传感器综合实验报告.docx
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传感器综合实验报告
传感器综合实验报告
（2014-2015年度第二学期）
名称：
传感器综合实验报告
题目:
利用传感器测量重物质量
院系：
自动化系
班级：
测控1201班
姓名：
蔡攀
学号：
201202030101
指导教师：
仝卫国
实验周数：
一周
成绩：
日期：
2015年7月7日
传感器综合实验报告
一、实验目的
1、了解各种传感器的工作原理与工作特性。
2、掌握多种传感器应用于电子称的原理。
3、根据不同传感器的特性，选择不同的传感器测给定物体的重量。
4、能根据原理特性分析结果，加深对传感器的认识与应用。
5、测量精度要求达到1%。
二、实验设备、器材
1、差动变压器：
差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微器。
2、霍尔式传感器：
直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表。
3、电涡流式传感器：
电涡流式传感器、测微器、铝测片、铁测片、铜测片、电压表、示波器。
三、传感器工作原理
1、差动变压器的工作原理：
差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架。
初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边。
而次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，形成变压器的副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感变化的基础上。
当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。
但实际上，当使用电桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值（从零点几mv到数十mv）存在，称为零点残余电压。
零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区，零点残余电压输出放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。
因此需采用适当的方法进行补偿。
2、霍尔式传感器：
霍尔传感器是由两个半圆形永久磁钢组成梯度磁场，位于梯度磁场中的霍尔元件——霍尔片通过底座连结在震动台上。
当霍尔片通以恒定的电流时，霍尔元件就有电压输出。
改变振动台的位置，霍尔片就在梯度磁场中上下移动，输出的霍尔电势U值取决于其在磁场中的位移量Y，所以由霍尔电势的大小便可获得振动台的静位移。
3、电涡流式传感器的工作原理：
电涡流式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，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。
当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。
将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
依据该原理可制成电涡流式传感器电子称。
四、传感器特性测试
（一）差动变压器特性分析：
（1）使音频振荡器输出频率为5kHz，其峰—峰值
为1.5V。
差动放大器的增益旋钮调到最大位置，按下图接线。
（2）旋转测微器，使差动变压器铁芯处于线圈中段位置。
观察示波器和数字电压表，调整各调零及平衡电位器
、
，使数字电压表指零。
（3）使铁芯有个较大的位移，调整移相器使电压表指示为最大，同时用示波器观察相敏检波器的输出波形。
（4）旋转测微器，每旋一周（0.5mm）记录实验数据，并填入相应的表格
（5）实验所得数据如下：
位移x（mm）
10.8
11.3
11.8
12.3
12.8
13.3
13.8
电压U（v）
0.00
0.01
0.03
0.05
0.06
0.06
0.08
位移x（mm）
14.3
14.8
15.3
15.8
16.3
16.8
17.3
电压U（v）
0.09
0.11
0.13
0.15
0.16
0.18
0.20
根据试验段数据绘得的特性曲线如下：
（6）由特性曲线的线性关系，当分别放置电池、锁芯、20g砝码，测得数据即电压显示如下：
初始值：
-0.021V20g砝码：
-0.030V40g砝码：
-0.040V
电池：
-0.061V锁芯：
-0.081V
得
=91.1g
=133.3g
（2）电涡流式传感器的特性分析
（1）装好测微器和传感器的铁测片。
（2）按下图接线，用导线将涡流传感器与涡流变换器输入端相接，将变换器输出端接至直流电压表。
电压表量程设定为20V档。
（3）传感器对准金属测片。
（4）用测微器移动振动台，使传感器与铁测片接触，调
使涡流变换器电压输出为零。
由此开始每隔0.05mm位移用电压表读取变换器输出电压值以及
用示波器读取传感器的振荡器
值，并将数据填入表内，记录到线性关系严重破坏为止。
（5）实验结果
X（mm）
0
0.05
0.10
0.25
0.30
0.35
0.40
U（V）
0
2.21
5.91
6.54
7.19
7.66
8.13
X（mm）
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
U（V）
8.63
9.13
9.47
9.72
10.13
10.22
根据实验所得数据,绘出U-X曲线
由图标可知其线性范围为X∈[0.250.7]，即U∈[6.541.22].改善后的特性曲线为：
（6）调节测微器，使得电压表示数在线性范围内，分别放置电池和锁芯
测得数据如下：
初始值：
5.41V20g砝码：
5.73V40g砝码：
6.02V电池：
6.89V
锁芯：
7.56V60g砝码：
6.33V
=92.5g
=134.375g
（3）霍尔式传感器的特性分析
（1）差动放大器增益适度，且对差动变压器调零，霍尔片调至磁场中间位置。
记下测微器的读数。
（2）按下图连接各部分组成系统
（3）音频振荡器的输出幅度调到适当位置。
调整系统（
、
）使输出最小。
（4）使振动台上、下移动，并调节移相器使系统输出达到最大值。
（5）调节测微器使霍尔片回到磁路中间位置。
旋动测微器±2mm，每隔0.1mm读出相应的电压值，填入相应的表内。
（6）实验结果
位移X（mm）
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
电压U（V）
-1.53
-1.98
-2.13
-2.28
-2.33
-2.34
-2.34
-2.34
位移X（mm）
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
电压U（V）
-0.74
-0.75
-0.10
-0.03
0.08
0.10
0.11
0.11
根据实验所得数据，绘制曲线：
（7）放置电池、锁芯、砝码测得以下数据：
20g砝码：
-1.24V40g砝码：
-1.36V60g砝码：
-1.48V80g砝码：
-1.59V100g砝码：
-1.71v120g砝码：
-1.83V140g砝码：
-1.95V电池：
-1.67V
锁芯：
-1.92V
得
=93.3g
=13.5g。
五、实验结果分析
此次实验以差动变压器为主来测量重物质量，对差动变压器的特性进行了一系列分析。
在所测的范围内，电容传感器均保持线性，所以可以利用该特性将差动变压器应用于电子秤，在线性范围内可以用于测未知重量的物体质量。
故由电容式传感器测量得出的重物的质量比较可靠。
差动变压器测量得出的重物质量是m=91.1g，又因为测量精度为1%，故重物质量在91.1g~93.3g之间。
实验还利用电涡流式传感器测量质量来验证差动变压器测出重物的质量，通过对电涡流传感器的特性进行的分析，发现电涡流式传感器特性曲线的线性程度并不如电容式传感器的好。
所以我们的测量结果以电容式传感器的为主。
利用电涡流验证得出的重物质量是m=93.112g，又因为测量精度为1%，故重物质量在92.18088g~94.04312之间。
这个结果与差动变压器得出的结果节本接近，所以可以得知，差动变压器的测量结果是可靠的。
七、结论
1、数据结论
（1）由差动变压器测出
=91.1g，
=133.3g。
因为测量精度为1%，则
∈[90.18992.011]
∈[131.967134.633]
（2）由电涡流式传感器测出
=92.5g
=134.375g
∈[91.57593.425]
∈[133.03135.72]
（3）由霍尔式传感器测出
=93.3g
=13.5g
∈[92.36794.233]
∈[133.65136.35]
2、实验心得
本次传感器综合实验基本达到了预期目标，通过这次综合实验我进一步的了解了各传感器的工作原理、工作特性、适用范围和优缺点，通过用各种传感器测两个未知质量（南孚电池和锁芯）的重物，把课堂上所学的理论知识真正的与实际运用相结合，让我们更加理解了理论知识。
同时我们也通过这次实验，提高了数据处理与分析的能力，能把多而复杂的实验数据通过拟合、分析、处理从而得到较为准确的实验结果。
另外，在实验的过程中需要记录的数据特别多，需要我们足够的耐心和细心，才能很好的记录数据，由于这是一个大的综合实验，所以花费的时间比较巨大，花了将近6个小时的时间。
这在体力上也是对我们的一个考验。
不过，我和我的同组组员和坚持下来了，团结合作，相互交流，基本上完成了预期目标。
总之，这次实验让我们学到很多，这是课堂上无法学到的，通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
培养了我们创新工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。
八、参考文献
[1]王化祥、张淑英，传感器原理及应用，天津大学出版社-2版，1999、2
[2]仝卫国、苏杰、赵玉辉、赵劲松，传感器原理及应用实验指导书华北电力大学
[3]刘爱华、满宝元，传感器实验与设计，人民邮电出版社，2010
相敏检波器实验
一、实验目的：
说明由施密特开关电路及运放组成的相敏检波电路的原理。
二、实验设备：
相敏检波器、移相器、音频振荡器、直流稳压电源、低通滤波器、电压表、示波器。
三、实验原理：
相敏检波电路如图（7）所示：
图中①为输入信号端，③为输出端，②为交流参考电压电输入端，④为直流参考电压输入。
当②、④端输入控制电压信号时，通过差动放大器的作用使D和J处于开关状态，从而把①端输入的正弦信号转换成半波整流信号。
四、实验步骤：
1．将音频振荡器频率、幅度旋钮居中，输出信号（0°或180°均可）。
接相敏检波器输入端。
2．将直流稳压电源2V档输出电压（正或负均可）接相敏检波器④端。
3．示波器两通道分别接相敏输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。
4．改变④端参考电压的极性，观察输入、输出波形的相位和幅值关系。
结论：
当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。
5．将音频振荡器180°端输出信号送入移相器输入端，移相器的输出端与检敏检波器的参考输入端④连接，相敏检波器的信号输入端接音频180°输出。
6．用示波器两通道观察参考输入端和附加观察插口⑤、⑥的波形。
结论：
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，低通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幅值旋钮和移相器“移相”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改接至音频振荡器180°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“移相”旋钮，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入VP－P值与输出直流电压的关系。
11．使输入信号与参考信号的相位改变180°，测出上述关系。
12．当相敏检波器输入为直流时，输出波形为一方波，平均值为零。
记录数据
输入Vp-p（V）
0.5
1
2
4
8
16
20
正向输出UO（V）
0.27
0.45
1.01
1.87
3.74
6.41
6.52
反向输出UO1（V）
-.0.25
-0.44
-0.96
-1.85
-3.70
-5.56
-5.57
升级会员 