北航自動(dòng)化信號(hào)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 2011- 2012 學(xué)年 第二學(xué)期實(shí)驗(yàn)一 電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二 電容式傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三 PSD光電位置傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四 超聲測(cè)距實(shí)驗(yàn)班級(jí) 392311 學(xué)院 高等工程 姓名 李 柏 學(xué)號(hào) 3903·2415 2012年5月2日實(shí)驗(yàn)1 電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解電渦流傳感器原理2. 了解不同被測(cè)材料對(duì)電渦流傳感器的影響二、實(shí)驗(yàn)儀器電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)KDS5062CE示波器WD990型微機(jī)電源：±12VVC9804A型萬用表電源連接電纜螺旋測(cè)微儀等。三、 實(shí)驗(yàn)原理電渦流傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成，當(dāng)線圈中通以高頻交變電流后，在與其平行的金屬片上會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生

2、電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻抗Z，而渦流的大小與金屬渦流片的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離X有關(guān)，當(dāng)平面線圈、被測(cè)體（渦流片）、激勵(lì)源確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗Z只與距離X有關(guān)，將阻抗變化轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)V輸出，則輸出電壓是距離X的單值函數(shù)。圖1.1 渦流式位移傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理四、 實(shí)驗(yàn)步驟用電源電纜連接電源和電渦流式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K（插孔在后側(cè)板），其中電纜的橙藍(lán)線為+12V，白藍(lán)線為-12V，隔離皮（金色）為地。安裝電渦流線圈與渦流片（鐵片，黑色），兩者須保持平行；電渦流探頭插頭插入變換器插孔；安裝好測(cè)微儀，渦流變換器輸出端Vout接電壓表20V檔。打開微機(jī)電源，用測(cè)

3、微儀帶動(dòng)渦流片移動(dòng)，當(dāng)渦流片完全緊貼線圈時(shí)輸出電壓為零（如不為零可適當(dāng)改變支架中的線圈角度），然后旋動(dòng)測(cè)微儀使渦流片離開線圈，從電壓表有讀數(shù)時(shí)每隔0.2mm記錄一個(gè)電壓值，將V、X數(shù)值填入表1，作出V-X曲線。示波器接電渦流式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K的探頭入插孔，觀察電渦流傳感器的激勵(lì)信號(hào)頻率，隨著線圈與電渦流片距離的變化，信號(hào)幅度也發(fā)生變化，當(dāng)渦流片緊貼線圈時(shí)電路停振，輸出為零。記錄此現(xiàn)象。更換渦流片（銅片，金色），進(jìn)行測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，填入表2。在同一坐標(biāo)上作出V-X曲線。更換渦流片（鋁片，銀色），進(jìn)行測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，填入表3。在同一坐標(biāo)上作出V-X曲線。五、 數(shù)據(jù)處理1.5.1 原始數(shù)據(jù)表1.1 渦

4、流片為鐵片數(shù)據(jù)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 渦流片為銅片數(shù)據(jù)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 渦流片為鋁片數(shù)據(jù)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 數(shù)據(jù)處理在此合電壓-位移曲線如圖1.2所示圖1.2 實(shí)際測(cè)量曲線根據(jù)最小二乘公式，將曲線擬合直線如下：鐵：y=0.8699x - 1.6772r=0.9913銅：y=0.7118x + 1.2636r=0.9882鋁：y=0.6582x + 1.5020r=0.9902六、

6、實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)2 電容式傳感器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娙菔絺鞲衅髟砑拔灰茰y(cè)量的原理。二、 實(shí)驗(yàn)儀器電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K其余同實(shí)驗(yàn)1.三、 實(shí)驗(yàn)原理差動(dòng)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(dāng)電容量發(fā)生變化時(shí)，橋路輸出電壓發(fā)生變化。原理圖如圖2.1所示：圖2.1 電容式傳感器工作原理四、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 用電源電纜連接電源和電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K（插孔在后側(cè)板），其中電纜的橙藍(lán)線為+12V，白藍(lán)線為-12V，隔離皮（金色）為地。2. 觀察電容傳感器結(jié)構(gòu)：傳感器由一個(gè)動(dòng)極與兩個(gè)定級(jí)組成，按圖1接好實(shí)驗(yàn)線路，增益適當(dāng)。3. 打開微機(jī)電源，用測(cè)微儀帶動(dòng)傳感器動(dòng)極位移至兩組定極中間，調(diào)整

7、調(diào)零電位器，此時(shí)模塊電路輸出為零。4. 前后位移動(dòng)極，每次0.5mm，直至動(dòng)靜極完全重合為止，記錄數(shù)據(jù)，作出電壓-位移曲線。五、 數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)記錄如表2-1，表2.1 電容式傳感器電壓位移對(duì)應(yīng)變化原始數(shù)據(jù)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根據(jù)最小二乘法得到的擬合直線為Y = -43.413x + 530.02r=0.9715圖樣如2-2所示。圖2.2 電容式傳感器電壓隨位移變化圖六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)3 PSD光電位置傳感器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釶SD光電傳感器原理及位移測(cè)量的原理二

9、、 實(shí)驗(yàn)儀器PSD光電位置傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)KPSD及激光器組件其余設(shè)備與實(shí)驗(yàn)1、2一致.三、 實(shí)驗(yàn)原理PSD（Position sensitive detector）是一種新型的橫向光電效應(yīng)器件，當(dāng)入射光點(diǎn)照在光敏面上時(shí)由于光生載流子的流動(dòng)產(chǎn)生光生電流I，經(jīng)運(yùn)算后即可知光點(diǎn)的位置。工作原理如圖3-1所示.圖3-1 PSD器件工作原理四、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 連接PSD及激光器組件的插頭至PSD光電位置傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K的“激光”電源插孔；用電源電纜連接電源和PSD光電位置傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K（插孔在后側(cè)板）；其中電纜的橙藍(lán)線為+12V，白藍(lán)線為-12V，隔離皮（金色）為地。2. 觀察PSD器件及安裝位置，激光器置

10、于PSD組件中；調(diào)節(jié)反射體（被測(cè)物）與激光管的位置大約為7080mm ,PSD光電位置傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K上輸出端Vout接電壓表及示波器。3. 打開微機(jī)電源，激光束射到被測(cè)物體后其漫反射光經(jīng)透鏡聚焦入射PSD光敏面；調(diào)整發(fā)射頭透鏡或接收頭透鏡位置（位于PSD及激光器組件中），調(diào)整激光器的光點(diǎn)位置，以提高PSD器件的光電流輸出。4. 調(diào)節(jié)位移裝置，使光斑位于PSD光敏面中點(diǎn)（通過觀察窗口確認(rèn)），調(diào)節(jié)模塊“增益”旋鈕，用示波器觀察，輸出波形不應(yīng)有自激；調(diào)節(jié)模塊“調(diào)零”旋鈕，使模塊電路輸出端Vout為零。5. 分別向前和向后位移被測(cè)體，每移動(dòng)0.1mm記錄一電壓值，記入表1中，作出V-X曲線。6. 用遮

11、擋物蓋住觀察窗口，使PSD器件不受背景光影響，重新進(jìn)行位移測(cè)試，數(shù)據(jù)記入表2中。五、 數(shù)據(jù)處理3.5.1原始數(shù)據(jù)記錄表3-1 不遮擋觀察口數(shù)據(jù)記錄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 遮擋觀察口數(shù)據(jù)記錄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數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)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）圖3-2 不遮擋觀測(cè)口條件下運(yùn)算對(duì)比圖樣（完整）圖3-3 不遮擋觀測(cè)口條件下運(yùn)算對(duì)比圖樣（局部放大）遮光情況與上圖相似，故不再贅言，只給出圖3-4.圖3-4 遮擋觀測(cè)口條件下運(yùn)算對(duì)比圖樣（

15、完整）六、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)4 超聲測(cè)距實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康穆?。二?實(shí)驗(yàn)儀器略。三、 實(shí)驗(yàn)原理1. 超聲波特性：超聲波是一種頻率高于20kHz，在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振蕩。其波長(zhǎng)短，頻率高，故它有其獨(dú)特的特點(diǎn)。2. 繞射現(xiàn)象小，方向性好，能定向傳播。3. 能量較高，穿透力強(qiáng)，在傳播過程中衰減很小。在水中可以比在空氣或固體中以更高的頻率傳的更遠(yuǎn)。而且在液體里的衰減和吸收比較低。4. 能在異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。5. 超聲波速度超聲波速度公式為：式中： r 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40 R 氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1 M氣體分子量，

16、空氣為28.8×10-3kg·mol-1 T 絕對(duì)溫度，273K+T。近似公式為：V=V0+0.607×T式中：V0 為零度時(shí)的聲波速度332m/s； T 為實(shí)際溫度()。測(cè)距原理：根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度，通過相關(guān)電路得到發(fā)射波與接收波之間的時(shí)間，即可得到發(fā)射與接收之間的距離。四、 實(shí)驗(yàn)步驟略。五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理該實(shí)驗(yàn)之原始數(shù)據(jù)記錄如下：表4-1 原始數(shù)據(jù)距離/mm050100150200250300數(shù)碼管顯示距離/mm7696139182226276319數(shù)碼管顯示時(shí)間/s2513184616067529171061示波器測(cè)量時(shí)間/s267326469612757923