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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流传感器实验2011.精品文档.传 感 器 实 验何光宏重庆大学物理实验教学中心目录0、 绪论1、 金属箔式应变片-单臂电桥、双臂电桥和全桥2、 金属箔式应变片-电子秤实验3、 差动变压器的性能测定4、 电容式传感器的位移特性5、 Pt100热电阻测温实验6、 热敏电阻的特性研究7、 LED光源I-P特性曲线测试8、 反射式光纤位移传感器9、 微弯式光纤压力传感器10、 电涡流式传感器的工作特性11、 电涡流式传感器的应用12、 霍尔式传感器的直流激励特性13、 霍尔式传感器的应用-电子秤14、 压电加速度式传感器15、 光电传感器的应用光电转
2、速测量16、 热电偶温差电动势研究17、 PN结正向压降与温度关系研究18、 硅光电池基本特性测量19、 光敏二极管和光敏三极管基本特性测量20、 光敏电阻基本特性测量21、 光栅传感器特性测试0 绪论1 传感器及其组成人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种请况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要结决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。我国国家标准（GB77
3、65-87）中说，传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。我们的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图0-1。被测量 电量转换元件基本转换电路敏感元件图0-1 传感器组成框图敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量
4、输出。2 传感器的一般特性2.1 线性度传感器的输出输入关系或多或少的存在非线性问题。在不考虑迟滞蠕变不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示： (0-1)式中： y 输出量；x 输入量； 零点输出； 理论灵敏度, 非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。在非线性误差不太大的情况下，采用直线拟合的方法来线性化。此时，输出输入的校正曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差 （0-2）由此可见，非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非
5、线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。最小二乘直线拟合事将数据拟合成直线y =kx+b，若实际校准测试点有 n 个,则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为 (0-3) 最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值 , 即由此可以求出 k 和 b 的表达式为 (0-4)例：测得某检测装置的一组输入输出数据如下x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0用最小二乘法拟合直线，求其线性度解：代入数据得 k=0.68,b=0.252.2 灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度,其表达式为 （0-5）由此可见,传感器输出曲线
6、的斜率就是其灵敏度。对具有线性特性的传感器,其特性曲线的斜率处处相同,灵敏度k是一常数,与输入量大小无关。2.3 迟滞传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图0-2所示,它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即 （0-6）式中正反行程间输出的最大差值。 0-2 迟滞 0-3 重复性2.4 重复性重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。图0-3 所示为输出曲线的重复特性,正行程的最大重复性偏差为时 , 反行程的最大重复性偏差为。重复性偏差取这两个偏差之中较大者为, 再以满量程输出的百分数表示,即
7、 （0-6）2.5 静态误差静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差，即 （0-7）式中 各测试点的残差；n测试点数。取2和3值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即3 实验数据处理方法3.1 列表法实验中将数据列成表格，可以简明地表示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是否合理，有助于发现和分析问题，而且列表法还是图象法的基础。列表时应注意： 表格要直接地反映有关物理量之间的关系，一般把自变量写在前边，因变量紧接着写在后面，便于分析。 表格要清楚地
8、反映测量的次数，测得的物理量的名称及单位，计算的物理量的名称及单位。物理量的单位可写在标题栏内，一般不在数值栏内重复出现。 表中所列数据要正确反映测量值的有效数字。例，下表给出了某压力传感器的标定数据及初步处理结果。表0.1 某压力传感器的标定数据及初步处理结果输入/N0200040006000800010000输出/mV1加载-0.7521.4043.5255.6437.7579.872卸载-0.7551.4023.5235.6437.7589.8722加载-0.7551.4153.5285.6547.7699.880卸载-0.7571.4113.5355.6437.7669.8803加载-
9、0.7571.4153.5375.6557.7689.880卸载-0.7581.4143.5365.6547.7679.880初步处理结果/mV加载平均读数-0.7551.4113.5335.6517.7659.877卸载平均读数-0.7571.4093.5315.6507.7649.877重复加载最大偏差0.0050.0110.0130.0120.0120.008加卸载间最大偏差0.0030.0040.0030.0010.0030.0003.2 作图法选取适当的自变量，通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系，并便于找出其中的规律，确定对应量的函数关系。作图法是最常用的实验数据处理方法之一
10、。描绘图象的要求是：根据测量的要求选定坐标轴，一般以横轴为自变量，纵轴为因变量。坐标轴要标明所代表的物理量的名称及单位。坐标轴标度的选择应合适，使测量数据能在坐标轴上得到准确的反映。为避免图纸上出现大片空白，坐标原点可以是零，也可以不是零。坐标轴的分度的估读数，应与测量值的估读数（即有效数字的末位）相对应。3.3 逐差法当两个变量之间存在线性关系，且自变量为等差级数变化的情况下，用逐差法处理数据，既能充分利用实验数据，又具有减小误差的效果。具体做法是将测量得到的偶数组数据分成前后两组，将对应项分别相减，然后再求平均值。例如，在弹性限度内，弹簧的伸长量与所受的载荷(拉力)满足线性关系实验时等差地
11、改变载荷，测得一组实验数据如下表：表0.2 砝码质量/kg1.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.000弹簧伸长位置/cmx1x2x3x4x5x6x7x8求每增加1Kg砝码弹簧的平均伸长量。若不加思考进行逐项相减，很自然会采用下列公式计算结果发现除和外，其它中间测量值都未用上，它与一次增加7个砝码的单次测量等价。若用多项间隔逐差，即将上述数据分成前后两组，前一组，后一组，然后对应项相减求平均，即这样全部测量数据都用上，保持了多次测量的优点，减少了随机误差，计算结果比前面的要准确些。逐差法计算简便，特别是在检查具有线性关系的数据时，可随时“逐差验证”，及时发现数
12、据规律或错误数据。3.4 最小二乘法由一组实验数据拟合出一条最佳直线，常用的方法是最小二乘法。设物理量和之间的满足线性关系，则函数形式为图0-3 的测量偏差最小二乘法就是要用实验数据来确定方程中的待定常数k和b，即直线的斜率和截距。我们讨论最简单的情况，即每个测量值都是等精度的，且假定和值中只有有明显的测量随机误差。如果和均有误差，只要把误差相对较小的变量作为即可。由实验测量得到一组数据为，其中时对应的。由于测量总是有误差的，我们将这些误差归结为的测量偏差，并记为，见图0-3。这样，将实验数据代入方程后，得到我们要利用上述的方程组来确定k和b，那么k和b要满足什么要求呢？显然，比较合理的和是使
13、，数值上都比较小。但是，每次测量的误差不会相同，反映在，大小不一，而且符号也不尽相同。所以只能要求总的偏差最小，即令 使为最小的条件是解得 (0-8) (0-9)如果实验是在已知和满足线性关系下进行的，那么用上述最小二乘法线性拟合(又称一元线性回归)可解得斜率k和,从而得出回归方程。如果实验是要通过对、的测量来寻找经验公式，则还应判断由上述一元线性拟合所确定的线性回归方程是否恰当。这可用下列相关系数来判别 (0-10)图0-4 相关系数与线性关系可以证明，值总是在和之间。值越接近，说明实验数据点密集地分布在所拟合的直线的近旁，用线性函数进行回归是合适的。表示变量、完全线性相关，拟合直线通过全部实验数据点。值越小线性越差，一般时可认为两个物理量之间存在较密切的线性关系，此时用最小二乘法直线拟合才有实际意义，见图0-4。3.5 Excel作图利用Excel可以根据录入的实验数据即时、准确的得到分析处理结果以及相关的图表，解决实验数据处理的问题。例如，某应变式电阻传感器实验中，在横梁自由端放置不同质量的物体，使横梁发生不同程度的弯曲，测量电桥输出
