信号与测试实验二

1、信号与测试技术实验报告实验二 传感器实验学 院 班 级 学 号 1203 学生姓名 一活塞压力计静态校准一、实验目的1. 掌握压力传感器的原理；2. 掌握压力测量系统的组成；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。二、实验设备 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。图一为实验系统方框图，图二为实验电路接线图。图一 实验系统方框图图二 实验电路接线图实验设备型号及精度三、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00.6MPa。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

2、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，420mA 信号在250 欧采样电阻上转换为15V 电压信号，由4 位半数字电压表读出。四、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12 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

3、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12 分钟，开始第二次循环，从步骤（5）开始操作，共进行3 次循环。五、实验数据处理1.实验数据列表压力/MP输出电压/V第一循环第二循环第三循环正行程01.0261.0271.0260.051.2751.2761.2750.11.

4、5861.5871.5860.151.8931.8931.8920.22.2032.2032.2030.252.5142.5142.5140.32.8252.8252.8250.353.1363.1363.1360.43.4413.4473.4410.453.7593.7593.7590.54.0714.0714.072反行程0.54.074.0694.0710.453.7583.7593.7580.43.4473.4483.4470.353.1363.1363.1370.32.8232.8252.8230.252.5112.5142.5110.22.2012.2032.2010.151.89

5、11.8921.8910.11.5841.5831.5830.051.2761.2751.27601.0281.0271.0272.数据处理(1)校准曲线（传感器实际特性的数学期望）的确定压力/MP正行程输出反行程输出平均输出 (V)01.0263333331.0273333331.0268333330.051.2753333331.2756666671.27550.11.5863333331.5833333331.5848333330.151.8926666671.8913333331.8920.22.2032.2016666672.2023333330.252.5142.5122.5130

6、.32.8252.8236666672.8243333330.353.1363.1363333333.1361666670.43.4433.4473333333.4451666670.453.7593.7583333333.7586666670.54.0713333334.074.070666667最小二乘法拟合曲线，；可得a=0.9825，b=6.1533，即y=0.9825+6.1533x,r2=0.99972,可知线性度很好。由上述拟合图像及数据可知，压力与电压之间存在着很好的线性度。(2)非线性度：压力/MP平均输出 (V)最小二乘直线输出非线性偏差01.0268333330.9825

7、0.0443333330.051.27551.290165-0.0146650.11.5848333331.59783-0.0129966670.151.8921.905495-0.0134950.22.2023333332.21316-0.0108266670.252.5132.520825-0.0078250.32.8243333332.82849-0.0041566670.353.1361666673.1361551.16667E-050.43.4451666673.443820.0013466670.453.7586666673.7514850.0071816670.54.070666

8、6674.059150.011516667其中，, i=1,2.n 由表可知，=0.044333；6.1533×0.5=3.07665所以，由上述计算可知，非线性误差较小，输出电压与压力值线性度较好。(3)迟滞误差压力/MP正行程输出反行程输出正反行程偏差01.0263333331.027333333-0.0010.051.2753333331.275666667-0.0003333330.11.5863333331.5833333330.0030.151.8926666671.8913333330.0013333330.22.2032.2016666670.0013333330.2

9、52.5142.5120.0020.32.8252.8236666670.0013333330.353.1363.136333333-0.0003333330.43.4433.447333333-0.0043333330.453.7593.7583333330.0006666670.54.0713333334.070.001333333 可知,由表可知，(4)重复性l 极差法压力/MP00.0010.0003067480.0010.0003067480.050.0010.0003067480.0010.0003067480.100.0010.0003067480.0010.0003067480

10、.150.0010.0003067480.0010.0003067480.20000.0020.0006134970.25000.0030.0009202450.30000.0020.0006134970.35000.0010.0003067480.400.0060.0018404910.0010.0003067480.45000.0010.0003067480.50.0010.0003067480.0020.000613497 标准偏差为: 重复性为: (5)总精度：l 直接代数和（重复性由极差法得到） l 方和根（重复性由极差法得到） l 综合考虑迟滞和重复性（重复性由极差法得到） 二电感

11、式传感器实验一、实验目的了解电感式传感器的基本组成及工作原理；了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性；了解移相器的工作原理；了解相敏检波器的工作原理；二、实验仪器电感式传感器实验模块实验模块公共电路示波器：DS5062CE信号发生器：DG1011型稳压电源：±12V万用表 VC9806电源连接电缆2根螺旋测微仪三、实验原理（1）实验框图电感式传感器实验框图如图1所示。从图中看到，实验系统包括差动变压器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、信号源、电压表，另外还包括示波器。（2）差动变压器结构及原理电感式传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的

12、传感器。电感元件的基本特性方程为：m式中，W为电感线圈的匝数； 为空气的导磁率； S为气隙的截面积； 为气隙长度； L为电感量。 差动变压器就是一种电感式传感器。 差动变压器由衔铁、初级线圈和次级线圈组成，初级线圈是差动变压器激励，相当于变压器原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图2、图3和图4。 差动变压器的输出为调幅信号，反映了位移的大小和方向，只有经过相应电路才能提取出这两个信息。如图5所示，其中，（a）为调制信号（位移），（b）为载波信号，（c）为调幅信号。 图 2 差动变压器结构原

13、理图 图 3 差动变压器位移-输出特性 图 4 差动变压器原理 图5调幅波形 （3） 差动变压器零残电压及补偿由于衔铁在中间位置时，次级输出不为0，因此存在零点残余电压。 零点残余电压的影响：造成差动变压器零点附近的不灵敏区；此电压经过放大器会使放大器未级趋向饱和，影响电路正常工作。 零点残余电压的补偿：从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。 采用相敏检波电路。 选用补偿电路。 （4） 电桥及差动放大电路电路如图6所示。 图 6 电桥及差放电路其功能为：对信号进行放大，进行零点残余电压补偿。 （5） 移相器 移相器电路示意如图7所示。通过对电路的闭环增益的推导，可得 此式为移相器输出信号

14、和输入信号之间的相移。调节W可改变相移。 图 7 移相器示意图 （6） 相敏检波器 相敏检波电路如图8所示：图中为输入信号端，为交流参考电压输入端，为检波信号输出端，为直流参考电压输入端。 当、端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把端输入的正弦信号转换成全波整流信号。 图 8 相敏检波器 四、数据处理及分析：（1）说明差动变压器位移测量的原理，分析差动变压器输出信号的特点：原理：工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式。输出信号的特点：输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移

15、的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。（2）分析差分放大器功能： 对信号进行放大，对零点参与电压进行补偿（3）分析移相器功能及相位差同差动变压器输出电压的关系：通过调节移相器，可以使系统输出做到正负对称移相器输出和输入的关系式为（4）分析相敏检波器工作原理及功能：功能：相敏检波电路(与滤波器配合)可以将调幅波还原成原信号波形，起解调作用；并具有鉴别信号相位、频率的能力。（5）分析测量数据，作出电压-位移曲线，拟合出电压-

16、位移表达式：位移 mm 正行程电压 Vp-p 反行程电压 Vp-p 0-1.36-1.361-1.33-1.332-1.28-1.273-1.22-1.224-1.15-1.155-1.07-1.076-0.97-0.977-0.86-0.858-0.73-0.739-0.6-0.6110-0.46-0.4611-0.31-0.3112-0.16-0.1613-0.01-0.01140.150.15150.320.32160.490.49170.660.66180.830.83190.990.99201.141.14211.281.28221.411.41231.521.52241.621.6

17、2251.71.7拟合的电压位移曲线表达式为y= 0.13580x-1.67444（其中x为位移量单位mm,y为输出电压，单位为V）（6） 计算出静态指标参数，绘制出滞回曲线。静态指标参数的计算：零点：将电压位移曲线放大，得衔铁位于中间位置时，输出电压的值为-0.014V灵敏度：由拟合直线的斜率可知，迟滞：由表格原始数据知：正反行程各观测点最大偏差：迟滞误差：三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

18、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

19、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：å D（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）

20、，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

21、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3

22、0），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、实验数据及处理原始数据：W(克）循环一循环二循环三平均01.66.29.75.8333332032.341.442.638.766674066.177.776.173.360100110.8106.7105.833380134.81414140.4

23、563.0667100168.9176.1178.9174.6333120202208214208140236241247241.3333160270275280275180305308313308.6667180306309314309.6667160272276281276.3333140239243248243.3333120206209215210100172176.9182176.966780140.2143.5148.6144.160107.1110.1115110.73334073.676.681.877.333332040.144.348.344.2333306.19.714.

24、610.13333数据处理及分析：由数据得：关于温度补偿：未加补偿：加热前温度稳定后温度（）2453电压（mV）12.3-0.03温漂为12.6mv加补偿应变片：加热前温度稳定后温度（）3048电压（mV）-1.0-9.1温漂为8.1mv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。传感器静态指标及滞回曲线灵敏度：由拟合直线的斜率可知，迟滞：由表格原始数据知：正反行程各观测点最大偏差：迟滞误差：四超声测距实验一、 实验目的：了解超声波的特

25、性及其速度；了解测距的原理；了解超声波探头距离变化时，测量波形的变化。二、实验仪器：超声波传感器测距实验模块超声探头示波器：DS5062CE电源：WD990型，±12V电源连接电缆万用表：VC9804A，附表笔及测温探头三、 实验原理：（1）超声波特性：超声波是一种频率高于20kHz，在弹性介质中传播的机械振荡。其波长短，频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播。能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小。在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远。而且在液体里的衰减和吸收比较低。能在异质界面产生反射、折射和波形转换。（2）超声波速度：超声波速度公式为： 式中：

26、 r 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R 气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，M气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，T 绝对温度，273K+T。近似公式为：V=V0+0.607×T式中：V0 为零度时的声波速度332m/s；T 为实际温度()。（3）测距原理：根据超声波在空气中的传播速度，通过相关电路得到发射波与接收波之间的时间，即可得到发射与接收之间的距离，原理框图如下图所示：图中距离 L=V×t。T 为测量所得时间。四、 实验步骤：实验连接图如图2所示。实验步骤如下：（1）将超声波探

27、头相对装于滑轨中，使两探头垂直于滑轨平行相对，连接探头电缆至超声波传感器测距实验模块的“超声探头”接口；（2）用连接电缆连接电源与超声波传感器测距实验模块（接口位于前侧面），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！（3）将示波器通道1连接超声波传感器测距实验模块的“超声发射”，示波器通道2连接超声波传感器测距实验模块的“超声接收”；将示波器调至单次触发状态，并调出时间测量标尺，使示波器显示两标尺之间的时间差 t；（后附示波器相关使用说明）（4）将温度探头连接在万用表的“TEMP”插座，万用表置于“°C”档；万用表可测量温度；（5）打开微机电源的开

28、关，打开超声波传感器测距实验模块的“电源”开关，电源指示灯亮，数码管显示数据；（6）按动超声波传感器测距实验模块的“时间/距离 显示切换”按钮，数码管显示的数据在距离和时间之间切换，对应的“时间”、“距离”指示灯亮；（7）打开示波器电源开关，按动示波器操作面板右上角 “RUN CONTROL”框中的“RUN/STOP”按钮，示波器状态可在“WAIT”和“STOP”之间转换；（8）使两探头紧贴相互靠近（如两表面不平行可稍许扳动超声探头角度使两平面吻合），此时数码管显示输出并不为零；（9）记录此时超声波传感器测距实验模块上数码管显示的时间和距离，并按动示波器的“RUN/STOP”按钮，示波器捕获到

29、超声波信号，用示波器的标尺测量超声反射波形（1通道）的第一个下降沿与超声接收波形（2通道）的上升沿之间的时间，记录这个时间值；同时用万用表记录当时的温度值；（10）移动接收器，使接收器离开探头，每隔50mm 重复第（9）步；（11）记录数据填表1；表中计算距离为根据示波器得到的时间值及环境温度测量的数值；（12）根据数据绘制距离与时间的关系曲线，分析超声波传感器测距实验模块测量数据与示波器测量数据的差别，并分析其产生原因。五、数据处理及分析原始数据如下：距离/mm起始距离50100150200250300350400数码管显示距离5390134178221270314357401数码管显示时间17