传感器实验报告

图9 表格显示效果
图10 手不接触时的波形
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图11 一只手接触黑色端口时示波器的波形
图12 一只手接触红色端口时示波器的波形
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图13 两只手均接触时示波器的波形
现象总结及分析：
手触摸前，电磁干扰电压的幅度非常小，但是仍存在一定的震动幅度。这说明仅由电压 传感器接口感应到的电磁干扰很小。
当用手接触一端（无论是黑端还是红端），发现电磁干扰的电压变大，波动明显。这说 明，当人体接入电压传感器后，电磁干扰较大。
4. 用声音传感器观测音叉、说话声、桌面震动等声音信号的波形，
并观察和分析这些信号的频谱
（11） 用声音传感器，在“图表”模式下观察音叉振动的信号。 （12） 使用傅立叶变换“FFT”模式观察并分析音叉振动信号的频谱，记录音叉的固
有振动频率。
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（13） 采用相同方法，观察并分析“用手敲击桌面”、“实验者说话”两种声音信号及 其频谱。记录振动频率最低的频率以及振动幅度最大的频率。
3. 观察传感器采集参数对测量结果的影响。
（9） 用功率放大器输出 f =10Hz、Vp =2V 的三角波。（使用 SW500 接口的采用函数 信号发生器提供）
（10） 用电压传感器观察被测信号。改变电压传感器的实验参数，“采样率”分别取 1Hz、10Hz、100Hz、1kHz，“灵敏度”分别取“低 1×”、“中 10×”等，观察 参数改变前后信号波形的变化情况，并记录现象。
3.用功率放大器输出正弦波等信号
接入功率放大器，分别输入正弦波等信号，其波形分别如图14-图19所示。
图14 正弦波
图15 方波
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图16 三角波
图17 渐降波
图18 正方波
图19 正渐升波
正渐降波、渐升波等输出波形，与上面的正渐升波和渐降波等类似，这里不再一一列举 图像。
观察图像可以发现： 1.方波（正方波）的上升及下降边沿并不是严格的垂直于时间轴，也就是并不是在瞬间 提高到高电位的。但是由于其上升或下降时间极短，所以可以认为其输出为方波（正方波）。 2.三角波、渐降波等锯齿形的输出波形，其幅度并不是严格的相等，总是有一定的起伏， 但是在误差范围内可认为其符合相应锯齿波的要求。
端，使用时必须串联300欧姆以上的电阻。由于电流传感器的内阻很小，直接接信号输出 端则电流很大，极易损坏。 3、测量二极管特性时必须串联电阻，因为二极管的正向导通电压小于1V，不串联电阻则电 流很大，容易烧毁，也易损坏电流传感器。
【原理概述】
传感器(sensor或transducer)有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器，是指那 些对被测的某一物理量、化学量或生物量的信息具有感受与检出功能，并使之按照一定规律 转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。为了与现代电子技术结合在一起，通常都 转换为电信号，特别是电压信号，从而将各种理化量的测量简化为统一的电压测量，易于进 一步利用计算机实现各种理化量的自动测量、处理和自动控制。现在，传感技术已成为衡量 一个国家科学技术发展水平的重要标志之一，与信息技术、计算机技术并称为支撑整个现代 信息产业的三大支柱。有关传感器的研究也得到深入而广泛的关注，在中国期刊全文数据库 中可检索到超过2万篇题目中包含“传感器”三字的论文。因此，了解并掌握一些有关传感 器的基本结构、工作原理及特性的知识是非常重要的。
图23 采样率10Hz，灵敏度为10×时的信号波形
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图24 采样率100Hz，灵敏度为1×时的信号波形
图25 采样率100Hz，灵敏度为10×时的信号波形
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图26 采样率1百度文库Hz，灵敏度为1×时的信号波形
图27
采样率1KHz，灵敏度为10×时的信号波形
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现象总结及分析：
1.采样率的影响： 在取样率太低的时候（实验中 1Hz 和 10Hz），由于输入信号频率大于等于采样频率，使 得采样点并不能采集出能够反映实际信号波形的点。例如采样率为 10Hz 时，采样频率与信 号频率相等，则每次采集点的电压值都为一个固定的值，也就是图 22 和图 23 中所示的直线； 而采样率为 1Hz 时，每隔 1s 采集一个点，相当于已经过去了 10 个周期的信号。因此采样率 过低，无法得到反映真实信号的波形。 而在采样率较高时，信号的一个周期内，可以采集到很多点，因此可以较为准确的反映 出信号的真是波形。但是观察图 24 和图 25（采样率为 100Hz）可以发现，其测得的信号的 振幅约为 1.75v，而采样率为 1KHz 时，测得的信号振幅约为 2.0v.因此，采样率越大测得的 信号波形就约为精确。 2.灵敏度的影响： 观察较低频率时不同灵敏度波形，可以发现，灵敏度较高的波形其振幅的波动范围较小， 而 灵 敏 度 较 低 的波 形 波 动 范 围较 大 。（ 关于 “ 放大 器 灵 敏 度 ” 的解 释 参 考 百度 百 科 http://baike.baidu.com/view/495141.htm）。实际中，发现其实灵敏度对波形的影响不是 很大。 3.其他 实验中，低频时不同灵敏度得到的波形的振幅不同，这无法说明是灵敏度产生的影响。 因为采样率 1Hz 和 10Hz 理论上对应的采集到的点幅度应相同。而之所以不同灵敏度的幅值 不同，是因为初始采集点采集到的初始值不同，而后基本上保持不变。
当两只手均接触时，则电压幅度很小，但仍在波动。这说明，此时电磁干扰很小。
造成这种现象的原因可能是：
当手没有接触时，仅仅是由电压传感器本身的两个金属棒来接收外界的干扰信号，所以 接收到的干扰幅度较小；而当用一只手接触金属棒时，相当于人体接入了电压传感器，由于 人是导体，同时表面积较大，所以接收到干扰信号较大；当两只手都接入时，相当于把电压 传感器两端短接，此时，干扰很小。
2.750接口及系列传感器
美国PASCO公司生产的综合物理组合实验仪是基于750数据接口和传感器的综合物理实 验系统，可完成近60个基础物理实验项目。其基本组成如图2所示，包括计算机、750数据接 口、传感器、被测系统四大部分。其中计算机上已安装了名为DataStudio的控制软件，该软 件具有采集数据，控制实验设备，数据处理和结果输出等功能。750接口外形如图3所示，后 面板有9V电源插孔、电源开关、USB接口；前面板有四个数字接口、三个模拟接口、两个函 数信号输出端口（其中一端口为接地端）。
33传感器原理及应用实验报告
实验人：程昌 09327100 合作人：雷泽雨 09327104
理工学院光信息科学与技术
实验时间：2011年5月20日，5月27日 实验地点：1号台
【实验目的】
1．了解传感器的工作原理。 2，掌握声音、电压等传感器的使用方法。 3．用基于传感器的计算机数据采集系统研究电热丝的加热效率。
【实验仪器】
PASCO公司750传感器接口1台，温度传感器1只，电流传感器1只，电压传感器1只，声音传 感器1只，功率放大器1台，电阻1只(1k )，电容1只（非电解电容，参数不限），二极管1 只（非稳压二极管，参数不限），导线若干。
【安全注意事项】
1、插拔传感器的时候需沿轴向平稳插拔，禁止上下或左右摇动插头，否则易损坏750接口。 2、严禁将电流传感器（Current sensor）两端口直接接到750接口或功率放大器的信号输出
4.观察传感器采集参数对测量结果的影响
功率放大器输出f =10Hz、Vp =2V的三角波，改变电压传感器的实验参数（采样率和灵 敏度），得到的信号波形图像分别如图20-图27所示：
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图20 采样率1Hz，灵敏度为1×时的信号波形
图21 采样率1Hz，灵敏度为10×时的信号波形
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图22 采样率10Hz，灵敏度为1×时的信号波形
【实验内容】
（一）第一周
1． 熟悉 SW 750 接口或 SW500 接口的使用方法，用电压传感器测量实验室内 的电磁干扰
下面以 SW750 接口为例介绍实验步骤： （1） 打开计算机，接通 SW750 接口的电源。 （2） 打开 DataStudio 控制软件，点击“实验－更改接口”，选择 750 接口。 （3） 将电压传感器插入 A、B 或 C 任一个模拟通道（Analog Channel）。 （4） 在 DataStudio 软件界面中双击电压传感器图标或将其拖放到对应通道中，此时
（二）第二周
1. 测量电阻、二极管的直流伏安特性
采用电流传感器、电压传感器、功率放大器等设备。自行设计和搭建电子元器件直流伏 安特性测量电路。并测量电阻、二极管的直流伏安特性。
2. 测量 RC 串联电路的幅频特性
RC 串联，保持功率放大器输出正弦电压 Vpp = 4V 不变，测量并记录不同频率下电阻（高 通滤波器）或电容（低通滤波器）两端电压的 Vpp 值。作出 Vpp 随频率的变化关系曲线，就 得到该电路的幅频特性。
后信号的异同，并记录观察到的现象。 （8） 停止采集数据，单击电压传感器图标，按“Del”键删除传感器，再将传感器从
SW750 接口中拔出，就可结束传感器的使用。其他传感器的使用方法与此类似。
2. 学习和掌握功率放大器的使用方法
功率放大器实际上是一台程控信号发生器，可以输出正弦波、三角波、方波等信号。 依说明书操作。
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3. 基于750接口的计算机数据采集系统的使用方法
（1）将750接口背面的开关拨至off，插上电源。用USB线将接口背面的插口与计算机相连， 将开关拨至on的位置，这时750接口前面板上绿色的电源指示灯点亮。 （2）双击计算机桌面上的DataStudio图标，进入控制软件。计算机自动检测到750接口，提 示设备已准备好，可以进行实验了。主控程序界面如图4所示。 （3）将要使用的传感器接入750接口的模拟或数字端口。在传感器列表中选择相应的传感器 图标，单击鼠标左键并将图标拖放至相应的端口。这时，传感器的图标就显示在端口的附近， 并通过一黑线与端口相连。 （4）双击传感器的图标，弹出传感器参数设置窗口，按实验具体要求更改参数后点击“确 定”。则数据采集系统设置完毕。每种传感器的参数都不尽相同，设置前需查阅说明书。 （5）将传感器连接至被测实验系统中，点击Start 按钮就可开始记录数据了。并将数据通 过图表的形式在屏幕上实时显示出来。
图3
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4. 电子元器件的伏安特性
电阻、电容、二极管等元器件是构成电子线路的一些基本单位。在元件两端加上电压， 测量流过元件的电流随电压的变化关系，就称为元件的伏安特性。若所加电压为直流电压， 则测量的是直流特性；相应地，如果电压为交流电压，则测出的相位、分压幅度等参数随频 率的变化关系则称为交流特性。认识并掌握上述元器件的交直流特性将为进一步深入学习电 子线路打下一定的基础。
【实验记录与分析】
1.不同模式下采集数据的效果
按实验要求接入电压传感器，分别观察在不同模式下被采集数据的显示效果，记录结果 如图4—图9所示。
图4 示波器显示效果
图5 图表显示效果
图6 数字表显示效果
图7 仪表显示效果
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图8 直方图显示效果
2.用“示波器”模式观察电磁干扰信号
在不同条件下实验得到的波形如图10-图13所示。
在 SW750 接口通道下应该出现传感器的图标，表示传感器可以使用了。 （5） 点击“启动”开始采集数据，点击“停止”可结束数据采集。 （6） 在显示子窗口中分别点击“表格”、“示波器”、“数字表”、“图表”、“仪表”、“直
方图”等选项，观察在不同模式下被采集数据的显示效果。 （7） 用“示波器”模式观察电磁干扰信号，观察用两手分别接触电压传感器两端前
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1.传感器基本结构及分类
传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研 制出来的，因此不同传感器的组成细节有较大差异。但一般都由敏感元件、转换元件和 其它辅助部件三部分组成，基本结构如图1所示。
按被测量的性质可分为物理量传感器、化学量传感器、和生物量传感器等。若将物理量 传感器进一步细分，还可分为力学传感器（如压力、转动、位置、速度、加速度、声音等）， 热学传感器（如温度、温差等），电传感器（如微电流、弱电压等），磁传感器（如霍尔传 感器，磁通等），光传感器（如光功率、光谱等）。按信号转换的机理来分，还可分为应变 式、电容式、电感式、压电式、光导纤维式传感器等。按输出信号的种类又可分为模拟式和 数字式传感器等。