杭州電子科技大學(xué)測試技術(shù)及傳感器實驗報告

1、測試技術(shù)與傳感器實驗報告班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 2012年12 月 日實驗一一、金屬箔式應(yīng)變片性能單臂單橋?qū)嶒災(zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片，單臂單橋的工作原理和工作情況。實驗準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)實驗儀器和設(shè)備：直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動放大器、測微頭、應(yīng)變片、電壓表。實驗原理：當(dāng)電橋平衡（或調(diào)整到平衡）時，輸出為零，當(dāng)橋臂電阻變化時，電橋產(chǎn)生相應(yīng)輸出。實驗注意事項：直流穩(wěn)壓電源打到4V檔，接線過程應(yīng)關(guān)閉電源，電壓表打到2V檔，如實驗過程中指示溢出則改為20V檔，接線過程注意電源不能短接。實驗時位移起始點(diǎn)不一定在10mm處，可根據(jù)實際情況而定。為確保實驗過程中輸出指示不溢出，差動放大增益不宜過大，可先置中

2、間位置，如測得的數(shù)據(jù)普遍偏小，則可適當(dāng)增大，但一旦設(shè)定，在整個實驗過程中不能改變。實驗內(nèi)容：（1）觀察雙平行梁上的應(yīng)變片、測微頭的位置，每一應(yīng)變片在傳感器實驗操作臺上有引出插座。（2）將差動放大器調(diào)零。方法是用導(dǎo)線將差動放大器正負(fù)輸入端相連并與地端連接起來，然后將輸出端接到電壓表的輸入插口。接通主、副電源。調(diào)整差動放大器上的調(diào)零旋鈕使表頭指為示零。關(guān)閉主副電源。（3）根據(jù)圖1的電路結(jié)構(gòu)，利用電橋單元上的接線座用導(dǎo)線連接好測量線路（差動放大器接成同相反相均可）。RxW1A+4VR1rR2R3Vr-4Vc電橋RXRXR1R2W2W1圖 1 儀器上的電橋模塊及單臂電橋接線圖（4）檢查測微頭安裝是否牢

3、固，轉(zhuǎn)動測微頭至10mm刻度處，并調(diào)整旋緊固定螺釘，使測微頭上下移動至雙平行梁處于水平位置（目測），測微頭與梁的接觸緊密。（5）將直流穩(wěn)壓電源開關(guān)打到4V檔，打開主副電源，預(yù)熱數(shù)分鐘，調(diào)整電橋平衡電位器W1，使電壓表指示為零。調(diào)零時逐步將電壓表量程20V檔轉(zhuǎn)換到2V檔。（6）旋動測微頭，記下梁端位移與電壓表的數(shù)值，每一圈0.5mm記一個數(shù)值。根據(jù)所得結(jié)果計算系統(tǒng)靈敏度S，并作出V一X關(guān)系曲線。 ，其中為電壓變化，為相應(yīng)的梁端位移變化。（7）按最小二乘法求出擬合直線，并求線性度誤差，最后根據(jù)擬合直線求靈敏度。（8）在最大位移處，以每0.5mm減至原始值，記錄反行程下的示值，根據(jù)所得結(jié)果算出滯后誤

4、差。位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5電壓（mV）正行程013274053678195109124電壓（mV）反行程113263952668094109124按照最小二乘法擬合，用matlab編程得直線表達(dá)式為：（6）因為圖形呈線性關(guān)系，所以靈敏度S=(124-0)/(14.5-10)=2705mv/mm；（8）最大誤差為1mm；所以滯后誤差為r=1/124*100%=0.8%；思考題：1本實驗電路對直流穩(wěn)壓源、差動放大器有何要求？它們對輸出結(jié)果影響怎樣？直流穩(wěn)壓源輸出穩(wěn)定，差動放大器要調(diào)零。由于直流穩(wěn)壓源的輸出和差動放大器都會影響電壓表的示數(shù)，如果直流穩(wěn)

5、壓源和差動放大器不符合要求，那么的變化將不能通過電壓表的示數(shù)變化反映出來，起到了干擾實驗的作用。二、金屬箔式應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋比較實驗?zāi)康模候炞C單臂、半橋、全橋的性能。實驗準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)實驗儀器和設(shè)備：直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、應(yīng)變片、電壓表、測微頭實驗原理：當(dāng)電橋平衡（或調(diào)整到平衡）時，輸出為零，當(dāng)橋臂電阻變化時，電橋產(chǎn)生相應(yīng)輸出。實驗注意事項：直流穩(wěn)壓電源打到4V檔，電壓表打到2V檔，實驗過程還須注意的事項：（1）在連線和更換應(yīng)變片時應(yīng)將直流穩(wěn)壓電源關(guān)閉。（2）在實驗過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表過載，應(yīng)將量程擴(kuò)大。（3）在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。（4）接全橋

6、時請注意區(qū)別各應(yīng)變片的工作狀態(tài)與方向，不得接錯。實驗內(nèi)容：（1） 按單臂電橋?qū)嶒炛械姆椒▽⒉顒臃糯笃髡{(diào)零。W1R2rVR3+4VR1R44V圖 2 全橋電路(2) 按圖2接線，圖中為應(yīng)變片，其余為固定電阻，及為調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。（3）調(diào)整測微頭使雙平行梁處于水平位置（目測），將直流穩(wěn)壓電源打到士4V檔。選擇適當(dāng)?shù)姆糯笤鲆?。然后調(diào)整電橋平衡電位器，使電壓表示零（需預(yù)熱幾分鐘表頭才能穩(wěn)定下來）。（4）向上旋轉(zhuǎn)測微頭，使梁向上移動每隔0.5mm讀一個數(shù)，將測得數(shù)值填入下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5電壓（mV）013274053678195109124（5）保

7、持差動放大器增益不變，將換為與工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片（一片為拉時，另一片為壓），形成半橋，調(diào)好零點(diǎn)，同樣測出讀數(shù)，填入下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5電壓（mV）0275581107134160186210236（6）保持差動放大器增益不變，將，兩個電阻換成另兩片相反工作的應(yīng)變片，接成一個直流全橋，調(diào)好零點(diǎn)，將讀出數(shù)據(jù)填人下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5電壓（mV）055109162215270321378425482（7）在同一坐標(biāo)紙上描出三根X一V曲線，比較三種接法的靈敏度，并分析實驗結(jié)果：由圖中

8、的斜率可以知道V3的斜率最大，由靈敏度的定義可知道全橋的靈敏度最高，半橋的靈敏度次之，單臂電橋的靈敏度最低。五、思考題1如用最小二乘法擬合三根X一V曲線，寫出各自的線性化方程。理論上三種接法中哪一種線性最好？對實際結(jié)果是否符合理論情況作出具體分析。根據(jù)最小二乘法擬合直線，得到線性化方程：單臂（為應(yīng)變片）：線性誤差=半橋（和為應(yīng)變片）： 線性誤差=全橋（、和都為應(yīng)變片）：線性誤差=通過上述比較所得，線性度：單臂半橋全橋，與理論上一致實驗二 應(yīng)變片與交流電橋、應(yīng)變片電橋的應(yīng)用一、相敏檢波器、移相器實驗實驗?zāi)康模毫私庀嗝魴z波器的原理和工作情況。實驗準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)實驗儀器和設(shè)備：相敏檢波器、音頻振蕩器、移

9、相器、直流穩(wěn)壓電源、低通濾波器、電壓表、雙蹤示波器實驗原理：相敏檢波利用參考端電壓的極性不同，導(dǎo)致輸入輸出相位發(fā)生改變的原理。實驗注意事項：參考輸入端1（DC）與參考輸入端5（AC）不能同時接線。由于作為電子開關(guān)的場效應(yīng)管3DJ7H性能所限，相敏檢波器輸出有兩個半波不一樣的現(xiàn)象。實驗內(nèi)容：（1）把音頻振蕩器的輸出電壓（0輸出端）接至相敏檢波器的輸入端4。（2）將直流穩(wěn)壓電源打到2V檔，把輸出電壓（正或負(fù)均可）接到相敏檢波器的參考輸入端1（DC）。參考輸入端也稱相敏檢波器的控制端，控制信號是直流時，接1，交流時接5。W1 51KR5 2.2K513264R2 22KR1 30KR3 30KA1A

10、2R4 30K場效應(yīng)管IN OUT1 2 345 AC6DC圖3 相敏檢波器（3）把示波器的兩根輸入線分別接到相敏檢波器的輸入端和輸出端，觀察輸入和輸出波形的相位關(guān)系和幅值關(guān)系。（4）改變參考輸入端1的電壓極性，觀察輸入輸出波形的相位和幅值關(guān)系。由此可得出結(jié)論，當(dāng)參考電壓為正時，輸入與輸出 同 相，當(dāng)參考電壓為負(fù)時，輸入與輸出 反 相，此電路的放大倍數(shù)為 1 倍。（5）從音頻振蕩器的0輸出插口輸出信號再接一根線至移相器輸入端，移相器的輸出端與相敏檢波器的參考輸入端5（AC）之間連接起來，此時應(yīng)斷開參考輸入端1的連線。保持原相敏檢波器的信號輸入端與音頻振蕩器0輸出插口的連接。（6）將示波器的兩根

11、輸入線分別連到相敏檢波器輸入端和參考輸入端5，調(diào)整移相器，使兩個信號同相位。再將接相敏檢波器參考輸入端5的示波器的探頭移至相敏檢波器輸出端，觀察示波器上的兩個波形。由此得出：相敏檢波器和移相器組合整形電路的作用是將輸入的 全 波轉(zhuǎn)變成 半 波。（7）將相敏檢波器的輸出端與低通濾波器的輸入端連接起來，低通濾器的輸出端接至電壓表的輸入端（20V檔）。（8）適當(dāng)調(diào)整音頻振蕩器的幅度，仔細(xì)觀察示波器的波形和電壓表讀數(shù)變化，然后將相敏檢波器的輸入端接到音頻振蕩器的180輸出插口，保持移相器接0不變，觀察示器波的波形和電壓表數(shù)字變化。 由此可以看出：當(dāng)相敏撿波器的輸入與控制信號（參考輸入端5信號） （同、

12、反）相時，輸出為正極性的 半 波形，電壓表指示為 正 極性方向的最大值，反之則輸出為 負(fù) 極性的 半 波形，電壓表指示為 負(fù) 極性的最 大 值。當(dāng)音頻振蕩器的幅值增大時，波形幅值 變大 ，電壓表讀數(shù) 變大 。所以，相敏檢波器、移相器、低通濾波器組合后可用來測量交流信號的幅值。（9）改變音頻振蕩器的頻率，發(fā)現(xiàn)信號間相位 移動 ，輸出波形也發(fā)生 移動 ，此時要重新調(diào)整移相器才能使信號間相位一致。（10）調(diào)整移相器，使電壓表輸出最大，利用示波器和電壓表，測出相敏檢波器的輸入電壓峰峰值與輸出直流電壓的關(guān)系。（注意應(yīng)置示波器探頭衰減為1，對應(yīng)的通道VAR為最大）輸入Vip-p （V）051248輸出Vo

13、（V）0.270.541.242.435.03（11）使輸入信號與參考信號的相位差改為180，測出上述關(guān)系數(shù)據(jù)：輸入Vip-p （V）051248輸出Vo（V）-0.26-0.53-1.25-2.44-5.02思考題1 當(dāng)相敏檢波器輸入為直流時，輸出波形如何？其平均值為多少？為直線，平均值就為波形的幅值。二、金屬箔式應(yīng)變片交流全橋?qū)嶒災(zāi)康模毫私饨涣鞴╇姷乃谋蹜?yīng)變片電橋的工作原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用。實驗準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)實驗儀器和設(shè)備：音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、測微頭、砝碼、示波器。實驗原理：工作原理同直流電橋，但供橋電源為交流，差放的輸出值也為交流電壓。實驗注意

14、事項：旋鈕初始位置是，音頻振蕩器4KHz左右，幅度適中，電壓表打到2V檔，差動放大器增益旋至中位。其它還須注意的事項有：（1）本實驗也可用示波器觀察各環(huán)節(jié)的波形。（2）組橋時應(yīng)注意應(yīng)變片的受力狀態(tài)，使橋路正常工作。（3）如果緊接著做后續(xù)的實驗，則不要變動音頻振蕩器的幅度旋鈕及差動放大器的增益旋鈕。（4）做電子稱應(yīng)用部分實驗時，磚碼應(yīng)盡量放在應(yīng)變梁端部的正中間。（5）做電子稱應(yīng)用部分實驗時，在懸壁梁系統(tǒng)的自由端部不得有與外部相碰擦的情況。實驗內(nèi)容：（1）按實驗一的方法將差動放大器調(diào)零。（2）引出四片金屬箔式應(yīng)變片（2個正片、2個負(fù)片），在電橋單元上組成全橋（注意應(yīng)變片的正確接入）。（3）按圖4的

15、電路搭成工作電橋，圖中為應(yīng)變片，為調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，電橋供橋電壓必須從音頻振蕩器的插口輸出（負(fù)載能力強(qiáng)）。（4）將音頻振蕩器的幅度旋至中位。根據(jù)相敏檢波、移相器實驗方法調(diào)整好移相器（使電壓表的讀數(shù)最大）。如差放的輸出偏小，可適當(dāng)增加音頻振蕩器的幅度。（5）確認(rèn)測微頭安裝到位，調(diào)整旋緊固定螺釘，旋動測微頭至10mm處使梁處于水平位置（目測）。調(diào)整W1與W2使電壓表指零。（W1與W2須交互反復(fù)調(diào)整） 由此可見：在交流電橋中，必須有 2 個可調(diào)參數(shù)才能使電橋平衡，這是因為電路存在 R C 而引起的。（6）旋轉(zhuǎn)測微頭，每隔0.50mm讀數(shù)，并填入下表：X（mm）1010.51111.51212.51313.

16、51414.5V（mV）161015192327313539根據(jù)所得數(shù)值，作出X一V曲線，并與前面直流電橋的結(jié)果相比較。分析結(jié)果：由斜率可以看出逼前面半橋的靈敏度低。 交流全橋的應(yīng)用電子秤實驗步驟：（1）按圖4接線，調(diào)好移相器，去掉測微頭。（2）將系統(tǒng)重新調(diào)零（調(diào)整W1、W2）。（3）在位移臺上加不同重量的簡易法碼（鐵環(huán)）進(jìn)行標(biāo)定，將結(jié)果填入下表：W（g）20406080100120V（V）0.0450.0430.0410.0390.0370.034（4）在位移臺上加上一個重量未知的重物（如：鑰匙串），記上電壓表的讀數(shù)： 0.041 （5）根據(jù)實驗結(jié)果，得出未知重物的重量 70 。思考題要將這

17、個電子秤方案投入實際應(yīng)用，你認(rèn)為哪些部分需要改進(jìn)？（一）電壓表的量程應(yīng)該調(diào)大實驗三 差動變壓器性能、零殘及補(bǔ)償、標(biāo)定實驗一、差動變壓器性能實驗?zāi)康模毫私獠顒幼儔浩鞯脑砑肮ぷ髑闆r。實驗準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)實驗儀器和設(shè)備：音頻振蕩器、測微頭、雙蹤示波器、差動式電感。實驗原理：交流電通過偶合的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢。實驗注意事項：旋鈕初始位置是，音頻振蕩器4KHz6 KHz左右，幅度適中，雙蹤示波器第一通道靈敏度500mV/cm，第二通道靈敏度10mVcm。其它還須注意的事項有：（1）差動變壓器的激勵源必須從音頻振蕩器的電源輸出插口（LV插口）輸出。（2）差動變壓器的兩個次級線圈必須接成差動形式，即，兩個同名端短

18、接，另兩個同名端則構(gòu)成輸出。（3）差動變壓器與激勵信號的連線應(yīng)盡量短一些，以避免引入干擾。實驗內(nèi)容：接示波器第二通道（靈敏度10mVcm）觀測輸出信號（1） 按圖5接線，音頻振蕩器必須從LV接出，LV、GND接差動式電感的Li，2個L0構(gòu)成差動輸出。接Lv：4KHz6 KHz左右，Vpp=2V；同時接示波器第一通道觀測輸入信號。圖 5 差動變壓器接線方式（2） 調(diào)整音頻振蕩器幅度旋鈕，觀察第一通道示波器，使音頻LV信號輸入到初級線圈的電壓為VPP2伏。（3） 調(diào)整測微頭，使銜鐵處于中間位置M（此時輸出信號最小），記下此時測微頭的刻度值填入下表（4）旋動測微頭，從示波器第二通道上讀出次級差動輸出

19、電壓的峰一峰值填入下表：X（mm）M-2.0M-1.5M-1.0M-0.5M(中間位置)M+0.5M+1.0M+1.5M+2.0Vop-p（mV）1601158044254285125136*如果第二通道的信號實在太弱，可先接差放再行觀察。讀數(shù)過程中應(yīng)注意初、次級波形的相位關(guān)系：當(dāng)鐵芯從上至下過零位時,相位由 同 （同、反）相變?yōu)?反 （同、反）相；再由下至上過零位時，相位由 反 相變?yōu)?同 相；（5）仔細(xì)調(diào)節(jié)測微頭使次級的差動輸出電壓為最小，必要時應(yīng)將通道二的靈敏度打到最高檔，這個最小電壓叫做 零點(diǎn)殘余電壓 ，可以看出它的基波與輸入電壓的相位差約為 90度 。(6) 根據(jù)所得結(jié)果，畫出（Vo

20、p-p一X）曲線，指出線性工作范圍，求出靈敏度：6) 根據(jù)所得結(jié)果，畫出（Vop-p一X）曲線，指出線性工作范圍，求出靈敏度： ，更一般地，由于靈敏度還與激勵電壓有關(guān)，因此： 。二、差動變壓器零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償實驗?zāi)康模毫私饬泓c(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償及其方法。實驗準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)實驗儀器和設(shè)備：音頻振蕩器、測微頭、電橋、差動放大器、雙蹤示波器。實驗注意事項：音頻信號必須從LV插口引出。旋鈕初始位置是，音頻振蕩器4KHz6 KHz左右，雙蹤示波器第一通道靈敏度500mV/cm，第二通道靈敏度1V/cm，觸發(fā)選擇打到第一通道，差動放大器的增益旋到適中。實驗內(nèi)容：（1）利用示波器，調(diào)整音頻振蕩器的輸出為2伏峰一峰

21、值。（2）觀察差動變壓器的結(jié)構(gòu)。按圖6接好線，音頻振蕩器必須從LV插口輸出，為電橋單元中的調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。（3）調(diào)整測微頭，使差動放大器輸出電壓最?。ù藭r對應(yīng)的輸出是零點(diǎn)殘余電壓）。（4）依次調(diào)整使輸出電壓進(jìn)一步減小，必要時重新調(diào)節(jié)測微頭。（5）將第二通道的靈敏度提高，觀察零點(diǎn)殘余電壓的波形，注意與激勵電壓波形相比較。經(jīng)過補(bǔ)償后的殘余電壓波形：為一 單脈沖 波形，這說明波形中有 高頻 分量。LVCr接第一通道5kHz，Vpp=2V接第二通道W2W1圖 6 零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償接第二通道LV接第一通道4kHz，Vpp=2VW2W1Cr圖7 零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償?shù)牧硪环N方法思考題1本實驗也可用附圖7所示線路，試解釋原因。圖7和圖6一樣，差動放大器的+，兩端的電壓都和w1，w2的阻值有關(guān)，調(diào)節(jié)w1，w2的阻值可以補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓。三、差動變壓器的標(biāo)定實驗