傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)試驗(yàn)2

1、三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1、實(shí)驗(yàn)部分四相敏檢波器實(shí)驗(yàn)(1)根據(jù)圖4A進(jìn)行連線:相敏檢波器音頻振蕩器OOODCTLJT直流恒壓源圖4AFGND示波器觀察輸入與輸出波的相位和幅值關(guān)系:MRos:JOODfMEWRFCW16僻帆z：iCHIH-M,13L36VH】_，陛-畀AS6V發(fā)現(xiàn)輸入和輸出的波形同相并且幅值相等。改變參考電壓的極性(除去直流恒壓源+2V輸出端與相敏檢波器參考輸入端DC的連線，把直流包壓源的-2V輸出接至相敏檢波器的參考輸入端DC,觀察輸入和輸出波形的相位和幅值關(guān)系：發(fā)現(xiàn)輸入和輸出的波形反相，并且幅值相等。結(jié)論：當(dāng)參考電壓為正時(shí)，輸入和輸出同相；當(dāng)參考電壓為負(fù)時(shí)，輸入和輸出反相此電

2、路的放大倍數(shù)為1。(2)根據(jù)圖4B重新接線，在電路中加入低通濾波器00-LGND相敏檢波器示波含低通洗技署萬(wàn)用表音頻振蕩器觀察Vi與Vo的波形如下:可以看出，Vi與Vo同相且幅值相等。調(diào)整音頻振蕩器的輸出幅度Vip-p,同時(shí)記錄萬(wàn)用表的讀數(shù)Vo：Vip-p/VVo/mV1.0223.01.2228.71.4233.11.6238.31.8244.52.0249.02.2254.62.4259.52.6264.52.8270.23.0275.4作出Vo-Vip-p曲線如下:可以看出，Vo與Vip-p呈線性關(guān)系，即當(dāng)音頻振蕩器的輸出幅度變大時(shí)，萬(wàn)用表的示數(shù)隨之線性增加。圖像曲線的斜率大約為26.2

3、(mVM(3)根據(jù)圖4c重新接線，在電路中加入移相器相敏檢波*示波韶低通漉波器萬(wàn)用表圖4C嘉振蕩器開(kāi)啟恒壓源，轉(zhuǎn)動(dòng)移相器上的移相電位器，觀察示波器上顯示的波形及萬(wàn)用表上的讀數(shù)，使得輸出最大。經(jīng)過(guò)調(diào)整移相電位器，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表示數(shù)最大值為-0.568V,極性為負(fù)。此時(shí)波形圖如下所示:MPg0.000$,5,啾出？能耍媽;忘一粽kCH25677CM7MEASURECH2Pk-Pfc2.24VCHIPk-Pk&翔VchT-Frq發(fā)現(xiàn)加入移相器后，Vo的幅值會(huì)隨移相電位器的調(diào)整而發(fā)生改變。且Vo在示波器上的圖像不再是完全的正弦波，其頂端變尖，類(lèi)似于三角波。移相電位器調(diào)整時(shí)，Vo圖像會(huì)隨之傾斜。當(dāng)輸出最大時(shí)

4、，圖像的頂端正好處于中間位置（通過(guò)圖像也發(fā)現(xiàn)確實(shí)只有當(dāng)相敏檢波器的Vo的波形頂端處于正中時(shí)，才能使Vo的幅值最大，即輸出最大）.調(diào)整音頻振蕩器的輸出幅度，同時(shí)記錄萬(wàn)用表的示數(shù)，數(shù)據(jù)如下所示:Vip-p/VVo/V1-0.1671.96-0.3493-0.5373.96-0.7174.92-0.8965.96-1.094P6.96-1.2878-1.479P8.96-1.64610-1.83411-2.04012-2.18813-2.379作出Vo-Vip-p曲線圖如下所示:發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表的讀數(shù)Vo與Vi呈線性關(guān)系，當(dāng)音頻振蕩器的輸出Vi變大時(shí)，Vo隨之線性減小。曲線斜率約為-0.184(VZV)o

5、同時(shí)通過(guò)4B實(shí)驗(yàn)的結(jié)果推斷，示波器的示數(shù)，即低通濾波器的輸出幅值，與示波器的輸出幅值，即低通濾波器的輸入幅值呈線性關(guān)系。2、實(shí)驗(yàn)部分八差動(dòng)變壓器(互感式)的性能按圖8進(jìn)行接線，觀察CH磁形，并調(diào)節(jié)鐵芯上下的位置使得CH2的波形幅度為最小。音頻振蕩器LvCH1差動(dòng)式示波器圖a轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭，使示波器上的波形輸出幅度為最小，記下測(cè)微頭上的刻度值為7.865mm示波器圖像如下所示：lek幾EITrifledMPot;OillOOf/WWW2J2MEASURE可以看出，此時(shí)的CH1與CH2的信號(hào)波形同相，近似為正弦波旋動(dòng)測(cè)微頭，用示波器讀出差動(dòng)變壓器輸出端峰峰值，根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度SS=AU/AX,作

6、出U-X關(guān)系曲線。U-X實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示：Ucp-p(mV)X(mm)32.87.865947.3651546.8652066.36512605.865P3125.36513644.8654124.3654603.8655043.3655502.8655962.3656401.8651U-X曲線如下所示曲線斜率的變化比較微小，但可以看出在X5mrte部分，曲線的斜率的絕對(duì)值有所增大，呈現(xiàn)出非線性。計(jì)算靈敏度S:S=AU/AX=-91.2(V/m)四、實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)1、實(shí)驗(yàn)部分四相敏檢波器實(shí)驗(yàn)(1)相敏檢波器、濾波器工作原理相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。相敏檢波電路的選

7、頻特性是指它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。以參考信號(hào)為基波，所有偶次諧波在載波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對(duì)于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/n,即信號(hào)的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對(duì)高次諧波有一定抑制作用。相敏檢波器原理示意圖如下所示：相敏檢波器模塊主要由三部分組成：一是由運(yùn)算放大器A1(左下方)構(gòu)成的整形電路部分，用于對(duì)參考信號(hào)的處理（參考信號(hào)若是直流則通過(guò)DC輸入，若是交流則通過(guò)Vr輸入）；二是由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的電子開(kāi)關(guān)電路部分，控制相敏檢波器；三是由運(yùn)算放大器A2（右上方）構(gòu)成的相敏檢波器部分，輸入電路采用了一個(gè)電壓跟隨

8、器消除對(duì)輸入信號(hào)源的影響。當(dāng)（2）端的控制電壓為高電平時(shí)，二極管D截止，開(kāi)關(guān)管柵極G為低電平，BG截止，相當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。此時(shí)，相敏檢波器為反相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)反相。當(dāng)（2）端的控制電壓為低電平時(shí)，二極管D導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管柵極G為高電平，BG導(dǎo)通，相當(dāng)開(kāi)關(guān)接通。此時(shí)，相敏檢波器為同相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相同。相敏檢波電路（與濾波器配合）可以將調(diào)幅波還原成原信號(hào)波形，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號(hào)相位的能力。調(diào)制與解調(diào)過(guò)程:wwwvwwv一載波調(diào)制信號(hào)放大后的調(diào)幅波粕觸檢波后的波形流波后的波影由相敏檢波器與濾波器的工作原理，可以解釋實(shí)驗(yàn)4A與4B中的現(xiàn)象:實(shí)驗(yàn)4A與4B的參考電壓均為直流恒壓

9、當(dāng)（2）端的控制電壓為高電平時(shí)，二極管D截止，開(kāi)關(guān)管柵極G為低電平，BG截止，相當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。此時(shí)，相敏檢波器為反相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)反相。當(dāng)（2）端的控制電壓為低電平時(shí)，二極管D導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管柵極G為高電平，BG導(dǎo)通，相當(dāng)開(kāi)關(guān)接通。此時(shí)，相敏檢波器為同相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相同，放大倍數(shù)均為1。當(dāng)相敏檢波器與低通濾波器結(jié)合在電路中時(shí)，相敏檢波器在參考電壓的影響下，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，接著經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量。因此低通濾波器的輸出Vo與相敏檢波器的輸入Vi呈線性關(guān)系。(2)移相器工作原理移相器是能夠?qū)Σǖ南辔贿M(jìn)行調(diào)整的一種裝置。任何傳輸介質(zhì)對(duì)在其中傳導(dǎo)的波動(dòng)都會(huì)引入相移。移相器

10、是由電阻、電抗元件、非線性元件和有源器件等構(gòu)成的一種電路，當(dāng)正弦信號(hào)通過(guò)移相器時(shí)其相位會(huì)發(fā)生改變。理想的移相器在使信號(hào)通過(guò)時(shí)其相位可在0-360度之間連續(xù)變化而不改變信號(hào)幅度大小，因此信號(hào)可不失真地通過(guò)。移相器由兩級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中，運(yùn)算放大器A1與移相網(wǎng)絡(luò)R1、R2、W1、C1構(gòu)成微分電路，實(shí)現(xiàn)超前移相器。運(yùn)算放大器A2與移相網(wǎng)絡(luò)R4、R5、W2、C2構(gòu)成積分電路，實(shí)現(xiàn)滯后移相器。改變W1和W2的大小，可以改變輸出信號(hào)的相位。移相電路示意圖如下所示。orillCH由以上工作原理，可以解釋實(shí)驗(yàn)4c中的現(xiàn)象:移相器可以改變相敏檢波器控制電壓的信號(hào)相位，而相敏檢波器可輸出反映輸入信號(hào)與控制信號(hào)

11、相位差的直流分量，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后得到直流輸出信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)與控制電壓同相時(shí)，相敏檢波器輸出幅值最大，對(duì)應(yīng)地，萬(wàn)用表示數(shù)也最大。實(shí)驗(yàn)中萬(wàn)用表的示數(shù)為負(fù)，是由于輸入信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)之間的相位關(guān)系。輸入信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)圖像如下:輸入信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)反相，對(duì)應(yīng)地，低通濾波器輸出電壓的極性為負(fù)。所以萬(wàn)用表的示數(shù)是負(fù)值。(3)思考題根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以知道相敏檢波器的作用是什么？移相器在實(shí)驗(yàn)線路中的作用是什么？答：相敏檢波器是能夠鑒別調(diào)制信號(hào)的相位，同時(shí)還具有選頻能力的電子電路。實(shí)驗(yàn)中它的作用是根據(jù)輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位關(guān)系輸出不同大小的直流分量，即鑒別相位。移相器的作用是改變參考信號(hào)的相位，使輸

12、入信號(hào)與參考信號(hào)的相位關(guān)系發(fā)生改變，從而觀察相敏檢波器對(duì)信號(hào)相位的鑒別作用。在完成第四步之后，將示波器的兩根輸入線分別接至相敏檢波器的輸入端V1和附加觀察端，觀察波形來(lái)回答相敏檢波器中的整形電路是將什么波轉(zhuǎn)換為什么波，相位如何？起什么作用？答：波形如下圖所示：可知，整形電路是將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，相位關(guān)系為反相。作用是通過(guò)轉(zhuǎn)換為方波，來(lái)控制二極管的導(dǎo)通或截止，進(jìn)而控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，進(jìn)而控制相敏檢波器的電路部分的輸入方式是同相輸入或是反相輸入。Tflgid5.727M1r陰f7Pt-Pk111Vpt-pt13-1V5i6mV由ijj耐lWJ-HWmTCHIvuMtKdglpoHlion-Os

13、MOM當(dāng)相敏檢波器的輸入信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)同相時(shí)，輸出什么極性的什么波，萬(wàn)用表的讀數(shù)是什么極性的最大值？答：輸出為正極性的全波整流信號(hào)，萬(wàn)用表的讀數(shù)是正極性的最大值。2、實(shí)驗(yàn)部分八差動(dòng)變壓器（互感式）的性能（1）差動(dòng)變壓器（互感式）的工作原理差動(dòng)變壓器是一種開(kāi)磁路互感式傳感器。由于其具有兩個(gè)接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)二次線圈，所以又稱(chēng)為差動(dòng)變壓器。當(dāng)差動(dòng)變壓器的一次線圈輸入了交變電源激勵(lì)時(shí)，其二次線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于兩個(gè)二次線圈做差動(dòng)連接，所以總的輸出是兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差。當(dāng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生改變，輸出電動(dòng)勢(shì)與鐵芯位移呈線性變換。差動(dòng)變壓器式壓力傳感器的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換過(guò)程是：先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為差動(dòng)變

14、壓器鐵芯的位移，然后通過(guò)差動(dòng)變壓器將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。由以上原理可以解釋實(shí)驗(yàn)八中的現(xiàn)象：輸出電動(dòng)勢(shì)與鐵芯位移基本呈線性變換，并且線性區(qū)在X5mm,大于該位移時(shí)，呈現(xiàn)出一定的非線性。并且由于一級(jí)線圈與二級(jí)線圈的磁場(chǎng)變化相同，所以CH1與CH2的示波器圖像是同相的，但幅值有差別。(2)思考題根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出線性范圍答：線性范圍為X5mm0當(dāng)差動(dòng)變壓器中磁棒的位置由上到下變化時(shí)，雙蹤示波器觀察到的波形相位會(huì)發(fā)生怎樣的變化?答：磁棒的位置由上到下變化時(shí)，波形相位會(huì)在CH2幅值最小時(shí)由同相突變?yōu)榉聪鄨D像如下:造成該現(xiàn)象的原因：當(dāng)差動(dòng)變壓器的一次線圈輸入了交變電源激勵(lì)時(shí)，其二次線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于兩個(gè)二次線圈做差動(dòng)連接，所以總的輸出是兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差。當(dāng)鐵芯由上向下