1、综合性实验报告实 验 课 程： 实 验 名 称： 姓 名： 学 号： 班 级： 指 导 教 师： 实 验 日 期： 传感器与检测技术 位移检测传感器的应用22位移检测传感器应用1、实验类型综合性实验。2、实验目的和要求1了解微位移、小位移、大位移的检测方法。2运用所学过的相关传感器设计三种位移检测系统。3对检测系统进行补偿和标定。三、实验条件本实验在没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205） 、相对湿度不大于 85% ，大气压力为1017kPa 的情况下进行。四、实验方案设计为了满足实验要求，现使用电涡流，光纤，和差动三种传感器设计位移检测系统，电涡
2、流取 0.1mm 为单位，光纤取 0.5mm 为单位，差动取 0.2 为单位。进行试验后，用 MATLAB 处理数据，分析结论。（1）：电涡流传感器测位移电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电 涡 流 式 传 感 器由 传 感 器 线 圈 和 被测物体（导电体金 属 涡 流 片 ） 组 成 ， 如图所示。 根据电磁感应原理， 当 传 感 器 线 圈 （ 一个扁平线圈） 通 以 交 变 电 流 （频率较高，一般为 1MHz2MHz） I1 时 ， 线 圈 周 围 空 间 会 产 生 交 变 磁 场 H1， 当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋
3、涡状自行闭合的 电 流 I2，而 I2 所形成的磁通链又穿过传 感 器 线 圈 ，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从 而 导 致传 感 器 线 圈 的 阻 抗 Z 发 生 变 化 。 我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图中的等效电路。传感器与检测技术 位移检测传感器的应用33 电涡流传感器原理图 电涡流传感器等效电路图图 1（2）：光纤传感器测位移实验原理： 反射式光纤传感器工作原理如下图所示，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，一束作为接受，另一束为光源发射，近红外二极管发出的近红外光经光源光纤照射至被
4、测物，由被测物反射的光信号经接受光纤传输至光电转换器转换为电信号，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。图 2（三）：差动电感式传感器测位移实验原理： 差动动螺管式电感传感器由电感线圈的二个次级线圈反相串接而成，工作在自感基础上，由于衔铁在线圈中位置的变化使二个线圈的电感量发生变化，包括两个线圈在内组成的电桥电路的输出电压信号因而发生相应变化。下图为差动式位移检测传感器原理图。传感器与检测技术 位移检测传感器的应用44图 3五、实验步骤（1）：电涡流传感器测位移1按下图 2 将电涡流传感器装好；图 42在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡
5、流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。传感器与检测技术 位移检测传感器的应用55图 53传感器实验模块按图 3 连接，将电涡流传感器连接线接到模块上标有“电压输出”的两端，再将实验模块输出端 Uo 与数显电压表单元输入端 Ui 相接。数显电压表量程切换开关选择电压 20V 档，模块电源用导线从实验台接入 +15V电源。 4打开实验台电源，记下数显表读数，然后每隔 0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。表一（二）：光纤传感器测位移1安 装 光 纤 位 移 传 感 器 ， 二 束 光 纤 插 入 实 验 板 上 光 电 变 换 座 孔 上 。
6、 其 内 部 已 和发 光 管 及 光 电 转 换 管 T 相 接 。2、 将 光 纤 实 验 模 板 输 出 端 V01 与 数 显 单 元 相 连 。3、 实 验 模 板 接 入 15V 电 源 ， 合 上 主 控 箱 电 源 开 关 ， 调 RW 使 数 显 表 显 示 为 零 。4将测微头起始位置调到 14cm 处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。5将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V 档） ，仔细调节电位器 Rw 使电压表显示为零。6旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔 0.01mm 读出一次输出电压值， 填入表二。传感器与检测技术 位移检测传感器的应
7、用66图 6 光 纤 传 感 器 安 装 示 意 图图 7 光 纤 传 感 器 位 移 实 验 接 线 图表二（三）：差动电感式传感器测位移1、将差动变压器安装在差动变压器实验模块上，并将传感器引线插入实验模块插座中。2、连接主机与实验模块电源线，按下图连线组成测试系统，两个次级线圈必须接成差动状态。3、使差动电感传感器的铁芯偏在一边，使差分放大器有一个较大的输出，调节移相器使输入输出同相或者反相，然后调节电感传感器铁芯到中间位置，直至差分放大器输出波形最小。 传感器与检测技术 位移检测传感器的应用774、调节 Rw1 和 Rw2 使电压表显示为零，当衔铁在线圈中左、右位移时，L2L3，电桥失
8、衡，输出电压的大小与衔铁位移量成比例。5、以衔铁位置居中为起点，分别向左、向右各位移 5mm，记录 V、X 值并填入表三。图 8 应变式传感器安装示意图图 9 全桥性能实验接线图表三6、原始数据记录表一：电涡流传感器实验测量数据X(mm) 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6Uo(V) 0 0 0.01 0.05 0.13 0.22 0.30 0.37 0.45 0.54 0.62 0.70 0.77 0.83 0.90 0.96 1.03传感器与检测技术 位移检
9、测传感器的应用88表二：光纤传感器实验测量数据表三：差动传感器实验测量数据7、数据整理、分析（一） 、电涡流传感器测位移1、用matlab作出表一的拟合直线和正行程位移 -电压曲线，用matlab编程，其程序如下所示：x1=5:0.2:11.8;y1=1.62 1.68 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.94 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57 4.64 4.69 4.78 4.8 4.85 4.91 4.94 4.96 4.95 4.97 4.95 4.96 4.98 4.98 5.05 5.08 5.09 5.08 5.08 5.2 5.21;X
10、(mm) 11.6 11.5 11.4 11.3 11.2 11.1 11.0 10.9 10.8 10.7 10.6 10.5 10.4 10.3 10.2 10.1 10.0Uo(V) 1.02 0.96 0.90 0.83 0.76 0.70 0.62 0.54 0.46 0.38 0.36 0.22 0.14 0.06 0.01 0 0X(mm) 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0Uo(V) 0 0.88 2.24 3.50 4.58 5.43 6.03
11、 6.43 6.58 6.58 6.34 5.99 5.65 5.23 4.83 4.44 4.06X(mm) 18.0 17.5 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 13.0 12.5 12.0 11.5 11.0 10.5 10.0Uo(V) 4.06 4.42 4.81 5.20 5.60 5.07 6.31 6.51 6.47 6.35 5.97 5.38 4.54 3.51 2.26 0.90 0.01正行程位移X(mm)10.010.2 10.4 10.6 10.8 11.0 11.2 11.4 11.6 11.8 12.0 12.2 1
12、2.4 12.6 12.8 13.0 13.2正行程电压Uo(V)1.621.86 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.94 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57 4.64 4.69 4.78X(mm)13.213.0 12.8 12.6 12.4 12.2 12.0 11.8 11.6 11.4 11.2 11.0 10.8 10.6 10.4 10.2 10.0Uo(V)4.854.77 4.68 4.63 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59 3.31 2.94 2.70 2.22 1.85 1.67传感器与检测技术
13、 位移检测传感器的应用99x2=12:-0.2:5;y2=5.2 5.2 5.2 5.15 5.17 5.16 5.14 5.12 5.10 5.10 5.06 5.06 5.05 5.02 4.98 4.94 4.90 4.89 4.85 4.77 4.68 4.62 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59 3.31 2.94 2.70 2.22 1.85 1.67;k=polyfit(x1,y1,1) (计算拟合直线的斜率 b、截距 a)Y=polyval(k,x1) (计算 X 数据点的拟合输出值）holdplot(x1,y1,r-,x1,Y,g-)grid
14、 onxlabel(正行程位移值（ mm)ylabel(正行程位电压（ V)axis(0,12,0,7)title(电涡流传感器测位移) 运行程序结果如下图所示：图10：电涡流传感器正行程测位移设拟合直线的直线方程位 p=bx+a （b 为拟合直线的斜率，a 为截距）则： b=0.4368 a= 0.73012、计算其灵敏度和线性度。传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，对于线性传感器，它的灵敏度就是静态特性的斜率，即灵敏度S=yx=K，K为一常数，所传感器与检测技术 位移检测传感器的应用1010以灵敏度为S=0.4368 (1)另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性
15、曲线与拟合直线之间的偏差，即为 = (2)L10FSy式中 L 最大非线性绝对误差; 一输出满量程。利用matlab计算非线性误差，程序如下：y2=y1-Y (3)L=max(y2) (计算最大非线性绝对误差) (4) 运行程序，得到 L=0.5835，进而由线性度的定义，可得其线性度为：= = 11.2L5.210832、迟滞性传感器在正行程(输入量增大)反行程(输入量减小)期间输出与输入特性曲线不重合的程度即为迟滞误差。 。用matlab计算传感器的迟滞性的程序如下所示：x1=5:0.2:11.8;y1=1.62 1.68 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.9
16、4 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57 4.64 4.69 4.78 4.8 4.85 4.91 4.94 4.96 4.95 4.97 4.95 4.96 4.98 4.98 5.05 5.08 5.09 5.08 5.08 5.2 5.21;x2=12:-0.2:5;y2=5.2 5.2 5.2 5.15 5.17 5.16 5.14 5.12 5.10 5.10 5.06 5.06 5.05 5.02 4.98 4.94 4.90 4.89 4.85 4.77 4.68 4.62 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59 3.31 2.94 2.
17、70 2.22 1.85 1.67;plot(x1,y1,r-,x2,y2,g-),axis(0,14,0,7),title(迟滞特性图), xlabel(位移值(mm),ylabel(输出电压（V）)运行程序结果如下图所示：传感器与检测技术 位移检测传感器的应用1111图七： 电涡流正反行程测位移（迟滞性） （红线为正行程，绿线为反行程 ）(一) 、光纤传感器测位移1、用matlab作出表二的拟合直线和正行程位移-电压曲线，用matlab编程，其程序如下所示：x1=3:0.5:15;y1=3.83 3.71 3.51 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.
18、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) (计算拟合直线的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1) (计算X数据点的拟合输出值）holdplot(x1,y1,r-,x1,Y,g-)grid onxlabel(正行程位移值（ mm)ylabel(正行程位电压（ V)axis(0,16,0,7)title(光纤传感器测位移) 运行程序结果如下图所示：传感器与检测技术 位移检测传感器的应用1212图 11 设拟合直线的直线方程位 p=bx+a （b 为拟合
19、直线的斜率，a 为截距）则： b=-0.2794 a= 4.3452 -0.2878 4.34462、计算其灵敏度和线性度。传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，即灵敏度S=yx=K，K为一常数，所以灵敏度为S=-0.2794 (1)另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差，即为 = (2)L10FSy式中 L 最大非线性绝对误差; 一输出满量程。用matlab计算非线性误差提供了强大的数值计算功能，程序如下：y2=y1-Y (3)L=max(y2) (计算最大非线性绝对误差) (4) 传感器与检测技术 位移检测传感器的应用1313运行程序，得到
20、 L= 0.4868，进而由线性度的定义，可得其线性度为：= = 12.7L3.80462、迟滞性传感器在正行程(输入量增大)反行程(输入量减小)期间输出与输入特性曲线不重合的程度即为迟滞误差。 。用matlab计算传感器的迟滞性的程序如下所示：x1=0:0.5:15;y1=0 0.9 2.04 2.91 3.51 3.79 3.83 3.71 3.51 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;x2=15:-0.5:0
21、;y2=0.48 0.5 0.55 0.61 0.67 0.73 0.81 0.89 0.98 1.08 1.19 1.31 1.45 1.59 1.75 1.92 2.12 2.33 2.55 2.77 3.04 3.29 3.53 3.74 3.87 3.87 3.60 3.00 2.12 0.98 0.03;plot(x1,y1,r-,x2,y2,g-),axis(0,16,0,7),title(迟滞特性图), xlabel(位移值(mm),ylabel(输出电压（V）);运行程序结果如下图所示：图 12：光纤正反行程测位移（迟滞性） （红线为正行程，绿线为反行程） (三) 、差动电感式
22、传感器测位移实验数据的处理：用 matlab 作出表三的拟合直线和正行程位移 -电压曲线，用 matlab 编程，其程序如下所示：传感器与检测技术 位移检测传感器的应用1414x1=10.2:0.4:19.8y1= 0.23 0.98 1.89 2.81 3.91 4.64 5.53 6.50 7.33 8.30 9.27 10.21 11.20 12.25 13.23 14.59 15.60 16.69 17.50 18.20 18.70 19.08 19.33 19.50 19.57k=polyfit(x1,y1,1) (计算拟合直线的斜率b、截距a)Y=polyval(k,x1) (计算
23、X数据点的拟合输出值 ）holdplot(x1,y1,r-,x1,Y,g-)grid onxlabel(正行程位移值（ mm)ylabel(正行程位电压（ V)axis(10,23,0,25)title(差动电感式传感器测位移) 运行程序结果如下图所示： 图 13：正行程位移 设拟合直线的直线方程位 p=bx+a （b 为拟合直线的斜率，a 为截距）则： b=2.2203 a=-22.2227传感器与检测技术 位移检测传感器的应用15153、计算其灵敏度和线性度。传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，即灵敏度S=yx=K，K为一常数，所以灵敏度为S=2.2203 (1)另一个
24、重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差，即为 = (2)L10FSy式中 L 最大非线性绝对误差; 一输出满量程。用matlab计算非线性误差，程序如下：y1=y-Y (3)L=max(y1) (计算最大非线性绝对误差) (4) 运行程序，得到 L= 1.1678，进而由线性度的定义，可得其线性度为：= = 5.97L19.57068 2、迟滞性用matlab计算传感器的迟滞性的程序如下所示：x1=10.2:0.4:19.8;y1=0.23 0.98 1.89 2.81 3.91 4.64 5.53 6.50 7.33 8.30 9.27 10.21 11.20 12
25、.25 13.23 14.59 15.60 16.69 17.50 18.20 18.70 19.08 19.33 19.50 19.57;x2=19.8:-0.4:10.2;y2=19.57 19.52 19.39 19.23 18.93 18.54 18.07 17.38 16.38 15.44 14.40 13.31 12.30 11.35 10.34 9.42 8.43 7.5 6.63 5.67 4.80 3.84 2.99 2.15 1.27;plot(x1,y1,r-,x2,y2,g-),axis(10,30,0,20),title(迟滞特性图), xlabel(位移值(mm),ylabel(输出电压（V）);运行程序结果如下图所示：传感器与检测技术 位移检测传感器的应用1616图 14：差动正反行程测位移（迟滞性）
