信号报告实验二

1、信号与测试技术实验报告实验二 传感器实验 院 系：自动化科学与电气工程学院 姓 名：李育晓 学 号：11031141一、电感式传感器实验1、实验目的 1) 了解电感式传感器的基本组成及工作原理；2) 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；3) 了解移相器的工作原理； 4) 了解相敏检波器的工作原理； 2、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 3、实验原理 （1） 实验框图 电感式传感器实验框图如图1所示。 图 1 电感式传感

2、器实验框图 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传感器。电感元件的基本特性方程为：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、

3、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 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

4、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 4、数据处理：（1）差动变压器连接与测试实验现象：

5、前后移动改变变压器磁芯在线圈中位置，示波器2通道波形发生翻转（2）旋动螺旋测微仪，示波器波形位置变化，当位移量上升时，电压值下降。位移量下降，电压值上升（3）旋转移相调节旋钮，示波器波形发生移相。同时万用表最大为0.177V，最小为-0.116V（4）实验原始数据：刻度/cm正1/V反一/V正二/V反二/V正三/V反三/V正平均/V反平均/V正反偏差/V总平均/V01.9131.9131.9151.9151.9161.9161.9147 1.9147 0.0000 1.9147 0.11.8441.8551.8461.8581.8471.8561.8457 1.8563 -0.0107 1.8

6、510 0.21.7321.7741.7341.7771.7351.7751.7337 1.7753 -0.0417 1.7545 0.31.6611.7451.6631.7481.6641.7461.6627 1.7463 -0.0837 1.7045 0.41.5251.631.5271.6331.5281.6311.5267 1.6313 -0.1047 1.5790 0.51.3581.4831.361.4861.3611.4841.3597 1.4843 -0.1247 1.4220 0.61.2181.3651.221.3681.2211.3661.2197 1.3663 -0.1

7、467 1.2930 0.71.0391.2391.0411.2421.0421.241.0407 1.2403 -0.1997 1.1405 0.80.861.110.8621.1130.8631.1110.8617 1.1113 -0.2497 0.9865 0.90.6590.9780.6610.9810.6620.9790.6607 0.9793 -0.3187 0.8200 10.4340.8250.4360.8280.4370.8260.4357 0.8263 -0.3907 0.6310 1.10.2460.5570.2480.560.2490.5580.2477 0.5583

8、-0.3107 0.4030 1.20.0610.3240.0630.3270.0640.3250.0627 0.3253 -0.2627 0.1940 1.3-0.0840.139-0.0820.142-0.0810.14-0.0823 0.1403 -0.2227 0.0290 1.4-0.227-0.065-0.225-0.062-0.224-0.064-0.2253 -0.0637 -0.1617 -0.1445 1.5-0.364-0.223-0.362-0.22-0.361-0.222-0.3623 -0.2217 -0.1407 -0.2920 1.6-0.499-0.379-0

9、.497-0.376-0.496-0.378-0.4973 -0.3777 -0.1197 -0.4375 1.7-0.628-0.528-0.626-0.525-0.625-0.527-0.6263 -0.5267 -0.0997 -0.5765 1.8-0.749-0.67-0.747-0.667-0.746-0.669-0.7473 -0.6687 -0.0787 -0.7080 1.9-0.861-0.804-0.859-0.801-0.858-0.803-0.8593 -0.8027 -0.0567 -0.8310 2-0.961-0.916-0.959-0.913-0.958-0.

10、915-0.9593 -0.9147 -0.0447 -0.9370 2.1-1.046-1.021-1.044-1.018-1.043-1.02-1.0443 -1.0197 -0.0247 -1.0320 2.2-1.117-1.104-1.115-1.101-1.114-1.103-1.1153 -1.1027 -0.0127 -1.1090 2.3-1.176-1.163-1.174-1.16-1.173-1.162-1.1743 -1.1617 -0.0127 -1.1680 2.4-1.219-1.213-1.217-1.21-1.216-1.212-1.2173 -1.2117

11、-0.0057 -1.2145 2.5-1.254-1.254-1.252-1.252-1.251-1.251-1.2523 -1.2523 0.0000 -1.2523 由上表最后一列数据，绘制出电压位移拟合曲线拟合的电压位移曲线表达式为y=-1.4411x+2.0329（其中x为位移量单位cm,y为输出电压，单位为V）滞回特性曲线：静态指标参数的计算：（1）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0.1117V（2）灵敏度：由拟合直线的斜率可知，（3）迟滞：由表格原始数据知：正反行程各观测点平均值得最大偏差：迟滞误差：5、实验总结: 1)实验思考题（1）说明差动变压器

12、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

13、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。二、光纤光电传感实验1、 实验目的1) 了解光纤传感器原理及位移测量的原理； 2) 了解光敏电阻和光电开关的工作原理及应用。 2、 实验仪器 光纤光电传感器实验模块示波器：DS5062CE微机电源：WD990型±12V万用表：VC9804A型电源连接电缆螺旋测微仪 3、 实验原理 1)光敏电阻 由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。不同

14、的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。 图1 光敏电阻应用电路示意 图2 光敏电阻图 2)红外发光管与光敏三极管 光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。 与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图3形式，就形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。 图3 透过型光断

15、续器结构3)光纤传感器 反射式光纤传感器工作原理如图4所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。 图4 反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线4、 数据处理1）光敏电阻实验：实验现象：将光敏电阻置于光亮处，测量其亮电阻为2.70k将光敏电阻置于黑暗处，测量其暗电阻为66.0k调节“光电阻暗灯控制”旋钮，光敏电阻的光照程度较强时：LED灯不亮，

16、万用表输出电压U1=0.11V光敏电阻的光照程度较弱时，LED灯亮，万用表输出电压U2=2.03V，光照程度变化时，示波器波形有跳变。分析：由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。2）计算光电开关测量的电机转速。方波频率f/Hz12.0266.15100电机转速n r/min360.61984.53000图5 f=12.02HZ时的示波器波形图6 f=67.1HZ时示波器的波形图7 f=100Hz时示波器的波形3）对于光纤位移传感器，分析测量数据，作出电压-位移曲

17、线，拟合出电压-位移表达式位移/mm00.20.40.60.81.01.21.41.6电压Vp-p0.100.211.182.303.354.144.704.915.00位移/mm1.82.02.22.42.62.83.03.23.4电压Vp-p5.024.964.774.604.424.203.953.753.52位移/mm3.63.84.04.24.44.64.85.05.2电压Vp-p3.303.092.892.732.602.462.322.202.07表1 光纤传感器测量数据绘制曲线如下：三、电容式传感器实验1、实验目的了解电容式传感器原理及位移测量的原理；2、实验仪器电容传感器实验

18、模块示波器：DS5062CE微机电源：WD990型，±12V万用表：VC9804A型电源连接电缆螺旋测微仪3、实验原理差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化.图1电容式传感器工作原理4、实验数据及处理原始数据：表一：动极位移增大方向原始数据x/mm00.511.522.533.544.55Vo/V00.0020.0050.0070.0090.0120.0150.0170.0190.0220.025x/mm5.566.577.588.599.51010.5Vo/V0.0270.0290.0330.0360.0390.0

19、420.0450.0480.0510.0530.056x/mm1111.51212.5Vo/V0.0580.0590.0610.062表二：动极位移减小方向原始数据x/mm0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5Vo/mV0-0.002-0.005-0.007-0.009-0.010-0.012-0.015-0.017-0.020-0.023x/mm-5.5-6-6.5-7-7.5-8-8.5-9-9.5-10-10.5Vo/mV-0.025-0.028-0.030-0.032-0.035-0.038-0.040-0.043-0.045-0.048-0.051x/mm-1

20、1-11.5-12-12.5Vo/mV-0.054-0.057-0.058-0.059由测量数据得到电压位移曲线和拟合曲线：由matlab拟合出来的Y=0.005x+0.00145、实验总结：（1）思考题：简述电容式传感器的工作原理电容传感器的基本理想公式为：电容式位移传感器是通过位移的改变导致电容两个极板之间的距离d的变化，从而将位移量转换成电容变化量进行测量。四、霍尔传感器实验 1、实验目的 （1）学习霍尔传感器的测量位移的原理（2）掌握霍尔传感器信号调理电路的设计原理及调试方法 2、实验原理 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象

21、称为霍尔效应。 保持霍尔元件的控制电流恒定，使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿x方向移动。则输出的霍尔电势可表示为：U=Kx；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 3、实验仪器 霍尔传感器、主机直流稳压电源（2V）、主机实验电源（±12V）、霍尔传感器实验模块、电压表、螺旋测微仪、DG1011信号源4、实验连线 按图1连接实验电路，开启主机电源，首先用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，此时可用电压表监测电桥输出信号（即进入差放“+”、“-”端的信号），当电压表値在0V左右时，停止螺旋测微仪调节；接着调节WD平衡电位器，使差分

22、放大器输出为零，此时螺旋测微仪的位置为实验位置的中点。5、实验数据X(mm)-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50v1(mv)-0.21-0.21-0.2-0.19-0.18-0.16-0.120v2(mv)-0.21-0.21-0.2-0.19-0.18-0.16-0.12-0.03v3(mv)-0.21-0.21-0.2-0.19-0.18-0.15-0.12-0.03X(mm)0.511.522.533.54v1(mv)0.180.490.801.121.451.751.992.15v2(mv)0.170.490.811.131.451.751.992.14v3(mv)0.170

23、.50.81.131.461.761.982.13通过matlab做出的位移-电压曲线：从曲线中可以看出：当位移量在0.53.5之间，传感器工作在线性区间。说明该位移传感器其量程为3mm。通过对线性区间曲线的拟合得其灵敏度kx=Uhx=2.3÷4.7(v/m)=0.49 (v/m) 对非线性区间的分析：出现非线性区间，说明位移量超出了其量程范围，从原理上讲，应该是半导体薄片超出了梯度磁场的范围，故导致超出量程。同时在线性区也不能做到完全的线性，应该和不等位电势误差和温度误差有关，另外梯形磁场也不能做到完全的均匀变化，故出现上述情况。五、测试系统静态特性校准实验1、 实验原理在实验中，

24、活塞式压力计作为基准器，为压力传感器提供标准压力。信号调理器为压力传感器提供恒电源，将压力传感器输出电压信号放大并转换为电流信号。信号处理器输出为二线制420mA信号，在250W采样电阻上转换为15V电压信号，由5位半数字电压表读出。2、 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，5位半数字电压表，直流稳压电源和采样电阻组成。实验系统框图如下图所示。3、实验数据:压力：p(Mpa)压力变送器的输出电压（V）平均输出y第一循环第二循环第三循环正行程01.2741.2741.2751.27430.051.6011.6011.6011.60100.101.9341.9341

25、.9341.93400.152.2662.2652.2662.26560.202.6002.5972.6002.59900.252.9332.9302.9332.93200.303.2673.2643.2673.26600.353.6013.6003.6013.60070.403.9353.9323.9353.93400.454.2694.2674.2694.2683反行程01.2741.2751.2751.27470.051.6011.6011.6011.60100.101.9341.9351.9341.93430.152.2672.2672.2662.26670.202.6002.5942

26、.5992.59770.252.9342.9332.9332.93330.303.2623.2623.2663.26330.353.6003.6033.6013.60130.403.9343.9313.9353.93330.454.2694.2664.2694.2680用matlab得到校准曲线：利用偏差平方和最小确定的最小二乘直线为:y=1.2745+6.6533x标定数据计算处理过程计算内容输入压力x×105Mpa00.51.01.52.02.53.03.54.04.5备注正行程平均输出yui1.27431.60101.93402.26562.59902.93203.26603.60073.93404.2683反行程平均输出ydi1.27471.60101.93432.2667