杭州电子科技大学测试技术及传感器实验报告.doc

1、测试技术与传感器实验报告班 级： 学 号： 姓 名： 2012年12 月 日实验一一、金属箔式应变片性能单臂单桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。实验准备：预习实验仪器和设备：直流稳压电源、电桥、差动放大器、测微头、应变片、电压表。实验原理：当电桥平衡（或调整到平衡）时，输出为零，当桥臂电阻变化时，电桥产生相应输出。实验注意事项：直流稳压电源打到4V档，接线过程应关闭电源，电压表打到2V档，如实验过程中指示溢出则改为20V档，接线过程注意电源不能短接。实验时位移起始点不一定在10mm处，可根据实际情况而定。为确保实验过程中输出指示不溢出，差动放大增益不宜过大，可先置中

2、间位置，如测得的数据普遍偏小，则可适当增大，但一旦设定，在整个实验过程中不能改变。实验内容：（1）观察双平行梁上的应变片、测微头的位置，每一应变片在传感器实验操作台上有引出插座。（2）将差动放大器调零。方法是用导线将差动放大器正负输入端相连并与地端连接起来，然后将输出端接到电压表的输入插口。接通主、副电源。调整差动放大器上的调零旋钮使表头指为示零。关闭主副电源。（3）根据图1的电路结构，利用电桥单元上的接线座用导线连接好测量线路（差动放大器接成同相反相均可）。RxW1A+4VR1rR2R3Vr-4Vc电桥RXRXR1R2W2W1图 1 仪器上的电桥模块及单臂电桥接线图（4）检查测微头安装是否牢

3、固，转动测微头至10mm刻度处，并调整旋紧固定螺钉，使测微头上下移动至双平行梁处于水平位置（目测），测微头与梁的接触紧密。（5）将直流稳压电源开关打到4V档，打开主副电源，预热数分钟，调整电桥平衡电位器W1，使电压表指示为零。调零时逐步将电压表量程20V档转换到2V档。（6）旋动测微头，记下梁端位移与电压表的数值，每一圈0.5mm记一个数值。根据所得结果计算系统灵敏度S，并作出V一X关系曲线。 ，其中为电压变化，为相应的梁端位移变化。（7）按最小二乘法求出拟合直线，并求线性度误差，最后根据拟合直线求灵敏度。（8）在最大位移处，以每0.5mm减至原始值，记录反行程下的示值，根据所得结果算出滞后误

4、差。位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）正行程013274053678195109124电压（mV）反行程113263952668094109124按照最小二乘法拟合，用matlab编程得直线表达式为：（6）因为图形呈线性关系，所以灵敏度S=(124-0)/(14.5-10)=2705mv/mm；（8）最大误差为1mm；所以滞后误差为r=1/124*100%=0.8%；思考题：1本实验电路对直流稳压源、差动放大器有何要求？它们对输出结果影响怎样？直流稳压源输出稳定，差动放大器要调零。由于直流稳压源的输出和差动放大器都会影响电压表的示数，如果直流稳

5、压源和差动放大器不符合要求，那么的变化将不能通过电压表的示数变化反映出来，起到了干扰实验的作用。二、金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能。实验准备：预习实验仪器和设备：直流稳压电源、差动放大器、电桥、应变片、电压表、测微头实验原理：当电桥平衡（或调整到平衡）时，输出为零，当桥臂电阻变化时，电桥产生相应输出。实验注意事项：直流稳压电源打到4V档，电压表打到2V档，实验过程还须注意的事项：（1）在连线和更换应变片时应将直流稳压电源关闭。（2）在实验过程中如有发现电压表过载，应将量程扩大。（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。（4）接全桥

6、时请注意区别各应变片的工作状态与方向，不得接错。实验内容：（1） 按单臂电桥实验中的方法将差动放大器调零。W1R2rVR3+4VR1R44V图 2 全桥电路(2) 按图2接线，图中为应变片，其余为固定电阻，及为调平衡网络。（3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到士4V档。选择适当的放大增益。然后调整电桥平衡电位器，使电压表示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。（4）向上旋转测微头，使梁向上移动每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）013274053678195109124（5）保

7、持差动放大器增益不变，将换为与工作状态相反的另一应变片（一片为拉时，另一片为压），形成半桥，调好零点，同样测出读数，填入下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）0275581107134160186210236（6）保持差动放大器增益不变，将，两个电阻换成另两片相反工作的应变片，接成一个直流全桥，调好零点，将读出数据填人下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）055109162215270321378425482（7）在同一坐标纸上描出三根X一V曲线，比较三种接法的灵敏度，并分析实验结果：由图中

8、的斜率可以知道V3的斜率最大，由灵敏度的定义可知道全桥的灵敏度最高，半桥的灵敏度次之，单臂电桥的灵敏度最低。五、思考题1如用最小二乘法拟合三根X一V曲线，写出各自的线性化方程。理论上三种接法中哪一种线性最好？对实际结果是否符合理论情况作出具体分析。根据最小二乘法拟合直线，得到线性化方程：单臂（为应变片）：线性误差=半桥（和为应变片）： 线性误差=全桥（、和都为应变片）：线性误差=通过上述比较所得，线性度：单臂半桥全桥，与理论上一致实验二 应变片与交流电桥、应变片电桥的应用一、相敏检波器、移相器实验实验目的：了解相敏检波器的原理和工作情况。实验准备：预习实验仪器和设备：相敏检波器、音频振荡器、移

9、相器、直流稳压电源、低通滤波器、电压表、双踪示波器实验原理：相敏检波利用参考端电压的极性不同，导致输入输出相位发生改变的原理。实验注意事项：参考输入端1（DC）与参考输入端5（AC）不能同时接线。由于作为电子开关的场效应管3DJ7H性能所限，相敏检波器输出有两个半波不一样的现象。实验内容：（1）把音频振荡器的输出电压（0输出端）接至相敏检波器的输入端4。（2）将直流稳压电源打到2V档，把输出电压（正或负均可）接到相敏检波器的参考输入端1（DC）。参考输入端也称相敏检波器的控制端，控制信号是直流时，接1，交流时接5。W1 51KR5 2.2K513264R2 22KR1 30KR3 30KA1A

10、2R4 30K场效应管IN OUT1 2 345 AC6DC图3 相敏检波器（3）把示波器的两根输入线分别接到相敏检波器的输入端和输出端，观察输入和输出波形的相位关系和幅值关系。（4）改变参考输入端1的电压极性，观察输入输出波形的相位和幅值关系。由此可得出结论，当参考电压为正时，输入与输出 同 相，当参考电压为负时，输入与输出 反 相，此电路的放大倍数为 1 倍。（5）从音频振荡器的0输出插口输出信号再接一根线至移相器输入端，移相器的输出端与相敏检波器的参考输入端5（AC）之间连接起来，此时应断开参考输入端1的连线。保持原相敏检波器的信号输入端与音频振荡器0输出插口的连接。（6）将示波器的两根

11、输入线分别连到相敏检波器输入端和参考输入端5，调整移相器，使两个信号同相位。再将接相敏检波器参考输入端5的示波器的探头移至相敏检波器输出端，观察示波器上的两个波形。由此得出：相敏检波器和移相器组合整形电路的作用是将输入的 全 波转变成 半 波。（7）将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接起来，低通滤器的输出端接至电压表的输入端（20V档）。（8）适当调整音频振荡器的幅度，仔细观察示波器的波形和电压表读数变化，然后将相敏检波器的输入端接到音频振荡器的180输出插口，保持移相器接0不变，观察示器波的波形和电压表数字变化。 由此可以看出：当相敏捡波器的输入与控制信号（参考输入端5信号） （同、

12、反）相时，输出为正极性的 半 波形，电压表指示为 正 极性方向的最大值，反之则输出为 负 极性的 半 波形，电压表指示为 负 极性的最 大 值。当音频振荡器的幅值增大时，波形幅值 变大 ，电压表读数 变大 。所以，相敏检波器、移相器、低通滤波器组合后可用来测量交流信号的幅值。（9）改变音频振荡器的频率，发现信号间相位 移动 ，输出波形也发生 移动 ，此时要重新调整移相器才能使信号间相位一致。（10）调整移相器，使电压表输出最大，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入电压峰峰值与输出直流电压的关系。（注意应置示波器探头衰减为1，对应的通道VAR为最大）输入Vip-p （V）051248输出Vo

13、（V）0.270.541.242.435.03（11）使输入信号与参考信号的相位差改为180，测出上述关系数据：输入Vip-p （V）051248输出Vo（V）-0.26-0.53-1.25-2.44-5.02思考题1 当相敏检波器输入为直流时，输出波形如何？其平均值为多少？为直线，平均值就为波形的幅值。二、金属箔式应变片交流全桥实验目的：了解交流供电的四臂应变片电桥的工作原理、特点及其应用。实验准备：预习实验仪器和设备：音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、测微头、砝码、示波器。实验原理：工作原理同直流电桥，但供桥电源为交流，差放的输出值也为交流电压。实验注意

14、事项：旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz左右，幅度适中，电压表打到2V档，差动放大器增益旋至中位。其它还须注意的事项有：（1）本实验也可用示波器观察各环节的波形。（2）组桥时应注意应变片的受力状态，使桥路正常工作。（3）如果紧接着做后续的实验，则不要变动音频振荡器的幅度旋钮及差动放大器的增益旋钮。（4）做电子称应用部分实验时，砖码应尽量放在应变梁端部的正中间。（5）做电子称应用部分实验时，在悬壁梁系统的自由端部不得有与外部相碰擦的情况。实验内容：（1）按实验一的方法将差动放大器调零。（2）引出四片金属箔式应变片（2个正片、2个负片），在电桥单元上组成全桥（注意应变片的正确接入）。（3）按图4的

15、电路搭成工作电桥，图中为应变片，为调平衡网络，电桥供桥电压必须从音频振荡器的插口输出（负载能力强）。（4）将音频振荡器的幅度旋至中位。根据相敏检波、移相器实验方法调整好移相器（使电压表的读数最大）。如差放的输出偏小，可适当增加音频振荡器的幅度。（5）确认测微头安装到位，调整旋紧固定螺钉，旋动测微头至10mm处使梁处于水平位置（目测）。调整W1与W2使电压表指零。（W1与W2须交互反复调整） 由此可见：在交流电桥中，必须有 2 个可调参数才能使电桥平衡，这是因为电路存在 R C 而引起的。（6）旋转测微头，每隔0.50mm读数，并填入下表：X（mm）1010.51111.51212.51313.

16、51414.5V（mV）161015192327313539根据所得数值，作出X一V曲线，并与前面直流电桥的结果相比较。分析结果：由斜率可以看出逼前面半桥的灵敏度低。 交流全桥的应用电子秤实验步骤：（1）按图4接线，调好移相器，去掉测微头。（2）将系统重新调零（调整W1、W2）。（3）在位移台上加不同重量的简易法码（铁环）进行标定，将结果填入下表：W（g）20406080100120V（V）0.0450.0430.0410.0390.0370.034（4）在位移台上加上一个重量未知的重物（如：钥匙串），记上电压表的读数： 0.041 （5）根据实验结果，得出未知重物的重量 70 。思考题要将这

17、个电子秤方案投入实际应用，你认为哪些部分需要改进？（一）电压表的量程应该调大实验三 差动变压器性能、零残及补偿、标定实验一、差动变压器性能实验目的：了解差动变压器的原理及工作情况。实验准备：预习实验仪器和设备：音频振荡器、测微头、双踪示波器、差动式电感。实验原理：交流电通过偶合的线圈产生感应电势。实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz6 KHz左右，幅度适中，双踪示波器第一通道灵敏度500mV/cm，第二通道灵敏度10mVcm。其它还须注意的事项有：（1）差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电源输出插口（LV插口）输出。（2）差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，即，两个同名端短

18、接，另两个同名端则构成输出。（3）差动变压器与激励信号的连线应尽量短一些，以避免引入干扰。实验内容：接示波器第二通道（灵敏度10mVcm）观测输出信号（1） 按图5接线，音频振荡器必须从LV接出，LV、GND接差动式电感的Li，2个L0构成差动输出。接Lv：4KHz6 KHz左右，Vpp=2V；同时接示波器第一通道观测输入信号。图 5 差动变压器接线方式（2） 调整音频振荡器幅度旋钮，观察第一通道示波器，使音频LV信号输入到初级线圈的电压为VPP2伏。（3） 调整测微头，使衔铁处于中间位置M（此时输出信号最小），记下此时测微头的刻度值填入下表（4）旋动测微头，从示波器第二通道上读出次级差动输出

19、电压的峰一峰值填入下表：X（mm）M-2.0M-1.5M-1.0M-0.5M(中间位置)M+0.5M+1.0M+1.5M+2.0Vop-p（mV）1601158044254285125136*如果第二通道的信号实在太弱，可先接差放再行观察。读数过程中应注意初、次级波形的相位关系：当铁芯从上至下过零位时,相位由 同 （同、反）相变为 反 （同、反）相；再由下至上过零位时，相位由 反 相变为 同 相；（5）仔细调节测微头使次级的差动输出电压为最小，必要时应将通道二的灵敏度打到最高档，这个最小电压叫做 零点残余电压 ，可以看出它的基波与输入电压的相位差约为 90度 。(6) 根据所得结果，画出（Vo

20、p-p一X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度：6) 根据所得结果，画出（Vop-p一X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度： ，更一般地，由于灵敏度还与激励电压有关，因此： 。二、差动变压器零点残余电压的补偿实验目的：了解零点残余电压的补偿及其方法。实验准备：预习实验仪器和设备：音频振荡器、测微头、电桥、差动放大器、双踪示波器。实验注意事项：音频信号必须从LV插口引出。旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz6 KHz左右，双踪示波器第一通道灵敏度500mV/cm，第二通道灵敏度1V/cm，触发选择打到第一通道，差动放大器的增益旋到适中。实验内容：（1）利用示波器，调整音频振荡器的输出为2伏峰一峰

21、值。（2）观察差动变压器的结构。按图6接好线，音频振荡器必须从LV插口输出，为电桥单元中的调平衡网络。（3）调整测微头，使差动放大器输出电压最小（此时对应的输出是零点残余电压）。（4）依次调整使输出电压进一步减小，必要时重新调节测微头。（5）将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波形相比较。经过补偿后的残余电压波形：为一 单脉冲 波形，这说明波形中有 高频 分量。LVCr接第一通道5kHz，Vpp=2V接第二通道W2W1图 6 零点残余电压的补偿接第二通道LV接第一通道4kHz，Vpp=2VW2W1Cr图7 零点残余电压的补偿的另一种方法思考题1本实验也可用附图7所示线

22、路，试解释原因。图7和图6一样，差动放大器的+，两端的电压都和w1，w2的阻值有关，调节w1，w2的阻值可以补偿零点残余电压。三、差动变压器的标定实验目的：了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。实验准备：预习实验仪器和设备：音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、电压表、示波器。实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡4KHz，差动放大器的增益打到最大，电压表打到2V档。实验内容：（1） 按图8接好线路 W2W1rC图 8 差动变压器实验接线音频振荡器，4kHz，Vpp=2VV0LV（2）装上测微头，上下调整，使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置（差动放大器输出最小

23、）。（3）利用示波器和电压表，调整W1、W2电位器，使电压表指示最小，再调整差放的调零旋钮，使电压表指示为零。（4）给测微头一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形（全半波为正常）。（5）电压表在20V档，旋转测微头，使电压表读数为零（此时铁芯又回到中间位置），记四、试验数据及处理X（mm）9.7110.2110.7111.2111.7212.2112.7113.21V（V）1.342.513.694.836.077.208.479.53X（mm）13.2112.7112.2111.7111.2110.7110.219.71V（V）9.538.287.105.914.753.532.361.15五、思考题1作出V一X曲线，给出你认为较好的线性工作区间，分析产生非线性误差的原因是什么？求出灵敏度由图可得：传感器较好的线性工作区间为9.7111.21mm，灵敏度S=2.34V/mm。产生非线性误差的原因是：1、在实验的过程中电源幅值和频率的不稳定导致输出的随机波动。2、差动变压器存在零点残余电压，引起非线性误差