檢測與傳感器實(shí)驗(yàn)講義(董)

1、CSY2000型傳感器檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺簡介CSY2000型傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺主要用于“傳感器原理與技術(shù)”、“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。CSY2000型傳感器與檢測（控制）技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺由主控臺、測控對象、傳感器、實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shí)驗(yàn)桌等部分組成（見下圖）。 附圖 CSY2000型傳感器與檢測（控）制技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺1、主控臺部分：提供高穩(wěn)定的±15V、+5V、±2V±10V、+2V+24V可調(diào)四種直流穩(wěn)壓電源，主控臺面板上裝有數(shù)顯電壓、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力表。0.4KHz10KHz可調(diào)音頻信號源；1Hz30Hz可調(diào)低頻信號源；020kpa可調(diào)氣壓源；高精度溫度控制儀表，電源

2、故障報(bào)警指示，RS232計(jì)算機(jī)串行接口；浮球流量計(jì)。 2、測控對象有：振動臺1Hz30Hz （可調(diào)）；旋轉(zhuǎn)源0-2400轉(zhuǎn)/分（可調(diào)）；溫度源<200(可調(diào))。 3、傳感器：電阻應(yīng)變式傳感器、差動變壓器、電容式傳感器、霍爾式傳感器、壓電式傳感器、電渦流位移傳感器、集成溫度傳感器、熱電偶、鉑電阻、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。 4、實(shí)驗(yàn)?zāi)K部分：有應(yīng)變式、壓力、差動變壓器、電容式、電渦流、光纖位移、溫度、移相/相敏檢波/濾波、氣敏、濕敏。實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變片稱重實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解金屬應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)變片的稱重檢測電路；2. 比較全橋、半橋與單臂電橋的不同性能和

3、特點(diǎn)；3. 掌握電橋檢測、放大、顯示等測量電路的設(shè)計(jì)方法和檢測裝置的調(diào)試技術(shù)。二、 實(shí)驗(yàn)原理1. 應(yīng)變片的工作原理導(dǎo)體在外界作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時，其阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 2. 應(yīng)變測量電橋應(yīng)變片將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化后，為了顯示和記錄，通常將應(yīng)變片組成電橋電路，使得由非電量引起的應(yīng)變片電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。而對電橋電路的要求是具有較高的靈敏度，良好的線性關(guān)系和適應(yīng)溫度變化的補(bǔ)償能力。圖1.1(a)為一單臂電橋電路，應(yīng)變片接在電橋的一個臂上，電阻值為R1。無應(yīng)變時，R1=0，此時電橋平衡，U0=0；若應(yīng)變片受力作用產(chǎn)生應(yīng)變，則該臂阻值為R1+R1，電橋就有

4、電壓輸出，由圖1.1 (a)可知。(a) 單臂 (b) 半橋 (c) 全橋圖1.1 應(yīng)變片直流電橋電路 (1)設(shè)電橋初始平衡時，且若，則(1)式近似地為 (2) 所以電橋的電壓靈敏度 (3)進(jìn)一步設(shè)n=1，即有 R1= R2= R3= R4，可求得最大電壓靈敏度為 (4)上述討論是在情況下進(jìn)行，橋路的輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系是線性關(guān)系。但若n較小，且應(yīng)變片承受的應(yīng)變較大時，(1)式分母項(xiàng)中的就不能忽略，就呈非線性。補(bǔ)償?shù)霓k法是采用半橋或全橋差動電路。如果將一片受壓和一片受拉的兩應(yīng)變片，接入電橋相鄰橋臂內(nèi)，形成半橋差動電路，如圖1.1 (b)所示。設(shè)R1= R2= R3= R4，且R1=R2，則電橋

5、輸出 (5)所以半橋的電壓靈敏度 (6) 由此可見，采用半橋差動電路不僅消除了非線性誤差，而且電壓靈敏度也比單臂電橋時提高了一倍。若采用兩片受壓，兩片受拉的四片應(yīng)變片，且使相同受力狀態(tài)的兩應(yīng)變片接入電橋的相對臂上，如圖1.1 (c)所示，設(shè)R1= R2= R3 =R4，且R1=R2=R3=R4，則此時的輸出電壓和電壓靈敏度為 (7) (8)即全橋差動電路的電壓靈敏度比單臂時提高了四倍，同時消除了非線性誤差，因而得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。三、 實(shí)驗(yàn)步驟(一)、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)1.根據(jù)圖1.2, 4個同型號的應(yīng)變式傳感器已粘貼在彈性梁上下表面。為方便測量，各應(yīng)變片已接入傳感器模板左上方的R1、R2、R

6、3、R4標(biāo)志端。圖1.2 應(yīng)變傳感器安裝示意圖2.實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒臃糯笃髡{(diào)零，如圖1.3所示，方法為：將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系?#177;15V和 “”接地端子與主控臺上的相應(yīng)電源/接地端準(zhǔn)確連接；將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控臺上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連。將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逶鲆嬲{(diào)節(jié)電位器Rw3調(diào)節(jié)到大致中間位置。檢查無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零(數(shù)顯表置2V檔)，完畢后關(guān)閉主控臺電源。 3應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K面板圖1.3，按圖1.4接線。將應(yīng)變式傳感器中任一個應(yīng)變片(模板左上方的應(yīng)變電阻R1R4任選一個)接入電橋作為一個橋臂，它與R5、R6、R7接成直流

7、電橋，將主控臺的電壓選擇旋鈕調(diào)至±4V輸出，將Vo+、Vo-端接入直流電橋電源端子。電橋輸出端接差動放大器輸入端，放大器輸出接數(shù)顯表。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零，當(dāng)調(diào)節(jié)Rw1調(diào)零困難時，可以使用Rw4微調(diào)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。圖1.3 應(yīng)變式傳感器模塊面板圖圖1.4 應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)線路4在傳感器托盤上依次放置10個砝碼（每個20g），讀取數(shù)顯電壓表數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1。表1-1：單臂測量時輸出電壓與負(fù)載重量的關(guān)系（加載和卸載各測量5組）：重量（g）020406080100120140160180200加載時輸出電壓（mV）12345卸載時輸出電壓（

8、mV）12345完成單臂橋稱重加載和卸載實(shí)驗(yàn)后，選取一件隨身物品如手機(jī)、鑰匙串、眼鏡等進(jìn)行稱重，記錄其輸出電壓為 。(二)、應(yīng)變片半橋差動實(shí)驗(yàn)承受相反應(yīng)力的兩個應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓和靈敏度比單臂橋提高一倍。 圖1.6 應(yīng)變片半橋差動實(shí)驗(yàn)線路1保持實(shí)驗(yàn)（一）的各旋鈕位置不變。2根據(jù)圖1.6接線，R1、R2為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即橋路的鄰邊必須是傳感器中兩片受力方向相反(一片受拉、一片受壓)的電阻應(yīng)變片。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零，當(dāng)調(diào)節(jié)Rw1調(diào)零

9、困難時，可以使用Rw4微調(diào)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。同實(shí)驗(yàn)一（4）步驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1-2注意保持運(yùn)放增益不變（謹(jǐn)記在整個實(shí)驗(yàn)過程不得調(diào)整Rw3旋鈕）。表1-2：半橋測量時，輸出電壓與負(fù)載重量的關(guān)系：重量（g）020406080100120140160180200加載時輸出電壓（mV）卸載時輸出電壓（mV）采用半橋差動測量電路，選取與單臂橋稱重相同的物品進(jìn)行稱重，記錄其輸出電壓為 。(三)、應(yīng)變片全橋差動實(shí)驗(yàn)全橋差動測量電路中，將受力狀態(tài)相同的兩片應(yīng)變片接入電橋?qū)叄煌慕尤豚忂叄瑧?yīng)變片初始阻值是R1= R2= R3=R4，當(dāng)其變化值R1=R2=R3=R4時，橋路輸出電壓和靈敏度比半橋差動又提高了一倍，

10、非線性誤差進(jìn)一步得到改善。1保持實(shí)驗(yàn)（二）的各旋鈕位置不變。2根據(jù)圖1.7接線，將R1、R2、R3、R4應(yīng)變片接成全橋，注意電橋中任意相鄰的兩個應(yīng)變片應(yīng)承受相反應(yīng)力，否則，全橋不能正常工作。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零，當(dāng)調(diào)節(jié)Rw1調(diào)零困難時，可以使用Rw4微調(diào)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。同實(shí)驗(yàn)一（4）步驟，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記入表1-3；注意保持運(yùn)放增益不變（謹(jǐn)記在整個實(shí)驗(yàn)過程不得調(diào)整Rw3旋鈕）。圖1.7 應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)線路表1-3：全橋測量時,輸出電壓與負(fù)載重量的關(guān)系：重量（g）020406080100120140160180200加載時輸出電壓（mV）卸載時輸出電壓（mV）采用全橋差動測量電路，選取與前面電橋稱

11、重相同的物品進(jìn)行稱重，記錄其輸出電壓為 。四、 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備1. 應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?1塊2. 砝碼（每個約20g） 10個3. 托盤 一個4. 直流數(shù)顯電壓表 主控臺5. ±15V電源、±4V電源 主控臺五、 注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將實(shí)驗(yàn)中使用的導(dǎo)線全部檢測一遍，確保導(dǎo)線全部導(dǎo)通。2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)０褰?#177;15V直流電源時，一定要接準(zhǔn)確，切不可接反燒毀運(yùn)算放大器。3. 在更換應(yīng)變片時，應(yīng)斷開電源，只有在確保接線無誤后方可接通電源。4. 為了比較應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路的電壓靈敏度，這三種檢測電路的實(shí)驗(yàn)過程中，橋路所加穩(wěn)定電壓(±4V)及差動放大器增益均應(yīng)

12、保持不變。5. 差動放大器調(diào)零后，在實(shí)驗(yàn)過程中一般不再調(diào)整。但是檢測電橋則必須經(jīng)常檢查零點(diǎn)是否變化，并及時進(jìn)行調(diào)整。6. 實(shí)驗(yàn)中為防止電壓表過載，在接好電路開通電源前，應(yīng)先將量程打到最大(20V)，后根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的大小正確選擇量程。7. 本實(shí)驗(yàn)臺上的地線是內(nèi)部接通的，每塊實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系牡鼐€也內(nèi)部接通。8. 做此實(shí)驗(yàn)時應(yīng)將低頻振蕩器的幅值關(guān)至最小，以減小其對直流電橋的影響。六、 創(chuàng)新和思考1單臂電橋時，作為橋臂的電阻應(yīng)變片應(yīng)選用（ ）。A.正(受拉)應(yīng)變片 B.負(fù)(受壓)應(yīng)變片 C.正、負(fù)應(yīng)變片均可以 2半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片在接入電橋時，應(yīng)放在（ ）。 A.對邊 B.鄰邊 C.對

13、邊鄰邊都可以3查閱資料，談?wù)勗趯?shí)際工作和生活中應(yīng)變片式傳感器還有哪些用途。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 根據(jù)表1-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對單臂電橋時應(yīng)變稱重裝置的靜態(tài)特性（線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性）進(jìn)行分析。2. 根據(jù)單臂電橋、半橋差動、全橋差動稱重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)上繪制出上述結(jié)果的三條V-W特性曲線。（建議采用matlab用最小二乘法擬合曲線）3. 計(jì)算三種測量電橋的靈敏度S，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理想結(jié)論是否一致？如不一致分析產(chǎn)生的原因。4. 計(jì)算并比較單臂電橋、半橋、全橋測量時的非線性誤差，得出相應(yīng)的結(jié)論并闡述理由。5. 根據(jù)單臂電橋、半橋、全橋測量結(jié)果，結(jié)合對隨身物品稱重輸出電壓，分析計(jì)算該物品的質(zhì)量。對

14、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，分析實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因。6. 完成創(chuàng)新與思考中的問題。實(shí)驗(yàn)二 電容傳感器位移的測量一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 設(shè)計(jì)差動變面積式電容傳感器的位移測量電路；2. 通過差動變面積式電容傳感器的應(yīng)用進(jìn)一步了解傳感器的原理、測量電路及其它相關(guān)電路的作用；3. 了解電容式傳感器的動態(tài)性能及測量原理與方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理(一) 電容式傳感器工作原理：利用平板電容C=S/d的關(guān)系,在、S、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，就可使電容C發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路，將電容的變化量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,則可以制成多種電容傳感器，如：變的濕度電容傳感器。變d的電容式壓力傳感器。變S的電

15、容式位移傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用第種電容傳感器,是一種圓筒形差動變面積式電容傳感器，傳感器外形如圖2-1所示。圖2-1 差動變面積式電容傳感器外形 (二) 電容變換器測量電路原理要利用電容式傳感器電容量的變化檢測物理量，必須借助于測量電路，通過測量電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓，電流或頻率，以便傳輸、顯示或記錄。電容變換器電路如圖2.2所示。圖2.2 電容變換器電路這是一種利用電容充放電原理的脈沖型測量電路，其中E、f為方波激勵電源的幅值和頻率，D14為特性相同的二極管，A為放大器，Cx1、x2即為差動變面積式電容傳感器的兩個等效電容。RL為等效的負(fù)載電阻。為便于分析，設(shè)二極管的正向電阻

16、為零，反向電阻為無窮大。電路的工作原理為：當(dāng)電源E處于正半周時，D1導(dǎo)通，D2截止，電容Cx1經(jīng)D1迅速充電至電壓E，電源經(jīng)D3向負(fù)載電阻RL供電，與此同時，電容x2經(jīng)D4和RL放電，流經(jīng)RL的電流iL為這兩電流之和。當(dāng)電源E處于負(fù)半周時，D1截止，D2導(dǎo)通，此時x2很快被充電至電壓E，流徑負(fù)載電阻的電流iL也為這兩電流之和。當(dāng)Cx1=Cx2(即沒有差動)時，則流經(jīng)RL的電流iL與iL的平均值大小相等而極性相反，因此，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。RL上無信號輸出。當(dāng)Cx1x2(或Cx2x1)時，則通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓U。經(jīng)分析計(jì)算可得 （1） （2）輸出電流對時

17、間的平均值可寫為 （3）將(1)式代入(2)式得 （4）f=適當(dāng)選擇線路中的元件參數(shù)及電源頻率f,使，,則(4)式中非線性項(xiàng)(指數(shù)項(xiàng))在總輸出中的比例將小于1%，如將其忽略則得：于是輸出電壓的平均值U可寫為x為動片位移量(當(dāng)動片處于兩定片中間位置時，x=0,此時U0）。據(jù)此原理，可用差動變面積式傳感器測量直線位移，以及可轉(zhuǎn)化為位移測量的其它非電量。三、 實(shí)驗(yàn)步驟1 將電容傳感器通過專用連接線插入電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K（如圖2.3所示）。接入±15V電源，電壓表量程置2V檔，Rw調(diào)節(jié)到最大位置。圖2.3 電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K2 用手緩慢拉動電容傳感器的位移導(dǎo)桿，導(dǎo)桿從一端到另一端變化時電壓表

18、指示應(yīng)有從正到負(fù)或從負(fù)到正的變化過程。再按照圖2.4所示將傳感器固定在位移支架左側(cè)。圖 2.4 差動變壓器電容傳感器安裝示意圖3 將螺旋測微頭旋至10mm左右處，按圖2.4固定在支架右側(cè)，使測微頭活動桿與傳感器位移導(dǎo)桿相吸合。先粗調(diào)測微頭的左右位置，使電壓表指示接近零，將測量支架頂部的鏍釘擰緊。再按照固定方向旋動測微頭，使電壓表輸出電壓為零。4 注意：在電壓表指示接近為零時要減慢速度細(xì)心調(diào)節(jié)，不可往復(fù)調(diào)節(jié)，造成回程誤差。5 旋動測微頭，每間隔0.2mm記下輸出電壓值，填入表2-1。將測微頭回到10mm左右處（即電壓表指示重新歸零的位置），反向旋動測微頭，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。表2-1電容式傳感器位移與

19、輸出電壓的關(guān)系（起始零點(diǎn)10mm左右）X(mm)起 起始零點(diǎn)位置+0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6U(mV)X(mm)起始零點(diǎn)位置-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4-1.6U(mV) 四、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備1. 電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?1塊2. 電容傳感器 1個3. 螺旋測微頭 1個4. 數(shù)顯單元 主控臺5. ±15V電源 主控臺五、注意事項(xiàng)1電容變換器增益旋鈕一旦調(diào)整好后，在實(shí)驗(yàn)過程中，不能再動。2電容傳感器的連接線從實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳先∠聲r，需要按下連接線與模板接頭處的按鍵后再拔下。六、 創(chuàng)新與思考1查閱資料，談?wù)勀壳半娙輦鞲衅饔心男┬碌膽?yīng)用?

20、2本實(shí)驗(yàn)采用的是差動變面積式電容傳感器，根據(jù)下面提供的電容傳感器尺寸，計(jì)算在移動0.5mm時的電容變化量(C)。傳感器外圓筒半徑R=8mm，內(nèi)圓筒半徑r=7.25mm，當(dāng)活動桿處于中間位置時，外圓與內(nèi)圓覆蓋部分長度L=16mm。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1根據(jù)表2-1數(shù)據(jù)繪制靜態(tài)輸出特性曲線U=f(x)，計(jì)算電容傳感器的靈敏度S。建議采用matlab工具用最小二乘法擬合曲線。2. 計(jì)算系統(tǒng)非線性誤差。5. 分析實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因。6. 完成創(chuàng)新與思考中的問題。實(shí)驗(yàn)三 差動變壓器傳感器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解差動變壓器的工作原理和特性。2. 掌握差動變壓器零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償方法。3. 掌握差動變壓器

21、的靜態(tài)標(biāo)定方法，了解微位移測量原理。4了解差動變壓器測量振動的方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理螺線管式差動變壓器通常由一個初級線圈和二個次級線圈及鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式等，本實(shí)驗(yàn)采用三段式結(jié)構(gòu)。在傳感器的初級線圈上接入高頻交流信號，當(dāng)初、次中間的鐵芯隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感磁通量發(fā)生變化促使兩個次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只次級線圈差動連接(即將一組同名端連接)，在另兩端就能引出差動電勢輸出，其輸出電勢的大小反映出被測體的移動量。1. 結(jié)構(gòu)差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，初級線圈(1)和次級線圈(2)、

22、(3)繞在同一骨架上，線圈中間插入的銜鐵(4)可以自由移動，初級線圈接入穩(wěn)定激勵電源后，次級線圈將因互感而產(chǎn)生輸出電壓，當(dāng)銜鐵移動時，互感隨之而變，輸出電壓也發(fā)生相應(yīng)變化，由于兩個次級線圈接成差動輸出形式(同名端相接)，故通常稱為差動變壓器，又稱三節(jié)式螺管型互感傳感器。圖3.1 差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖2. 工作原理圖3.2是忽略鐵損、線圈寄生電容時的等效電路。其中U1為初級線圈的激勵電壓，R、為初級線圈的電阻和電感，R、為兩個次級線圈的電阻和自感，M、分別為初級線圈和兩個次級線圈間的互感，R為負(fù)載阻抗。圖3.2 差動變壓器式傳感器等效電路當(dāng)輸出空載時，在正弦電流的情況下，根據(jù)圖示的電流，電壓參考

23、方向和線圈的同名端，可寫出如下方程：所以接上負(fù)載電阻R后，負(fù)載電流I將影響初級回路。但因負(fù)載大多是前置放大器的輸入阻抗，其值很大，所以次級電流很小，加之在測量范圍內(nèi)(M)不大，因此負(fù)載電流I對初級回路的影響可忽略不計(jì)，由此可得 其有效值 (1)相移角 （2）當(dāng)0時取正號，當(dāng)時取負(fù)號。由(1)式可見，輸出電壓U的幅值取決于M，也即取決于銜鐵在線圈中移動的距離，當(dāng)銜鐵處于中間位置時，若兩個次級線圈參數(shù)和磁路尺寸相等，則因M，(V)。由(2)式可見，與間的相位差角則由銜鐵的移動方向決定。上述關(guān)系可用圖3.3表示，圖中U、分別為兩個次級線圈的輸出電壓的幅值，U為負(fù)載電壓，即(差動輸出電壓)幅值，x表示

24、銜鐵偏離中心位置的距離，本實(shí)驗(yàn)將通過實(shí)際測量U關(guān)系來驗(yàn)證差動變壓器的上述特性。圖3.3 差動變壓器輸出電壓特性及殘余電壓3. 差動變壓器的零點(diǎn)殘余電壓及其補(bǔ)償電路當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于線圈中間位置時，理想情況下差動輸出電壓應(yīng)為零，但是實(shí)際上，無論怎樣調(diào)銜鐵位置也無法使輸出電壓為零，而只能使其達(dá)到某個最小值U。如圖3.3(c)所示，這個最小的輸出電壓就稱為零點(diǎn)殘余電壓，圖中虛線為理想特性，實(shí)線為實(shí)際特性。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因比較復(fù)雜，首先是由于兩個次級線圈的繞制在工藝上不可能完全一致，因此，它們的等效參數(shù)(M、L、R)不可能完全一致，造成殘差，其次是因?yàn)殂~損、鐵損，分布電容的存在，使得兩次級線

25、圈的感應(yīng)電壓不僅數(shù)值不等，而且相位上也存在誤差，因此產(chǎn)生的零點(diǎn)殘余電壓是無法通過調(diào)節(jié)銜鐵位置來消除的。而殘壓的存在會造成零點(diǎn)附近的不連續(xù)性，還有殘壓輸入放大器后還會使放大器末級趨于飽和，影響電路正常工作，所以應(yīng)消除零點(diǎn)殘余電壓。為了消除零點(diǎn)殘余電壓，主要是從設(shè)計(jì)上和工藝上盡量保證線圈和磁路的對稱。在電路上則可采用補(bǔ)償?shù)姆椒?，圖3.4是兩種補(bǔ)償電路方法，其中(a)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)接在初級線圈中，(b)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)接在次級線圈中。4. 差動變壓器的應(yīng)用微位移測量原理差動變壓器式傳感器常用來進(jìn)行位移測量，例如可對長度內(nèi)徑、外徑、不平行度、不垂直度、偏心、橢園度等進(jìn)行測量，此外還可以用來測量零件的膨脹、伸長、

26、應(yīng)變、移動、目前不少位移測微儀常用差動變壓器形式，圖3.5是差動變壓器式測微儀的典型框圖。 (a) (b)圖3.4 零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路圖3.5 電感測微儀框圖 圖中，音頻振蕩器輸出接入差動變壓器初級線圈，那么，差動變壓器的輸出電壓 (x為銜鐵位移)，因幅值較小，需經(jīng)放大器放大K倍，相敏檢波器解調(diào)，才能在數(shù)字電壓表上顯示電壓U，由于相敏檢波器同時以音頻信號為參考信號，所以相敏檢波器輸出電壓既正比于放大器的輸出電壓，又能反映其相位，所以數(shù)字電壓表上顯示的電壓能反映出測量的位移大小和方向。本實(shí)驗(yàn)采用的差動變壓器標(biāo)定電路和電感測微儀的結(jié)構(gòu)基本相同，若用測微頭精確控制銜鐵的位移，并以此為標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)數(shù)字

27、電壓表，就成為一個數(shù)字式位移測量儀。三、 實(shí)驗(yàn)步驟(一) 差動變壓器的性能實(shí)驗(yàn)1根據(jù)圖3.6，將差動變壓器裝在差動變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?。圖3.6 差動變壓器安裝示意圖2在模塊上如圖3.7接線，將音頻振蕩器信號從主控箱中的Lv端子輸出，接在傳感器的信號輸入端子1、2上，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率旋鈕，輸出頻率為45kHz，調(diào)節(jié)幅度旋鈕使輸出幅度為Vp-p=4V左右(用示波器通道1進(jìn)行測量，注意示波器接地端應(yīng)與信號地相連）。將傳感器輸出端子3、4連接示波器通道2進(jìn)行觀測，當(dāng)左右拉動傳感器銜鐵導(dǎo)桿時，通道2信號幅值和相位應(yīng)有規(guī)律地變化。圖3.7 示波器與差動變壓器連結(jié)示意圖3將測微頭旋至10mm處，測微頭活動

28、桿與傳感器位移導(dǎo)桿相吸合，先粗調(diào)測微頭的左右位置，使示波器第二通道顯示的波形值Vp-p為最小，然后將測量支架頂部的鏍釘擰緊，再按照固定方向旋動測微頭，使示波器輸出電壓幅值為最小，即最小零點(diǎn)殘余電壓，記下該位置刻度及輸出電壓值。這時可以進(jìn)行交流輸出的靜態(tài)位移測量實(shí)驗(yàn)。假設(shè)其中一個方向?yàn)檎灰疲瑒t另一方向?yàn)樨?fù)位移。從Vp-p最小處開始旋動測微頭，每隔0.2mm從示波器上讀出電壓Vp-p值并填入表3-1，再從Vp-p最小處反向旋轉(zhuǎn)測微頭，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。注意：1.在實(shí)驗(yàn)過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關(guān)系。2.測量過程中根據(jù)位移變化及時調(diào)節(jié)示波器的幅值靈敏度。表3-1差動變壓器位移X值與輸

29、出電壓Vp-p數(shù)據(jù)表X(mm)-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2+0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2Vp-p(mV)min（ ）注：實(shí)驗(yàn)過程中差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點(diǎn)殘余電壓。（二）差動變壓器零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)1按圖3.6安裝好差動變壓器并按圖3.8接線，實(shí)驗(yàn)?zāi)０錜1、C1、Rw1、Rw2為電橋平衡網(wǎng)絡(luò)。圖3.8 零點(diǎn)殘余電壓參數(shù)補(bǔ)償電路2音頻信號源從Lv端口輸出，保持音頻振蕩器輸出的電壓幅度和頻率與步驟（一）中一致。3調(diào)整螺旋測微頭，使差動放大器輸出電壓最小，即找到差動變壓器的零點(diǎn)殘余電壓點(diǎn)。4依次調(diào)整Rw1、Rw2進(jìn)行橋路補(bǔ)償，使輸出電壓降至最

30、小。5將第二通道的靈敏度提高，觀察零點(diǎn)殘余電壓的波形，注意與第一通道激勵電壓波形相比較。分析此時產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因。6從示波器上觀察并記錄下差動變壓器的零點(diǎn)殘余電壓值。(注：這時的零點(diǎn)殘余電壓是經(jīng)放大后的零點(diǎn)殘余電壓)。7拆去R1、C1與電路的連線，觀察并記錄下示波器的信號值，比較一下與上述6的結(jié)果有什么不同？（三）差動變壓器的靜態(tài)標(biāo)定預(yù)習(xí)要求：做此部分內(nèi)容前需預(yù)習(xí)移相器和相敏檢波器的電路原理和工作情況（實(shí)驗(yàn)八）1.按圖3.9接入移相器和相敏檢波器。2.從零點(diǎn)附近調(diào)節(jié)螺旋測微頭使傳感器產(chǎn)生一個較大位移，用示波器觀察相敏檢波器輸出波形，調(diào)節(jié)移相電位器W和相敏檢波器電位器W，使示波器顯示為

31、一均勻的正極性脈動或負(fù)極性脈動的全波整流波形，如圖3.10。再將相敏檢波器的輸出端接主控臺數(shù)顯電壓表，此時數(shù)顯表會顯示一最大值（正或負(fù)）圖3.9 差動變壓器靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)線路（a）正極性脈動的全波整流波形 (b)負(fù)極性脈動的全波整流波形圖3.10 相敏檢波輸出波形5. 調(diào)整螺旋測微頭，使電壓表讀數(shù)為零，即傳感器回到位移零點(diǎn)（X=10.00mm）。6. 旋轉(zhuǎn)測微頭每隔0.2mm記下數(shù)字電壓表讀數(shù)，并記入表2-2。表2-2 X=10mm左右為零點(diǎn)X(mm)-10mm+V（V）0（四）差動變壓器的應(yīng)用振動測量實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)線路與圖3.9相同，相敏檢波器輸出端接低通濾波器，低通濾波器輸出端接示波器一個通道。

32、2. 將低頻振蕩器信號接入振動臺，緩慢調(diào)節(jié)低頻信號振動頻率，使梁振幅最大，然后將低頻振蕩器幅度旋鈕旋至最小。3. 在靜態(tài)標(biāo)定基礎(chǔ)上，將差動變壓器傳感器從位移測量臺上取下按圖3.11所示安裝在振動臺上，并用手按壓振動臺，不能使差動變壓器的活動桿有卡死的現(xiàn)象，調(diào)整傳感器連接支架高度，使數(shù)顯電壓表值基本為零（即鐵芯處于線圈中間位置）。4. 仔細(xì)調(diào)節(jié)低頻振蕩器的幅度旋鈕使振動平臺振動較為明顯（輸出波形不失真），用示波器上觀察低通濾波器輸出波形并讀取電壓峰-峰值。用頻率表讀出振動梁的固有頻率(即示波器顯示波形幅度最大時的激振信號頻率)。圖3.11 差動變壓器振動測量安裝圖5. 用示波器讀取峰-峰電壓值，

33、記入表（3-3）。表3-3測量值f(Hz)f0Vp-p(V)計(jì)算值Xp-p(mm)四、 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備1. 差動變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?一塊2. 移相/相敏波/濾波模板 一塊3. 螺旋測微頭 一個4. 差動變壓器 一個5. 音頻振蕩器 主控臺6. 直流穩(wěn)壓電源 主控臺7. 低頻振蕩器 主控臺8. 數(shù)顯單元 主控臺9. 雙蹤示波器 一臺10. 振動臺（2000型） 一個五、 注意事項(xiàng)1低頻激振電壓幅值不要過大，以免梁在自振頻率附近振幅過大。2. 轉(zhuǎn)動測微頭時，動作要輕，旋轉(zhuǎn)方向要一致，不能來回旋轉(zhuǎn)調(diào)整，避免回程誤差。六、 創(chuàng)新和思考 1. 通過線路補(bǔ)償能否徹底消除差動變壓器的零點(diǎn)殘余電壓？還有沒有其它消

34、除零點(diǎn)殘余電壓的方法？ 2試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？ 3經(jīng)過補(bǔ)償后的零點(diǎn)殘余電壓波形為什么不是很好的正弦波？ 4用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz的振動幅度，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受到什么影響？5創(chuàng)新設(shè)計(jì)：試設(shè)計(jì)一種利用差動變壓器測量加速度的裝置。七、實(shí)驗(yàn)與研究 1差動變壓器在測量位移中產(chǎn)生的非線性與什么因素有關(guān)？如何減小非線性誤差？ 2差動變壓器的輸出靈敏度與什么因素有關(guān)？如何提高靈敏度？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 根據(jù)表31畫出Vp-pX曲線（注意：X-與X+時的Vp-p相位），指出線性工作范圍，求出靈敏度和非線性誤差。2. 總結(jié)零點(diǎn)殘余電壓與輸入電壓的相位關(guān)系

35、及鐵芯從上至下變化時，初、次級波形的相位關(guān)系。3. 比較差動變壓器補(bǔ)償前后的零點(diǎn)殘余電壓。4. 根據(jù)表32的數(shù)據(jù)，繪制V0=f(x)曲線，求出靈敏度。5. 根據(jù)表33的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出振動梁的幅頻特性曲線，指出諧振頻率，并與用電容傳感器方式測出的結(jié)果相比較。6.分析實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因?qū)嶒?yàn)八 移相器和相敏檢波器一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解運(yùn)算放大器構(gòu)成的移相器電路原理及工作情況，為交流電橋?qū)嶒?yàn)做準(zhǔn)備。2.了解運(yùn)放構(gòu)成的相敏檢波器電路的原理及工作情況,為交流全橋?qū)嶒?yàn)做準(zhǔn)備。二、 實(shí)驗(yàn)原理1. 移相器工作原理圖8.1 移相器原理圖 圖8.1為移相器電路原理圖，A1與C1、R2組成有源微分網(wǎng)絡(luò)，A2與RW1、C

36、2組成有源積分網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)（1）端輸入正弦交流信號m時，A1輸出一超前m相位信號，A2輸出一滯后m相位的信號，通過調(diào)節(jié)RW1可使輸出信號與輸入信號相位發(fā)生變化。其中A、R、R、R、C構(gòu)成一階移相電路，在R=R條件下，可證明幅頻特性和相頻特性分別可用下式表示： (1)F()=-2tg-1R (2) 其中=2f，f為輸入信號頻率，同理，由A、R、R、R6、Rw1、C構(gòu)成另一個一階移相電路，在R=R條件下的相應(yīng)特性為： (3) 2()=-2tg-1RW12 (4)由此可見，根據(jù)幅頻特性公式(1)、(3)得： 即相移前后的信號幅值相等。根據(jù)相頻特性公式(2)、(4)得：()=1()+2()=-2tg-1R

37、21-2tg-1Rw12 (5)即相移角度F()與信號頻率f及電路中阻容元件的數(shù)值有關(guān)，其中：R=10K、C=6800PF、C=0.022F、Rw10，10K。注：RW1=0時 (逆時針旋到底)RW1=10時 (順時針旋到底)2.相敏檢波器工作原理一般檢波器只輸出單向的電壓或電流，當(dāng)用于交流應(yīng)變電橋時，無法判斷信號的相位，即不能確定應(yīng)變片處在“拉伸”或“壓縮”狀態(tài)。通常，除測量傳感器信號數(shù)值大小外，還應(yīng)確定其相位，例如位移的方向、溫度的正負(fù)、磁場的極性等，采用相敏檢波器可解決這一問題。因而在傳感器測量電路中有很廣泛的應(yīng)用。相敏檢波電路如圖8.2：圖8.2 相敏檢波器原理圖為輸入信號端，為交流參

38、考電壓輸入端,為輸出端，為直流參考電壓輸入，、為信號監(jiān)測端。當(dāng)或端輸入控制電壓信號時，通過開環(huán)放大器的作用使場效應(yīng)晶體管處于開關(guān)狀態(tài)。從而把端輸入的正弦信號轉(zhuǎn)換與控制信號有關(guān)的檢波信號。圖8.2為采用集成運(yùn)放的相敏檢波器，其中虛線框內(nèi)元件構(gòu)成整形電路。若端輸入正弦信號，在、端變換成方波信號，并由該信號控制結(jié)型場效應(yīng)管3DJ6的導(dǎo)通或截止。在3DJ6導(dǎo)通時，A的“+”輸入端接地，這時A相當(dāng)于一個K=-1的倒相器。若3DJ6截止，A的“+”輸入端斷開，這時A相當(dāng)于一個K=1的跟隨器，據(jù)此可起到相敏檢波的作用。下面畫出各點(diǎn)波形來具體說明相敏檢波的作用。(1) 相敏檢波器輸入信號U與參考信號U同相，如

39、圖8.3(a)所示，在U的正半周，A輸出的方波信號U為負(fù)，二極管D導(dǎo)通，U也為負(fù)值，3DJ6截止，A相當(dāng)于跟隨器。因此，相敏檢波器輸出U跟隨U。在U的負(fù)半周，U為正，D截止，U=0，3DJ6飽和導(dǎo)通，A相當(dāng)于倒相器。因此，U和U相位相反。由此可見，此時相敏檢波輸出正極性的脈動波，經(jīng)低通濾波器后，在電壓表上可測得正最大值。圖8.3 相敏檢波器各點(diǎn)波形圖(2) 相敏檢波器的輸入信號U與參考信號U反相；如圖8.3(b)所示，根據(jù)同樣的分析可知，這時U為負(fù)極性的脈動波，經(jīng)低通濾波后，可測得負(fù)最大值。(3) 相敏檢波器的輸入信號U與參考信號U相位差90°，如圖8.3(c)所示，同理可得相敏檢波器的輸出為零。根據(jù)以上原理，在調(diào)整時，通常按照輸入信號極性，調(diào)移相器使參考信號與其同相或反相，從而得到正、負(fù)極性脈動波，或低通濾波器的輸出為正、負(fù)最大值。三、 實(shí)驗(yàn)步驟(一)、移相器實(shí)驗(yàn)1了解移相器的電路原理。圖8.4 移相器實(shí)驗(yàn)接線圖2如圖8.4接線，將音頻振蕩器的信號引入移相器的輸入端（音頻信號從0°、180°插口輸出均可）。音頻振蕩器頻率置5KHz，幅度置Vp-p=5V。 3將示波器的兩根線分別接到移相的輸入和輸出端，調(diào)整示波器，觀察示波器的波形。 4調(diào)節(jié)移相器上的電位器，觀察兩個波形間相位的變化。 5改變音頻振