第二次傳感器實(shí)驗(yàn)

1、理論指導(dǎo)老師：李芬蘭 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：林奕戎 實(shí)驗(yàn)合作同學(xué)：王耿輝2013142024 林杰寬 13通信工程 星期三78節(jié)實(shí)驗(yàn)二 壓阻式壓力傳感器的壓力測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈹U(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和方法。二、基本原理 擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的工作機(jī)理是半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出多個半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出P型或N型電阻條）組成電橋。在壓力（壓強(qiáng)）作用下彈性元件產(chǎn)生應(yīng)力，半導(dǎo)體電

2、阻應(yīng)變薄膜的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。圖21為壓阻式壓力傳感器壓力測量實(shí)驗(yàn)原理圖。 圖21 壓阻式壓力傳感器壓力測量實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件單元主機(jī)箱、壓阻式壓力傳感器、壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、引壓膠管。4、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 將壓力傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ苌?，根?jù)圖22連接管路和電路（主機(jī)箱內(nèi)的氣源部分，壓縮泵、貯氣箱、流量計(jì)已接好）。引壓膠管一端插入主機(jī)箱面板上氣源的快速接口中（注意管子拆卸時請用雙指按住氣源快速接口邊緣往內(nèi)壓，則可輕松拉出），另一端口與壓力傳感器相連。壓力傳感器引線為4芯線： 1端接地線，2端為U0，3

3、端接4V電源，4端為Uo，接線見圖22。 圖22 壓阻式壓力傳感器測壓實(shí)驗(yàn)安裝、接線圖 2、實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蟁W2用于調(diào)節(jié)放大器零位，RW1調(diào)節(jié)放大器增益。按圖22將實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓姆糯笃鬏敵鯲02接到主機(jī)箱(電壓表)的Vin插孔，將主機(jī)箱中的顯示選擇開關(guān)撥到2V檔，合上主機(jī)箱電源開關(guān)，RW1旋到滿度的13位置（即逆時針旋到底再順時針旋2圈），仔細(xì)調(diào)節(jié)RW2使主機(jī)箱電壓表顯示為零。3、合上主機(jī)箱上的氣源開關(guān)，啟動壓縮泵，逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)下端調(diào)壓閥的旋鈕，此時可看到流量計(jì)中的滾珠在向上浮起懸于玻璃管中，同時觀察氣壓表和電壓表的變化。4、仔細(xì)地逐步調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕，從4Kpa開始使壓力在455KPa之間變化

4、，每上升3KPa氣壓分別讀取電壓表讀數(shù)，將數(shù)值列于表2（仔細(xì)調(diào)節(jié)氣壓，調(diào)好氣壓后等電壓顯示穩(wěn)定后再讀數(shù)）。表2 壓阻式壓力傳感器測壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（請自制合適的表格用于填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）P(KPa)4710131619222528Vo(mv)77132187240298353403458514P(KPa)313437404346495255Vo(mv)57362667973978984489895210085、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出PV曲線，計(jì)算本系統(tǒng)的靈敏度S和非線性誤差。上圖為實(shí)驗(yàn)測量得出的PV關(guān)系曲線。上圖為線性擬合直線。從圖中可以看出 k=s=18.281，由此得出下表：P(KPa)471013161

5、9222528Vo(mv)77132187240298353403458514擬合直線的P(KPa)76.4267131.2697186.1127240.9557295.7987350.6417405.4847460.3277515.1707mv-0.5733-0.7303-0.88730.9557-2.2013-2.35832.48472.32771.1707P(KPa)313437404346495255Vo(mv)5736266797397898448989521008擬合直線的P(KPa)570.0137624.8567679.6997734.5427789.3857844.22878

6、99.0717953.91471008.758mv-2.9863-1.14330.6997-4.45730.38570.22871.07171.91470.7577由上表知，m = -4.4573，=m/yFS ×100=0.442% 6、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，整理好實(shí)驗(yàn)臺上的實(shí)驗(yàn)物品。五、思考題查閱傳感器相關(guān)理論知識，說明壓阻式壓力傳感器大致有幾種類型，在應(yīng)用上各有什么特點(diǎn)。壓阻式壓力傳感器主要有以下三種類型： 1. 擴(kuò)散硅 擴(kuò)散硅傳感器靈敏度和精度最高，適合測量1kpa到40Mpa的壓力范圍。2. 陶瓷壓阻陶瓷壓阻式壓力傳感器過載能力低一些，

7、抗沖擊壓力較差，但靈敏度較高，適合測量50Kpa以上的高量程范圍，而且耐腐蝕，溫度范圍也很寬. 3. 應(yīng)變片 過載能力強(qiáng)和抗沖擊壓力強(qiáng)，適合測量高量程范圍的壓力變化，尤其在1Mpa以上時，線性很好，精度也很高，并適合測量與應(yīng)變材料兼容的各類介質(zhì). 六、誤差分析 分析本次實(shí)驗(yàn)過程中導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差的各種原因和減少誤差的方法。答：環(huán)境溫度的影響、實(shí)驗(yàn)器材靈敏度、人為操作影響方法：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)需要保持一定溫度，手工操作時小心謹(jǐn)慎，確保調(diào)節(jié)數(shù)值時誤差盡可能地少，調(diào)節(jié)儀器時盡量確保準(zhǔn)確。 實(shí)驗(yàn)三 移相器、相敏檢波器實(shí)驗(yàn)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?深入了解移相器、相敏檢波器的工

8、作原理。二、基本原理1、 移相器工作原理圖31為移相器電路原理圖與實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系拿姘鍒D。圖中，IC-1、R1、R2、R3、C1 圖31 移相器原理圖與模板上的面板圖構(gòu)成一階移相器（超前），在R2=R1的條件下，可證明其幅頻特性和相頻特性分別表示為： KF1(j)=Vi/V1=-(1-jR3C1)/(1+jR3C1) KF1()=1F1()=-2tg-1R3C1其中： =2f,f為輸入信號頻率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3構(gòu)成另一個一階移相器（滯后），在R5=R4條件下的特性為：KF2(j)=Vo/V1=-(1-jRwC3)/(1+jRwC3) KF2()=1F2()=-2tg-1RwC

9、3由此可見，根據(jù)幅頻特性公式，移相前后的信號幅值相等。根據(jù)相頻特性公式，相移角度的大小和信號頻率f及電路中阻容元件的數(shù)值有關(guān)。顯然，當(dāng)移相電位器Rw=0，上式中F2=0，因此F1決定了圖71所示的二階移相器的初始移相角：即F=F1=-2tg-12fR3C1若調(diào)整移相電位器Rw，則相應(yīng)的移相范圍為：F=F1-F2=-2tg-12fR3C1+2tg-12fRwC3已知R3=10k,C1=6800p,Rw=10k,C3=0.022F,如果輸入信號頻率f一旦確定，即可算出圖31所示二階移相器的初始移相角和移相范圍。2、相敏檢波器工作原理圖32為相敏檢波器（開關(guān)式）原理圖與實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系拿姘鍒D。圖中，AC

10、為交流參考電壓輸入端，DC為直流參考電壓輸入端，Vi端為檢波信號輸入端，Vo端為檢波輸出端。圖32 相敏檢波器原理圖與模板上的面板圖原理圖中各元器件的作用：C5-1交流耦合電容并隔離直流；IC5-1反相過零比較器，將參考電壓正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波（開關(guān)波+14V -14V）；D5-1二極管箝位得到合適的開關(guān)波形V70V（0 -14V）；Q5-1是結(jié)型場效應(yīng)管，工作在開、關(guān)狀態(tài)；IC5-2工作在倒相器、跟隨器狀態(tài)；R5-6限流電阻起保護(hù)集成塊作用。關(guān)鍵點(diǎn)：Q5-1是由參考電壓V7矩形波控制的開關(guān)電路。當(dāng)V70V時，Q5-1導(dǎo)通，使IC5-2同相輸入5端接地成為倒相器，即V3-V1；當(dāng)V70V時，Q5

11、-1截止（相當(dāng)于斷開），IC5-2成為跟隨器，即V3V1。相敏檢波器具有鑒相特性，輸出波形V3的變化由檢波信號V1與參考電壓波形V2之間的相位決定。下圖33為相敏檢波器的工作時序圖。圖33相敏檢波器工作時序圖 三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；移相器/相敏檢波器/低通濾波器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?；雙蹤示波器。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 (一) 移相器實(shí)驗(yàn)1、 按圖34示意接線。檢查接線無誤后，合上主機(jī)箱電源開關(guān)，用數(shù)字示波器監(jiān)測音頻振蕩器的輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的輸出頻率約為=2kHz，幅值約為Vp-p5V（帶負(fù)載）。圖3

12、4移相器實(shí)驗(yàn)接線圖2、 正確設(shè)置和使用數(shù)字示波器，采用電子測量與儀器實(shí)驗(yàn)課中學(xué)到的示波器測相位方法，測量波形的相角變化。調(diào)節(jié)移相器的移相電位器，當(dāng)移相電位器處于0k位置時（逆時針旋到最左端為0k），用示波器測定移相器的初始移相角（=1）；然后順時針慢慢旋動移相電位器，同時觀察相位的變化情況，當(dāng)相位不再變化時測定移相器的截至移相角（=2）（10k的電位器只是部分接入，當(dāng)相位不再變化時電位器還未到最大）。測量時請注意信號的超前和滯后關(guān)系，最后計(jì)算確定移相器的移相范圍 （用多少度表示）。 （注意：直接法測相位需要保證示波器CH1、CH2的掃描時間基線位于坐標(biāo)橫軸的零位置。）3、改變輸入信號的頻率為=

13、9kHz，幅值不變，再次測試相應(yīng)的1、2和，比較結(jié)果。4、測試完畢關(guān)閉主電源。 當(dāng)：f=2KHz，1=-96.7，2=68.1，=|1-2|=164.8當(dāng)：f=9KHz，1=-30.9，2=57.6，=|1-2|=88.5（二）相敏檢波器實(shí)驗(yàn)1、按圖35示意接線，將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)。保持音頻振蕩器的峰峰值Vp-p=5V（帶負(fù)載）不變，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率約為f=5kHz；把示波器兩個輸入通道的垂直輸入耦合方式設(shè)置為“直流”，并調(diào)節(jié)CH1、CH2的掃描時間基線位于坐標(biāo)橫軸的零位置。結(jié)合相敏檢波器工作原理，觀察分析

14、相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系(跟隨關(guān)系，波形相同)。圖35相敏檢波器跟隨、倒相實(shí)驗(yàn)接線示意圖2、將相敏檢波器的DC參考電壓改接到-2V(-Vout)，調(diào)節(jié)相敏檢波器的電位器旋鈕使示波器顯示的兩個波形幅值相等(相敏檢波器電路已調(diào)整完畢，以后不要觸碰這個電位器旋鈕)，觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系(倒相作用，反相波形)。關(guān)閉電源。3、按圖36示意圖接好線之后，合上主機(jī)箱電源，調(diào)節(jié)移相電位器旋鈕(相敏檢波器電路上一步已調(diào)好不要動)，結(jié)合相敏檢波器的工作原理，觀察分析相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系，記錄當(dāng)移相電位器旋鈕處于最左邊、中間同相（即圖33第一列的V3波形）和最右邊（即波形不再變化的位置

15、）這三個位置時的輸出波形圖。（注：實(shí)際應(yīng)用上一般要求相敏檢波器工作狀態(tài)Vi檢波信號與參考電壓AC相位處于同相或反相，才能正確的完成解調(diào)。）圖36相敏檢波器檢波實(shí)驗(yàn)接線示意圖4、 將相敏檢波器的AC參考電壓改接到音頻振蕩器的180°輸出，調(diào)節(jié)移相電位器旋鈕，觀察分析相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系，記錄當(dāng)移相電位器旋鈕處于最左邊、中間反相（即圖33第二列的V3波形）和最右邊這三個位置時的輸出波形圖。本實(shí)驗(yàn)所記錄的波形如下圖： 五、思考題：總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并定性分析移相器和相敏檢波器的工作原理。 總結(jié)分析： 在這次試驗(yàn)中，通過多次操作移相器和相敏檢波器來深入了解移相器和相敏檢波器的工作原理。 由于移相器的初始移相角與輸入信號頻率f有關(guān)，而移相范圍不僅與輸入信號頻率有關(guān)，還與移相電位器的阻值有關(guān)，所以在移相器實(shí)驗(yàn)中，測的是兩個頻率下的初始移相角和截止移相角，算出移相器的移相范圍，得出初始移相角/移相范圍與輸入信號頻率/移相電位器的阻值