传感器与检测技术实验报告.docx
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传感器与检测技术实验报告
课程名称：
传感器与检测技术
实验项目：
1．常用传感器（电感式、电阻式或电容式）静态性能测试
2．滤波器的频率特性实验
3．压力传感器静态标定
4．梁的振动测试
实验一：
常用传感器（电感式、电阻式或电容式）静态性能测试
1、实验目的：
了解电容式传感器结构及其特点。
其结构如图所示
2、实验设备：
主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头
3、实验原理：
利用电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：
它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。
设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln（R／r）。
图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε22∆X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
4、实验内容及实验数据整理：
1.差动变压器传感器测位移直接交流输出
（1）将激励信号接入差动变压器初级，并同时接入双踪示波器第一通道作为参考信号。
差动变压器输出调幅波接入第二通道。
当铁芯由上而下时，差动变压器输出信号相位由激励信号输入变为反相。
（2）仔细调整测微头，使次级的差动输出电压为最小，这个最小电压叫做谐波，它与输入电压的相位差约为
。
因此是一次谐波正交分量。
2.差动变压器传感器测位移，经相敏整流输出，用平均法计算拟合方程填入下表。
项目
位移X（mm）（mm）
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
输出yi
（mv）
第一次
13.260
13.760
14.260
14.760
15.260
15.760
16.260
16.760
17.260
17.760
13.260
第二次
-0.433
-0.339
-0.247
-0.153
-0.061
0.028
0.118
0.205
0.289
0.371
-0.433
第三次
-0.425982
-0.336332
-0.246682
-0.157032
-0.067382
0.022268
0.111918
0.201568
0.291218
0.380868
-0.425982
平均值
0.007000
0.002668
0.000318
0.004032
0.006382
0.005732
0.006082
0.003432
0.002218
0.009868
0.007000
拟合方程y′i=a+bxi
V=0.1793X-2.8035.
理论值y′i
非线性误差值△yi=yi-yi′
非线性误差（%）
=（0.009868mv/2000mv）×100%=0.00049%.
3.差动电容传感器测位移：
位移x（mm）
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
电压输出（mv）
-0.433
-0.339
-0.247
-0.153
-0.061
0.028
0.118
0.205
0.289
0.371
0.472
4.画出以上传感器的v—x曲线：
（用坐标纸）。
X-Y曲线的函数表达式为V=0.1793X-2.8035.
X-V实验曲线
5、思考答题：
1.差动电感式传感器与差动变压器传感器在结构、原理上有何异同？
.差动电感是基于电桥工作原理；差动变压器直接输出信号。
2.对电感式传感器的激励振荡源有哪些要求？
1、检测距离的衰减性；2、现场抗干扰能力；3、安装方面；4、稳定运行的保障。
3.除本实验所采用的测量位移的传感器外，还可采用其它什么传感器？
测速度的传感器；测时间的传感器等等。
实验二滤波器的频率特性实验
一、实验目的
1、掌握低通无源滤波器的设计；
2、学会将无源低通滤波器向带通、高通滤波器的转换；
3、了解常用有源低通滤波器、高通滤器、带通滤波器、带阻滤波器的结构与特性；
二、实验设备及器材
THM-6模拟电路实验箱、直流稳压电源、双踪示波器、数字万用表、信号发生器、交流毫伏表、运算放大器、电阻、电容、连接线
三、实验原理
模拟滤波器根据其通带的特征可分为：
（1）低通滤波器：
允许低频信号通过，将高频信号衰减；
（2）高通滤波器：
允许高频信号通过，将低频信号衰减；
（3）带通滤波器：
允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减；
（4）带阻滤波器：
阻止某一频带范围内的信号通过，而允许此频带以外的信号衰减；
各种滤波器的频响特性图：
图2一1低通滤波器图2一2高通滤波器
图2一3带通滤波器图2一4带阻滤波器
在这四类滤波器中，又以低通滤波器最为典型，其它几种类型的滤波器均可从它转化而来。
1、系统的频率响应特性是指系统在正弦信号激励下系统的稳态响应随激励信号频率变化的情况。
用矢量形式表示：
其中：
｜H（jω）｜为幅频特性，表示输出信号与输入信号的幅度比随输入信号频率的变化关系；φ（ω）为相频特性，表示输出信号与输入信号的相位差随输入信号频率的变化关系。
2、H（jω）可根据系统函数H（s）求得：
H（jω）=H（s）︱s=jω因此，对于给定的电路可根椐S域模型先求出系统函数H（s），再求H（jω），然后讨论系统的频响特性。
3、频响特性的测量可分别测量幅频特性和相频特性，幅频特性的测试采用改变激励信号的频率逐点测出响应的幅度，然后用描图法描出幅频特性曲线；相频特性的测量方法亦可改变激励信号的频率用双踪示波器逐点测出输出信号与输入信号的延时τ，根椐下面的公式推算出相位差
当响应超前激励时为
正，当响应落后激励时
为负。
四、实验原理图
图2一5实验电路
图中：
R=38kΩ，C=3900pF，红色框内为实验板上的电路。
五、实验内容及步骤：
将信号源CH1的信号波形调为正弦波，信号的幅度调为Vpp=10V。
1、RC高通滤波器的频响特性的测量：
将信号源的输出端（A）接实验板的IN1端，滤波后的信号OUT1接示波器的输入（B）。
根据被测电路的参数及系统的频特性，将输入信号的频率从低到高逐次改变十次以上（幅度保持Vipp=10v），逐个测量输出信号的峰峰值大小（Vopp）及输出信号与输入信号的相位差，并将测量数据填入表一：
表一
Vi（V）
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
f（Hz）
150
200
300
350
400
450
500
550
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo（v）
1.44
1.2
1.26
2.96
3.28
3.60
4
4.24
6.60
7.44
8.00
8.40
8.72
8.76
8.88
φ（ω）
0.05024
0.03768
0.01884
0.016328
0.015072
0.01256
0.011304
0.010048
0.003768
0.001884
0.0011304
0.0008792
0.0005024
0.0004396
0.0003768
2．RC低通滤波器的频响特性的测量：
将信号源的输出（A）接实验板的IN2，滤波后的输出信号OUT2接示波器的输入（B）。
根据被测电路的参数及系统的幅频特性，将输入信号的频率从低到高逐次改变十次以上（幅度保持Vipp=10v），逐个测量输出信号的峰峰值大小（Vopp）及Φ（ω），并将测量数据填入表二：
表二
Vi（V）
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
f（Hz）
500
700
1000
1250
1500
1750
2000
2500
3000
3500
4000
Vo（v）
5.44
4.40
3.36
2.96
2.56
3.32
2.08
1.68
1.52
1.28
1.20
φ（ω）
0.010048
0.008164
0.006908
0.005338
0.00471
0.004082
0.003768
0.0030144
0.0027632
0.002512
0.0022608
3．双TRC带阻滤波器的频响特性的测量：
将实验板上的两输入端IN1与IN2短接，输出端OUT1与OUT2短接；并将信号源的输出（A）接实验板输入（IN1）或（IN2），滤波后的输出OUT1或OUT2接示波器的输入（B）。
根据被测电路的参数及系统的幅频特性，将输入信号的频率从低到高逐次改变二十次以上（幅度保持Vipp=10v），逐个测量输出信号的峰峰值大小（Vopp）及Φ（ω），并将测量数据填入表三：
表三
Vi（V）
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
f（Hz）
30
50
100
150
200
250
350
450
500
750
1000
Vo（v）
8.48
8.48
7.44
5.92
4.88
3.84
2.16
2
0.66
1.78
3.24
φ（ω）
0.03768
0.03454
0.0314
0.02826
0.02512
0.021352
0.017584
0.01884
0.011932
0.007536
0.005338
Vi（V）
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
f（Hz）
1250
1500
1750
2000
2250
2500
3000
3500
4000
4500
Vo（v）
4.24
5.12
5,76
6.32
6.72
7.04
7.52
7.84
8.08
8.16
φ（ω）
0.004396
0.0028888
0.002512
0.001884
0.0017584
0.0013816
0.0010676
0.000628
0.0005652
0.0004396
六、数据处理：
1、整理实验数据，并以㏒f为横坐标，Vo／Vi为纵坐标，绘制三种滤波器的幅频特性曲线；以㏒f为横坐标，φ（ω）为纵坐标，绘制三种滤波器的相频特性曲线；并将测得的各滤波器的截止频率与理论值进行比较。
七、思考题
1、学习“模拟滤波器的逼近”；
2、系统函数的展开方法；
3、低通滤波器的结构与转换方法；
实验三梁的振动测试
1、固有频率的测定
悬臂梁作为连续体的固有振动，其固有频率为：
，
其一、二、三、四阶时，
简支梁的固有频率为：
其一、二、三、四阶时，
其中E为材料的弹性模量，I为梁截面的最小惯性矩，ρ为材料密度，A为梁截面积，l为梁的长度。
试件梁的结构尺寸：
长L=610mm,宽b=49mm,厚度h=8.84mm.
材料参数：
45＃钢，弹性模量E＝210（GPa）,密度
＝7800（Kg/m3）
横截面积：
A＝4.33*10-4（m2）,
截面惯性矩：
J＝
=2.82*10-9（m4）
则梁的各阶固有频率即可计算出。
2、实验简图
图1悬臂梁实验简图
图2简支梁实验简图
一、实验目的
改变梁的边界条件，对比分析不同边界条件，梁的振动特性（频率、振型等）。
对比理论计算结果与实际测量结果。
正确理解边界条件对振动特性的影响。
二、实验设备及器材
本次实验主要采用力锤、加速度传感器、YE6251数据采集仪、计算机等。
图3和图4分别为悬臂梁和简支梁的实验装置图。
图5为YE6251数据采集仪。
图3悬臂梁实验装置图
图4简支梁实验简图
图5YE6251数据采集分析系统
三、实验原理
1、固有频率的测定
悬臂梁作为连续体的固有振动，其固有频率为：
，
其一、二、三、四阶时，
简支梁的固有频率为：
其一、二、三、四阶时，
其中E为材料的弹性模量，I为梁截面的最小惯性矩，ρ为材料密度，A为梁截面积，l为梁的长度。
试件梁的结构尺寸：
长L=610mm,宽b=49mm,厚度h=8.84mm.
材料参数：
45＃钢，弹性模量E＝210（GPa）,密度
＝7800（Kg/m3）
横截面积：
A＝4.33*10-4（m2）,
截面惯性矩：
J＝
=2.82*10-9（m4）
则梁的各阶固有频率即可计算出。
2、实验简图
图1悬臂梁实验简图
图2简支梁实验简图
四、实验内容
对悬臂梁、简支梁进行振动特性对比，利用锤击法测量系统模态及阻尼比等。
实验步骤
1:
"在教学装置选择"中，选择结构类型为"悬臂梁"，如果选择等份数为17，将需要测量17个测点。
2:
本试验可采用多点激励，单点响应的方式，如果是划分为17等份,请将拾振点放在第5点。
3:
请将力锤的锤头换成尼龙头,并将力通道的低通滤波器设置为1KHz,将拾振的加速度通道的低通滤波器设置为2KHz。
4:
用力锤对第1点激振，对应的激励为f1,响应为1，平均3次，对应的数据为第1批数据，以此类推，测量完全部测点。
5:
选择"教学装置模态分析和振型动画显示"，调入测量数据进行分析。
6：
"在教学装置选择"中，选择结构类型为"简支梁"，如果选择等份数为17，将需要测量17个测点。
重复2—5的步骤，得到简支梁的试验数据和结果。
五、思考题
1.零点残余电压如何消除？
2.如何用电压传感器，电涡流传感器进行振动测量试验
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