加减特性其输出电压为：
（4）温补原理
当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。
为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。
本实验中采用的是电桥补偿法。
三、实验仪器
主机提供可调直流稳压电源（±
4V、±
12V），应变式传感器实验模块，双孔悬臂梁称重传感器，称重砝码（20克/个），数字万用表（可测温）。
四、实验步骤
（1）观察称重传感器弹性体结构及传感器粘贴位置，将三芯电缆供电线一端与应变式传感器实验模块相连，另一端与主机实验电源相连。
（2）将差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器的“+”“-”输入端接地。
输出端接电压表200mV档。
开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
（3）按图3将所需实验部件连接成测试桥路（全桥接法），图中R1、R2、R3和R均为应变计（可任选双孔悬臂梁上的一个应变片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。
（±
4V采用主机电源上的+V0和-V0）。
（4）开启微机电源，调节电桥WD调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。
（5）逐一将砝码放上传感器称重平台（共9个砝码），调节增益电位器，使VOUT端输出电压与所称重量成一比例关系，记录W（克）与V（mV）的对应值，并将数据填入表1和表2中（按静态标定步骤进行正反三次循环）。
（6）做出V-W曲线。
（7）用可测温度的万用表测出环境温度大小，并记录。
（8）开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（加热器加热温度约高于环境温度30℃），记录VOUT端输出电压值，用可测温度的万用表测出孔悬臂梁上的温度，并求出大致的温飘△V/△T，然后关闭加热电源，待其冷却。
（9）将图3中电阻R2换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整系统输出为零。
（10）开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，并求出温漂，然后与未进行补偿时的电路进行比较，用文字说明比较的结果。
五实验数据及处理
W（克）
20
120
140
160
180
V1增（mV）
-47
-96
-144
-193
-241
-290
-338
-387
-435
V1减
（mV）
-2
-50
-99
-147
-196
-244
-293
-341
-289
-48
-95
-143
-192
-240
-288
-337
-1
-98
-195
-292
-340
-388
-453
由数据得：
作回归分析可知：
回归特性曲线为：
其线性度为r=0.9977。
由此可知应变式传感器的线性度较好。
作
由上图可知，正行程平均校正曲线与反行程平均校正曲线基本重合，其迟滞误差很小。
关于温度补偿：
未加补偿：
加热前
温度稳定后
温度（℃）
0.0
电压（mV）
43
+10.33mv
温漂为
加补偿应变片：
25
0.1
44
+6.33mV
通过上述数据可知,通过温度补偿后的温漂有明显下降.这是由于桥臂2的温度补偿片与应变片1处于相同的温度下,当温度变化时,两者产生相等的温漂电压变化,这两个变化的电压值通过电桥连接而抵消,故输出电压温漂减小。
三、电涡流传感器实验
了解电涡流传感器的原理；
了解不同被测材料对电涡流传感器的影响；
二、实验仪器
电涡流传感器实验模块
示波器：
DS5062CE
微机电源：
WD990型，
VC9804A型
电源连接电缆
螺旋测微仪
三、实验原理
电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上会感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属电涡流片的电阻率，导磁率，厚度以及线圈的距离X有关，当平面线圈，被测体（涡流片），激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
1.用电源电缆连接电源和电涡流式传感器实验模块（插孔在后侧板），其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地；
2.安装电涡流线圈与涡流片（铁片，黑色），两者必须保持平行；
电涡流探头插入变换器插孔；
安装好测微仪，涡流变换器输出端Vout接电压表20V档。
3.打开微机电源，用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压为零（如不为零可是当改变支架中的线圈角度），然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，从电压表有读数时每隔0.2mm记录一个电压值，将V，X数值填入表1，作出V-X曲线。
五、实验数据
铁片：
X/mm
0.42
0.62
0.82
1.02
1.22
1.42
1.62
1.82
2.02
2.22
Vo/V
-0.34
-0.59
-0.80
-1.02
-1.24
-1.44
-1.63
-1.82
-1.99
2.42
2.62
2.82
3.02
3.22
3.42
3.62
3.82
4.02
4.22
-2.18
-2.36
-2.52
-2.68
-2.82
-2.96
-3.10
-3.22
-3.34
-3.44
铜片：
-2.60
-3.03
-3.37
-3.52
-3.66
-3.78
-3.89
-3.98
-4.07
-4.15
-4.22
-4.29
-4.34
-4.40
-4.45
-4.49
-4.53
铝片：
-2.45
-2.70
-2.93
-3.12
-3.31
-3.48
-3.62
-3.75
-3.87
-3.97
-4.06
-4.35
-4.57
六、实验分析
根据数据绘制距离与时间的关系曲线如图：
从上三图可以看出，对铁片的距离测量曲线的线性程度最高。
四、光纤光电传感实验
一、实验目的
1.了解光纤传感器原理及位移测量的原理；
2.了解光敏电阻和光电开关的工作原理及应用。
二、实验仪器
光纤光电传感器实验模块，示波器：
DS5062CE，微机电源：
WD990型，±
12V，万用表：
VC9804A型，电源连接电缆，螺旋测微仪
三、实验原理
1.光敏电阻
由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。
不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。
由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。
图1光敏电阻应用电路示意图2光敏电阻图
2.红外发光管与光敏三极管
光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。
与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图3形式，就形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。
图3透过型光断续器结构
3.光纤传感器
反射式光纤传感器工作原理如图4所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。
四、实验步骤
（一）光敏电阻实验
（1）观察光敏电阻，分别将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测量其亮电阻和暗电阻，暗电阻和亮电阻之差为光电阻值。
记录亮电阻和暗电阻。
在给定工作电压下，通过亮电阻和暗电阻的电流为亮电流和暗电流，其差为光敏电阻的光电流。
光电流越大，灵敏度越高。
（2）在光纤光电传感器实验模块上，将光敏电阻接入暗灯控制电路的输入端插座。
（3）连接微机电源和光纤光电传感器电源接口，其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地，切记勿接错！
（4）暗灯控制电路输出端V0ut接万用表和示波器；
万用表置电压档；
打开电源开关和示波器、万用表开关。
（5）改变光敏电阻的光照程度，观察示波器、万用表的变化，记录变化现象；
调节“光电阻暗灯控制”旋钮，观察不同光照强度下输出电压的变化情况，记录变化现象。
（二）光电开关
（1）观察光电开关结构：
传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3μm左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。
图4反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线
（2）连接光断续器与光断续器的插孔（R、G、B分别连接红线、绿线、黑线）连接电源与光纤光电传感器实验模块的电源接口，示波器接光断续器的变换器输出端Vout。
（3）打开电源，用手转动旋转电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。
（4）调节“电机转速控制”旋钮，调节转速，在示波器上观察Vout端连续方波信号输出，记录方波信号的特性（周期、频率等），计算旋转电机转速（最后以转/分为单位）。
转速测量公式为：
转速=频率示值÷
2
（5）记录几个不同转速的方波图形，求出电机转度，写入实验报告中。
（三）光纤传感器
（1）观察光纤结构：
本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
（2）电源与光纤光电传感器实验模块电源接口；
连接光纤探头至光纤位移传感器的“光纤探头接入”插孔；
光纤探头装到光纤探头安装支架上，探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装到支架上，以带动反射镜片位移。
（3）打开电源开关，光纤位移传感器变换器的Vout端接电压表，适当调节“光纤变换增益”旋钮及光线探头和螺旋测微仪的位置，使当最大电压处不饱和。
（4）首先旋动测微仪使其刻度为0，调节探头紧贴反射镜片（如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时Vout≈0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值，直到无法记录数据为止。
将数据填入表1。
（5）根据表格所列结果，作出电压-位移曲线，指出线性工作范围。
观察光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，通常测量用的是线性较好的前坡范围。
五、数据处理
（1）写出光敏电阻的实验现象并进行分析；
现象：
将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测量其亮电阻为2.10kΩ，暗电阻为66.0kΩ。
当光敏电阻的光照程度较强时，LED灯不亮，万用表输出电压U1=0.11V;
当光敏电阻的光照程度较弱时，LED灯亮，万用表输出电压U2=2.03V，光照程度变化时，示波器波形有跳变。
顺时钟调节“光电阻暗灯控制”旋钮，万用表输出电压从0.11V突然增加为2.03V。
分析：
（2）对于光纤位移传感器，分析测量数据，作出电压-位移曲线，拟合出电压-位移表达式；
表1光纤传感器测量数据
位移/mm
0.2
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
电压Vp-p
0.10
0.19
1.15
2.25
3.32
4.08
4.60
4.91
5.02
1.8
2.0
2.2
2.4
2.8
3.0
3.4
5.03
4.95
4.80
4.62
4.43
3.98
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