传感器综合实验报告

传感器原理及应用

综合实验报告

系别：自动化系

班级：测控1301

姓名：吴志伟

学号： 201302030117

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（电池）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、要求重物测量精度达到1%。

二、实验设备

传感器一（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

传感器二（电容传感器）：电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、电压表、示波器

传感器三（金属箔式应变传感器）：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、金属箔式应变片、测微器、悬臂梁

三、传感器工作原理分析

1、差动变压器的工作原理：

差动变压器是一种开磁路互感式电感传感器。由于其具有两个接成差动结构二次线圈，所以又称为差动变压器。

当差动变压器的一次线圈有交变电源激励时，其二次线圈就会产生感应电动势，由于两个二次线圈做差动连接，所以总的输出是两线圈感应电动势之差，当铁心不动时，其总输出为零，当被测量带动铁心移动时，输出电动势与铁心位移呈线性变换。差动变压器式进气压力传感器的检测与转换过程是：先将压力的变化转换成差动变压器铁心的位移，然后通过差动变压器再将铁心位移转换成电信号输出

2、电容式传感器的工作原理：

电容器的电容量C是的函数，当被测量变化使S、d或任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而可实现由被测量到电容量的转换。电容式传感器的工作原理就是建立在上述关系上的，若保持两个参数不变，仅改变另一参数，就可以把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路再转换为电量输出。

差动平行变面积式传感器是由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。依据该原理，在振动台上加上砝码可测定重量与桥路输出电压的对应关系，称未知重量物体时只要测得桥路的输出电压即可得出该重物的重量。

3、金属箔式应变片传感器工作原理：

应变片应用于测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，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，转换成电信号输出显示。

实验中，通过旋转测微器可使双平梁的自由端上、下移动，从而使应变片的受力情况不同，将应变片接于电桥中即可使双平衡的位移转换为电压输出。电桥的四个桥臂电阻Z1、Z2、Z3、Z4，电阻的相对变化率分别为△Z1／Z1、△Z2／Z2、△Z3／Z3、△Z4／Z4 则桥路的输出与

成正比。

四、传感器特性分析

1、差动变压器特性分析

i)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

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ii)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WD、WA，使数字电压表指零。

iii)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。

iv)旋转测微器，每旋转一周（0.5mm）记录实验数据，并填入相应的表格。

v)实验结果

(正行程)

（反行程）

根据上述两组数据，取均值后绘制U-X曲线

根据实验数据，利用最小二乘法对特性曲线进行拟合，得到拟和曲线为：U=0.102071x+0.003036

综合特性分析：

线性度：根据拟合曲线与实际曲线的比较可得，线性度<2%,表明差动变压器的输出电压与位移之间几乎是线性的，非线性误差非常小，线性特性很好。

灵敏度：根据差动变压器特性曲线的拟合曲线可以的到它的灵敏度即拟合直线的斜率为：

K=0.102071

迟滞：=5.7%

零点漂移：0.003036V

从特性曲线可以看出，差动变压器式的输出电压与位移之间几乎是线性的，在一定范围内非线性误差非常小。输出电压跟位移在合适范围内成线性度非常好。

2、电容式传感器特性分析

i）按图接线，电容变换器和差放的增益均调至最大。

ii）测微器带动振动台移动至系统输出为零，此时动片位于两静片组之间。旋动测微器，每次0.5mm，记下位移X与电压输出U值，直至动片与静片覆盖面积最大为止。然后向相反方向做上述实验，记下实验数据。

(正行程)

（反行程）

对上述两组数据取均值后绘制U-X曲线

根据实验数据，利用最小二乘法对特性曲线进行拟合，得到拟和曲线为：U=0.143286x+0.00007

综合特性分析：

线性度：根据拟合曲线与实际曲线的比较可得，线性度<1%,表明电容传感器的输出电压与位移之间线性度非常好

灵敏度：根据电容式传感器特性曲线的拟合曲线可以的到它的灵敏度即拟合直线的斜率为：

K=0.143286

迟滞：=2.8%

零点漂移：0.00007V

从特性曲线可以看出，电容式传感器式的输出电压与位移之间线性度非常好，且与差动变压器比较，其灵敏度更高，零点漂移也更小。

五、传感器的标定及重物的测量

（注：标定所用砝码质量：8.4g、12g、19.8g）

（1）差动变压器的标定及测量

电路连接不变，调零后在平台中间逐渐加砝码，并记录砝码个数与输出电压之间的关系

第一次标定（8.4g砝码标定）

第二次标定（19.8g砝码标定）

根据实验数据，利用最小二乘法拟合标定曲线，分别得到

第一次标定拟合曲线：U=0.01042m-0.00166

第二次标定拟合曲线：U=0.023976m-0.00017

将砝码全部取下后其他条件不变，将重物放置在托盘中心位置，读出电压表示数为0.114v，

将其带入上述两个公式中得到

m1=11.10*8.4=93.238g

m2=4.76*19.8=94.285g

（2）电容传感器的标定及测量

第一次标定（8.4g砝码标定）

第二次标定（19.8g砝码标定）

根据实验数据，利用最小二乘法拟合标定曲线，分别得到

第一次标定拟合曲线：U=0.013224m-0.00231

第二次标定拟合曲线：U=0.031071m-0.00250

将砝码全部取下后其他条件不变，将重物放置在托盘中心位置，读出电压表示数为0.146v，

将其带入上述两个公式中得到

m1=93.207g

m2=94.385g

六、实验结果及分析

本次实验利用差动变压器和电容传感器两种传感器来完成重物测量的任务，首先对两种传感器的特性进行了测量和分析，一方面为后续步骤的标定和测量提供了一个线性度较好的量程范围，另一方面通过灵敏度、非线性误差、迟滞、零点漂移等静态特性的比较，发现电容传感器更优于差动变压器。在精度要求为1%的前提下，电容传感器测得重物得质量为93.342~95.227g；差动变压器测得重物质量为93.441~95.329g。为了实验结果的更加准确，我们还用金属箔式应变片传感器对实验结果进行验证，（实验过程同上，这里不在赘述）测得的重物质量在93.875~95.799g之间，说明测量结果是相对正确的。综上所述，我们最终采用电容传感器的测量结果，即认为该重物质量在94.385g左右。

七、实验总结

大学期间很少有机会能够用所学知识去解决实际问题的机会，而这一次传感器综合实验让我大呼过瘾。这是一次知行合一的旅程，从中学到很多东西，比如最重要的一点是细节，可能以前听到细节决定成败这句话没有很深的感触，但现在真的是感慨良多。传感器本身就是通过一些很小的细节变化来工作的，这也要求我们实验人员要关注每一个细节，不能出一点差错，这对我们其实是一个很大的挑战，不过跨过了这道坎，会发现真的收获不少。相信这一次体验会是我大学中美好记忆的一部分。最后感谢老师，同学的帮助，学海无涯，大家加油。

第二篇：传感器综合实验实验报告

传感器综合实验实验报告

黄金杯

华中科技大学物理学院物理20##级01班

学号：U201110156 邮箱：2279526616@qq.com

摘要：本实验通过对电涡流及电阻应变片传感器的实验，要求学生掌握电涡流传感器的基本结构和工作原理；通过实验了解不同材料对电涡流传感器特性的影响；通过电涡流方法测量振幅、重量、电机转速，掌握电涡流传感器的实际应用技术；掌握电涡流传感器的静态标定方法，通过实验进行电涡流传感器的静态标定；了解金属箔式应变片的结构及粘贴方式；了解单臂直流电桥的工作原理和工作情况；比较单臂、半桥、全桥电路的性能；了解温度变化对应变测试系统的影响；了解交流激励时应变电桥的工作原理和工作情况。实验方法为使用电涡流传感器与电阻应变片传感器进行实验。

关键词：电涡流，电阻应变片，传感器，静态标定

1、引言

电涡流传感器是一种性能优越的非接触式传感器，被广泛应用于在线位移测量。电涡流传感器具有非接触、精度高、重复性好、线性范围宽及信号数字化输出等特点。近年来,由于对机械振动、无损探伤和连续监测技术等方面的研究,使得电涡流传感器的应用愈来愈广泛,对电涡流传感器特性的研究也愈来愈受到重视。电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

2、实验原理

1）电涡流传感器

电涡流传感器的探头是一扁平线圈。在高频信号激励下,线圈产生高频交变磁场。当被测导体靠近线圈时,导体表面产生与该磁场相交链的电涡流。由于电涡流的存在,导体内存在涡流损耗和磁损耗,因而使探头线圈的等效复阻抗值降低。值大小与被测体的电阻率、磁导率、激磁频率及线圈至被测体表面之间的距离有关,即：，当给定时,就是的单值函数。因而改变值,可使线圈的等效复阻抗值、品质因数值及电感量值发生相应变化，通过一定的测量线路把位移量转换为相应的电量。