传感器综合实验

实验目的

1.      了解应变电桥的原理、特性和用途；

2.      研究应变电桥电路的各种变化，比较直流单臂电桥、直流差动全桥的电路特性。

3.      通过实验学会集成运算放大器及不平衡电桥的一些调节方法。

实验原理

1.       电阻应变片

电阻应变片是一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的敏感元件。它是应变式传感器中的主要组成部分。使用时可以将它直接粘贴在被测试的各待测部位，也可以与弹性元件（如悬臂梁）粘贴再一起制成力传感器、压力传感器或加速度传感器。应变式传感器具有广泛的用途。例如，它可以检测机械装置或建筑构件各部分的力学状态，如应力、应变、振动、冲击、响应速度、同步情况、离心力及不平衡力的大小等；也可用于电子称、汽车衡、轨道衡及各种给料系统。

电阻应变片主要有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类，其中金属电阻应变片按结构又分为金属丝电阻应变片和金属箔式电阻应变片两种。电阻应变片使用时通常接成一个电桥电路，从而将力学量（如应力）的变化转换成电桥的不平衡电压输出。因此电阻应变片也是一种力电转换元件。

导体的电阻随机械变形而发生变化的现象，称为电阻应变效应。金属电阻应变片就是根据电阻应变效应制成的。众所周知，金属材料的电阻R与其电阻率、长度L、横截面积A有关，满足电阻定律

                                             （1）

若对金属电阻丝施以沿长度方向的均匀应力（轴向应力），则电阻丝的电阻将发生变化：

           

其相对变化为

                                   （2）

可以证明，金属丝电阻的相对变化与其轴向应变成正比关系，即

                                             （3）

式中称为金属丝的应变灵敏系数，在这里的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

2.       力或质量的测量

在CSY型传感器实验仪箱体的顶部布置有若干传感器，其中有四片金属箔式应变片，粘贴在左边一只悬臂式双孔弹性元件的上下两个端面上，组成一个应变弹性体，如图1所示。梁的一端固定在仪器箱顶部，而在自由端装有一只托盘。当托盘中加上质量为的法码时，梁发生弯曲。电阻应变片也随之发生相应形变。根据虎克定律，在弹性限度内，应变与应力成正比，即

                   

或                 

且                  

                

利用悬臂梁和应变片的组合，就可进行力或质量的测量。

3.    直流应变电桥

想要用电表显示或计算机处理测量值的大小或变化，应变片电阻的变化必须转换成电压的变化，通常采用不平衡电桥来完成这一转换如图电桥电路中，若

            

则电桥达到平衡，输出电压。若四个桥臂中有一个是应变片，也称单臂应变电桥，悬梁臂受外力作用时，应变片电阻变化，电桥平衡被打破，输出不平衡电压

                   

设桥臂比，并考虑到

           

为了提高应变电桥输出信号的强度，可将单臂电桥电路改成半桥电路或全桥电路。图中带有箭头的电阻代表应变片电阻，箭头向上表示悬臂梁式弹性元件形变时该应变片被拉长，电阻增加；而箭头向下表示悬臂梁式弹性元件形变时该应变片被压缩，电阻减小。图示半桥电路和全桥电路中，四个应变片具有相同的参数（本仪器中的四个应变片电阻均为350），相邻的两个应变片一个受拉，一个受压，应变符号相反。采用这样接法的应变电桥也称为差动电桥。

不平衡电桥也可采用交流供电，即以低频信号源供电。特别是桥臂包含有容抗或感抗的场合，必须用交流供电。

4.       信号放大电路

通常情况下，应变发生时，应变片电阻R的相对变化 ΔR/R 还是很小的，因此应变电桥输出的信号电压很微弱，一般在mV数量级，必须加以放大。

实验内容

   1. 直流单臂电桥特性

（1）按图4，在实验仪的前面板上，用带迭插式插头的专用导线先将差动放大器与数字电压表连好，将差动放大器的[增益]旋钮顺时针旋到最大，两输入端对地短接，然后开启仪器主电源及辅助电源。这时因为差动放大器输入端对地短接，输入电压为零，输出电压也应为零；若数字电压表显示不为零，则调节差动放大器[调零]旋钮，使显示为零。

     （2）按图4，接好应变电桥。仪器提供的应变片及桥路元件R1 ~ R3的电阻值均为350Ω，在无应变发生时，电桥应达到平衡。但实际上各元件的阻值难以严格一致，故加有W、r组成的桥路调零电路。将应变电桥与电源及差动放大器连好，调节W旋钮，使数字电压表再次显示零。此时，实验电路的连接及预调完成。

     （3）在称重托盘中放入一个砝码（仪器配套砝码，每个质量为20g），读出输出电压数值U，然后依次递增砝码个数至10，读出相应电压数值Ui。

     （4）将实验数据、列表，作 U ~ m图，并求直线的斜率。

   2. 直流差动半桥特性

    保持差动放大器增益不变，关副电源（避免损坏差动放大器），将图4的单臂应变电桥改接为差动半桥，改接完毕再开副电源，重复上述步骤（1）~（4）。

3. 直流差动全桥特性

仍保持差动放大器增益不变，将图4的单臂应变电桥改接为差动全桥，重复上述步骤（1）~（4）。

4. 比较三种电桥的灵敏度

实验仪器

   传感器

   激励信号源及信号调理与变换电路

   辅助元器件及辅助电路

实验数据

1 直流单臂电桥特性

X=17.710mm 时   U=0mV

U=A+B△X

最小二乘法得

A=0.74

B=12.81

U=0.74+12.81△X

灵敏度S=12.81（mV/mm）

放置砝码

   没放砝码时 W=0g  U= -57.6mV

△  U=A+B*W

最小二乘法得

A=

B=-0.144

灵敏度S=-0.144（mV/g）

2 直流差动电桥特性

调整X使U=0mV

X=9.687mm时  U=0mV

U=A+B△X

最小二乘法得

A=-0.37

B=-11.97

灵敏度S=-11.97（mV/mm）

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。