传感器实验报告
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理:电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR/R=Kε
式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。
四、实验步骤：
1、根据图(1-1)应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
图1-1 应变式传感安装示意图
2、接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。
3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。
图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
5、根据表1-1计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)计算线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差，yF·S满量程输出平均值。
（1）计算机绘图：
拟合方程为:
y = 0.2235x;
其中： 重量取x（g）,电压y(mv)
R²= 0993
拟合直线能够以大于99.3%地解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。
系统的灵敏度为 0.2235 v/kg.
（2）系统线性误差计算
输出值与拟合直线的最大偏差Δm =1.74mV;
满量程输出 y= 46.4mV;
δ = ±Δm/y × 100%
= ±1.74/46.4 ×100% =±3.75%
五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片
(2)负(受压)应变片 (3)正、负应变片均可以。
答：(1)正(受拉)应变片
实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
二、基本原理：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出
灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。
三、需用器件与单元：同实验一。
四、实验步骤：
1、传感器安装同实验一。做实验(一)2的步骤，实验模板差动放大器调零。
2、参考图1-2，将适当的两片应变片接入桥路。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S=ΔU/ΔW，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。
图1-3 应变片传感器半桥实验接线图
表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值
拟合方程为:
y = 0.5x;
其中： 重量取x（g）,电压y(mv)
R²= 1
拟合直线能够完全的解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。
系统的灵敏度为 10V/kg
（2）系统线性误差计算
输出值与拟合直线的最大偏差Δm =0mV;
满量程输出 y= 100mV;
δ = ±Δm/y × 100%
= 0
传感器线性度极好
五、思考题：
1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：
(1)对边 (2)邻边。
答：邻边
因为，两个应变片的性能相似，放在临边，在金属箔片收到压力时，一个应变片电阻增大，一个应变片电阻减小，如果两个应变片放在对边，则，他们的变化就会相互抵消掉，由于性能上的接近，甚至会导致实验输出为0，只有放在临边，才能将两个应变片的独立性发挥出来，得到的实验数据应该比原来单应变片灵敏度上要高一倍。
2、桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差，是因为：(1)电桥测量原理上存在非线性 (2)应变片应变效应是非线性的 (3)调零值不是真正为零。
答：(1)占据的因素比较大,电桥本身的实验原理就存在系统误差。
但是(2),应变片理论上讲，也不是完全符合线性规律的，只是很接近线性规律或者人为的将其模式化而已。
实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的：了解全桥测量电路优点。
二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对
边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
三、需用器件和单元：同实验一。
四、实验步骤：
1、传感器安装同实验一。
2、参考图1-2接线，将四片应变片接入桥路。将实验结果填入表1-3；进
行灵敏度和非线性误差计算。
图1-4 全桥性能实验接线图
表1-3全桥输出电压与加负载重量值
拟合方程为:
y = 1.0136x-0.4;
其中： 重量取x（g）,电压y(mv)
R²= 1
拟合直线能够完全的解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。
系统的灵敏度为 1.0136V/kg
（2）系统线性误差计算
输出值与拟合直线的最大偏差Δm =0.496mV;
满量程输出 y= 202mV;
δ = ±Δm/y × 100%
= ±0.496/202 ×100% =±0.25%
五、思考题：
1、全桥测量中，当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1≠R2时，是否可以组成全桥：(1)可以(2)不可以。
答：(2)不可以
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
答：选择第二组，因为第二组的应变片在两个方向上都有，利用两组不同的数据就可以组建全桥，从而测得数据。
图1-5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图
实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的数据，在同一坐标系中分别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度，并从理论上进行论证、阐述(注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。
三、数据与理论分析
(1)单臂、半桥、和全桥的电压/重量曲线
(2)
从实验一、二、三中可以得到
单臂电桥实验：
灵敏度：0.2235 v/kg.
非线性度：δ =±3.75%.
半桥实验：
灵敏度：0.5V/kg.
非线性度：δ = 0%.
全桥实验：
灵敏度：1.0136V/kg.
非线性度：δ = ±0.25%.
(3)理论论证：
单臂电桥实验
U = ((R1 + ΔR)/(R5+R1+ΔR) – R7/(R6+R7))U
≈ ΔR*R5/((R5+R1)(R5+R1)) * U
半桥实验：
U = ((R1 + ΔR)/(R5-ΔR+R1+ΔR) – R7/(R6+R7))U
≈ ΔR/2R1 * U
全桥实验：
U = ((R1 + ΔR)/(R2-ΔR+R1+ΔR) – (R4-ΔR)/(R2+R1))U
≈ ΔR/R1 * U
所以， 单臂实验，半桥实验，全桥实验，三个的灵敏度为1:2:4.
理论上，非线性误差 应该全桥最小，半桥次之，单臂最大。因为 全桥中的4个传感器的误差相互之间抵消，而单臂的误差就是一个传感器的误差，相对来说，误差较大。
实验数据表明， 三者的灵敏度基本符合 1:2:4的比率，但是，半桥的非线性度为零，最小。单桥的非线性度较大。可以看出非线性度的测量不是很符合理论值，应该是各种偶然误差的存在导致的。
第二篇：无线综合实验报告2
一、 实验目的
图1：无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）（见图1），当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽、准确的信息,传送到需要这些信息的用户。它由部署在检测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。它分为如下三种网络形式：星形网络，网状网络节点有三种拓扑结构，如图2中所示。
星状网拓扑结构中所有节点都与基站和网关进行双向通信（图 2中A 图）。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与互联网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间网络点，相互之间并不传输数据或命令。
网状拓扑结构所有节点都相同，而且直接互相通信，与基站进行数据传输和命令传输（图2中B 图），网状网的每个节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容错能力较强。
混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点（图2中C 图）。在混合网中，路由节点和中继节点组成网状结构，
图2：无线传感器网络结构
无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。
国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统（Remote Battlefield Sensor System，简称REMBASS --伦巴斯）、网络中心战（NCW）及灵巧传感器网络（SSW））、智能尘（smart dust）、Intel?Mote、Smart-Its项目、SensIT、SeaWeb、行为习性监控（Habitat Monitoring）项目、英国国家网格等。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。
我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，20##年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，20##年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用
国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。
二、实验原理
无线传感器特点：
1、传输距离。由于采用专用高频电路板材，合理的阻抗匹配，在相同的电池供电及功率消耗下， 节点的通信距离编程可调0~100m，有效距离达50M 以上，适合大部分短距离无线传感器网络应用要求。
2、功耗低。元器件采用低功耗器件，在使用低功耗通信协议栈时，在睡眠状态，电流仅为5mA ，在掉电节能模式下，电流更是只有110μA 左右。节点使用2 节AA 电池即可正常工作。
3、使用方便。节点每个都有串口和JTAG 口，都可以对每个节点方便地进行编程，不需要复杂的编程环境；另外每个节点都可以直接接到计算机上，充当SINK 节点，同样不需要专门定制的接口板，十分方便。
4、软件资源。为了扩展产品的适用范围，有兼容目前WSN 领域最主流的802.15.4 规范的协议栈，开发语言是C，易于开发与相互共享交流，完全可以成为我们公共的平台。
总体架构见图3，它由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，在一个节点提供了可扩展不同传感器的接口，所以可能包括多种传感器器件；处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，包括了数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理等等；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源供应模块为传感器节点提供运行所需的所有电源。
图3：无线传感器总体框架
图4：软件结构
图5 机械参数遥测测试系统框图
在无线网络传感器一般集成一个低功耗的微控制器(MCU)以及若干存储器、无线电/光通信装置、传感器等组件，通过传感器、动臂机构、以及通信装置和它们所处的外界物理环境交互。一般说来，单个传感器的功能是非常有限的，但是当它们被大量地分布到物理环境中，并组织成一个传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构试验，再配置以性能良好的系统软件平台，就可以完成强大的实时跟踪、环境监测、状态监测等功能。无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。以应变测量为例，首先，被测物在传感器的测量下，通过简单的系统单芯片SOC，得到物体的应变变化，然后，数据经过基于CMOS技术的放大元件，将经过处理的低功耗数据转给无线传输模块，该模块将数据进行A/D转换后，无线传输给接收模块，并通过终端对数据分析处理，实现远距离就可以完成强大的实时跟踪、环境监测、状态监测等功能，在资源受限的条件下完成感知、通信和控制功能。无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。
无线传输接收模块体积小巧，由电源模块、采集处理模块、无线收发模块组成，。节点每个通道内置有独立的高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4桥，半桥，全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器。采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的2M 数据存储器，保证了采集数据的准确性。节点的空中传输速率可以达到250K BPS，有效室外通讯距离可达100m等优点。
三、实验设备
CSY2000系列传感器与检测技术实验台、SG802 无线应变节点、SG402无线应变节点、A302无线加速度节点、网关S903、戴尔计算机，活塞式压力计ＹＵ－６００，压力传感器BHR-2型，荷重传感器BHR—4型。
四、实验框图
五、实验标定曲线和表
SG802无线应变节点标定曲线如下：
标定表格如下：
无线应变节点标定曲线及表格如下：
半桥
全桥
六、实验数据曲线和表
体重测量试验曲线及表格
悬臂梁受冲击应变测量试验曲线及表格
七、实验结论与收获
实验结论：
无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。但是有传输距离不长的缺陷。
感想与收获：
这次试验让我了解到无线传感器网络的基本知识。虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。
目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1. 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
2 医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，"在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域"。
3 军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从20##年的1000万美元增加到20##年的几十亿美元。
4 其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
实验过程中，我们依次做了体重的测试和标定，做了悬臂梁的传感测试，老师给我们示范了加速度传感器的使用测试，观看了各个结果的波形图。整个实验过程生动而有趣，在实验期间我们积极参与分析，激发了我们在这方面的兴趣，开启的进一步学习的大门，达到了实验的效果与目的，寓教于乐，是同学们兴致黯然的完成实验所有内容。而次专业知识的学习巩固又为我们以后深层次研究做好了良好的铺垫。