传感器实验指导书

实验一数字式电子秤实验模块-物体质量测量

一．实验目的

1.学习LabVIEW软件的使用；

2.认识应变式力传感器的工作原理；

3.掌握使用应变式传感器进行物体称重的方法；

4.掌握标定称重实验台和修正测量误差的方法；

二．实验原理

数字式电子秤实验模块由应变式力传感器、信号调理电路板、底座、支架、托盘和外围封装设备构成。其中，应变式力传感器由4片应变片塑封在桥臂的中间两侧，信号调理电路板为全桥电路。当物体加到托盘后，4个应变片会受压发生形变，该形变量转换为电压量的变化,最后通过电桥电路及运算放大电路进行信号处理和输出。如下图所示为数字式电子秤实验模块结构示意图。

数字式电子秤实验模块结构示意图

数字式电子秤实验模块中的力传感器是电阻应变片。电阻应变片是利用物体线性长度发生形变导致阻值发生改变的原理而制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。测量电路普遍采用如下图所示的惠斯通电桥。

电阻应变片惠斯通电桥测量电路

称重原理：

使用标准砝码对称重模块进行标定，得到物体质量与输出电压之间的线性关系式。然后利用该线性关系式进行未知质量的物体的测量。

三．需要的仪器和设备

●计算机１台

●LabVIEW实验脚本：数字式电子秤实验模块-物体质量测量.vi 1套

●TS-DEW-1A应变式数字电子称模块 1套

●砝码 1套

●TS-INQ-8U USB多通道数据采集模块 1套

●TS-TAB-B基础实验平台 1套四．实验步骤

1.关闭面板总电源开关，将电子秤模块的电源线连接到基础实验平台的多路电源输出航

空插头；

2.将电子秤模块的信号线连接到USB多通道数据采集模块的通道1上；

3.开启总电源，开启采集卡电源，如下图所示，在“数字式电子秤-物体质量测量程序

VI”文件夹中打开“数字式电子秤实验模块-物体质量测量.vi”程序，建立实验环境。

4.通道选择“1”，采样频率选择“10KHz”,点击程序运行按钮启动测量程序。

5.在正式进行物体质量测量的过程中，应该先完成传感器的标定工作。操作步骤为：首

先，不在托盘上放置砝码，此时称重的质量为0，把“0”填入“质量（X1）”空格内，点击“标定1”按钮读取当前状况下的电压值；在托盘上放置500g的砝码，并在“质量

（X2）”空格内填入“500”，然后点击“标定2”按钮读取当前状况下的电压值；点击“标定结果”完成称重传感器的标定。

数字式电子秤实验模块-物体质量测量程序界面

6.标定完成后,即可对未知质量的物体进行测量，在测量过程中请勿超出传感器的量程

（实验所用传感器量程为5Kg），以免损坏传感器。

7.在物体质量的测量过程中，记录实验数据，填入下表1中。

表1

输出

电压

（mV

）

物体

质量

（g）

8.如下图所示，根据实验数据在直角坐标系中绘制输出电压与物体质量之间的关系曲线，

分析其线性度。

电压-质量关系曲线

五．实验报告要求

1.简述实验目的和原理；

2.简述两点标定法标定称重传感器；

3.详细描述压力传感器称重实验LabVIEW程序的设计思路；

六．注意事项

1.应变式力传感器可承受的最大质量为5Kg，实验时请勿超过此量程；

2.不要冲击传感器或在其上施加过大的力，以免因过载而导致传感器损坏。

实验二超声波位移测量和红外位移测量实验

一. 实验目的

1.学习LabVIEW软件的使用。

2.认识超声波传感器和红外传感器的工作原理。

3.学习使用超声波传感器进行位移测量的方法。

4. 掌握使用红外传感器进行位移测量的方法。

二. 实验原理

1.超声波传感器测量原理：

超声波测距传感器包括有发射超声波和接收超声波的两部分装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

超声波发射探头向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物会立即返回来，超声波接收探头收到反射波立即停止计时。设超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2。需要说明的是，超声波传感器发射的波束比较窄（<10°），反射后仍然很窄，如果被测物体被旋转放置，有可能反射波束会偏离出接收探头的位置，导致探头接收不到反射波信号，无法进行测距。实验所使用超声波传感器的发射波频率是40KHz，它由单片机控制发射探头发射一组超声波脉冲后，输出电平由低电平转为高电平；等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由高电平转为低电平。所以在实验的过程中，可以观察到随着反射板到探头的距离变化，传感器输出波形的“脉冲”宽度也会对应的发生变化，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。

另外，空气中的声音传播速度不是一个固定的值，在不同的温度下这个数据会有一些变化。通常我们说的340m/s是一个近似数据，传播速度的修正公式为S=331.4×(1＋t/273）

^0.5，t为空气温度。作为常温下的测试，可以认为声速为346 m/s（按25℃计算）。

超声波传感器距离测量原理示意图

2.红外传感器测量原理：

红外传感器是基于三角测量原理设计的。如下图左图所示，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束反射回来，反射的红外光线被CCD检测器接收以后，得到一个偏移值L。利用三角关系，以知发射角度α，偏移距L，中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。

三角测量原理红外传感器电压与检测距离间关系当距离D足够小的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围。这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测的物体越远，CCD的分辨率要求就越高。

输出电压与检测距离之间的关系如上图右图所示。从图中可以看出，传感器与被探测物体之间的距离小于10cm的时候，输出电压急剧下降，这就要求测量时传感器与被探测物体之间距离应尽可能大于10cm。

此外，红外传感器的输出是非线性的。如果采用线性拟合的方法进行数据标定，误差很大。这里可以采用多项式拟合的方法。假设有一个高阶的多项式函数

y=a n x n+a(n-1)x(n-1)+…+ax+a0

其中y代表距离，x代表红外传感器输出电压。如果该函数能够逼近实际的待拟合的数据，那么就采用该多项式作为传感器的输出函数。实际上，对于红外传感器来说，采用多项式函数拟合与采用线性最小二乘法拟合相比较，前者的误差大大减小。

三.实验仪器和设备

1.计算机１台

https://www.360docs.net/doc/145605169.html,bVIEW软件 1套

3.超声波红外位移测量实验模块 1个

4.多通道数据采集模块 1套

5.多路电源模块 1套

四.实验步骤

1.关闭多路电源模块的开关，关闭多通道数据采集模块的开关，以免带电插入传感器信

号线和直流电源线。将多路电源模块电源线接入交流电源220V。

2.将超声波位移测量对象的电源线（φ16五芯航插）连接至多路电源接口；将多通道数

据采集模块电源线（φ16五芯航插）连接至多路电源接口。

3.将超声波传感器的信号输出线连接至数据采集模块的第1通道上。

4.开启总电源，开启多路电源模块开关，开启数据采集模块开关，开关开启后禁止带电

插拔电源线和信号线。

5.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”，运行LabVIEW程序

“超声波传感器—位移测量实验.vi”。

6.移动滑块来改变挡板到超声波之间的距离，观察采集到的数据信号波形。结合超声波

传感器的原理，解释波形变化的原因和规律。

7.读懂LabVIEW程序，如何采集超声波信号，如何并进行信号处理。

8.比较实验测得值与模块表面刻度尺读数之间偏差，多次移动滑块测量该偏差是否恒

定。

9.如果偏差恒定，尝试在软件中对超声波测量的距离进行补偿，使测量更准。

超声波传感器—-位移测量实验LabVIEW程序界面

10.单击“STOP”按钮停止程序运行。首先关闭多通道数据采集模块开关，关闭多路输出

电源模块开关，然后再拔超声波传感器的信号输出线，连接上红外传感器的信号输出线，打开多路输出电源模块电源开关、打开多通道数据采集模块开关

11.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”，打开文件“红外

位移测量模块_main.vi”。程序界面下图所示。

红外位移测量模块主程序界面

12.设置输入控件参数

（1）通道选择设置为1

（2）采样频率设置为1。

（3）采样长度设置为1024。

（4）多项式拟合阶数设置为4。

13. 单击运行按钮，程序开始运行。

14. 记录采样数据点。

(1)将挡板移动到距离红外传感器探头至少10cm外的位置。

(2)将刻度尺上面显示的数据输入到“刻度尺读数”控件里。输入完成后，单击数

据录入按钮，将刻度尺读数和传感器电压值记录到原始数据表格里。

注意，测量距离要按照逐渐递增或逐渐递减的顺序。

(3)继续向后移动挡板5cm，重复上一步的操作。如此重复9次，记录10组数据。

15. 单击拟合按钮，进行多项式拟合。观察拟合曲线的形状，如下图所示。

多项式曲线拟合后程序界面

16. 滑动挡板，读取挡板与传感器探头距离，并与红外传感器的测量数据进行比较。

17. 单击STOP按钮，退出程序。

五. 实验报告要求

1.简述超声波传感器和红外传感器的原理；

2.依据超声波传感器的实验记录作数据分析；

3.记录红外传感器多项式拟合曲线和红外传感器的测量误差。

六. 注意事项

超声波传感器的有效测量距离是2cm~300cm。实际距离若过小或过大可能导致测量误差增大，在测量过程中请保持在此距离以内。

避免信号线带电插拔，造成仪器或设备受损。

实验三电涡流传感器静态特性测距及误差分析实验

一、实验目的

1．了解和掌握电涡流传感器的特点；

2．利用电涡流传感器进行传感器静态特性的测量；

3．利用机械结构、传感器、数据采集卡、虚拟仪器平台构建测试系统。

二、实验原理

1.电涡流位移传感器原理

电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈中，线圈将产生一个高频电磁场。当被测金属体靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，既电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。

这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器对信号进行处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距的变化而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的磁场强度也发生变化，磁场强度的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一化处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。

所以探头与被测金属体表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。下图为电涡流传感器的工作原理示意图。

电涡流传感器工作示意图

主要技术指标：

供电电压 探头直径 线性量程 输出方式 +24V

11mm

4mm

1~5V

2. 最小二乘法原理

给定平面上一组点，)...5,4,3,2,1)(,(n i y x i i =,用直线拟合。即求得)(x f ，使得

2

1

)]([∑=+-=n

i i i b ax y M 达到最小。

三、 实验仪器和设备

1． 计算机

2． LabVIEW8.2以上版本

3． TS-INQ-8U 多通道数据采集模块

4． TS-EMP-3A 多传感器特性实验模块 5． 动态显示单通道模拟信号.vi

6. 电涡流传感器静态特性测量实验.vi 和电涡流传感器距离测量试验及误差分析实验.vi

四、 实验步骤

1. 观测电涡流传感器的量程

（1） 关闭基础实验平台的直流电源部分的开关。将电涡流传感器的电源线连接到基础实

验平台的24V 直流电源输出端。数据采集模块的电源线连接到多路输出电源输出端（5芯航空插头）。

（2）将电涡流传感器的信号线连接到数据采集模块的通道1上（注：在对实验设备进行操作时请先把电源关闭，再进行操作，带电插拔会对设备造成损坏）。

（3）打开基础实验平台直流电源部分的开关，打开24V直流电源输出端的开关，打开数据采集模块的开关（注：该开关在数据采集模块的后面板上）。

（4）如下图所示，在“静态特性及位移测量实验程序VI”文件夹中打开“动态显示单通道模拟信号.vi”实验程序。

动态显示单通道模拟信号程序面板

“通道选择”设定为1（与硬件上所选择的通道号相同）、“采样频率”设定为1（“1”对应为10KHz）、“采样长度”为1024字节。设定好以上三个参数后点击如下图1-3所示的按钮运行程序，在导轨上移动滑块，观察波形图中显示的电压信号。得到采样信号的平均值，比较滑块距离与显示电压值的关系。

实验所选的电涡流传感器的线性区为：1.2mm~5.2mm，不在此测量范围内时，其函数曲线将不成线性关系。

（5）将千分尺归零，将滑块上反射圆片紧紧靠在电涡流探头表面，观察此时的电压值。（6）滑块渐渐远离传感器，观察电压数值的变化，观测传感器的最大测量距离。

如下图所示为传感器的输出特性

电涡流传感器的输出特性

2.测算传感器的线性表达式

（1）关闭直流电源开关，连接好测量模块中电涡流传感器的电源线（24V），再连接好数据采集模块的电源线（12V）。把电涡流传感器的信号线连接到数据采集模块的通道1。

（2）在“静态特性及位移测量实验程序VI”文件夹中打开“实验一电涡流传感器静态特性测量实验.vi”程序，设置“通道选择”为“1”（该通道号与硬件上所选择的通道号相同），“采样频率”为“1”（“1”对应为10KHz）。

（3）调整滑块到一个初始位置，记录下读数X0，设置每次移动千分尺的距离为

0.5mm，将这两个数值输入到实验程序的“起点坐标”和“采样间隔”控制变量一栏

内。另外，有一点需要注意的是由于电涡流传感器的线性范围为：1.2mm~5.2mm。因此，在设置起点坐标X0时，应该考虑避开传感器测量的盲区，即测量滑块的初始位置应该定位在传感器测量平面的1.2mm以外。图1-5为电涡流传感器静态特性测量实验

程序面板。

电涡流传感器静态特性测量实验程序面板

（4）运行“电涡流传感器静态特性测量实验.vi”，点击“第1次采集”按钮，指示灯亮后，程序将自动记录对应电涡流传感器的读数。

（5）将千分尺向远离探头方向移动0.5mm，点击“第2次采集”按钮，依次改变测量的距离进行20次测量，采集20组数据。

（6）数据采集完成后，点击“拟合”按钮进行线性拟合，程序将显示拟合曲线。进行线性拟合实验时，需要一定的耐心和细心，并且该实验结果将直接影响下一步采用电涡流传感器测距离的实验。将程序显示的20次采集到的电压数据及拟合直线表达式记录在如下表格内：

采集的20组电压值：

实验次数测量数据实验次数测量数据

1 11

2 12

3 13

4 14

5 15

6 16

7 17

8 18

9 19

10 20

整理上表中的数据，在直角坐标系中绘制电压-距离曲线。

计算该曲线的线性函数关系表达式，用Y=K*X+B表示，把对应的数值填入下表中。

电压-距离函数关系式：

拟合直线表达式斜率K值截距B值

3.电涡流传感器距离测量及误差分析实验

（1）如下图所示，在“静态特性及位移测量实验程序VI”文件夹中打开“实验二电涡流传感器距离测量及误差分析实验.vi”程序。

电涡流传感器距离测量及误差分析实验

（2）在进行电涡流传感器的特性测量实验中，已经记录了电涡流传感器的静态特性曲线及其线性函数Y=KX+B的K值和B值。把K值和B值分别填入程序面板的系数K和B处；当然也可

以把特性测量的相关工作再做一遍点击“拟合”按钮，对测量参数进行线性拟合。记录下K值和B值。

（3）在电涡流传感器的测量范围内，移动挡板，点击“距离计算”按钮计算当前挡板的实际位移值。

（4）通过千分尺的读数读取当前挡板的位移值，填入程序面板上的“千分尺读数”空格内；在把挡板移动前的初始位移值填入“起始坐标”处；在“当前位移”一栏内所示读数为实际挡板的位移。

（5）点击“误差分析”按钮，进行相对误差的计算，在“相对误差”一栏内会显示实际读数与理论计算位移值之间的相对误差。

（6）多次改变挡板的位移，重复以上实验步骤，进行多次测量，并记录多次测量的相对误差范围完成下表：

实验次数千分尺读数传感器测量结果相对误差1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

五、实验报告要求

●简述实验目的和原理。

●分析实验结果。

实验四模拟霍尔位置传感器静态特性测量及误差分析实验

一、实验目的

1.学习labVIEW软件的使用

2.认识模拟霍尔位置传感器

3.掌握传感器静态特性的测量方法

4. 掌握使用模拟霍尔位置传感器进行位移测量的方法；

二、实验原理及思路

模拟霍尔位置传感器（以下简称霍尔传感器）以SS94A1B霍尔线性位移传感器为基础。该传感器的输出电压与磁场强度（高斯）成线性关系。下图所示为霍尔传感器的特征曲线图。

模拟霍尔位移传感器特征曲线

模拟霍尔位置传感器的输出电压跟磁场强度（高斯）成线性关系，但是，磁场强度与位移并不成线性关系啊。那怎么办呢？怎么样才能让霍尔传感器的输出电压与挡板的位移联系起来呢？

首先我们可以先定位一个实验起始点，假定设定为0。也就是说，实验从0点开始测量此时传感器输出的电压值，然后继续在往后取几个不同的点，记录下此时的位移。并测出此时传感器输出的电压。再用线把这几个在不同的位置测出的电压值用连线连起来，该曲线所体现出来的也就是试验中所使用的霍尔传感器的输出电压与位移的函数关系。通过实验就会发现，以上曲线并不成线性关系啊。

当然，由磁场的知识也可以肯定这点：在电偶极子形成的磁场中位移与磁场并不成线性关系，但是，我们可以通过曲线拟合的方法提取出一条最逼近霍尔传感器输出电压与位移函数关系的直线，然后取最接近线性的那段曲线的函数式作为进行位移测量的依据。

由以上分析我们就有一个较清晰的思路了。当然，这也只是个例子，各位可以通过这个例子把该实验的思路及其方法运用到其他方面。

在“实验三模拟霍尔位置传感器特性实验”中，主要是绘出磁场中霍尔传感器输出电压与位置的函数关系。在进行“实验三模拟霍尔位置传感器特性实验”中，才采用线性拟合的方法对以上测得的数据进行线性拟合。

三、实验仪器及设备

1.计算机

https://www.360docs.net/doc/145605169.html,bVIEW8.2以上版本

3.TS-INQ-8U多通道数据采集模块

4.TS-EMP-3A多传感器特性实验模块

5.实验五模拟霍尔位置传感器特性测量实验.vi和实验六模拟霍尔位置传感器位移测量

与误差分析实验.vi

四、实验步骤

1.关闭直流电源开关，连接好测量模块中模拟霍尔传感器的电源线（5V），再连接好数

据采集模块的电源线（12V）。把红外传感器的信号线连接到数据采集模块的通道1。

2.如下图所示，在“静态特性及位移测量实验程序VI”文件夹中打开“实验五模拟霍

尔位置传感器特性测量实验.vi”程序。

模拟霍尔位置传感器程序面板

3.设置“通道选择”为“1”（该通道号与硬件上所选择的通道号相同），“采样频率”

为“1”（“1”对应为10KHz），点击程序运行按钮，运行程序进行霍尔传感器特性曲线的绘制。

4.在靠近霍尔传感器面板处定位一个点，记录该点相对于传感器面板的距离，填入“第

1次采集时的量”一栏内，然后点击“第一次采集”按钮采集该处传感器输出的电压值。

5.往远离传感器的方向移动挡板（注意在挡板移动之后，在进行电压采集前要保证面板

上的磁钢正对着霍尔传感器），移动一定位移后，记录此时的相对位置，填入“第2次采集时的量”一栏内，点击“第2次采集”按钮采集此处的电压值。如此重复进行20次电压的采集。

6.点击“画特性曲线”按钮描绘霍尔传感器的输出电压与位移的特性函数；

7.把每次移动的相对位移与相对应的电压值填入下表中：

测量序号每次测量的相对位移输出的电压值

第1次测量

第2次测量

第3次测量

第4次测量

第5次测量

第6次测量

第7次测量

第8次测量

第9次测量

第10次测量

第11次测量

第12次测量

第13次测量

第14次测量

第15次测量

第16次测量

第17次测量

第18次测量

第19次测量

第20次测量

8. 在“静态特性及位移测量实验程序VI”文件夹中打开“实验六模拟霍尔位置传感器位移测量与误差分析实验.vi”程序。