1、信號與測試技術實驗報告實驗二 傳感器實驗 院 系： 自動化科學與電氣工程學院 姓 名： 學 號： 班 級： 一活塞壓力計靜態校準一、實驗目的1. 掌握壓力傳感器的原理；2. 掌握壓力測量系統的組成；3. 掌握壓力傳感器靜態校準實驗和靜態校準數據處理的一般方法。二、實驗設備 本實驗系統由活塞式壓力計，硅壓阻式壓力傳感器，信號調理電路，4 位半數字電壓表，直流穩壓電源盒采樣電阻組成。圖一為實驗系統方框圖，圖二為實驗電路接線圖。圖一 實驗系統方框圖圖二 實驗電路接線圖實驗設備型號及精度三、實驗原理 在實驗中，活塞式壓力計作為基準器，為壓力傳感器提供標準壓力00.6MPa。信號調理器為壓力傳感器提供恒

2、流電源，并將壓力傳感器輸出的電壓信號放大并轉換為電流信號。信號調理器輸出為二線制，420mA 信號在250 歐采樣電阻上轉換為15V 電壓信號，由4 位半數字電壓表讀出。四、實驗步驟1. 用調整螺釘和水平儀將活塞壓力計調至水平。2. 核對砝碼重量及個數，注意輕拿輕放。3. 將活塞壓力計的油杯針閥打開，逆時針轉動手輪向手搖泵內抽油，抽滿后，將油杯針閥關閉（嚴謹未打開油杯針閥時，用手輪抽油，以防破壞傳感器）。4. 加載砝碼至滿量程，轉動手輪使測量桿標記對齊，再卸壓。反復12 次，以消除壓力傳感器內部的遲滯。5. 卸壓后，重復步驟3，并在油杯關閉前記錄傳感器的零點輸出電壓，記為正行程零點。6. 按0

3、.05MPa 的間隔，逐級給傳感器加載至滿量程，每加載一次，轉動手輪使測量桿上的標記對齊，在電壓表上讀出每次加載的電壓值。7. 加載至滿量程后，用手指輕輕按一下砝碼中心點，施加一小擾動，稍后記錄該電壓值，記為反行程的滿量程值。此后逐級卸載，每卸載一次需要用手輪保證測量桿上的標記對齊，然后從電壓表上讀出相應的電壓值。8. 卸載完畢，將油杯針閥打開，記錄反行程零點，一次循環測量結束。9. 稍停12 分鐘，開始第二次循環，從步驟（5）開始操作，共進行3 次循環。五、實驗數據處理1.各部分用方框圖標注如實驗設備中圖一所示。2.實驗數據列表壓力/MP輸出電壓/V第一循環第二循環第三循環正行程01.213

4、1.2151.02080.051.3451.3451.3450.11.6811.6801.6810.152.0162.0162.0160.22.3552.3512.3540.252.6862.6862.6860.33.0223.0213.0210.353.3563.3573.3570.43.6913.6923.6910.454.0264.0264.0260.54.3604.3604.360反行程0.54.3604.3604.3600.454.0254.0254.0250.43.6903.6903.6910.353.3553.3553.3550.33.0213.0213.0210.252.684

5、2.6852.6840.22.3502.3502.3500.152.0152.0152.0150.11.6801.6801.6800.051.3451.3451.34501.2131.2151.2143.數據處理(1)校準曲線（傳感器實際特性的數學期望）的確定壓力/MP正行程輸出反行程輸出平均輸出 (V)01.0201671.0206671.0204170.051.57451.5739331.5742170.11.8822331.87961.8809170.152.1910332.1862.1885170.22.4956672.4933332.49450.252.8063332.8033332

6、.8048330.33.1173.1093.1130.353.4273.4153333.4211670.43.7373.7283333.7326670.454.0476674.0386674.0431670.54.3566674.3514.353833最小二乘法擬合曲線，；可得a=1.1851，b=6.3967，即y=1.1851+6.3967x,r2=0.9965,線性度高。由上述擬合可知，壓力與電壓之間存在著很好的線性度。但是測量點第一個點誤差相對比較大。(2)非線性度：壓力/MP平均輸出 (V)最小二乘直線輸出非線性偏差01.0204161.1851-0.16468340.051.574

7、2171.5049350.069281670.11.8809171.824770.056146670.152.1885172.1446050.043911670.22.49452.464440.030060.252.8048332.7842750.020558330.33.1133.104110.008890.353.4211673.423945-0.00277830.43.7326673.74378-0.01111330.454.0431674.063615-0.02044830.54.3538334.38345-0.0296167其中，, i=1,2.n 由表可知，=0.06928167；

8、6.3967×0.5=3.19835所以，由上述計算可知，非線性誤差較小，輸出電壓與壓力值線性度較好。(3)遲滯誤差壓力/MP正行程輸出反行程輸出正反行程偏差01.0201671.020667-0.00050.051.57451.5739330.0005670.11.8822331.87960.0026330.152.1910332.1860.0050330.22.4956672.4933330.0023330.252.8063332.8033330.0030.33.1173.1090.0080.353.4273.4153330.0116670.43.7373.7283330.008

9、6670.454.0476674.0386670.0090.54.3566674.3510.005667 可知,由表可知，0.011667/(2×3.19835)×100%=0.18239%可知遲滯誤差很小。(4) 非線性遲滯壓力/MP正行程輸出反行程輸出最小二乘直線輸出非線性遲滯誤差01.0201671.0206671.18510.164930.164430.164930.051.57451.5739331.5049350.0695650.0689980.0695650.11.8822331.87961.824770.0574630.054830.0574630.152.

10、1910332.1862.1446050.0464280.0413950.0464280.22.4956672.4933332.464440.0312270.0288930.0312270.252.8063332.8033332.7842750.0220580.0190580.0220580.33.1173.1093.104110.012890.004890.012890.353.4273.4153333.4239450.0030550.008610.008610.43.7373.7283333.743780.006780.015450.015450.454.0476674.0386674.0

11、636150.015950.024950.024950.54.3566674.3514.383450.026780.032450.03245 可知,由表可知，0.069565/3.19835×100%=2.175%由上述計算可知，非線性遲滯誤差略大。分析原因，有可能是第一個點測量的時候存在著較大的誤差。(5)重復性l 極差法壓力/MP00.00180.0009420.00015.2356E-050.050.00160.0008380.00060.0003141360.100.00030.0001570.0070.0036649210.150.00015.24E-050.0110.00

12、57591620.200.0070.0036650.0140.0073298430.250.0050.0026180.0060.0031413610.30000.0140.0073298430.35000.0070.0036649210.40000.0140.0073298430.450.0010.0005240.0110.0057591620.50.0060.0031410.0040.002094241 標準偏差為:; =1*0.0003012*11=3.6989×10-3重復性為：R= ×100=3×3.6989×10-33.19835×1

13、00%=0.34695%l 貝塞爾公式壓力/MP正行程標準偏差反行程標準偏差01.02333E-063.33333E-090.057.6E-079.33333E-080.102.33333E-081.588E-050.153.33333E-092.7E-050.201.63333E-056.53333E-050.258.33333E-061.03333E-050.302.95823E-315.2E-050.3501.43333E-050.4005.73333E-050.453.33333E-072.03333E-050.51.03333E-050.000192標準偏差為:; =12×

14、11×4.93E-08 =4.7338×10-5重復性為：R= ×100=3×4.7338×10-53.19835×100% =0.00444%(6)總精度：l 直接代數和（重復性由極差法得到）+0.18239%+0.34695%=2.40534%l 方和根（重復性由極差法得到）=1.8760%2+0.18239%2+(0.34695%)2=1.92757%l 綜合考慮非線性遲滯和重復性（重復性由極差法得到）=2.175%+0.34695%=2.52195%l 綜合考慮遲滯和重復性（重復性由極差法得到）=0.18239%+0.3469

15、5=0.52934%六、實驗感想實驗結果基本符合實驗要求，活塞壓力計精度較高，但遲滯誤差略大，第一組數據誤差略大。通過此次實驗，我了解了壓力傳感器的原理和壓力測量系統的組成，掌握了測試系統靜態校準的參數計算方法。二電容式傳感器實驗一、實驗目的了解電容式傳感器原理及位移測量的原理；二、實驗儀器電容傳感器實驗模塊示波器：DS5062CE微機電源：WD990型，±12V萬用表：VC9804A型電源連接電纜螺旋測微儀三、實驗原理差動式同軸變面積電容的兩組電容片Cx1與Cx2作為雙T電橋的兩臂，當電容量發生變化時，橋路輸出電壓發生變化.四、實驗步驟實驗步驟如下： （1）用電源電纜連接電源和電容

16、傳感器實驗模塊（插孔在后側板），其中電纜的橙藍線為+12V，白藍線為-12V，隔離皮（金色）為地，切記勿接錯！ （2） 觀察電容傳感器結構：傳感器由一個動極與兩個定級組成，按圖1接好實驗線路，增益適當。（3）打開微機電源，用測微儀帶動傳感器動極位移至兩組定極中間，調整調零電位器，此時模塊電路輸出為零。（4）前后位移動極，每次0.5mm，直至動靜極完全重合為止，記錄數據，作出電壓-位移曲線。注意事項:電容動極須位于環型定極中間,安裝時須仔細作調整,實驗時電容不能發生擦片,否則信號會發生突變。五、實驗數據及處理原始數據：x/mm0.511.522.533.544.55Vo/mV-50.66-48.

17、26-45.93-43.58-41.06-38.61-36.19-33.79-31.56-29.24x/mm5.566.577.588.599.510Vo/mV-27.01-25.12-22.85-20.81-18.73-16.72-14.63-12.70-10.76-8.89x/mm10.51111.51212.51313.51414.515Vo/mV-7.06-5.23-3.53-1.6801.943.785.607.359.10x/mm15.51616.51717.51818.51919.520Vo/mV10.7812.5114.2416.0217.7819.5321.2922.9824

18、.6926.39x/mm20.52121.52222.52323.52424.525Vo/mV27.7529.4831.1432.7534.7335.7836.9938.2939.0339.46 實驗所得散點曲線與一元線性回歸所得曲線相似，擬合曲線線性度高，原數據電壓值基本與距離呈線性關系，且在0v，即x=12.5mm出兩端對稱。六、實驗分析通過本次電容傳感器實驗，我學習了電容式傳感器測量位移的工作原理。電容傳感器通過改變結構參數而改變物體間的電容量的大小關系來實現對被測量的檢測，物體間電容量與構成電容元件的兩個極板的形狀、大小、相互位置以及基板間的介電常數有關，通常可寫為 C=f(,S,)

19、。在本實驗中，對于同軸式電容 ,當覆蓋長度x變化時，電容量變化，其靈敏度 ，即電容變化與位移變化成線性關系，而電容變化經雙T電橋可轉換為電壓輸出，由此實現對位移的測量。 三、溫度傳感器實驗一、實驗目的：了解各種溫度傳感器（熱電偶、鉑熱電阻、PN 結溫敏二極管、半導體熱敏電阻、集成溫度傳感器）的測溫原理；掌握熱電偶的冷端補償原理；掌握熱電偶的標定過程；了解各種溫度傳感器的性能特點并比較上述幾種傳感器的性能。二、實驗儀器：溫度傳感器實驗模塊熱電偶（K型、E型）CSY2001B 型傳感器系統綜合實驗臺（以下簡稱主機）溫控電加熱爐連接電纜萬用表：VC9804A，附表筆及測溫探頭萬用表：VC9806，附

20、表筆三、實驗原理：（1）熱電偶測溫原理由兩根不同質的導體熔接而成的閉合回路叫做熱電回路，當其兩端處于不同溫度時則回路中產生一定的電流，這表明電路中有電勢產生，此電勢即為熱電勢。（2）熱電偶標定以K分度熱電偶作為標準熱電偶來校準E分度熱電偶，被校熱電偶熱電勢與標準熱電偶熱電勢的誤差為 式中：被校熱電偶(E型)在標定點溫度下測得的熱電勢平均值標準熱電偶(K型)在標定點溫度下測得的熱電勢平均值標準熱電偶分度表上標定溫度的熱電勢值被校熱電偶標定溫度下分度表上的熱電勢值 標準熱電偶的微分熱電勢（3）熱電偶冷端補償熱電偶冷端溫度不為0時，需對所測熱電勢值進行修正，修正公式為：E（T，To）=E(T,t1)

21、+E(T1,T0)即： 實際電動勢 測量所得電勢 溫度修正電勢（4）鉑熱電阻鉑熱電阻的阻值與溫度的關系近似線性，當溫度在0T650時， RT=R0（1+AT+BT2）式中：RT鉑熱電阻T時的電阻值RO鉑熱電阻在0時的電阻值A系數（=3.96847×10-31/）B系數（-5.847×10-71/2）將鉑熱電阻作為橋路中的一部分在溫度變化時電橋失衡便可測得相應電路的輸出電壓變化值。（5）PN結溫敏二極管半導體PN結具有良好的溫度線性，根據PN結特性表達公式可知，當可知,當一個PN結制成后，其反向飽和電流基本上只與溫度有關，溫度每升高一度，PN結正向壓降就下降2mv，利用PN結

22、的這一特性可以測得溫度的變化。（6）熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度升高而急劇下降這一特性制成的熱敏元件。它呈負溫度特性，靈敏度高，可以測量小于0.01的溫差變化。（7）集成溫度傳感器用集成工藝制成的雙端電流型溫度傳感器，在一定的溫度范圍內按1A/K 的恒定比值.輸出與溫度成正比的電流，通過對電流的測量即可得知溫度值（K 氏溫度），經K 氏-攝氏轉換電路直接顯示溫度值。四、實驗步驟：（1）觀察熱電偶結構（可旋開熱電偶保護外套），了解溫控電加熱器工作原理（見附1）。（2） 溫控電加熱爐電源插頭插入主機“220V 加熱電源出”插座；熱電偶插入電加熱爐內，K 分度熱電偶為標準熱電偶，冷端接

23、“測試”端，E 分度熱電偶接“溫控”端，（注意熱電偶極性不能接反，而且不能斷偶）；（3）連接主機的“實驗模塊電源” 至溫度傳感器實驗模塊電源插座（在后側板）。（4）VC9806型萬用表置200mv 檔，當主機的“熱電偶轉換”開關倒 向“溫控”時，測E 分度熱電偶的熱電勢；當主機的“熱電偶轉換”開關倒向“測試”時，測K 分度熱電偶的熱電勢。記錄電爐溫度與熱電勢的關系。（5）打開主機“電源開關”，“測試設定”開關倒向“設定”，調節“設定調節”旋鈕，將溫度設定在40。“加熱爐”置“開”，“加熱”指示燈亮，溫控電加熱爐加熱；加熱爐到達設定溫度后，“加熱”指示燈滅，“關閉”指示燈亮，溫控爐在設定溫度保溫

24、。（6）將“測試設定”開關倒向“測量”，用VC9806型萬用表分別測量K 型和E 型熱電偶的熱電勢。（7）用VC9804型萬用表測量冷端溫度。（將溫度探頭連接在萬用表的“TEMP”插座，萬用表置于“”檔）（8）按照步驟（5），分別將溫度設定在40、50、60、70、80、90、100，重復（6）（7）步，記錄測量數據。（9）按照步驟（5），分別將溫度設定在100、90、80、70、60、50、40，重復（6）（7）步，記錄測量數據.（10）重復（5）（9）步2次。 (11) 其他熱敏電阻步驟同上。五、實驗數據及處理:原始數據：給定溫度/405060708090100冷端溫度/202020202

25、02020K型溫度熱電勢/mv0.71.11.52.02.42.83.1冷端補償電勢/mv0.7980.7980.7980.7980.7980.7980.798實際電動勢/mv1.4981.8982.2982.7983.1983.5983.898測量溫度/39485969788899E型溫度熱電勢/mv1.21.82.43.03.64.05.0冷端補償電勢/mv1.1921.1921.1921.1921.1921.1921.192實際電動勢/mv2.3922.9923.5924.1924.7925.1926.192測量溫度/39485969788899鉑熱電阻輸出電壓/mv0.0750.081

26、0.0930.1080.1310.1530.178PN結溫敏二極管輸出電壓/v0.1600.1850.2060.2420.2560.3450.407半導體熱敏電阻輸出電壓/v1.2521.2371.1141.0290.8890.7590.622集成溫度傳感器輸出電壓/mv0.2740.2970.3120.3250.3580.4000.435數據處理及分析：1、熱電偶測溫：E型熱電偶的標定：39485969788899e校測2.1342.7343.3344.0344.6345.3345.934e標測1.4981.8982.2982.7983.1983.5983.898e校分2.3572.9213

27、.6194.2644.8325.5136.250e標分1.5701.9402.3942.8093.1833.5984.054e-0.151-0.145-0.189-0.219-0.213-0.179-0.16熱電偶測溫電壓溫度曲線：從圖中可以看出，經過標定后E型熱電偶相比標定前測量更準確，但由于儀器本身原因測量溫度與實際溫度相差較大，導致E型熱電偶測溫不準確，與K型熱電偶相比差距較大。結合參考資料，我們可以知道熱電偶測溫方法測溫范圍較寬，一般為-50至1600，熱電偶構造簡單，使用方便，而且具有較高的準確度。從圖像中看出經過溫度補償后，熱電偶兩段電勢與測量溫度基本呈線性關系，而且熱電勢隨溫度變

28、化情況較明顯，靈敏度高。2、鉑熱電阻：3、PN結溫敏二極管由于PN結的正向電壓與溫度間存在良好的線性關系，廣泛用于1至400K范圍的溫度測量。其靈敏度約為-2mV/。4、半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻由于其非線性，測溫范圍較小，常用于小范圍較高精度的測量。但其靈敏度較高，電阻溫度系數一般為-4.75%/。5、集成溫度傳感器集成溫度傳感器典型工作溫度范圍是-50至+150。與分立元件溫度傳感器相比，其最大優點為小型化、使用方便和成本低廉。四、金屬箔式應變計實驗一、實驗目的（1）了解箔式應變片的結構及粘貼方式（2）掌握使用電橋電路對應變片進行信號調理的原理和方法（3）掌握使用應變片設計電子秤的原理（

29、4）掌握應變片的溫補原理和方法二、實驗原理（1）應變片測量原理應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。通過測量電路，即可將電阻變化轉換成電信號輸出。（2）應變電橋原理電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4 ，當使用一個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R

30、4=R，則有。 （3）稱重原理本實驗選用的是標準商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，靈敏度高，性能穩定，四個特性相同的應變片貼在如圖1所示位置，彈性體的結構決定了R1和R3、R2 和R4的受力方向分別相同，因此將它們串接就形成差動電橋。（彈性體中間上下兩片為溫度補償片）當彈性體受力時，根據電橋的加減特性其輸出電壓為：å D（4）溫補原理當應變片所處環境溫度發生變化時，由于其敏感柵本身的溫度系數，自身的標稱電阻值發生變化，而貼應變片的測試件與應變片敏感柵的熱膨脹系數不同，也會引起附加形變，產生附加電阻。為避免溫度變化時引入的測量誤差，在實用的測試電路中要進行溫度補償。本實驗中采用的是電橋補償法

31、。三、實驗儀器主機提供可調直流穩壓電源（±4V、±12V），應變式傳感器實驗模塊，雙孔懸臂梁稱重傳感器，稱重砝碼（20克/個），數字萬用表(可測溫)。 四、實驗步驟（1）觀察稱重傳感器彈性體結構及傳感器粘貼位置，將三芯電纜供電線一端與應變式傳感器實驗模塊相連，另一端與主機實驗電源相連。（2）將差動放大器增益置于最大位置（順時針方向旋到底），差動放大器的“+”“-”輸入端接地。輸出端接電壓表200mV檔。開啟主機電源，用調零電位器調整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線，調零后模塊上的“增益、調零”電位器均不應再變動。（3）按圖3將所需實驗部件連接成測試橋路（全橋接法），圖

32、中R1、R2、R3和R均為應變計（可任選雙孔懸臂梁上的一個應變片），圖中每兩個節之間可理解為一根實驗連接線，注意連接方式，勿使直流激勵電源短路。（±4V采用主機電源上的+V0和-V0）。（4）開啟微機電源，調節電橋WD調零電位器使無負載時的稱重傳感器輸出為零。（5）逐一將砝碼放上傳感器稱重平臺（共9個砝碼），調節增益電位器，使VOUT端輸出電壓與所稱重量成一比例關系，記錄W（克）與V（mV）的對應值，并將數據填入表1和表2中（按靜態標定步驟進行正反三次循環）。 （6）做出V-W曲線。（7）用可測溫度的萬用表測出環境溫度大小，并記錄。（8）開啟“應變加熱”電源，觀察電橋輸出電壓隨溫度升

33、高而發生的變化，待加熱溫度達到一個相對穩定值后（加熱器加熱溫度約高于環境溫度30），記錄VOUT端輸出電壓值，用可測溫度的萬用表測出孔懸臂梁上的溫度，并求出大致的溫飄V/T，然后關閉加熱電源，待其冷卻。（9）將圖3中電阻R2換成一片與應變片在同一應變梁上的補償應變片，重新調整系統輸出為零。（10）開啟“應變加熱”電源，觀察經過補償的電橋輸出電壓的變化情況，并求出溫漂，然后與未進行補償時的電路進行比較，用文字說明比較的結果。五 實驗數據及處理原始數據：W(克)020406080100120140160180V1增（mV）-3.2-17.6-32.1-46.6-61.1-76.2-90.8-105

34、.6-120.4-135.1V1 減（mV）-3.1-17.9-32.6-47.4-62.2-77.6-91.7-106.1-120.7-135.1V1平均（mv）-0.31-17.75-32.35-47-61.65-76.9-91.25-105.85-120.55-135.1數據處理及分析：由數據得：關于溫度補償：未加補償：加熱前溫度穩定后溫度（）3590電壓（mV）-322.4溫漂為35.1mv加補償應變片：加熱前溫度穩定后溫度（）3384電壓（mV）1.93.4溫漂為2.5mv通過上述數據可知,通過溫度補償后的溫漂有明顯下降.這是由于橋臂2的溫度補償片與應變片1處于相同的溫度下,當溫度變化時,兩者產生相等的溫漂電壓變化,這兩個變化的電壓值通過電橋連接而抵消,故輸出電壓溫漂減小。五、電渦流傳感器實驗一、實驗目的了解電渦流傳感器的原理；了解不同被測材料對電渦流傳感器的影響；二、實驗儀器電渦流傳感器實驗模塊示波器：DS5062CE微機電源：WD99