位移傳感器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí) 驗(yàn) 課 程：傳感器與檢測技術(shù) 實(shí) 驗(yàn) 名 稱：位移檢測傳感器的應(yīng)用 姓 名： 學(xué) 號： 班 級： 指 導(dǎo) 教 師： 實(shí) 驗(yàn) 日 期： 2013年12月17日 13傳感器與檢測技術(shù) 位移檢測傳感器的應(yīng)用 位移檢測傳感器應(yīng)用1、 實(shí)驗(yàn)類型 位移檢測綜合性實(shí)驗(yàn)2、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?了解微位移、小位移、大位移的檢測方法。2運(yùn)用所學(xué)過的相關(guān)傳感器設(shè)計(jì)三種位移檢測系統(tǒng)。3對檢測系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償和標(biāo)定。3、 實(shí)驗(yàn)條件 本實(shí)驗(yàn)在沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5）、相對濕度不大于85% ，大氣壓力為101±7kPa的情況

2、下進(jìn)行。4、 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 為了滿足實(shí)驗(yàn)要求，現(xiàn)使用電渦流，光纖，和差動三種傳感器設(shè)計(jì)位移檢測系統(tǒng)，電渦流取0.1mm為單位，光纖取0.5mm為單位，差動取0.2mm為單位。進(jìn)行試驗(yàn)后，用MATLAB處理數(shù)據(jù)，分析結(jié)論。（一）：電渦流傳感器測位移實(shí)驗(yàn)原理： 通過高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時(shí)，因?qū)щ婓w渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進(jìn)行位移測量。（二）：光纖傳感器測位移實(shí)驗(yàn)原理： 反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖36-1所示：光纖采用型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖

3、。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接收到的光源與反射體表面的性質(zhì)及反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射面時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測。 （三）：差動電感式傳感器測位移實(shí)驗(yàn)原理： 差動動螺管式電感傳感器由電感線圈的二個(gè)

4、次級線圈反相串接而成，工作在自感基礎(chǔ)上，由于銜鐵在線圈中位置的變化使二個(gè)線圈的電感量發(fā)生變化，包括兩個(gè)線圈在內(nèi)組成的電橋電路的輸出電壓信號因而發(fā)生相應(yīng)變化。5、 實(shí)驗(yàn)步驟（一）：電渦流傳感器測位移1按下圖1安裝電渦流傳感器。 圖1 2在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓盤，作為電渦流傳感器的被測體。調(diào)節(jié)測微頭，使鐵質(zhì)金屬圓盤的平面貼到電渦流傳感器的探測端，固定測微頭。 圖2 3傳感器連接按圖2，將電渦流傳感器連接線接到模塊上標(biāo)有“”的兩端，實(shí)驗(yàn) 模塊輸出端Uo與數(shù)顯單元輸入端Ui相接。數(shù)顯表量程切換開關(guān)選擇電壓20V檔，模塊電源用 連接導(dǎo)線從實(shí)驗(yàn)臺接入+15V電源。 4打開實(shí)驗(yàn)臺電源，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然

5、后每隔0.2mm讀一個(gè)數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結(jié)果列入下表1。（二）：光纖傳感器測位移1光纖傳感器的安裝如圖36-2所示，將Y型光纖安裝在光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K上。探頭對準(zhǔn)鍍鉻反射板，調(diào)節(jié)光纖探頭端面與反射面平行，距離適中；固定測微頭。接通電源預(yù)熱數(shù)分鐘。 2將測微頭起始位置調(diào)到14cm處，手動使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定測微頭。 3實(shí)驗(yàn)?zāi)K從主控臺接入±15V電源，打開實(shí)驗(yàn)臺電源。 4將模塊輸出“Uo”接到直流電壓表（20V檔），仔細(xì)調(diào)節(jié)電位器Rw使電壓表顯示為零。 5旋動測微器，使反射面與光纖探頭端面距離增大，每隔.1讀出一次輸出電壓值， 填入下表2（三）：差動電感式

6、傳感器測位移實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 1、按差動變壓器性能實(shí)驗(yàn)將差動變壓器安裝在差動變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，將傳感器引線插入實(shí)驗(yàn)?zāi)K插座中。 2、 連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源線，按下圖連線組成測試系統(tǒng)，兩個(gè)次級線圈必須接成差動狀態(tài)。3、 使差動電感傳感器的鐵芯偏在一邊，使差分放大器有一個(gè)較大的輸出，調(diào)節(jié)移相器使輸入輸出同相或者反相，然后調(diào)節(jié)電感傳感器鐵芯到中間位置，直至差分放大器輸出波形最小。 4、 調(diào)節(jié)Rw1和Rw2使電壓表顯示為零，當(dāng)銜鐵在線圈中左、右位移時(shí)，L2L3，電橋失衡，輸出電壓信號的大小與銜鐵位移量成比例。5、 以銜鐵位置居中為起點(diǎn)，分別向左、向右各位移5mm，記錄V、X值并填入下表36、 原始數(shù)據(jù)

7、記錄表一：電渦流X(mm)10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.211.311.411.511.6Uo(V)000.010.050.130.220.300.370.450.540.620.700.770.830.900.961.03X(mm)11.611.511.411.311.211.111.010.910.810.710.610.510.410.310.210.110.0Uo(V)1.020.960.900.830.760.700.620.540.460.380.360.220.140.060.0100表二：光纖X(mm)10

8、.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.516.016.517.017.518.0Uo(V)00.882.243.504.585.436.036.436.586.586.345.995.655.234.834.444.06X(mm)18.017.517.016.516.015.515.014.514.013.513.012.512.011.511.010.510.0Uo(V)4.064.424.815.205.605.076.316.516.476.355.975.384.543.512.260.900.01表三：差動正行程位移X(mm)10.

9、010.210.410.610.811.011.211.411.611.812.012.212.412.612.813.013.2正行程電壓Uo(V)1.621.862.152.652.943.273.563.703.944.124.254.394.464.574.644.694.78X(mm)13.213.012.812.612.412.212.011.811.611.411.211.010.810.610.410.210.0Uo(V)4.854.774.684.634.544.424.294.124.023.783.593.312.942.702.221.851.677、 數(shù)據(jù)整理、分析（

10、一）、電渦流傳感器測位移1、用matlab作出表一的擬合直線和正行程位移-電壓曲線，用matlab編程，運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 電渦流傳感器正行程測位移 圖中的紅線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，描點(diǎn)法繪制的曲線是根據(jù)表一實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的特性曲線圖，圖中用直線則是MATLAB基于最小二乘法原理確定的擬合直線，省去了用坐標(biāo)紙繪圖的人為誤差和手工計(jì)算的繁雜的計(jì)算工程，節(jié)省了工作量，提高了效率。 設(shè)擬合直線的直線方程位p=bx+a （b為擬合直線的斜率，a為截距）則： b=0.4259 a= 0.75002、 計(jì)算其靈敏度和線性度。 傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)下輸出的變化對輸入變化的比值，對于線性傳感器，它的靈敏度就

11、是靜態(tài)特性的斜率，即靈敏度S=yx=K，K為一常數(shù)，非線性傳感器的靈敏度為一變量，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，一般將擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度，由程序運(yùn)行結(jié)果可知擬合直線的斜率b即為傳感器的靈敏度，所以靈敏度為 S=0.4259 (1)另一個(gè)重要參數(shù)是非線性誤差，定義為實(shí)際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差，即為 = (2)式中L最大非線性絕對誤差;一輸出滿量程。為了計(jì)算非線性誤差，必須先求出最大非線性絕對誤差和輸出滿量程，matlab提供了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，求L也很簡單，在上面程序中應(yīng)用最小二乘法求得了擬合直線方程以及35個(gè)位移測試點(diǎn)所對應(yīng)的擬合輸出值，求兩者的差并取其中最大值即為最大非線性絕對

12、誤差。程序如下： y2=y1-Y (3) L=max(y2) (計(jì)算最大非線性絕對誤差) (4) 運(yùn)行程序，得到 L=0.5835，進(jìn)而由線性度的定義，可得其線性度為： =11.22、遲滯性 傳感器在正行程(輸入量增大)反行程(輸入量減小)期間輸出與輸入特性曲線不重合的程度即為遲滯誤差。用matlab計(jì)算傳感器的遲滯性如下所示：運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 電渦流正反行程測位移（遲滯性） （紅線為正行程，綠線為反行程）（2） 、光纖傳感器測位移 1、用matlab作出表二的擬合直線和正行程位移-電壓曲線，用matlab編程，其程序如下所示： x1=3:0.5:15;y1=3.83 3.71 3.5

13、1 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.73 1.57 1.43 1.3 1.17 1.07 0.97 0.88 0.79 0.72 0.66 0.60 0.53 0.49 0.48;k=polyfit(x1,y1,1) (計(jì)算擬合直線的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1) (計(jì)算X數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合輸出值）holdplot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')grid onxlabel('正行程位移值（mm)')ylabel('正行程位電壓（V)')axis(0,16,0,7)ti

14、tle('光纖傳感器測位移') 運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖中的紅線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，描點(diǎn)法繪制的曲線是根據(jù)表三實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的特性曲線圖，圖中用直線則是MATLAB基于最小二乘法原理確定的擬合直線，省去了用坐標(biāo)紙繪圖的人為誤差和手工計(jì)算的繁雜的計(jì)算工程，節(jié)省了工作量，提高了效率。 設(shè)擬合直線的直線方程位p=bx+a （b為擬合直線的斜率，a為截距）則： b=-0.2899 a= 4.3422 -0.2899 4.34222、計(jì)算其靈敏度和線性度。 傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)下輸出的變化對輸入變化的比值，對于線性傳感器，它的靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率，即靈敏度S=yx=K，K為一常數(shù)，

15、非線性傳感器的靈敏度為一變量，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，一般將擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度，由程序運(yùn)行結(jié)果可知擬合直線的斜率b即為傳感器的靈敏度，所以靈敏度為 S=-0.2899 (1) 另一個(gè)重要參數(shù)是非線性誤差，定義為實(shí)際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差，即為 = (2)式中L最大非線性絕對誤差;一輸出滿量程。為了計(jì)算非線性誤差，必須先求出最大非線性絕對誤差和輸出滿量程，matlab提供了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，求L也很簡單，在上面程序中應(yīng)用最小二乘法求得了擬合直線方程以及31個(gè)位移測試點(diǎn)所對應(yīng)的擬合輸出值，求兩者的差并取其中最大值即為最大非線性絕對誤差。程序如下： y2=y1-Y (3) L=m

16、ax(y2) (計(jì)算最大非線性絕對誤差) (4) 運(yùn)行程序，得到 L= 0.4868，進(jìn)而由線性度的定義，可得其線性度為： =12.7 2、遲滯性 傳感器在正行程(輸入量增大)反行程(輸入量減小)期間輸出與輸入特性曲線不重合的程度即為遲滯誤差。用matlab計(jì)算傳感器的遲滯性:運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 光纖正反行程測位移（遲滯性） （紅線為正行程，綠線為反行程） （三）、差動電感式傳感器測位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理：用matlab作出表三的擬合直線和正行程位移-電壓曲線，用matlab編程，運(yùn)行程序結(jié)果如下圖所示： 圖一 差動正行程位移圖中的紅線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，描點(diǎn)法繪制的曲線是根據(jù)表三實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的特

17、性曲線圖，圖中用直線則是MATLAB基于最小二乘法原理確定的擬合直線，省去了用坐標(biāo)紙繪圖的人為誤差和手工計(jì)算的繁雜的計(jì)算工程，節(jié)省了工作量，提高了效率。 設(shè)擬合直線的直線方程位p=bx+a （b為擬合直線的斜率，a為截距）則： b=2.2203 a=-22.22273、 計(jì)算其靈敏度和線性度。 傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)下輸出的變化對輸入變化的比值，對于線性傳感器，它的靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率，即靈敏度S=yx=K，K為一常數(shù)，非線性傳感器的靈敏度為一變量，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，一般將擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度，由程序運(yùn)行結(jié)果可知擬合直線的斜率b即為傳感器的靈敏度，所以靈敏度為 S=2.22

18、03 (1)另一個(gè)重要參數(shù)是非線性誤差，定義為實(shí)際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差，即為 = (2)式中L最大非線性絕對誤差;一輸出滿量程。為了計(jì)算非線性誤差，必須先求出最大非線性絕對誤差和輸出滿量程，matlab提供了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，求L也很簡單，在上面程序中應(yīng)用最小二乘法求得了擬合直線方程以及25個(gè)位移測試點(diǎn)所對應(yīng)的擬合輸出值，求兩者的差并取其中最大值即為最大非線性絕對誤差。程序如下： y1=y-Y (3) L=max(y1) (計(jì)算最大非線性絕對誤差) (4) 運(yùn)行程序，得到 L= 1.1678，進(jìn)而由線性度的定義，可得其線性度為： =5.97 2、遲滯性 傳感器在正行程(輸入量增大)反行程(輸入量減小)期間輸出與輸入特性曲線不重合的程度