北航自动化信号与测试实验报告

1、 2011- 2012 学年 第二学期实验一 电涡流传感器实验实验二 电容式传感器实验实验三 PSD光电位置传感器实验实验四 超声测距实验班级 392311 学院 高等工程 姓名 李 柏 学号 3903·2415 2012年5月2日实验1 电涡流传感器实验一、实验目的1. 了解电涡流传感器原理2. 了解不同被测材料对电涡流传感器的影响二、实验仪器电涡流传感器实验模块DS5062CE示波器WD990型微机电源：±12VVC9804A型万用表电源连接电缆螺旋测微仪等。三、 实验原理电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上会感应产生

2、电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。图1.1 涡流式位移传感器基本结构及工作原理四、 实验步骤用电源电缆连接电源和电涡流式传感器实验模块（插孔在后侧板），其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地。安装电涡流线圈与涡流片（铁片，黑色），两者须保持平行；电涡流探头插头插入变换器插孔；安装好测微仪，涡流变换器输出端Vout接电压表20V档。打开微机电源，用测

3、微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压为零（如不为零可适当改变支架中的线圈角度），然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，从电压表有读数时每隔0.2mm记录一个电压值，将V、X数值填入表1，作出V-X曲线。示波器接电涡流式传感器实验模块的探头入插孔，观察电涡流传感器的激励信号频率，随着线圈与电涡流片距离的变化，信号幅度也发生变化，当涡流片紧贴线圈时电路停振，输出为零。记录此现象。更换涡流片（铜片，金色），进行测试并记录数据，填入表2。在同一坐标上作出V-X曲线。更换涡流片（铝片，银色），进行测试并记录数据，填入表3。在同一坐标上作出V-X曲线。五、 数据处理1.5.1 原始数据表1.1 涡

4、流片为铁片数据X/mm2.32.52.72.93.13.33.53.73.9Vo/V00.380.650.881.081.281.471.661.83X/mm4.14.34.54.74.95.15.35.55.7Vo/V2.002.162.322.462.602.742.862.983.09表1.2 涡流片为铜片数据X/mm0.30.50.70.91.11.31.51.71.9Vo/V1.731.731.771.851.922.002.122.352.58X/mm2.12.32.52.72.93.13.33.53.7Vo/V2.792.973.143.283.423.533.643.733.8

5、2表1.3 涡流片为铝片数据X/mm0.50.70.91.11.31.51.71.92.1Vo/V2.022.022.092.172.252.322.462.682.89X/mm2.32.52.72.93.13.33.53.73.9Vo/V3.073.243.383.513.623.723.813.893.961.5.2 数据处理在此合电压-位移曲线如图1.2所示图1.2 实际测量曲线根据最小二乘公式，将曲线拟合直线如下：铁：y=0.8699x - 1.6772r=0.9913铜：y=0.7118x + 1.2636r=0.9882铝：y=0.6582x + 1.5020r=0.9902六、

6、实验总结实验2 电容式传感器实验一、 实验目的了解电容式传感器原理及位移测量的原理。二、 实验仪器电容传感器实验模块其余同实验1.三、 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。原理图如图2.1所示：图2.1 电容式传感器工作原理四、 实验步骤1. 用电源电缆连接电源和电容传感器实验模块（插孔在后侧板），其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地。2. 观察电容传感器结构：传感器由一个动极与两个定级组成，按图1接好实验线路，增益适当。3. 打开微机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整

7、调零电位器，此时模块电路输出为零。4. 前后位移动极，每次0.5mm，直至动静极完全重合为止，记录数据，作出电压-位移曲线。五、 数据处理原始数据记录如表2-1，表2.1 电容式传感器电压位移对应变化原始数据X/mm12.51211.51110.5109.598.587.576.5Vo/mv0.036289.8121.9151.9181.5210239267296320346366X/mm65.554.543.532.521.510.50Vo/mv373379380382370353346343341326313300332X/mm12.51313.51414.51515.51616.5171

8、7.51818.5Vo/mv0.01-41.4-67.1-87-103.4-125.3-147.3-169.4-174.7-198.7-228-259-274X/mm1919.52020.52121.52222.52323.52424.525Vo/mv-304-309-339-370-401-430-457-485-516-544-574-600-630根据最小二乘法得到的拟合直线为Y = -43.413x + 530.02r=0.9715图样如2-2所示。图2.2 电容式传感器电压随位移变化图六、实验总结实验3 PSD光电位置传感器实验一、 实验目的了解PSD光电传感器原理及位移测量的原理二

9、、 实验仪器PSD光电位置传感器实验模块PSD及激光器组件其余设备与实验1、2一致.三、 实验原理PSD（Position sensitive detector）是一种新型的横向光电效应器件，当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生光生电流I，经运算后即可知光点的位置。工作原理如图3-1所示.图3-1 PSD器件工作原理四、 实验步骤1. 连接PSD及激光器组件的插头至PSD光电位置传感器实验模块的“激光”电源插孔；用电源电缆连接电源和PSD光电位置传感器实验模块（插孔在后侧板）；其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地。2. 观察PSD器件及安装位置，激光器置

10、于PSD组件中；调节反射体（被测物）与激光管的位置大约为7080mm ,PSD光电位置传感器实验模块上输出端Vout接电压表及示波器。3. 打开微机电源，激光束射到被测物体后其漫反射光经透镜聚焦入射PSD光敏面；调整发射头透镜或接收头透镜位置（位于PSD及激光器组件中），调整激光器的光点位置，以提高PSD器件的光电流输出。4. 调节位移装置，使光斑位于PSD光敏面中点（通过观察窗口确认），调节模块“增益”旋钮，用示波器观察，输出波形不应有自激；调节模块“调零”旋钮，使模块电路输出端Vout为零。5. 分别向前和向后位移被测体，每移动0.1mm记录一电压值，记入表1中，作出V-X曲线。6. 用遮

11、挡物盖住观察窗口，使PSD器件不受背景光影响，重新进行位移测试，数据记入表2中。五、 数据处理3.5.1原始数据记录表3-1 不遮挡观察口数据记录X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Vo/v4.995.005.015.015.025.035.045.055.055.06X/mm1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.9Vo/v5.075.095.105.115.125.145.145.155.155.16X/mm2.02.12.22.32.42.52.62.72.82.9Vo/v5.175.185.195.205.215.225.235.245.2

12、55.26X/mm3.03.13.23.33.43.53.63.73.83.9Vo/v5.275.285.295.305.315.325.335.345.355.36X/mm4.04.14.24.34.44.54.64.74.84.9Vo/v5.365.375.375.405.415.415.425.435.445.45X/mm5.05.15.25.35.45.55.65.75.85.9Vo/v5.465.475.475.485.495.505.505.525.535.55表3-2 遮挡观察口数据记录X/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Vo/v5.165.175.1

13、85.185.205.215.225.235.235.25X/mm1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.9Vo/v5.265.275.285.295.295.305.305.325.335.35X/mm2.02.12.22.32.42.52.62.72.82.9Vo/v5.365.375.375.385.395.405.415.425.435.44X/mm3.03.13.23.33.43.53.63.73.83.9Vo/v5.445.455.465.475.495.505.515.525.535.53X/mm4.04.14.24.34.44.54.64.74.84.9Vo/

14、v5.545.545.555.565.575.585.65.615.625.63X/mm5.05.15.25.35.45.55.65.75.85.9Vo/v5.645.655.665.665.675.685.695.695.715.723.5.2数据处理部分根据最小二乘法，可得到： y1 = 0.0944x + 4.9852r=0.999（不遮光）y2 = 0.0945x + 5.162r=0.999（遮光）图3-2 不遮挡观测口条件下运算对比图样（完整）图3-3 不遮挡观测口条件下运算对比图样（局部放大）遮光情况与上图相似，故不再赘言，只给出图3-4.图3-4 遮挡观测口条件下运算对比图样（

15、完整）六、 实验总结实验4 超声测距实验一、 实验目的略。二、 实验仪器略。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。2. 绕射现象小，方向性好，能定向传播。3. 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。4. 能在异质界面产生反射、折射和波形转换。5. 超声波速度超声波速度公式为：式中： 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，

16、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()。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。四、 实验步骤略。五、 实验数据处理该实验之原始数据记录如下：表4-1 原始数据距离/mm050100150200250300数码管显示距离/mm7696139182226276319数码管显示时间/s2513184616067529171061示波器测量时间/s267326469612757923