信号与测试实验二传感器—温度、霍尔、金属箔、涡流

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：学号：1一、温度传感器实验一、温度传感器实验一、实验目的：一、实验目的：了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN 结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；掌握热电偶的冷端补偿原理；掌握热电偶的标定过程；了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。二、实验仪器：二、实验仪器：温度传感器实验模块热电偶（K型、E型）CSY2001B 型传感器系统综合实验台（以下简称主机）温控电加热炉连接电缆万用表：VC9804A，附表笔及测温探头万用表：VC9806，附表笔三、实验原理：三、实验原理：（1）热

2、电偶测温原理由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路， 当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。（2）热电偶标定以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶， 被校热电偶热电势与标准热电偶热电势的误差为-+*s - eseeee 标分标测校准校分标标式中：e校准被校热电偶(E型)在标定点温度下测得的热电势平均值e标测标准热电偶(K型)在标定点温度下测得的热电势平均值e标分标准热电偶分度表上标定温度的热电势值 e校分被校热电偶标定温度下分度表上的热电势值s标标准热电偶的微分热电势（3）热电偶冷端补偿热电偶冷端温度不为0时，需对所测热电势值

3、进行修正，修正公式为：E（T，To）2=E(T,t1)+E(T1,T0)即： 实际电动势 测量所得电势 温度修正电势（4）铂热电阻铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性， 当温度在0T650时，RT=R0 （1+AT+BT2）式中：RT铂热电阻T时的电阻值RO铂热电阻在0时的电阻值A系数（=3.9684710-31/）B系数（-5.84710-71/2）将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。（5）PN结温敏二极管半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结特性表达公式可知，当可知,当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结

4、正向压降就下降2mv，利用PN结的这一特性可以测得温度的变化。（6）热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。 它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01的温差变化。（7）集成温度传感器用集成工艺制成的双端电流型温度传感器， 在一定的温度范围内按1A/K 的恒定比值.输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K 氏温度），经K 氏-摄氏转换电路直接显示温度值。四、实验步骤：四、实验步骤：（1）观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理（见附1）。（2） 温控电加热炉电源插头插入主机“220V 加热电源出”插座；热电偶

5、插入电加热炉内，K 分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E 分度热电偶接“温控”端，（注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶）；（3） 连接主机的 “实验模块电源”至温度传感器实验模块电源插座 （在后侧板） 。（4）VC9806型万用表置200mv 档，当主机的“热电偶转换”开关倒 向“温控”时，测E 分度热电偶的热电势；当主机的“热电偶转换”开关倒向“测试”时，测K 分度热电偶的热电势。记录电炉温度与热电势的关系。（5）打开主机“电源开关”，“测试设定”开关倒向“设定”，调节“设定调节”旋钮，将温度设定在40。“加热炉”置“开”，“加热”指示灯亮，温控电加热炉加热；加热炉到达设定温度后，

6、 “加热”指示灯灭， “关闭”指示灯亮，温控炉在设定温度保温。（6）将“测试设定”开关倒向“测量”，用VC9806型万用表分别测量K 型和E 型热电偶的热电势。（7）用VC9804型万用表测量冷端温度。（将温度探头连接在万用表的“TEMP”插座，万用表置于“”档）（8）按照步骤（5），分别将温度设定在40、50、60、70、80、90、100，重复（6）（7）步，记录测量数据。（9）按照步骤（5），分别将温度设定在100、90、80、70、60、50、340，重复（6）（7）步，记录测量数据.（10）重复（5）（9）步2次。(11) 其他热敏电阻步骤同上。五、实验数据及处理五、实验数据及处理:

7、 :原始数据：原始数据：给定温度/405060708090100冷端温度/20K型温度热电势/mv0.91.21.72.12.42.83.2冷端补偿电势/mv0.798实际电动势/mV测量温度/445364738292102E 型温度热电势/mv1.41.92.63.23.84.45.1冷端补偿电势/mv1.192误差0.3930.3910.4400.4460.3660.4160.374测量温度/445364738292102铂热电阻输出电压/mv55.551.050.850.350.751.451.4PN 结温敏二极管输出电压/v10.510.510.510.510.510.510.5半导体

8、热敏电阻输出电压/v0.8710.7300.5980.5460.4300.3450.268集成温度传感器输出电压/mv0.3140.3580.4180.4530.5100.5500.609数据处理及分析：数据处理及分析：1、热电偶测温：E 型热电偶的标定：将 K 型热电偶作为标准热电偶，计算被测热电偶 E 型热电偶的误差。e = ?校测?标分?标准?标? ?标? ?校分计算结果填于表中。热电偶测温电压温度曲线：4从图中可以看出，经过标定后 E 型热电偶相比标定前测量更准确，但由于仪器本身原因测量温度与实际温度相差较大，导致 E 型热电偶测温不准确，与 K型热电偶相比差距较大。结合参考资料，我们

9、可以知道热电偶测温方法测温范围较宽，一般为-50 至 1600，热电偶构造简单，使用方便，而且具有较高的准确度。 从图像中看出经过温度补偿后， 热电偶两段电势与测量温度基本呈线性关系，而且热电势随温度变化情况较明显，灵敏度高。2、铂热电阻3、PN 结温敏二极管由于实验故障，所以没有得到正确的实验数据。4、半导体热敏电阻半导体热敏电阻由于其非线性，测温范围较小，常用于小范围较高精度的测量。但其灵敏度较高，电阻温度系数一般为-4.75%/。55、集成温度传感器集成温度传感器典型工作温度范围是-50 至+150。与分立元件温度传感器相比，其最大优点为小型化、使用方便和成本低廉。二、金属箔式应变计实验

10、二、金属箔式应变计实验一、一、实验目的实验目的（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、实验原理二、实验原理（1）应变片测量原理应变片是最常用的测力传感元件。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，

11、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）6当弹性体受力时，根据电桥的加减特性其输出电压为：（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

12、，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、三、实验仪器实验仪器主机提供可调直流稳压电源（4V、12V），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

13、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）。7（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

14、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 30），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

15、时的电路进行比较，用文字说明比较的结果。8四四 实验数据及处理实验数据及处理原始数据：原始数据：W(克)020406080100120140160180200V1 增（mV）0133.065.6100.2132.5165.4198.4230264297330V1 减（mV）1.334.267.3100.8133 7166.5198232265297330V1 增（mV）0.534.470.7103.3136.3168.6201233266299332V1 减（mV）3.436.870.0103.5136.6169.4202235267300332V1 增（mV）-0.133.165.298.5

16、131.5166.3198.4232265298330V1 减（mV）0.734.167.3100.4134.4167.7200232265297330V1 平均 （mV）0.9834.2767.68101.12134.17167.32199.63232.33265.33298330.67V1 正行程(mV)0.16733.567.167100.67133.43166.77199.27231.67265298330.67反行程（mV）1.835.0368.2101.57134.9167.87200233265.67298330.67数据处理及分析：数据处理及分析：由数据得：9作回归分析可知：其

17、线性度为 r=1。由此可知应变式传感器的线性度较好。由上图可知，正行程平均校正曲线与反行程平均校正曲线基本重合，其迟滞误差很小。关于温度补偿：关于温度补偿：未加补偿：加热前温度稳定后温度（）2250电压（mV）3.5159.6温漂为加补偿应变片：加热前温度稳定后温度（）2250电压（mV）4157.4通过上述数据可知,在加补偿片前后电压随温度的变化其变化也很大。但是在理论上不应有很大的变化，因为在实验中用的是 4 个应变片，可以抵消温度对十余年结果的影响，所以最后的实验数据是有问题的。三、电涡流传感器三、电涡流传感器实实验验一、一、实验目的实验目的了解电涡流传感器的原理；了解不同被测材料对电涡

18、流传感器的影响；二、实验仪器二、实验仪器10电涡流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三、实验原理三、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电涡流片的电阻率，导磁率，厚度以及线圈的距离 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，将阻抗变化为电压信号 V 输出，则输出电压是距离 X 的单值函数。四、实验步骤四、实验步骤1. 用电

19、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；2. 安装电涡流线圈与涡流片（铁片，黑色） ，两者必须保持平行；电涡流探头插入变换器插孔；安装好测微仪，涡流变换器输出端 Vout 接电压表 20V 档。3. 打开微机电源，用测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（如不为零可是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。五、实验数据五、实验数据原始数据：原始数据：铁片：X/mm00.20.4

20、0.60.811.21.41.61.82Vo/V0-0.939-1.428-1.84-2.226-2.607-2.973-3.331-3.678-4.013-4.33711X/mm2.22.42.62.833.23.43.63.842.2Vo/V-4.649-4.949-5.235-5.503-5.759-6.004-6.233-6.445-6.642-6.828-4.649铜片：X/mm00.20.40.60.811.21.41.61.82Vo/V0-0.939-1.428-1.84-2.226-2.607-2.973-3.331-3.678-4.013-4.337X/mm2.22.42.6

21、2.833.23.43.63.842.2Vo/V-4.649-4.949-5.235-5.503-5.759-6.004-6.233-6.445-6.642-6.828-4.649铝片：X/mm00.20.40.60.811.21.41.61.82Vo/V0-0.939-1.428-1.84-2.226-2.607-2.973-3.331-3.678-4.013-4.337X/mm2.22.42.62.833.23.43.63.842.2Vo/V-4.649-4.949-5.235-5.503-5.759-6.004-6.233-6.445-6.642-6.828-4.649六、六、实验分析实

22、验分析根据数据绘制距离与时间的关系曲线如图：数据处理及分析：铁片：铁片：12铜片：铜片：铝片：铝片：从上三图可以看出，对铁片的距离测量曲线的线性程度最高。四活塞压力计静态校准四活塞压力计静态校准一、实验目的一、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13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、实验原理三、实验原理

23、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， 并将压力传感器输出的电压信号放大并14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

24、，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、实验数据处理五

25、、实验数据处理1.各部分用方框图标注如实验设备中图一所示。2.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01.0051.0141.0080.051.6761.6851.6790.12.0092.0172.0130.152.3442.3522.3480.22.6782.6872.6830.253.0123.0233.0150.33.3463.3543.3490.353.6803.6893.6840.44.0144.0234.0160.454.3484.3594.3520.54.6814.6904.683反行程0.54.6754.6894.6810.454.3444.3554

26、.3410.44.0084.0794.0130.353.6783.6873.6790.33.3453.3523.3460.253.0113.0223.013150.22.6772.6862.6760.152.3432.3512.3410.12.0092.0192.0070.051.6741.6851.67501.3411.3521.3423.3.数据处理数据处理(1)(1)校准曲线校准曲线L（传感器实际特性的数学期望）的确定（传感器实际特性的数学期望）的确定压力/MP正行程输出uiy反行程输出diy平均输出iy(V)01.0094.6816671.0096670.051.684.3466671

27、.6806670.12.0134.0333332.0136670.152.3483.6813332.3486670.22.6826673.3476672.6834440.253.0166673.0153333.0174440.33.3496672.6796673.3502780.353.6843332.3453.6850560.44.0176672.0116674.0182780.454.3531.6784.3538330.54.6846671.3454.685278最小二乘法拟合曲线211112211nnnniiiiiiiiinniiiixyxx yanxx ，1112211nnniiiii

28、iinniiiinx yxybnxx；可得 a=1.2395，b=6.9862，即 y=1.2398+6.9862x,r2=0.9943,线性度高。16由上述拟合可知，压力与电压之间存在着很好的线性度。但是测量点第一个点误差相对比较大。(2)(2)非线性度非线性度Ls：压力/MP平均输出iy(V)最小二乘直线输出iy非线性偏差, i Ly01.0096671.2395-0.229830.051.6806671.588810.0918570.12.0136671.938120.0755470.152.3486672.287430.0612370.22.6834442.636740.0467040

29、.253.0174442.986050.0313940.33.3502783.335360.0149180.353.6850563.684670.0003860.44.0182784.03398-0.01570.454.3538334.38329-0.029460.54.6852784.7326-0.04732%100|)( |maxFSllyy其中，|max)(,maxLilyy,i=1,2.niiLiyyy,由表可知，|)( |maxly= 0.22983；minmaxxxbyFS6.98620.5=3.4931所以，%5795.6%1004931.322983.0l由上述计算可知，非线性

30、误差较大，分析原因：第一组数存在较大的误差，导致整个数据的误差增大，如果除去第一组数，其他的数误差都很小。(3)(3)迟滞误差迟滞误差H压力/MP正行程输出uiy反行程输出diy正反行程偏差, i Hy01.0091.010333-0.001330.051.681.681333-0.001330.12.0132.014333-0.001330.152.3482.349333-0.001330.22.6826672.684222-0.001560.253.0166673.018222-0.001560.33.3496673.350889-0.001220.353.6843333.685778-0

31、.00144170.44.0176674.018889-0.001220.454.3534.354667-0.001670.54.6846674.685889-0.00122可 知%1002)(maxFSHHyy,由 表 可 知 ，H0.00167/(2 3.4931) 100%=0.0239%可知迟滞误差很小。（4 4）非线性迟滞非线性迟滞LH压 力/MP正行程输出uiy反行程输出diy最小二乘直线输出iyiuiyyidiyy非线性迟滞 误 差, i LHy01.0091.0103331.23950.23050.229170.23050.051.681.6813331.588810.0911

32、90.0925230.0925230.12.0132.0143331.938120.074880.0762130.0762130.152.3482.3493332.287430.060570.0619030.0619030.22.6826672.6842222.636740.0459270.0474820.0474820.253.0166673.0182222.986050.0306170.0321720.0321720.33.3496673.3508893.335360.0143070.0155290.0155290.353.6843333.6857783.684670.000340.001

33、1080.0011080.44.0176674.0188894.033980.016310.015090.016310.454.3534.3546674.383290.030290.028620.030290.54.6846674.6858894.73260.047930.046710.04793可 知%100)(maxFSLHLHyy,由 表 可 知 ，LH0.2305/3.4931 100%=6.5987%由上述计算可知，非线性迟滞误差略大。分析原因，有可能是第一个点测量的时候存在着较大的误差。(5)(5)重复性重复性极差法压力/MPuiWuisdiWdis00.0090.0047120.

34、0140.007330.050.0090.0047120.0130.0068060.100.0080.0041880.0110.0057590.150.0080.0041880.0090.004712180.200.0090.0047120.0070.0036650.250.0110.0057590.0110.0057590.300.0080.0041880.010.0052360.350.0090.0047120.010.0052360.400.0090.0047120.0120.0062830.450.0110.0057590.0110.0057590.50.0090.0047120.01

35、10.005759标准偏差为:;=0.005287重复性为：R=Fsy3s100=30.0052873.4931100%=0.4540%贝塞尔公式压力/MP正行程标准偏差uiS反行程标准偏差diS02.1E-054.93E-050.052.1E-055.43E-050.100.0000160.001570.150.0000162.43E-050.202.03E-051.43E-050.253.23E-053.43E-050.301.63E-053.03E-050.352.03E-052.8E-05190.402.23E-054.13E-050.453.1E-053.7E-050.52.23E-

36、053.7E-05标准偏差为:;=1211 2.48E ? 06=3.357510-4重复性为：R=Fsy3s100=0.04884%(6)(6)总精度：总精度：直接代数和（重复性由极差法得到）%5795.6+0.0239%+0.4540%=7.0574%方和根（重复性由极差法得到）=6.5795%2? 0.0239%2? (0.4540%)2=6.5952%综合考虑非线性迟滞和重复性（重复性由极差法得到）=6.5987%+0.4540%=6.1447%综合考虑迟滞和重复性（重复性由极差法得到）=0.0239%+0.4540%=0.4779%六、实验感想六、实验感想实验结果基本符合实验要求， 活塞压力计精度较高， 但第一组数据误差略大。20通过此次实验，我了解了压力传感器的原理和压力测量系统的组成，掌握了测试系统静态校准的参数计算方法。五霍尔传感器实验五霍尔传感器实验1 1实验目的实验目的（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 2实验原理实验原理霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件， 当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时