国开电大传感器与测试技术实验报告.docx
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国开电大传感器与测试技术实验报告
实验成绩（20%，需要教师批阅
实验成绩
5次实验分别为：
实验1：
温度测量：
热电阻、热电偶、集成温度传感器；
实验2：
位移测量:
电容式位移测量、电感式位移测量、光电式位移测量；
实验3：
流量测量；
实验4：
基于CMOS图像传感器的图像测量；
实验5：
虚拟仪器实验。
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR/R=Kε
式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
三、实验器材
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤
实验中用到的应变传感器实验模板连接图如图1应变式传感器单臂电桥实验连接图图1所示。
图1应变式传感器单臂电桥实验连接图
安装传感器，将IC1和IC2的同相端接地后，调节Rw4使得数显表显示为0后（即将差动放大器调0），再将电路的电桥部分按图中所示接入电路后，调节Rw1，使数显表为0。
然后在电子称上放置砝码读取数显表的数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。
五、实验结果与分析
实验结果如表格1所示。
表格1单臂电桥性能实验数据记录表
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
4.6
8.8
14.2
18.8
23.6
28.5
33.3
37.7
42.5
47.3
由以上实验结果知：
平均电压变化量：
∆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
平均重量变化量：
∆W=20g
系统灵敏度：
S1=∆u/∆W=0.2386mv/g
线性误差：
=≈0.67%-
六、思考题
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片的选用时正、负应变片均可使用，换成负应变片时，所得的电压值为负值，需做一定的变换后方能比较直观。
七、总结与感想
本次实验让我了解了应变片的以及单臂电桥的工作原理，并对单臂电桥的性能有了一个定量的了解，这对后续学习将会有较大帮助。
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
二、实验原理
不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。
三、实验器材
同实验一。
四、实验步骤
同实验一，将差动放大器调0，电桥部分如图2所示，其他与实验一同。
图2半桥实验接线图
接入电源，调节调零电位器Rw1进行桥路调零，然后在电子称上放置砝码读取数显表的数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。
五、实验结果与分析
实验结果如表格2所示。
表格2半桥性能实验数据记录表
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
-9.0
-18.5
-28.1
-37.2
-46.6
-56.3
-65.2
-75.1
-84.4
-95.4
由以上实验结果知：
输出电压变化量的平均值：
∆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
平均重量变化量：
∆W=20g
系统灵敏度：
S2=∆u/∆W=-0.474mv/g。
非线性误差：
≈0.59%。
六、思考题
1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在邻边，因为这样可以保证电桥输出电压值达到最大，若在对边，则得到的输出电压值最小。
2、桥路测量时存在非线性误差，是因为应变片应变效应是非线性的，其中单臂桥路的非线性还与其测量方法有关。
七、总结与感想
本实验让我对半桥电路有了较为深刻的了解，与实验一的单臂电桥相比起线性误差减小了。
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路优点。
二、实验原理
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对
边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：
R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
三、实验器材
同实验一。
四、实验步骤
安装传感器，将差动放大器调零，电桥部分如图3所示，其他与实验一同。
图3全桥实验线路图
接入电源，调节调零电位器Rw1进行桥路调零，然后在电子称上放置砝码读取数显表的数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。
五、实验结果与分析
实验结果如所示。
表格3全桥性能实验数据记录表
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
-19.0
-37.8
-56.8
-75.4
-94.1
-113.0
-131.9
-151.0
-169.8
-190.9
由以上实验结果知：
输出电压变化量的平均值：
∆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
平均重量变化量：
∆W=20g
系统灵敏度：
S3=∆u/∆W=-0.947mv/g。
非线性误差：
≈0.154%。
六、思考题
1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，仍可组成全桥，但在电路处理时需注意偏移量的存在。
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图4所示，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图4应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图
答：
若按第一组应变片的贴法，则在材料被拉时，应变片的阻值都是增大的，若用这些电阻应变片组成电桥，则需要外加电阻组成电桥，选取R2和R3作为电桥的对边，领取两个阻值与未收拉力时应变片阻值相等的电阻作为另外两边组成电桥；若按第二组应变片的贴法，则在材料被拉时，R1和R2的阻值减小，R3、R4的阻值增大，则无需外加电阻即可组成电桥，即将R3和R4放于对边，R1和R2放于对边即可。
七、总结与感想
本实验让我对全桥电路有了深刻的了解，为我今后学习传感器的应用将会有着较大的帮助。
实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目的
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
二、实验步骤
根据实验一、二、三所得的数据，在同一坐标系中分别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度，并从理论上进行论证
三、实验结果与分析
为得到正确结果，故将实验一、实验二和实验三的输出电压均取绝对值，并用matlab画出曲线得到如图5所示的曲线图。
图5实验一、二、三的电压/重量输出曲线
由实验一、二、三的结果分析知：
系统灵敏度：
|S1|=∆u/∆W=0.2386mv/g，|S2|=∆u/∆W=0.474mv/g，|S3|=∆u/∆W=0.947mv/g
非线性度：
≈0.67%-，
≈0.59%，
≈0.154%。
由以上结果知单臂电桥的灵敏度和线性度均为最低，而全桥电路的灵敏度和线性度均为最高。
理论分析：
当R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7时，在单臂电桥中，由于只有一个电阻为应变片，即电桥中只有一个变量，其输出由
决定；半桥中，输出由
决定；全桥中，输出由
决定。
故有在单臂时，非线性在∆R越大则非线性越严重，且灵敏度较小，为半桥时，其非线性度相对于单臂桥路有所改善；由于全桥的互补作用，其线性度为三种桥路中最优，同时其灵敏度由于差动作用增大了一倍。
四、总结与感想
本实验比较了单臂、半桥、全桥的性能，让我对于三种桥路的优缺点在比较中有了更深的认识，对我后续的学习将会有较大的帮助。
实验六直流全桥的应用——电子秤实验
一、实验目的
了解应变片直流全桥的应用电路的标定。
二、实验原理
电子秤实验原理为实验三全桥测量原理，通过对电路调节
使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。
三、实验器材
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、±15V电源、±4V电源。
四、实验步骤
按实验一中的步骤将差动放大器调零，同实验三一样接成全桥形式，接入电源并调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示为0v，然后将10只砝码全部置于传感器托盘上，调节电位器Rw3使数显表显示为200mv，之后拿去所有砝码，调节Rw4，使数显表显示为0.v，最后把砝码依次放在托盘上，记录数据。
五、实验结果与分析
实验结果如所示。
表格4全桥性能实验数据记录表
重量（g）
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
电压（mv）
-200
-179
-160
-139
-119
-100
-80
-60
-39
-19
由以上数据有:
其绝对误差的平均值为：
（0+1+0+1+1+0+0+0+1+1）/10=0.5g
非线性度：
=0.25%。
分析产生误差的原因有传感器测量时数显表的精度引起测量误差，砝码的质量不是完全的精准也将导致测量误差。
六、总结与感想
本实验让我了解了电子称的标度过程，使得我在今后面对应用时能够据此有所联系，并最终将理论知识应用到实际作品当中，对我帮助将会很大。
实验十差动变压器的性能实验
一、实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、实验原理
差动变压器同一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。
当传
感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
三、实验器材
差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器，音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。
四、实验步骤
实验装置及其安装示意图如图6、图7所示。
图6差动变压器电容传感器安装示意图
图7双线示波与差动变压器连结示意图
按图7所示在模块上连线，从主控箱中的Lv端输出音频振荡器信号，调节音频振荡器的频率，输出频率为4~5KHz。
调节幅度使输出幅度为峰峰值v（p-p）=2v。
之后旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰峰值最小，然后旋动测微头，使其左右移动，并每隔0.2mm从示波器上读出输出电压V（p-p）值。
五、实验结果与分析
本实验输入信号未V（p-p）=2V，频率为4.5KHz的音频。
实验结果如表格5所示。
表格5差动变压器位移与输出电压数据记录表
X（mm）
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
V（mv）
73.2
61.2
49.2
37.2
25.2
12.6
0.88
12.5
24.4
37.2
48.8
61.6
73.6
由实验结果知其零点残余电压为0.88mv。
其差动变压器位移值与输出电压的关系曲线如图8所示。
图8差动变压器位移值与输出电压的关系曲线
其量程为±1mm和±3mm时，灵敏度为：
（48.8-12.5+61.6-24.4+73.6-37.2）/3/（0.8-0.2）≈61.06mv/mm
量程为±1mm时，非线性误差为：
[（61.06*0.2+0.88-12.5）+（61.06*0.4+0.88-24.4）+（61.06*0.6+0.88-37.2）+（61.06*0.8+0.88-48.8）+（61.06*1+0.88-61.6）+（61.06*1.2+0.88-73.6）]/6/61.06≈0.99%.
量程为±3mm时，非线性误差为：
0.99%/3=0.33%。
六、思考题
1、不能用差动变压器测量较高频率的振幅，差动变压器测量频率的上限受激励信号频率的影响，一般为激励频率的十分之一。
2、差动变压器与一般电源变压器都是用初级线圈与次级线圈的互感关系工作的。
不同之处在于：
一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路，同时一般变压器原、副边间的互感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动做相应变化。
七、总结与感想
本实验让我了解了差动变压器的工作原理以及其相应的应用，开阔了我的思维，对于我今后对于传感器的学习将会有较大的帮助。
实验十四电容式传感器的位移实验
一、实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二、实验原理
利用平板电容C=εA/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。
三、实验器材
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤
按图6所示安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路如图9所示。
图9电容传感器位移实验接线图
旋动Rw旋钮，使得数显表最小，之后左右推进，并每隔0.2mm记下位移x与输出电压值。
五、实验结果与分析
实验结果见表格6。
表格6电容传感器位移与输出电压数据记录表
X（mm）
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
V（mv）
-45.4
-34.6
-22.3
-10.1
0.8
10.7
22.4
32.8
43.0
54.4
电压变化量：
∆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
位移变化量：
∆x=0.2mm
灵敏度：
S=∆u/∆x=54.98mv/mm
非线性误差：
≈4.89%
分析产生误差的原因应为传感器在其中点位置并非绝对的0，这将使得结果产生一定的偏移，同时测量中数显表精度不够也可能引起测量误差。
观察结果可知，此传感器的灵敏度达54.98mv/mm，灵敏度较大。
六、思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
答：
由平板电容C=εA/d可知，谷物湿度使得ε发生变化，同时使得电容发生了变化，故而在设计时应将电容的两极板固定不动，使得其变量只有ε。
同时，为使测量结果更加准确，采用差动式的电路作为测量电路较为合适。
七、总结与感想
本次实验使得我在实验十的基础上进一步了解了电容式传感器的特性，并了解了传感器的设计步骤，对我今后的学习有一定的帮助。
实验十六直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、实验原理
根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。
三、实验器材
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4V、±15Ｖ、测微头、数显单元。
四、实验步骤
将霍尔传感器按图10所示安装，霍尔传感器与实验模板的连接按图11所示进行。
图10霍尔传感器安装示意图
图11霍尔传感器位移直流激励实验接线图
调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节Rw2使数显表指示为零，旋转测微头向轴向方向推进，每转动0.5mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数记录下来。
五、实验结果与分析
实验结果记录如表格7所示。
表格7霍尔传感器位移与输出电压记录表
X（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
V（mv）
0.2
19.7
40.6
65.6
97.3
151.9
246
348
452
558
X（mm）
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
V（mv）
667
781
902
1031
1172
1324
1485
1610
1689
1756
X（mm）
10.0
V（mv）
1825
其V-X曲线如图12所示。
图12霍尔传感器位移与输出电压曲线图
由图可知，共有三个线性范围，有：
灵敏度1:
：
S1=∆u/∆x≈56.51mv/mm,非线性误差1：
≈28。
156%
灵敏度2：
S2=∆u/∆x≈121.51mv/mm,非线性误差2：
≈6.89%
灵敏度3：
S3=∆u/∆x≈70.5mv/mm，非线性误差：
≈3.95%
由以上结果可知，在线性范围1的线性度最差，在线性范围3的线性度最好，但是测量范围在线性范围2最大，综合以上两个因素，一般采用线性范围2作为测量工作段。
六、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
答：
霍尔元件的位移线性度实际上反映的是磁通量的变化。
磁通量越大，线性度越好。
七、总结与感悟
本实验让我了解了霍尔传感器的工作原理及其应用，这为我今后学习霍尔传感器奠定了基础。
实验二十四电涡流传感器位移实验
一、实验目的
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、实验原理
通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
三、实验器材
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤
如图13所示安装电涡流传感器，图14为电涡流传感器位移实验接线图。
图13电涡流传感器安装示意图
图14电涡流传感器位移实验接线图
在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
使测微头与传感器线圈端部接触，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
五、实验结果与分析
电涡流传感器位移X与输出电压数据如表格8所示。
表格8电涡流传感器位移与输出电压数据记录表
X（mm）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
V（v）
0
0.24
0.52
0.81
1.09
1.39
1.70
2.02
2.35
2.67
X（mm）
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
V（v）
2.99
3.33
3.65
3.98
4.30
4.61
4.92
5.21
5.49
5.77
X（mm）
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
5.6
5.8
V（v）
6.04
6.30
6.55
6.78
7.00
7.21
7.43
7.61
7.80
7.97
X（mm）
6.0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
V（v）
8.13
8.29
8.44
8.58
8.70
8.81
8.92
9.03
9.13
9.22
X（mm）
8.0
8.2
8.4
8.6
8.8
9.0
9.2
9.4
9.6
9.8
V（v）
9.30
9.38
9.45
9.51
9.58
9.64
9.70
9.75
9.80
9.85
X（mm）
10.0
10.2
10.4
10.6
10.8
11.0
11.2
11.4
11.6
11.8
V（v）
9.89
9.94
9.98
10.02
10.05
10.09
10.12
10.15
10.18
10.21
由以上数据记录表可画出V-X曲线如图15所示。
图15电涡流传感器位移与输出电压曲线图
由曲线可得，线性区域为[0,5]mm区域，进行正位移测量时，从0mm为最佳工作点，进行负位移测量时，5mm处为最佳工作点。
量程为1mm时：
灵敏度：
S1=∆u/∆x≈1.406V/mm,线性度：
≈3.016%
量程为3mm时：
灵敏度：
S2=∆u/∆x≈1.571V/mm，线性度：
≈3.930%
量程为5mm时：
灵敏度：
S3=∆u/∆x≈1.521V/mm，线性度：
≈5.194%
由结果可知，量程越小时，其线性度越好，分析原因应是在距离较近的范围内，通过导电体的磁通量较大，其产生的涡流损耗近似为电涡流传感器的涡流损耗，而当距离较远时，由于磁通量变小，涡流损耗与电涡流传感器的涡流损耗的差值变大。
故而导致非线性变差。
六、思考题
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
答：
电涡流传感器的量程与高频电流的频率、导电体电阻率和磁导率、以及电涡流传感器线圈的形状和尺寸有关。
如果需要测量±5mm的量程，应首先选择合适的线圈和激励电流，使其线性区达10mm以上，然后找到5mm处，调零，即可。
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
答：
知道了量程后，根据所要测量的距离的范围，尽量选择大于且与所要测量距离最接近的量程来选择传感器。
七、总结与感想
本实验让我了解了电涡流传感器测量位移的工作原理和特性，并由此了解了一些非接触式测量的思路，这将对于我今后传感器的学习有较大的帮助。
实验三十光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、实验原理
本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成
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