传感器实验报告1

. 传感器实验报告 实验一 Pt100铂电阻测温特性实验一、实验目的1通过自行设计热电阻测温实验方案，加深对温度传感器工作原理的理解。2掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。二、实验内容1设计PT100铂热电阻测温实验电路方案；2测量PT100的温度与电压关系，要求测温范围为：室温65；温度测量精度：2；输出电压4V，输出以电压V方式记录。3通过测量值进行误差分析。三、实验仪器、设备、材料主机箱、温度源、Pt100热电阻（2支）、温度传感器实验模板、万用表。4、 实验原理利用导体电阻随温度变化的特性，可以制成热电阻，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用的热电阻有铂电阻(650以内)和铜电阻(150以内)。铂电阻是将0.050.07的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成。在0650以内，它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中：Ro系温度为0时的电阻值(本实验的铂电阻Ro100)。A3.9684103，B5.8471072。铂电阻一般是三线制，其中一端接一根引线另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制，导线电阻忽略不计。)。实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再经放大器放大后直接用电压表显示。五、实验步骤1、用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线(同种颜色的线)设为1、 2，另一根设为3，并测出它在室温时的大致电阻值。2、在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下，再根据图1示意图接线，温度传感器实验模板中、(t)两端接传感器，这样传感器(Rt)与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。3、放大器调零：将图的温度传感器实验模板的放大器的两输入端引线(一根传感器引线、另一根桥路输出即Rw1活动触点输出)暂时不要引入，而用导线直接将放大器的两输入端相连(短接)；将主机箱上的电压表量程(显示选择)切换开关打到2档，合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2(逆时针转到底)增益电位器，使放大器增益最小；再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为。4、关闭主机箱电源开关，将实验模板中放大器的输入端引线按图连接，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。5、 将主机箱上的转速调节旋钮(224V)顺时针转到底(24)，合上温度源电源开关和调节仪电源开关，将调节仪控制方式(控制对象)开关按到内(温度)位置；在常温基础上，可按t=5增加温度并且小于160范围内设定温度源温度值，待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表。6、根据表数据值画出实验曲线并计算其非线性误差。实验结束，关闭所有电源六、实验数据七、实验结论计算灵敏度：k=y/x=（3.4-0.0024）/（65-13）=0.065计算线性度：L=Lmax/yFS=0.05/(65-13)=0.1%，有实验得到的图形可以看到，实验所得的数据基本上符合实验要求,满足线性关系，而且幅值在0-4v内变化。通过这次实验我学到了很多，自行设计热电阻测温实验方案，加深了对温度传感器工作原理的理解，还掌握了测量温度的电路设计和误差分析方法，但也发现了自身的不足，我会在今后的学习中逐渐完善自我，及时补充自身知识的缺失。 实验二 热电偶测温特性实验一、实验目的了解热电偶测量温度的原理和调理电路，熟悉调理电路工作方式。二、实验内容本实验主要学习以下几方面的内容1.了解热电偶特性曲线；2观察采集到的热信号的实时变化情况。3.熟悉热电偶类传感器调理电路。三、实验仪器、设备和材料myDAQ、myboard、nextsense01热电偶实验模块、万用表四、实验原理 热电偶是一种半导体感温元件，它是利用半导体的电阻值随温度变化而显著变化的特性实现测温。热电偶传感器的工作原理热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图50-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。图50-1（a）图50-1（b）两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图50-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比五、实验步骤1、关闭平台电源（myboard），插上热电偶实验模块。开启平台电源，此时可以看到模块左上角电源指示灯亮。2、打开nextpad,运行热电偶实验应用程序3、查看传感器介绍，了解热电偶的原理及温差与热电势之间的关系。4、在特性曲线页面。选择不同型号的热电偶观察各型号热电偶的V-T，在测温曲线的下方，手动模拟产生热电势的值，观察测温曲线。5、在实验内容页面中了解实验的内容、操作方式和过程6、在仿真页面任意改变运算放大器的输出电压值和运算放大倍数，记录E（T,T0）和冷端温度仿真的输出值E（T0），将数据填写到热电偶温度手动测量表中，查表计算热电偶的电势所对应的温度值。7、在测量页面选择实际接入的电阻8、在nextsense01中，用杜邦线将R2R4链接到运算放大器上。9、调零。将A、B端用杜邦线短接，调节模块右侧下方的电位器，对放大器的输出Vout进行调零。二十二、测量。选择K型或者J型热电偶其中一个，连接到A、B两端，在自动测量页面，点击页面上的开始按钮进行数据的采集和记录，将热电偶放置到热水中记录温度的变化（温度变化范围至少30度）。二十三、在nextpad页面中，点击页面右上的数据保存按钮，选择保存的表格，进行数据的保存。6、 实验数据七、实验结论 实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，被测传感器的比例系数为54.020。根据半导体的电阻值随温度变化而显著且有规律变化的这一特性，可以实现测温功能。通过这次实验我了解了热电偶测量温度的原理和调理电路，熟悉了调理电路工作方式，对热电偶有了更深的理解。 实验三 光电转速传感器测速实验1、 实验目的了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。2、 实验内容本实验为了了解转速测量实验的方法。需要采集数据，利用Drlab实验平台提供的8通道USB采集仪来完成采集过程。3、 实验仪器、设备和材料主机箱中的转速调节024V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率转速表；转动源、光电转速传感器光电断续器(已装在转动源上)。4、 实验原理光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器也称光耦)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示，即可得到转速=10f。五、实验步骤1、 将主机箱中的转速调节024V旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表；再按图所示接线，将主机箱中频率转速表的切换开关切换到转速处。2、 检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。3、 从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据）。4、 画出电机的V-(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。6、 实验数据7、 实验结论 通过本次实验，我了解了光电转速传感器测量转速的原理及方法，电压的值越大，电机的转速就越快。 实验四 霍尔测速实验1、 实验目的了解霍尔转速传感器，使用霍尔传感器测量转速。2、 实验内容使用霍尔传感器测量转速3、 实验仪器、设备和材料霍尔转速传感器、转速测量控制仪。4、 实验原理利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。5、 实验步骤1、 根据图，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，探头对准转盘内的磁钢。2、 将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端，红（+）、绿（-），不要接错。3、 将霍尔传感器输出端（黄线）接示波器或者频率计。4、 调节电动转速电位器使转速变化，用示波器观察波形的变化（特别注意脉宽的变化），或用频率计观察输出频率的变化。6、 实验数据7、 实验结论由以上数据可得：最快转速对应的频率f1=152.83Hz，最慢转速对应频率f6=20.1Hz。随着转速的减小，脉宽T1逐渐变大，但占空比基本保持不变，而且速度不能无限减小。 通过本次实验，我学到了很多，了解了霍尔转速传感器，学会了使用霍尔传感器测量转速，明白了霍尔传感器的实验原理。 实验五 湿敏传感器实验1、 实验目的了解湿敏传感器的原理和应用。2、 实验内容用湿敏传感器测量输出电压值。3、 实验仪器、设备和材料主机箱、湿敏传感器、湿敏座、潮湿小棉球、干燥剂。4、 实验原理温度是指空气中所含有的水蒸气的分量。空气的潮湿程度，一般多用相对湿度概念，即在一定的温度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值，称为相对湿度（用RH表示）。湿敏传感器种类比较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用水分子亲和力性中的高分子材料湿敏元件。原理是采用具有感湿功能的高分子聚合物涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上，导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。5、 实验步骤1、按图接线并将主机箱电压表量程切换到20V档。2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，传感器通电先预热5分钟以上，然后往湿敏座中加入若干量干燥剂，放上传感器，等到电压表显示值稳定后记录显示值。3、倒出湿敏座中的干燥剂加入潮湿小棉球，放上传感器，等到电压表显示值稳定后记录显示值。6、 实验数据7、 实验结论对于像这种的数字传感器，对于控制命令时序，接收数据时序很重要，需要精确知道各部分需要延迟多长时间，其次就是对于采集的数据处理。通过本次实验，我了解了湿敏传感器的原理和应用。 实验六 金属箔式应变片电桥性能实验1、 实验目的1、 了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理、基本结构及应用。2、 比较单臂、半桥、全桥输出的灵敏度和非线性度，得出相应结论。3、 了解温度对应变测试系统的影响以及补偿方法。4、 掌握应变片在工程测试中的典型应用。2、 实验内容测量单臂、半桥、全桥灵敏度和输出电压值关系。3、 实验仪器、设备和材料应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、15V 电源、4V 电源、万用表。4、 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：R / R = K 式中：R / R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数， = L / L 为电阻丝长度相对变化。同时，由于应变片敏感栅丝的温度系数的影响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变，因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。金属箔式应变片是通过光刻、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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压/ 4 01 U = EK 。当应变片阻值和应变量相同时，半桥输出电压/ 2 02 U = EK 。全桥输出电压U = EK 03 ，其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性度和温度误差均得到改善。5、 实验步骤单臂：1、电桥接线及调零：参考图接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左下方的R1)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7 接成直流电桥(R5、R6、R7 在模块内已连接好)，接上桥路电源4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1 使数显表显示为零。2、单臂电桥实验：在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，再依次减少砝码重复做一次。记下实验结果填入表1-1画出实验曲线。半桥：1、保持实验单臂的各旋钮位置不变，根据图1.3 接线，R1、R2 为实验模板左方的应变片，注意R2 应和R1 受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源4V，调节Rw1，使数显表指示为零。注意保持放大器增益Rw3 不变。2、应变片半桥实验：同实验单臂第2 步骤，将实验数据记入表1.2。全桥：1、保持实验步骤半桥实验结果。2、将200g 砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一数值U01。3、将主控箱上+5V 直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔，数分钟后待数显电压表显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1 即为温度变化对全桥测量的影响。计算这一温度变化产生的相对误差：实验完毕，关闭电源。6、 实验数据7、 实验结论单臂:实验结果分析：根据表1.1 计算系统灵敏度S = U / W （U 输出电压变化量，W 重量变化量）和非线性误差 ， = / 100% FS m Y 式中m 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差； FS Y 满量程输出平均值，此处为200g (或500g)，同时在曲线上标注出回程误差大小。通过本次实验，我了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理、基本结构及应用，比较了单臂、半桥、全桥输出的灵敏度和非线性度，得出了相应结论， 了解了温度对应变测试系统的影响以及补偿方法，掌握了应变片在工程测试中的典型应用。实验七 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较1、 实验目的比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。2、 实验内容比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。3、 实验仪器、设备和材料1应变传感器实验模块2托盘3砝码415V、4V电源5直流电压表6.万用表（自备）4、 实验原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，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，式中为电阻丝电阻相对变化；k为应变灵敏系数；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组件。如图1所示，将四个金属箔式应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，则应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。5、 实验步骤1 应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。通过这些应变片转换弹性体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，如图2所示R5=R6=R7=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 。其中，E为电桥电源电压。 2 差动放大器调零。从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo接数显电压表（选择2V档）。将电位器调节放大倍数的Rw4调到适当位置（注意：不能置于逆时针最小位置！），调节电位器Rw3使电压表显示为0V。关闭主控台电源（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）。3、 按图2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。 4加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。5在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入表1。6不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图3。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 式3表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。保持Rw3、Rw4的位置不变，按图3接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边；加托盘后调节Rw1将电桥调零；在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入表1。7全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出 式中E为电桥电源电压；为电阻丝电阻相对变化。式4表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。保持Rw3、Rw4的位置不变，按图4接线，将四只应变片接入电桥，始终保持相邻的两只应变片受力方向相反；加托盘后调节Rw1将电桥调零；在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入表1。8实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。6、 实验数据7、 实验结论图中紫色所对应的直线是单臂电桥的情况，黄色是半臂电桥的情况，褐色是全桥的情况。通过比较可以发现它们的斜率依次是两倍的关系。通过本次实验验证了单臂时，Ku=E/4; 半桥时Ku=E/2;全桥时Ku=E. 1根据实验所得数据计算单臂系统灵敏度S1U/W（U输出电压变化量，W重量变化量）。2计算单臂电桥的非线性误差f1=m/yF.S100。式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为