《传感器原理》---南京航空航天大学

南京航空航天大学传感器原理课程编号：0131110实验指导书编写教师：袁慎芳 审核人：梁大开航空宇航学院目 录1 实验一 基于压电传感器的动态响应实验3 2 实验二 光强调制型光纤位移传感器测量位移实验 53 实验三 无线传感网络试验 8实验一、传感器原理课程实验 基于压电传感器的动态响应实验实验类型：（演示性）1. 实验目的（1） 了解压电测量系统的组成（2） 熟悉基本的传感信号采集过程（3） 掌握传感器的动态性能指标（4） 掌握对传感信号的时频以及频域分析方法2. 实验仪器设备（1） 压电传感器 2个（2） 电荷放大器YE5850 1台 （3） NI数采板 1个（4） 计算机 1台3. 实验方法（1） 检查测量系统良好后，打开功放预热5分钟（2） 根据演示接好整个测量系统（3） 调节LABVIEW数采界面产生阶跃信号激励，观察激励信号请按照附录操作步骤进行（4） 观察压电传感信号波形，并且保存传感波形为txt文件（5） 调节LABVIEW数采界面产生正弦信号激励，保持激励信号频率不变，测量不同激励幅值下，传感信号的相位与峰值变化。 激励信号的要求保持频率2kHz，幅值为5V，观察传感信号与激励信号的相位变化，记录传感信号的峰峰值，保存传感信号。 激励信号的要求保持频率2kHz，幅值为10V，观察相位变化，记录传感信号的峰峰值，保存传感信号。 激励信号的要求保持频率2kHz，幅值为15V，观察传感信号与激励信号的相位变化，记录传感信号的峰峰值，保存传感信号。 观察传感信号波形，并且用示波器保存传感波形（6） 调节LABVIEW数采界面产生正弦信号激励，保持激励信号幅值不变，测量不同激励频率下，传感信号的相位与峰值变化。 激励信号的要求保持幅值为5v，频率为50HZ，观察传感信号与激励信号的相位变化，记录传感信号的峰峰值，保存传感信号。 激励信号的要求保持幅值为5v，频率为1KHZ，观察传感信号与激励信号的相位变化，记录传感信号的峰峰值，保存传感信号。 激励信号的要求保持幅值为5v，频率为10kHZ，观察传感信号与激励信号的相位变化，记录传感信号的峰峰值，保存传感信号。（7） 关闭仪器设备，注意：功放先关闭connect按钮，再关闭电源！ 4. 实验结果的数据处理（1） 运用MATLAB工具，调用指定函数getwave将保存的阶跃响应信号绘制出来；（2） 调用指定函数getspect，绘制阶跃响应信号的频谱；（3） 运用MATLAB工具，调用指定函数getwave将步骤5保存的正弦响应信号绘制出来，计算相位变化，幅值变化。（4） 运用MATLAB工具，调用指定函数getwave将步骤6保存的正弦响应信号绘制出来，计算相位变化，幅值变化。5. 实验报告要求（1） 绘制实验系统示意图；（2） 给出阶跃激励下，系统的响应波形和响应波形的频谱图；（3） 将实验数据处理的步骤3和步骤4的结果列表显示比较，分析实验结果；传感信号激励频率2kHz5v10v15v相位变化峰峰值传感信号激励幅值5v50Hz1kHz10kHz相位变化峰峰值附录1 打开功率放大器电源开关，预热10分钟左右（注意：功率放大器有两个开关，一个红色的按钮是电源开关，黑色的是输出开关。2 双击桌面上的labview 7.0图标以打开软件系统3 载入并运行信号发生和数据采集软件：结构健康监测系统4 打开电荷放大器5 接通功率放大器的输出按钮6 在该监测系统中：切换到任意波形发生器的面板，点击载入任意波形（已经预设好了阶跃信号）就可以载入输出信号波形了，然后点击该面板中的运行按钮。至此，该监测系统已经通过PCI-6115板卡输出阶跃信号了。7 在该监测系统中：切换到示波器面板，即可观测到响应信号，点击保存按钮就可将响应信号以文本格式保存下来，默认存放为d:datahealthbccg.txt8 实验完毕时，切换到任意波形发生器的面板，将该输出通道停止输出，让后点击将整个监测系统退出即可。关闭电荷放大器，功率放大器的输出按钮以及功率放大器的电源开关。实验二、光强调制型光纤位移传感器测量位移实验实验类型：（基本性）1实验目的：1) 了解光纤位移传感器的工作原理2) 了解光纤位移传感器的输出特性3) 加深对传感器一些主要静态性能指标的理解2实验要求：根据实验测得的数据，加深对光纤位移传感器的输出特性的理解。掌握MATLAB基本的数据拟合方法。掌握放大器的使用。3实验仪器：位移标定架 1台简易光纤位移传感器硬件系统 1套万用表 1个直流稳压电源 1台4实验原理：光强调制型光纤位移传感器是一种非功能型光纤传感器，光纤只起到传光的作用，该传感器是一基于改变反射面与光纤端面之间距离的反射光强调制型传感器反射面是被测物体的表面。如图：实验中光纤组合探头端面即是光纤端面，标定架实验反射面即是被测物体表面，光源是红外发光二级管，光敏元件是光敏三极管。光纤组合探头如图：固定物体反射面标定架如图：光纤探头固定在孔中，利用螺旋测微器精确该表实验反射面的位移。由于反射面与探头的距离改变了，那么光敏三极管感受的光强就要发生变化，最后将这个变化反映在硬件系统的输出上。光纤位移传感器的输出特性如图：从图中可以看出随着D（探头和实验面的距离）的增大，输出电压V即光通量，先增大后减小，但在增大过程中灵敏度太高，所以实验将D控制在灵敏度相对较低的AB段，即事先先让反射面和探头端面的距离跨过灵敏度高的区域。5实验步骤：1) 在放置光纤探头的孔里固定光纤探头2) 连接数据传输线和电源线。3) 打开电源，调整电源到实验要求的大小（, ）4) 适当调整反射面到光纤探头的距离（左右），然后将螺旋测微器游动端定在0点。5) 打开简易光纤位移传感器硬件系统的开关，指示灯亮表示电路已经通电。6) 将万用表调到20V档和硬件系统相连观察输出。7) 正方向转动测微器每转动两圈记一次万用表读数，记七次。然后再反方向转动每转动两圈记一次万用表读数，记七次到0。（注意只能往一个方向转动避免产生回程误差）重复上面的测量步骤三次。8) 完成数据测量后收拾仪器。9) 填写实验数据表格。螺旋测微器读数W0mm2mm4mm6mm8mm10mm12mm万用表读数V(正)万用表读数V(反)反射面位移D 2mm4mm6mm8mm10mm12mm螺旋测微器读数W0mm2mm4mm6mm8mm10mm12mm万用表读数V(正)万用表读数V(反)反射面位移D 2mm4mm6mm8mm10mm12mm螺旋测微器读数W0mm2mm4mm6mm8mm10mm12mm万用表读数V(正)万用表读数V(反)反射面位移D 2mm4mm6mm8mm10mm12mm6预习要求内容：1) 预习课本光线位移传感器内容。2) 预习实验原理，熟悉实验步骤。7实验报告要求：1) 提交实验数据（ 列表形式 ）2) 计算端基线性度，零基线性度，独立线性度，重复性，迟滞五项静态参数指标。实验三、无线传感网络实验实验类型：（综合性）1 实验目的(1) 了解无线传感网络的基本概念及原理(2) 了解温度传感器，光传感器以及应变片的工作原理。(3) 利用上述三种传感器，结合无线传感网络进行数据采集与处理，实现载荷定位。2 工作原理(1) 光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电效应工作。（详情请同学们参考课本相关章节）本实验中，将经过光照的电流值分成三个区域，分别对应传感板上黄、绿、红三色灯，光强落入某个区域内，则亮相应颜色灯。(2) 应变片根据金属导体的阻值随其机械变形而发生变化的原理来工作的。本实验中，利用四片应变片对实验平板的九个格子进行监控，其中涉及了应变片的横向效应和桥路温度补偿法。（请同学们理解课本上相关概念）(3) 无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。3 实验条件(1) 实验板(2) 多功能传感板(3) 数字万用表(4) Micaz系列无线传感节点(5) 直流稳压电源4 实验方法及步骤(1) 运用多功能传感板进行光敏电阻实验，并记录实验数据；(2) 运用无线传感网络进行载荷定位：a） 检查线路连接；b） 正确搭建桥路；c） 数字万用表检查桥路阻值及平衡情况；d） 连接稳压电源，测试桥路输出是否在安全范围内（03V）；e） 连接无线传感网络节点；f） 训练网络并记录十个模式的数据；g） 进行定位并记录结果；h） 关闭所有的Micaz节点，然后关闭稳压电源，切记不能带电操作Micaz节点。5 实验报告要求(1) 绘制载荷定位数据表格，将实验数据填入表格，得出定位结果与实际载荷位置进