传感器实验指导1

北方民族大学

《信号检测与处理》实验指导书

编写：马源泽 校对：樊荣 马源泽 审核：盛洪江

北方民族大学电气信息学院

二○一二年七月

目 录

前 言 ................................................................. 3 《传感器原理与检测技术》实验教学大纲 ................................... 4 实验一 数字式电子秤实验模块-物体质量测量 ............................... 7 实验二 实验三 实验四

电涡流传感器静态特性测距及误差分析实验 ........................ 11 模拟霍尔位置传感器静态特性测量及误差分析实验 .................. 18 超声波位移测量和红外位移测量实验 .............................. 24

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前 言

现代科技的发展，使得改革传统教学方式迫在眉睫！通过增加实验和培训课程，重点培养学生的创造能力和实际操作能力是教学改革的重要内容之一。

我系信号检测与处理实验室正是适应这一潮流形势下组建的，主要由TS-TAB-B信号采集处理综合实验平台、各种传感器及实验设备组成，提供从实验对象、信号获取、信号调理、数据分析及处理的一整套网络化创新实验室解决方案。实验室主要设备有：TS-TAB-B信号采集处理综合实验平台10台、智能控制驱动模块10台、多通道数据采集模块10台。各种传感器及实验设备，包括多传感器特性实验模块10台、悬臂梁特性测量模块10台、数字式电子称试验模块10台、直线位移测控试验系统10台、水箱液位测控实验系统5台、直线位移与倒立摆系统1台。为了增加学生的创新能力，特引进10套测控创新之作模块，包含数字温、湿度计之作模块，照度计制作模块，数字红外体温计制作模块，二氧化碳浓度测量制作模块，噪声测量制作模块。该实验室主要承担信息工程专业、电子信息专业、自动化专业、测控技术与仪器专业、电气工程及其自动化的《传感器原理与应用技术》等课程的相关实验，主要实验项目有：

实验一 数字式电子秤实验模块-物体质量测量 实验二 电涡流传感器静态特性测距及误差分析实验 实验三 模拟霍尔位置传感器静态特性测量及误差分析实验 实验四 超声波位移测量和红外位移测量实验

参与这次《〈信号检测与处理〉实验指导书》撰写的老师有自动化教研室的盛洪江老师，信息工程教研室的樊荣老师，当然，该书的形成还与实验室的几位老师的辛勤劳动分不开的，这里特别提出表示感谢。

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《传感器原理与应用技术》实验教学大纲

适用专业：信息工程、电子信息、测控技术与仪器、自动化、电气工程及其自动化 课程类别：专业必修课（信息工程、电子信息、测控）、专业限选课（自动化、电气） 课程性质： 必修 实验类别：专业基础实验

一、学时与学分

1．课程总学时：64（信息工程、电子信息为52） 2．课程总学分：4 3．实验学时：8 4．实验学分：0

二、实验教学目标与基本要求

传感器技术是自动化、测控技术与仪器等专业的一门重要的必须专业课。本课程主要介绍了传统传感器的传感机理、结构、转换电路和应用方法，以及当代新型传感器的发展状况与应用。《传感器》实验是测控专业、自动化专业本科教学中重要的实践环节，通过实验，学生应加深对课堂专业教学内容的理解，培养学生使用传感器实验设备的能力以及运用实验方法解决实际问题的能力。

三、内容简介

本课程是一门应用范围广、实践性强的多学科知识综合的课程。通过实验增加学生对所学内容的感性认识，因此安排如下实验项目。 实验一 数字式电子秤实验模块-物体质量测量 实验二 电涡流传感器静态特性测距及误差分析实验 实验三 模拟霍尔位置传感器静态特性测量及误差分析实验 实验四 超声波位移测量和红外位移测量实验

四、参考教材

刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术.北京：人民邮电出版社.2010年第2版， 贾伯年，俞朴.传感器技术.南京：东南大学出版社.1992年2月第一版 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京：高等教育出版社.2002年8月第一版

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五、考核方式

平时考勤与平时实验成绩相结合。

六、实验设备及器材配置

实验设备主要有：TS-TAB-B信号采集处理综合实验平台10台、智能控制驱动模块10台、多通道数据采集模块10台。各种传感器及实验设备，包括多传感器特性实验模块10台、悬臂梁特性测量模块10台、数字式电子称试验模块10台、直线位移测控试验系统10台、水箱液位测控实验系统5台、直线位移与倒立摆系统1台。为了增加学生的创新能力，特引进10套测控创新之作模块，包含数字温、湿度计之作模块，照度计制作模块，数字红外体温计制作模块，二氧化碳浓度测量制作模块，噪声测量制作模块。各个传感器实验模块均可通过多通道数据采集模块与电脑连接在一起。直线位移测控试验系统、水箱液位测控实验系统、直线位移与倒立摆系统的电机可通过智能控制驱动模块驱动运转。

七、实验项目一览

适用专业、年级 总学时/实验学时 序号 实验项目名称 1．自动化专业各年级 2．测控技术与仪器专业各年级 60/8 面向学实验实验每组备专业时 要求 类型 人数 注 编号 实验内容提要 学习LabVIEW软件的使用；认数字式电子秤实1 验模块-物体质量测量 理；掌握使用应变式传感器进行物体称重的方法；掌握标定称重实验台和修正测量误差的方法； 了解和掌握电涡流传感器的特电涡流传感器静2 态特性测距及误差分析实验 点；利用电涡流传感器进行传感器静态特性测量；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。 模拟霍尔位置传感器静态特性测3 量及误差分析实验

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识应变式力传感器的工作原2 必做 验证 2 2 必做 开发 2 认识模拟霍尔位置传感器；掌握传感器静态特性的测量方法；掌握使用模拟霍尔位置传感器进行位移测量的方法； 2 必做 验证 2

认识超声波传感器和红外传感超声波位移测量4 和红外位移测量实验 器的工作原理；学习使用超声波传感器进行位移测量的方法；掌握使用红外传感器进行位移测量的方法。

2 必做 综合 2

大纲执笔人： 大纲审定人： 2012年7月25日

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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。图1-1所示为数字式电子秤实验模块结构示意图。

图1-1 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图1-2所示的惠斯通电桥。

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图1-2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2上；

3. 开启总电源，开启采集卡电源，如图1-3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“2”，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

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（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。

图1-3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. 如图1-4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。

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图1-4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。 七． 思考题

1. 电阻应变片的工作原理？

2. 影响应变式力传感器的因素主要有哪些？

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实验二 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。图2-1为电涡流传感器的工作原理示意图。

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图2-1电涡流传感器工作示意图

主要技术指标：

供电电压 +24V

探头直径 11mm 线性量程 4mm 输出方式 1~5V 2. 最小二乘法原理

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

n2iM??[yi?1?(axi?b)]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）。

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（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） 如图2-2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。

图2-2 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图2-2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。

如图2-3所示为传感器的输出特性

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图2-3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2-4为电涡流传感器静态特性测量实验程序面板。

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图2-4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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 测量数据 实验次数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 测量数据

整理上表中的数据，在直角坐标系中绘制电压-距离曲线。

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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） 如图2-5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。

图2-5 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

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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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

千分尺读数 传感器测量结果 相对误差 五、实验报告要求

? ?

简述实验目的和原理。 分析实验结果。

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实验三 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。图3-1所示为霍尔传感器的特征曲线图。

图3-1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。

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三、实验仪器及设备

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. 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. 如图3-2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。

图3-2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。

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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 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

每次测量的相对位移 输出的电压值

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。

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图3-3模拟霍尔位置传感器距离测量实验程序

9. 数据采集模块的“通道选择”为“1”（选择的通道要与实际数据线使用的通道号吻合）、“采样频率”选择“1”（“1”对应为10KHz），点击程序运行按钮运行实验程序。

10. 在软件界面选择起始坐标点可设为0，选择采样间隔，可设为0.5mm，实验模块上千分尺的分辨率为0.01mm，千分尺旋转一圈为0.5mm；

11. 把千分尺归零，挡板靠近霍尔传感器，并保证挡板上的磁钢要正对着霍尔传感器的感应面。在靠近霍尔传感器处定位一点作为起始坐标点，把该点的相对位移填入“起点坐标”一栏内。“采样间隔”也可设为0.5mm；

12. 在起始坐标点往远离传感器的方向上分别取10个点，并进行10次测量，然后点击“拟合”按钮拟合测量的数据；

13. 记录采集的位移间隔和对应该点的电压值填入下表：

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采集序号 第1次采集 第2次采集 第3次采集 第4次采集 第5次采集 第6次采集 第7次采集 第8次采集 第9次采集 第10次采集

采集点的位移/mm 采集点的电压值/mV 14. 记录线性拟合曲线表达式Y=KX+B及其对应的K和B的值，填入下表：

线性拟合表达式 对应的K值 对应的B值 15. 提取拟合表达式Y=KX+B中对应的K值和B值，把这两个值填入距离测量一栏的K值和B值空格内,

16. 重新调节千分尺的位移，点击“距离计算”按钮，根据线性曲线函数进行当前距离的测量；

五、误差分析实验

1. 在传感器的线性测量范围内调整千分尺的位移，并读出此时的位移值，填入“实际读

数”一栏内，再把开始测量时的起始坐标填入“起始坐标”一栏内，于是在“当前位移”一栏内可看到挡板实际移动的位移。

2. 点击“误差分析”按钮，对测量数据与实际位移读数进行误差分析和计算。 3. 改变挡板的位移，进行多次测量，记录所得的实验数据，填入下表内；

测量次数 1 2 3 4 5 6 实际距离读数 传感器测得距离数据 传感器与实际相对误差 22

7 8 9 10 六、实验报告要求

1. 简述模拟霍尔位置传感器的工作原理；

2. 分析使用模拟霍尔位置传感器进行特性曲线的绘制和位移测量的方法； 3. 用多种拟合方法拟合实验曲线，并分析优缺点；

4. 描述模拟霍尔位置传感器静态特性labVIEW程序的设计过程； 5. 分析实验结果；

七 、注意事项

? 切勿随意带电插拔；

? 在挡板移动过程中请务必保证挡板上的磁钢要正对着霍尔传感器的感应面；? 注意勿将水等液体洒到传感器电路板上，以免烧坏传感器； ?

实验时请勿将有磁性的物体靠近霍尔传感器，以免影响测量结果。

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实验四 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）。

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图4-1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。如图4-2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。

图4-2三角测量原理 图4-3 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图4-3所示。从图4-3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

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y=anxn+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 2. LabVIEW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。

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图4-4 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”。程序界面如图4-5所示。

图4-5 红外位移测量模块主程序界面

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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) (2)

将挡板移动到距离红外传感器探头至少10cm外的位置。

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，如图4-6所示。

图4-6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。

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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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hkmr.html