1、實驗報告名：高 豐 韡 班級： F0903008號：5090309106姓學(xué)：孫 挺指導(dǎo)老師：實驗日期：2010.11.11同組傳感器系列實驗【實驗?zāi)康摹? 光纖位移傳感器（1）（2）（3）了解光纖位移傳感器的工作原理掌握光纖位移傳感器測量位移的方法掌握光纖位移傳感器測量轉(zhuǎn)速的方法電容式傳感器了解電容式傳感器的工作原理掌握電容式傳感器測量位移的方法電渦流傳感器（1）（2）（3）了解電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性掌握電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法了解不同被測材料對電渦流傳感器的特性的影響【實驗原理】1光纖傳感器光纖傳感器是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的光纖傳感器一般可分全光纖傳感器和傳

2、光型光纖傳感器兩大類全光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號解調(diào)，從而得出被測信號傳光型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光波的傳輸介質(zhì)，常用來傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號光纖傳感器可以探測的參量很多，按被測對象不同可分為位移、壓力、溫度、速度、流量、振動、轉(zhuǎn)動、加速度、彎曲、應(yīng)變、磁場、電壓、電流、以及生物醫(yī)學(xué)量和化學(xué)量等圖一反射式光纖位移傳感器原理圖以及輸出電壓特性曲線反射式光纖位移傳感器的工作原理如圖 1 所示，光纖采用 Y 型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端

3、合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖光纖只起著傳輸信息的作用當(dāng)光發(fā)射的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖傳至光電轉(zhuǎn)換元件，由光電轉(zhuǎn)換元件將信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出經(jīng)接收光纖傳至光電轉(zhuǎn)換元件的光強決定于反射體距光纖探頭的位置，通過對反射光強的檢測到位移量2電容傳感器SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，可非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作，廣泛應(yīng)用于壓力、壓差、液位、振動、位移、加速度、成分含量等多方面測量電容式傳感器可分為變面積

4、型、變極距型和變介質(zhì)型三種類型。圖二電容式傳感器工作原理圖本實驗中使用的差動變面積型電容傳感器工作原理如圖二所示傳感器由兩組定片和一組動片，當(dāng)安裝在振動臺上的動片上下改變位置，與兩組定片間的面積發(fā)生變化，極間電容亦發(fā)生相應(yīng)變化，此稱為差動電容如將上層定片與動片形成的電容定為 Cx1，下層定片與動片形成的電容定為 Cx2 ，當(dāng)將 Cx1 和 Cx2 接入橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān)3 電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根

5、據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。當(dāng)被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率 、磁導(dǎo)率 、尺寸因子 、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離 D、電流強度 I 和頻

6、率 參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F(, , , D, I, )函數(shù)來表示。通常能做到控制, , , I, 這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗 Z 就成為距離 D 的單值函數(shù)，雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗 Z 的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離 D 的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。圖三電渦流傳感器圖示圖四實驗中所使用的電渦流傳感器電路圖當(dāng)被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生

7、變化時，探頭中線圈的 Q 值也發(fā)生變化，Q 值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機械【實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果計算】1 光纖位移傳感器（1） 靜態(tài)測量在 Origin 中作圖，可以得到：取樣取的線性區(qū)域為 x=0.1mm-0.8mm可以得到擬合直線的方程為V=0.740+2.379x數(shù)據(jù)組數(shù)1234567891011x/mm0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00V/V0.6390.9321.2101.4651.7191.9692.2002.4022.5842.

8、7422.872數(shù)據(jù)組數(shù)1213141516171819202122x/mm1.101.201.301.401.501.601.701.801.902.002.25V/V2.9753.0553.1153.1503.1683.1733.1653.1473.1113.0792.955數(shù)據(jù)組數(shù)2324252627282930313233x/mm2.502.753.003.253.503.754.004.254.504.755.00V/V2.8182.6502.4832.3082.1502.0121.8411.7411.6241.5111.407位移(間隙)轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工

9、作系統(tǒng)中被測體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān)。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、 應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其廣泛。而靈敏度則可以由擬合曲線的斜率得出即 = = = 2.379()動態(tài)測量振動實驗通過讓鐵片振動從而改變傳感器的電壓示數(shù)，該運動在示波器上的圖像接近于正弦波。通過測量周期，得出 = 139.0所以1 = = 7.194動態(tài)測量轉(zhuǎn)動實驗讓傳感器探測一個在不停轉(zhuǎn)

10、動的小風(fēng)扇。電壓變化在示波器上的圖像接近于。由于小風(fēng)扇的葉片有兩片，所以轉(zhuǎn)一圈的時間相當(dāng)與兩個通過測量周期，得出的周期。 = 74.80所以1 = = 13.37 = 2 = 84.00/2 電容式傳感器（1）靜態(tài)測量在 Origin 中對這些數(shù)據(jù)作圖，可以得到：數(shù)據(jù)組數(shù)1234567891011x/mm-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.0V/V5.8295.7445.5215.2074.8234.4213.9883.5993.1712.7602.332數(shù)據(jù)組數(shù)12131415161718192021x/mm0.51.01.52.02.53.0

11、3.54.04.55.0V/V1.9091.5001.0800.6600.248-0.171-0.587-1.002-1.420-1.838舍去前三個非線性點(即 x=-3.5mm-5.0mm)作擬合曲線，可以得到 V 與 x 之間的關(guān)系：V=2.329-0.832x而靈敏度則可以由擬合曲線的斜率得出即 = | = | = 0.832()|（2）動態(tài)測量振動實驗通過讓鐵片振動從而改變傳感器的電壓示數(shù)，該運動在示波器上的圖像接近于正弦波。通過測量周期，得出 = 164.0所以1 = = 6.0983 電渦流式傳感器（1） 鐵片的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)組數(shù)1234567891011x/mm0.000.100

12、.200.300.400.500.600.700.800.901.00V/V0.000-1.048-1.477-1.771-2.029-2.227-2.519-2.730-2.945-3.152-3.367數(shù)據(jù)組數(shù)1213141516171819202122x/mm1.101.201.301.401.501.601.701.801.902.002.25V/V-3.565-3.770-3.962-4.148-4.336-4.523-4.700-4.872-5.042-5.204-5.596數(shù)據(jù)組數(shù)2324252627282930313233x/mm2.502.753.003.253.503.75

13、4.004.254.504.755.00V/V-5.968-6.307-6.638-6.934-7.204-7.435-7.671-7.875-8.063-8.250-8.359（2）銅片的實驗結(jié)果（3）鋁片的實驗結(jié)果將這三張表放在一起放在 Origin 中作圖，并取相同的一段做擬合曲線：數(shù)據(jù)組數(shù)1234567891011x/mm0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00V/V-5.887-6.115-6.314-6.509-6.708-6.875-7.035-7.200-7.344-7.487-7.620數(shù)據(jù)組數(shù)12131415161718192

14、02122x/mm1.101.201.301.401.501.601.701.801.902.002.25V/V-7.743-7.869-7.979-8.095-8.197-8.298-8.383-8.467-8.543-8.622-8.788數(shù)據(jù)組數(shù)2324252627282930313233x/mm2.502.753.003.253.503.754.004.254.504.755.00V/V-8.942-9.025-9.189-9.288-9.369-9.462-9.528-9.565-9.617-9.671-9.730數(shù)據(jù)組數(shù)1234567891011x/mm0.000.100.200.

15、300.400.500.600.700.800.901.00V/V-5.184-5.384-5.616-5.840-6.050-6.243-6.442-6.625-6.797-6.952-7.099數(shù)據(jù)組數(shù)1213141516171819202122x/mm1.101.201.301.401.501.601.701.801.902.002.25V/V-7.232-7.365-7.502-7.619-7.737-7.854-7.960-8.057-8.150-8.245-8.460數(shù)據(jù)組數(shù)2324252627282930313233x/mm2.502.753.003.253.503.754.00

16、4.254.504.755.00V/V-8.647-8.799-8.937-9.093-9.206-9.299-9.388-9.471-9.514-9.580-9.612其中，線性擬合選取的部分均為 x=1.0mm1.9mm 區(qū)間?？梢缘贸鋈N材料的方程分別為：鐵：V=-1.527-1.863x銅：V=-5.954-1.175x鋁：V=-6.625-1.031x而靈敏度則可以由擬合曲線的斜率得出即|= | = 1.863()鐵|= | = 1.175()銅|= | = 1.031()鋁|由此可見鐵 銅 鋁，與理論結(jié)果完全相符。【對實驗結(jié)果中的現(xiàn)象或問題進(jìn)行分析、一、誤差分析1讀數(shù)誤差】對第二個實驗實際操作時無法十分精確地將動片下表面與靜片對其，導(dǎo)致前三個點不成線性關(guān)系。螺旋測微器調(diào)節(jié)誤差對于第一個以及第三個實驗，無法十分精確地將金屬薄片十分精確地放置在正好貼緊的地方，導(dǎo)致前幾個點可能有誤差5不水平會影響測量數(shù)據(jù)，使得