太原理工大學傳感器實驗報告2

1、實驗報告 實踐報告課程名稱： 實驗、實踐名稱： 實驗、實踐地點： 專業(yè)班級： 學號： 學生姓名： 指導教師： 年 月 日一、實驗名稱 1. 移相器、相敏檢波器實驗2. 應變片交流全橋的應用(應變儀)振動測量實驗3. 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實驗二、實驗目的與基本要求1. 了解移相器、相敏檢波器的工作原理。2. 了解利用應變交流電橋測量振動的原理與方法3. 了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和標定方法。三、實驗原理1、 移相器工作原理圖71為移相器電路原理圖與實驗模板上的面板圖。圖中，IC-1、R1、R2、R3、C1 圖71 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=

2、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-1RwC3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，當移相電位器Rw=0，上式中F2=0，因此F1決定了圖71所示

3、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，即可計算出圖71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72為相敏檢波器（開關(guān)式）原理圖與實驗模板上的面板圖。圖中，AC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72 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；I

4、C5-1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限流電阻起保護集成塊作用。關(guān)鍵點：Q5-1是由參考電壓V7矩形波控制的開關(guān)電路。當V70V時，Q5-1導通，使IC5-2同相輸入5端接地成為倒相器，即V3-V1；當V70V時，Q5-1截止（相當于斷開），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73為相敏檢波器的工作時序圖。圖73相

5、敏檢波器工作時序圖2. 應變片交流全橋的應用(應變儀)振動測量實驗圖81是應變片測振動的實驗原理方塊圖。當振動源上的振動臺受到F(t)作用而振動，使粘貼在振動梁上的應變片產(chǎn)生應變信號dR/R，應變信號dR/R由振蕩器提供的載波信號經(jīng)交流電橋調(diào)制成微弱調(diào)幅波，再經(jīng)差動放大器放大為u1(t)，u1(t)經(jīng)相敏檢波器檢波解調(diào)為u2(t)，u2(t)經(jīng)低通濾波器濾除高頻載波成分后輸出應變片檢測到的振動信號u3(t)(調(diào)幅波的包絡線)，u3(t)可用示波器顯示。圖中，交流電橋就是一個調(diào)制電路，W1(RW1)、r(R8)、W2(RW2)、C是交流電橋的平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡，移相器為相敏檢波器提供同步檢波的參考電壓

6、。這也是實際應用中的動態(tài)應變儀原理。圖81 應變儀實驗原理方塊圖3. 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實驗擴散硅壓阻式壓力傳感器的工作機理是半導體應變片的壓阻效應，在半導體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應 。一般半導體應變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出多個半導體電阻應變薄膜（擴散出P型或N型電阻條）組成電橋。在壓力（壓強）作用下彈性元件產(chǎn)生應力，半導體電阻應變薄膜的電阻率產(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91為壓阻式壓力

7、傳感器壓力測量實驗原理圖。圖91 壓阻式壓力傳感器壓力測量實驗原理四、實驗儀器主機箱中的±2V±10V（步進可調(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/低通濾波器實驗模板；雙蹤示波器(自備) ；壓阻式壓力傳感器、壓力傳感器實驗模板、引壓膠管。五、實驗步驟1. 移相器、相敏檢波器實驗(一)移相器實驗1、 調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅度為最?。ǚ刃o逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底），按圖74示意接線，檢查接線無誤后，合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率（用示波器測量）為=1kHz，幅度適中（2VVp-p8V）。圖74移相器實驗接線圖2、正確選擇雙線（雙蹤）

8、示波器的“觸發(fā)”方式及其它設置(提示：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V范圍內(nèi)選擇)，調(diào)節(jié)移相器模板上的移相電位器（旋鈕），用示波器測量波形的相角變化。3、調(diào)節(jié)移相器的移相電位器（逆時針到底0k順時針到底10k變化范圍），用示波器可測定移相器的初始移相角（=1）和移相范圍。4、改變輸入信號頻率為=9kHz，再次測試相應的和。測試完畢關(guān)閉主電源。（二）相敏檢波器實驗1、調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅度為最?。ǚ刃o逆時針輕

9、輕轉(zhuǎn)到底），將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔。按圖75示意接線，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器測量）；結(jié)合相敏檢波器工作原理，分析觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系(跟隨關(guān)系，波形相同)。提示：示波器設置除與(一)移相器實驗2中的垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC外，其它設置都相同；但當CH1、CH2輸入對地短接時，將二者光跡線移動到顯示屏中間(居中)后再進行測量波形。圖75相敏檢波器跟隨、倒相實驗接線示意圖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鈕使示波

10、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76示意圖接線，合上主機箱電源，調(diào)節(jié)移相電位器鈕(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，分析觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系。注：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。圖76相敏檢波器檢波實驗接線示意圖4、將相敏檢波器的AC參考電壓改接到180°，調(diào)節(jié)移相電位器，觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系。關(guān)閉電源。2. 應變片交流全橋的應用(應變儀)振動測量實驗1、相敏檢波器電

11、路調(diào)試：正確選擇雙線（雙蹤）示波器的“觸發(fā)”方式及其它設置(提示：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V范圍內(nèi)選擇)并將光跡線居中(當CH1、CH2輸入對地短接時)。調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅度為最?。ǚ刃o逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底），將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔。按圖82示意接線，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=1kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器測量）；調(diào)節(jié)

12、相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個波形(相敏檢波器電路已調(diào)整完畢，以后不要觸碰這個電位器鈕)。相敏檢波器電路調(diào)試完畢，關(guān)閉電源。圖82相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖2、將主機箱上的音頻振蕩器、低頻振蕩器的幅度逆時針慢悠悠轉(zhuǎn)到底(無輸出)，再按圖83示意接線(接好交流電橋調(diào)平衡電路及系統(tǒng)，應變傳感器實驗模板中的R8、RW1、C、RW2為交流電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡，將振動源上的應變輸出插座用專用連接線與應變傳感器實驗模板上的應變插座相連，因振動梁上的四片應變片已組成全橋，引出線為四芯線，直接接入實驗模板上已與電橋模型相連的應變插座上。電橋模型二組對角線阻值均為350，可用萬用表測量)。

13、圖83 應變交流全橋振動測量實驗接線示意圖注：傳感器專用插頭(黑色航空插頭)的插、拔法：插頭要插入插座時，只要將插頭上的凸鎖對準插座的平缺口稍用力自然往下插；插頭要拔出插座時，必須用大姆指用力往內(nèi)按住插頭上的凸鎖同時往上拔。3、調(diào)整好有關(guān)部分，調(diào)整如下：（1）檢查接線無誤后，合上主機箱電源開關(guān)，用示波器監(jiān)測音頻振蕩器Lv的頻率和幅值，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率、幅度使Lv輸出1kHz左右，幅度調(diào)節(jié)到10Vp-p （交流電橋的激勵電壓）。（2）用示波器監(jiān)測相敏檢波器的輸出(圖中低通濾波器輸出中接的示波器改接到相敏檢波器輸出)，用手按下振動平臺的同時（振動梁受力變形、應變片也受到應力作用）仔細調(diào)節(jié)移相器

14、旋鈕，使示波器顯示的波形為一個全波整流波形。（3）松手，仔細調(diào)節(jié)應變傳感器實驗模板的RW1和RW2(交替調(diào)節(jié))使示波器（相敏檢波器輸出）顯示的波形幅值更小，趨向于無波形接近零線。4、調(diào)節(jié)低頻振蕩器幅度旋鈕和頻率(8Hz左右)旋鈕，使振動平臺振動較為明顯。拆除示波器的CH1通道，用示波器CH2(示波器設置：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH2、水平掃描速度TIME/DIV 在50mS20mS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為顯示CH2、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、垂直顯示靈敏度VOLTS/DIV在0.2V50mV范圍內(nèi)選擇)分別顯示觀察相敏檢波器的輸入Vi和輸出Vo及低通濾波器的輸出Vo

15、波形。5、低頻振蕩器幅度(幅值)不變，調(diào)節(jié)低頻振蕩器頻率(3Hz25Hz)，每增加2Hz用示波器讀出低通濾波器輸出Vo的電壓峰峰值，填入表8畫出實驗曲線，從實驗數(shù)據(jù)得振動梁的諧振頻率為 。實驗完畢，關(guān)閉電源。表8應變交流全橋振動測量實驗數(shù)據(jù)f(Hz) Vo(p-p)3. 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實驗1、按92示意圖安裝傳感器、連接引壓管和電路：將壓力傳感器安裝在壓力傳感器實驗模板的傳感器支架上；引壓膠管一端插入主機箱面板上的氣源的快速接口中（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(專用引線)，壓力傳感器的 1端接地

16、，2端為輸出Vo，3端接電源4V，4端為輸出Vo。具體接線見圖92。圖92壓阻式壓力傳感器測壓實驗安裝、接線示意圖2、將主機箱中電壓表量程切換開關(guān)切到2V檔；可調(diào)電源±2V±10V調(diào)節(jié)到±4V檔。實驗模板上RW1用于調(diào)節(jié)放大器增益、RW2用于調(diào)零，將RW1調(diào)節(jié)到的13位置(即逆時針旋到底再順時針旋3圈)。合上主機箱電源開關(guān)，仔細調(diào)節(jié)RW2使主機箱電壓表顯示為零。3、合上主機箱上的氣源開關(guān)，啟動壓縮泵，逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子流量計下端調(diào)壓閥的旋鈕，此時可看到流量計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、調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使氣壓表顯示某一值，觀察電壓表顯示的數(shù)值。5、仔細地逐步調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使壓力在2kPa18kPa之間變化（氣壓表顯示值），每上升1kPa氣壓分別讀取電壓表讀數(shù)，將數(shù)值列于表8。 表8壓阻式壓力傳感器測壓實驗數(shù)據(jù)P(kPa)Vo(p-p)6、畫出實驗曲線計算本系統(tǒng)的靈敏度和非線性誤差。7、如果本實驗裝置要成為一個壓力計，則必須對電路進行標定，方法采用逼近法：輸入4kPa氣壓，調(diào)節(jié)Rw2（低限調(diào)節(jié)），使電壓表顯示0.3V