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信号与测试实验2

信号与测试实验二

一、温度传感器实验

1.实验目的

了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；

掌握热电偶的冷端补偿原理；

掌握热电偶的标定过程；

了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。

2.实验仪器

温度传感器实验模块

热电偶（K型、E型）

CSY2001B型传感器系统综合实验台（以下简称主机）

温控电加热炉

连接电缆

万用表：

VC9804A，附表笔及测温探头

万用表：

VC9806，附表笔

3.实验原理

（1）热电偶测温原理

由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。

（2）热电偶标定

以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶，被校热电偶热电势与标准热电偶热电势的误差为

式中：

——被校热电偶（E型）在标定点温度下测得的热电势平均值

——标准热电偶（K型）在标定点温度下测得的热电势平均值

——标准热电偶分度表上标定温度的热电势值

——被校热电偶标定温度下分度表上的热电势值

——标准热电偶的微分热电势

（3）热电偶冷端补偿

热电偶冷端温度不为0℃时，需对所测热电势值进行修正，修正公式为：

E（T，To）=E（T,t1）+E（T1,T0）

即：

实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势

（4）铂热电阻

铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）

式中：

RT——铂热电阻T℃时的电阻值

RO——铂热电阻在0℃时的电阻值

A——系数（=3.96847×10-31/℃）

B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）

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。

4.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。

5.实验数据及处理

原始数据：

给定温度/℃

100

冷端温度/℃

K型温度

热电势/mv

0.6

1.0

1.4

1.9

2.3

2.7

3.1

冷端补偿电势/mv

0.838

实际电动势/mv

1.438

1.838

2.238

2.738

3.138

3.538

3.938

测量温度/℃

E型温度

热电势/mv

1.0

1.5

2.0

2.9

3.5

4.0

4.7

冷端补偿电势/mv

1.252

实际电动势/mv

2.252

2.752

3.252

4.152

4.752

5.252

5.952

测量温度/℃

铂热电阻输出电压/v

0.231

0.302

0.365

0.445

0.560

0.630

0.710

PN结温敏二极管输出电压/mv

67.5

99.8

132.1

167.0

174.8

238

272

半导体热敏电阻输出电压/v

1.477

1.366

1.223

1.180

1.069

0.977

0.908

集成温度传感器输出电压/mv

82.1

93.3

103.4

136.2

165

185.1

205

数据处理及分析：

1、热电偶测温：

E型热电偶的标定：

e校测

2.252

2.752

3.252

4.152

4.752

5.252

5.952

e标测

1.438

1.838

2.238

2.738

3.138

3.538

3.938

e校分

2.171

2.732

3.364

4.134

4.786

5.380

6.048

e标分

1.366

1.817

2.229

2.726

3.141

3.515

3.930

∆e

-0,009

-0.001

-0.121

-0.006

-0.031

-0.151

-0.104

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

铂热电阻是最佳的热电阻，其物理，化学性能非常稳定，在很宽的温度范围内（1200摄氏度以下）都能保持它的特性。

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、测试系统静态特性校准实验

1.实验目的

1.1掌握压力传感器的原理

1.2掌握压力测量系统的组成

1.3掌握压力传感器静态校准实验和静态校准数据处理的一般方法

2.实验仪器

本实验系统由活塞式压力计，硅压阻式压力传感器，信号调理电路，4位半数字电压表，直流稳压电源盒采样电阻组成。

图1为实验系统方框图，图2为实验电路接线图。

2.实验原理

在实验中，活塞式压力计作为基准器，为压力传感器提供标准压力0~0.6MPa。

信号调理器为压力传感器提供恒流电源，并将压力传感器输出的电压信号放大并转换为电流信号。

信号调理器输出为二线制，4‐20mA信号在250欧采样电阻上转换为1‐5V电压信号，由4位半数字电压表读出。

3.实验步骤

（1）用调整螺钉和水平仪将活塞压力计调至水平。

（2）核对砝码重量及个数，注意轻拿轻放。

（3）将活塞压力计的油杯针阀打开，逆时针转动手轮向手摇泵内抽油，抽满后，将油杯针阀关闭（严谨未打开油杯针阀时，用手轮抽油，以防破坏传感器）。

（4）加载砝码至满量程，转动手轮使测量杆标记对齐，再卸压。

反复1‐2次，以消除压力传感器内部的迟滞。

（5）卸压后，重复步骤（3），并在油杯关闭前记录传感器的零点输出电压，记为正行程零点。

（6）按0.05MPa的间隔，逐级给传感器加载至满量程，每加载一次，转动手轮使测量杆上的标记对齐，在电压表上读出每次加载的电压值。

（7）加载至满量程后，用手指轻轻按一下砝码中心点，施加一小扰动，稍后记录该电压值，记为反行程的满量程值。

此后逐级卸载，每卸载一次需要用手轮保证测量杆上的标记对齐，然后从电压表上读出相应的电压值。

（8）卸载完毕，将油杯针阀打开，记录反行程零点，一次循环测量结束。

（9）稍停1‐2分钟，开始第二次循环，从步骤（5）开始操作，共进行3次循环。

5.实验数据及处理

原始数据

压力：

P（MPa）

压力变送器的输出电压（V）

第一循环

第二循环

第三循环

正循环

1.0179

1.0177

1.0176

0.05

1.3331

1.3354

1.3339

0.1

1.6447

1.6451

1.6454

0.15

1.9495

1.9487

1.9485

0.2

2.262

2.261

2.26

0.25

2.575

2.571

0.3

2.885

2.888

2.884

0.35

3.22

3.196

3.197

0.4

3.551

3.518

3.51

0.45

3.86

3.863

3.84

0.5

4.147

4.148

4.145

反循环

0.5

4.145

4.147

4.144

0.45

3.808

3.807

3.835

0.4

3.505

3.506

3.501

0.35

3.195

3.196

3.195

0.3

2.883

2.881

2.88

0.25

2.571

2.569

0.2

2.26

2.256

0.15

1.949

1.944

1.9408

0.1

1.645

1.6392

0.05

1.3336

1.332

1.3332

1.0176

1.0173

1.0174

5、计算传感器各项静态性能指标

（1）校准曲线（传感器实际特性的数学期望）的确定

压力P/（Mpa）

正行程平均值

反行程平均值

总平均值

1.0177

1.0174

1.0176

0.05

1.3341

1.3329

1.3335

0.1

1.6451

1.6431

1.6441

0.15

1.9489

1.9446

1.9468

0.2

2.261

2.2587

2.2598

0.25

2.5737

2.5703

2.5720

0.3

2.8857

2.8813

2.8835

0.35

3.2043

3.1953

3.1998

0.4

3.5263

3.504

3.5152

0.45

3.8543

3.8176

3.8355

0.5

4.1467

4.1453

4.1460

所有输出平均校准曲线与拟合一阶线性直线如下

（2）最小二乘线性度

首先由最小二乘法计算a,b值

所以a=1.0143，b=6.2533

（3）非线性度

：

1.0143

1.0176

0.0033

0.05

1.3270

1.3335

0.0066

0.1

1.6396

1.6441

0.0044

0.15

1.9523

1.9468

0.0055

0.2

2.2650

2.2598

0.0051

0.25

2.5776

2.5720

0.0056

0.3

2.8903

2.8835

0.0068

0.35

3.2030

3.1998

0.0031

0.4

3.5156

3.5152

0.0005

0.45

3.8283

3.8355

0.0072

0.5

4.1410

4.1460

0.0050

所以

（4）、迟滞误差

：

压力

/Mpa

正行程平均值

反行程平均值

1.0177

1.0174

0.0003

0.05

1.3341

1.3329

0.0012

0.1

1.6451

1.6431

0.002

0.15

1.9489

1.9446

0.0043

0.2

2.261

2.2587

0.0023

0.25

2.5737

2.5703

0.0034

0.3

2.8857

2.8813

0.0044

0.35

3.2043

3.1953

0.009

0.4

3.5263

3.504

0.0223

0.45

3.8543

3.8176

0.0367

0.5

4.1467

4.1453

0.0014

（5）、重复性

1）采用极差法计算：

0.0003

0.0001

0.000208

0.0001

0.0023

0.0007

0.001594

0.0005

0.0007

0.0002

0.000485

0.0001

0.001

0.0003

0.000693

0.0002

0.002

0.0006

0.001387

0.0004

0.004

0.0012

0.002773

0.0009

0.004

0.0012

0.002773

0.0009

0.024

0.0074

0.016638

0.0051

0.041

0.0126

0.028423

0.0087

0.023

0.0071

0.015945

0.0049

0.003

0.0009

0.00208

0.0006

重复性为

2）采用贝塞尔公式计算：

计算与之类似。

0.00002

0.00008

0.00010

0.00004

0.00005

0.00002

0.00003

0.00004

0.00019

0.00014

0.00064

0.00034

0.00117

0.00126

0.00005

0.00006

重复性为

（6）、总精度

6．实验总结

通过这次实验，我对各种系统静态特性测试方法有了理解，基本认识了压力传感器系统的组成，在数据处理时，对excel的各种函数有了实际应用经验，收获颇丰。

三、金属箔式应变计实验

1.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

2.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）。

3.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：

åD

（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。

4.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。

5.实验数据及处理

原始数据：

W（克）

100

120

140

160

180

V1增（mV）

-0.02

-8.3

-16.3

-24.7

-32.9

-41.2

-49.7

-57.9

-65.6

-74.8

V1减

（mV）

0.4

-7.7

-16.2

-24.9

-33.3

-41.8

-49.9

-58.1

-66.5

-74.8

V1增（mV）

-0.01

-8.4

-16.4

-24.5

-32.8

-41.0

-49.4

-57.7

-65.4

-74.9

V1减

（mV）

0.5

-7.7

-16.6

-24.8

-33.1

-41.6

-49.9

-58.2

-66.4

-74.6

V1增（mV）

-0.02

-8.3

-16.3

-24.7

-32.9

-41.2

-49.7

-57.9

-65.6

-74.8

V1减

（mV）

0.4

-7.7

-16.2

-24.9

-33.3

-41.8

-49.9

-58.1

-66.5

-74.8

数据处理及分析：

由数据得：

温度补偿：

未补偿：

加热前

温度稳定后

温度（℃）

电压（mV）

0.3

2310

温漂:

△V/△T=（2310-0.3）/（54-24）=76.99mV/℃

补偿后：

加热前

温度稳定后

温度（℃）

电压（mV）

0.1

836

温漂:

△V/△T=（836-0.1）/（54-24）=27.86mV/℃

通过比较可知，再加入温度补偿后，输出电压的温漂明显减小。

这是由于桥臂2的温度补偿片与应变片1处于相同温度下，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。

四、霍尔传感器实验

1.实验目的

（1）学习霍尔传感器的测量位移的原理

（2）掌握霍尔传感器信号调理电路的设计原理及调试方法

2.实验仪器

霍尔传感器、主机直流稳压电源（2V）、主机实验电源（±12V）、霍尔传感器实验模块、电压表、螺旋测微仪、DG1011信号源

3.实验原理

霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组

成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。

霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场

位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。

5.实验步骤

（1）观察霍尔传感器实验模块上的梯度磁场、霍尔传感器及传感器的安装方式及接线方式。

（2）将三芯电缆供电线一端与霍尔传感器实验模块电源相连，另一端与主机实验电源（±12V）。

（3）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“差放调零”电位器不能再变动。

（4）将DG1011信号源设置为直流输出，输出电压为100mV，信号源输出红线端接差动放大器的“+”输入端，黑线端接差动放大器的“-”输入端，用万用表

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