信号实验 传感器

信号实验 传感器 信号与测试技术实验 实验二 传感器实验 院系名称:自动化科学与电气工程学院 姓 名:朱嘉婧 学 号:39032103 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 必选实验 ............................................................... 3 选做实验1 ..............................................................6 选做实验2 ............................................................. 9 选做实验3 ............................................................. 11 2 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 必选实验:超声测距实验 一、 实验目的: 1. 了解超声波的特性及其速度; 2. 了解测距的原理; 3. 了解超声波探头距离变化时，测量波形的变化。 二、 实验仪器: 超声波传感器测距实验模块，超声探头，示波器:DS5062CE，电源:WD990型，?12V，电源连接电缆，万用:VC9804A，附表笔及测温探头 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。波长短，频率高，故它 有其独特的特点: 1) 绕射现象小，方向性好，能定向传播。 2) 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。 3) 能在异质界面产生反射、折射和波形转换。 超声波速度: 2. 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，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(?)。 3. 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之间的时间，即可得到 发射与接收之间的距离，原理框图如下图所示: 图中距离 L=V×t。T为测量所得时间。 四、 实验数据及曲线: V,V，0.607T,332，0.607，21,344.75m/s算得实验室温度下波速为: 0 3 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 距离/mm 起始50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 距离 数码管显示距8.4 10.2 14.6 19.7 24.8 29.2 33.6 37.9 43.0 47.3 51.0 55.2 59.7 离/cm 数码管显示时279 338 486 656 824 972 1118 1262 1431 1574 1698 1839 1988 间/ ,s 示波器测量时280 342 480 660 836 992 1084 1296 1408 1592 1686 1820 1904 ,s间/ 测量时温度/T 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 计算距离/cm 9.6 11.8 16.5 22.8 28.8 34.2 37.4 44.7 48.5 54.9 58.1 62.7 65.6 用matlab计算拟合曲线，代码如下: x1=[279 338 486 656 824 972 1118 1262 1431 1574 1698 1839 1988]; y1=[8.4 10.2 14.6 19.7 24.8 29.2 33.6 37.9 43.0 47.3 51.0 55.2 59.7]; x2=[280 342 480 660 836 992 1084 1296 1408 1592 1686 1820 1904]; y2=[9.6 11.8 16.5 22.8 28.8 34.2 37.4 44.7 48.5 54.9 58.1 62.7 65.6]; fxy1=polyfit(x1,y1,1) fxy2=polyfit(x2,y2,1) z1=polyval(fxy1,x1); z2=polyval(fxy2,x2); plot(x1,z1,'--',x1,y1,'o',x2,z2,'black',x2,y2,'r*') title('超声波测距拟合曲线图') xlabel('t/us') ylabel('L/cm') 运行结果: 数码管显示结果的方程: fxy1=0.0300x+0.0351; 示波器显示及计算结果方程:fxy2=0.0345-0.0033 ; 绘制曲线如下: 4 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 五、 数据分析 (一) 从图像中我们可以看到，时间与距离基本呈线性关系，用超声波测量的距离与示波器测量的距离有一定的差别。并且，随着时间增加、距离增大，二者差别也逐渐增大。在时间的测量上，用超声波测距模块显示的时间用示波器测量的时间差别很小，所以可以确定这种距离的差别，主要存在于波速的差别上。通过计算可以发现，在超声波测距的过程中，随着距离的增加，超声波波速在不断减小，这也是两种方法存在差别的主要原因。 (二) 提高测量精度的方法，主要可以采取提高示波器显示时间的精度，超声波发射、接收器要同轴，测量模块要通过对室温的检测，补偿超声波波速等方法。 六、 超声波在工程上的应用 1、超声波清洗: 主要由超声波信号发生器换能器及清洗槽组成。超声波信号发生器产生高频振荡信号，通过换能器转换成每秒几万次的高频机械振荡，在清洗液(介质)中形成超声波，以正压和负压高频交替变化的方式在清洗液中疏密相间地向前辐射传播，使清洗液中不断产生无数微小气泡并不断破裂，这种现象称之为“空化效应”。气泡破裂时可形成1000个大气压以上的瞬间高压，产生一连串的爆炸释放出巨大能量，对周围形成巨大冲击，从而对工件表面不断进行冲击，使工作表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到工件表面净化的目的。 超声波清洗应用范围非常广泛，主要应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适用于表面形状复杂的零件，如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗，同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及内外科器械的清洗效果最为理想，不仅能达到清洗的目的，还能对玻璃器皿内外壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用，达到清洗消毒灭菌的作用。 2、超声波塑料焊接: 通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。 3、超声波探伤: 利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。 5 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 选做实验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、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 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。 四、 实验步骤 (1)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，切记勿接错～ (2)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。 (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。 五、 实验数据及曲线 (一) 铁片 X/mm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 V/mV 0 -0.45 -0.57 -0.81 -1.03 -1.23 -1.43 -1.62 -1.81 -1.98 -2.15 X/mm 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 V/mV -2.32 -2.47 -2.62 -2.76 -2.89 -3.00 -3.12 -3.23 -3.32 -3.48 6 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 (二) 铝片 X/mm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 V/mV -2.26 -2.51 -2.75 -2.97 -3.16 -3.33 -3.48 -3.61 -3.73 -3.83 -3.92 X/mm 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 V/mV -4.00 -4.08 -4.14 -4.20 -4.26 -4.30 -4.35 -4.39 -4.42 -4.46 (三) 铜片 X/mm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 V/mV -2.00 -2.19 -2.45 -2.68 -2.89 -3.07 -3.24 -3.39 -3.52 -3.64 -3.75 X/mm 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 V/mV -3.85 -3.93 -4.01 -4.08 -4.14 -4.19 -4.25 -4.29 -4.33 -4.37 分别绘制其曲线: 电压-位移表达式:V= -0.8382X -0.3327 电压-位移表达式:U= -0.5117X -2.6981 7 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 电压-位移表达式:U= -0.5719X -2.3924 六、 数据分析 通过分析以上三图，看出铁片的曲线斜率绝对值最大，且零位电压为0，其灵敏度也比较高，线性度也好于铜片和铝片。铜片和铝片的描点曲线形状非常相近，在1.5mm处，曲线出现一个鼓包，可能由于实验器材的原因导致，二者的零位电压均不为零。而且其线性区间比较狭窄。由以上表格数据和图线可以看出来，用铁片、铜片和铝片均可以作电涡流传感器来测量微小位移，在小位移范围内，三者的线性度均比较良好，但是当测量范围超出一定限度的时候线性度下降。因此，比较上述三种材料，铁片更适宜做涡流传感器。 8 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 选做实验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、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 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1所示。 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，切记勿接错～ (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、 实验数据及曲线 数据表格如下: X/mm 19 18.5 18 17.5 17 16.5 16 15.5 15 14.5 14 13.5 13 12.5 V/mV -85.4 -79.6 -72.3 -66.1 -60.0 -52.2 -44.8 -38.1 -31.4 -24.3 -18.0 -11.9 -6.2 0.00 X/mm 12 11.5 11 10.5 10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 V/mV 6.9 12.7 18.9 25.5 32.6 39.0 45.9 53.7 61.1 67.3 73.6 80.2 86.4 92.1 X/mm 5 4.5 4 3.5 3 2.5 V/mV 97.7 102.0 106.6 110.2 112.4 112.9 用matlab拟合曲线并作图，代码如下: x=[19: -0.5: 2.5]; y=[-85.4 -79.6 -72.3 -66.1 -60.0 -52.2 -44.8 -38.1 -31.4 -24.3 -18.0 -11.9 -6.2 0.00 6.9 12.7 18.9 25.5 32.6 39.0 45.9 53.7 61.1 67.3 73.6 80.2 86.4 92.1 97.7 102.0 106.6 110.2 112.4 112.9]; fxy=polyfit(x,y,1) z=polyval(fxy,x); plot(x,y,'--',x,y,'o',x,z,'red') 9 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 title('电容式传感器拟合曲线') xlabel('位移x/mm') ylabel('电压U/mv') 拟合曲线如下: 拟合直线的电压-位移程表达式:U=-12.6980X-158.4858 六、 数据分析: 在认为运算放大器放大器理想，开环增益足够大，输入阻抗足够高的情况下: 输出电压与间隙有以下关系: 但是在实际情况中，放大器并不是理想的，开环增益有限，而且输入阻抗也并不是无穷大，因此所测的的X—U曲线并不是完全线性的。 由以上数据可知，用电容式传感器测量微小位移变化可以获得比较理想的线性效果，而且由公式: 可知，电容传感器的灵敏度在极距较小的时候比较大。 因此，我们可以用电容传感器来测量小位移，并且通过运算放大测量电路将位移变化量转变为电变化量，从而实现位移的测量。 10 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 选做实验3——光纤光电传感实验 一、 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。 二、 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 三、 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 透过型光断续器结构 11 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 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。 四、 实验步骤 (一) 光敏电阻实验 (1) 观察光敏电阻，分别将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测量其亮电阻和暗电阻，暗电阻和亮电阻之差为光电阻值。记录亮电阻和暗电阻。在给定工作电压下，通过亮电阻和暗电阻的电流为亮电流和暗电流，其差为光敏电阻的光电流。光电流越大，灵敏度越高。 (2) 在光纤光电传感器实验模块上，将光敏电阻接入暗灯控制电路的输入端插座。 (3) 连接微机电源和光纤光电传感器电源接口，其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮(金色)为地，切记勿接错～ (4) 暗灯控制电路输出端V0ut接万用表和示波器;万用表置电压档;打开电源开关和示波器、万用表开关。 (5)改变光敏电阻的光照程度，观察示波器、万用表的变化，记录变化现象;调节“光电阻暗灯控制”旋钮，观察不同光照强度下输出电压的变化情况，记录变化现象。 (二) 光电开关 (1)观察光电开关结构:传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3μm左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。 图4 反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线 (2)连接光断续器与光断续器的插孔(R、G、B分别连接红线、绿线、黑线)连接电源与光纤光电传感器实验模块的电源接口，示波器接光断续器的变换器输出端Vout。 (3)打开电源，用手转动旋转电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。 (4)调节“电机转速控制”旋钮，调节转速，在示波器上观察Vout端连续方波信号输出，记录方波信号的特性(周期、频率等)，计算旋转电机转速(最后以转/分为单位)。转速测量公式为: 转速=频率示值?2 (5)记录几个不同转速的方波图形，求出电机转度，写入实验报告中。 (三) 光纤传感器 (1)观察光纤结构:本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。 12 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 (2)电源与光纤光电传感器实验模块电源接口;连接光纤探头至光纤位移传感器的“光纤探头接入”插孔;光纤探头装到光纤探头安装支架上，探头垂直对准反射片中央(镀铬圆铁片)，螺旋测微仪装到支架上，以带动反射镜片位移。 (3)打开电源开关，光纤位移传感器变换器的Vout端接电压表，适当调节“光纤变换增益”旋钮及光线探头和螺旋测微仪的位置，使当最大电压处不饱和。 (4)首先旋动测微仪使其刻度为0，调节探头紧贴反射镜片(如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合)，此时Vout?0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值，直到无法记录数据为止。将数据填入表1。 (5)根据表格所列结果，作出电压-位移曲线，指出线性工作范围。观察光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，通常测量用的是线性较好的前坡范围。 五、 数据处理 (1) 写出光敏电阻的实验现象并进行分析; 现象: 将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测量其亮电阻为4.02kΩ，暗电阻为70.0kΩ, 光电阻值为65.98 kΩ。当光敏电阻的光照程度较强时，LED灯不亮，万用表输出电压U1=0.09V; 当光敏电阻的光照程度较弱时，LED灯亮，万用表输出电压U2=1.99V，光照程度变化时，示波器波形有跳变。顺时钟调节“光电阻暗灯控制”旋钮，万用表输出电压从0.09V突然增加为1.99V。 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) 对于光纤位移传感器，分析测量数据，作出电压-位移曲线，拟合出电压-位移表达式; 表1 光纤传感器测量数据 位移/mm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 电压V 0.02 0.82 1.48 2.09 2.69 3.20 3.65 4.02 4.32 p-p 位移/mm 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 电压V 4.57 4.76 4.90 5.00 5.04 5.06 5.04 5.00 4.93 p-p 用matlab计算拟合曲线，代码如下: x=[0: 0.2: 3.4]; y=[0.02 0.82 1.48 2.09 2.69 3.20 3.65 4.02 4.32 4.57 4.76 4.90 5.00 5.04 5.06 5.04 5.00 4.93]; x1=[0:0.2:1.2]; y1=[0.02 0.82 1.48 2.09 2.69 3.20 3.65 ]; fxy1=polyfit(x1,y1,1) z1=polyval(fxy1,x1); plot(x,y,'--',x,y,'o',x1,z1,'black') title('光纤位移拟合曲线') xlabel('位移/mm') ylabel('Vp-p/v') 运行结果如下: 取其线性较好的一段的电压-位移表达式:fxy1= 3.0107x1+0.1864 绘制曲线如下: 13 信号与测试技术实验报告 39032103 朱嘉婧 (2) 计算光电开关测量的电机转速。 方波频率f/Hz 10 27 35 43 50 电机转速n 300 810 1050 1290 1500 r/min 14