第二次传感器实验

理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节实验二压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。二、基本原理扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N型电阻条）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图2—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。图2—1压阻式压力传感器压力测量实验原理三、实验设备与器件单元主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。四、实验步骤1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图2－2连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。压力传感器引线为4芯线：1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源，4端为Uo－，接线见图2－2。图2－2压阻式压力传感器测压实验安装、接线图理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节2、实验模板上RW2用于调节放大器零位，RW1调节放大器增益。按图2－2将实验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔，将主机箱中的显示选择开关拨到2V档，合上主机箱电源开关，RW1旋到满度的1／3位置（即逆时针旋到底再顺时针旋2圈），仔细调节RW2使主机箱电压表显示为零。3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。4、仔细地逐步调节流量计旋钮，从4Kpa开始使压力在4－55KPa之间变化，每上升3KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表2（仔细调节气压，调好气压后等电压显示稳定后再读数）。表2压阻式压力传感器测压实验数据（请自制合适的表格用于填写实验数据）P(KPa)4710131619222528Vo(mv)77132187240298353403458514P(KPa)313437404346495255Vo(mv)57362667973978984489895210085、根据实验数据画出P－V曲线，计算本系统的灵敏度S和非线性误差δ。上图为实验测量得出的P－V关系曲线。理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节上图为线性拟合直线。从图中可以看出k=s=18.281，由此得出下表：P(KPa)4710131619222528Vo(mv)77132187240298353403458514拟合直线的P(KPa)76.4267131.2697186.1127240.9557295.7987350.6417405.4847460.3277515.1707Δmv-0.5733-0.7303-0.88730.9557-2.2013-2.35832.48472.32771.1707P(KPa)313437404346495255Vo(mv)5736266797397898448989521008拟合直线的P(KPa)570.0137624.8567679.6997734.5427789.3857844.2287899.0717953.91471008.758Δmv-2.9863-1.14330.6997-4.45730.38570.22871.07171.91470.7577由上表知，Δm=-4.4573，δ=Δm/yFS×100％=0.442%6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。五、思考题查阅传感器相关理论知识，说明压阻式压力传感器大致有几种类型，在应用上各有什么特点。压阻式压力传感器主要有以下三种类型：1.扩散硅理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kpa到40Mpa的压力范围。2.陶瓷压阻陶瓷压阻式压力传感器过载能力低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50Kpa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽.3.应变片过载能力强和抗冲击压力强，适合测量高量程范围的压力变化，尤其在1Mpa以上时，线性很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类介质.六、误差分析分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。答：环境温度的影响、实验器材灵敏度、人为操作影响方法：实验室内需要保持一定温度，手工操作时小心谨慎，确保调节数值时误差尽可能地少，调节仪器时尽量确保准确。实验三移相器、相敏检波器实验一、实验目的深入了解移相器、相敏检波器的工作原理。二、基本原理1、移相器工作原理图3—1为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。图中，IC-1、R1、R2、R3、C1图3—1移相器原理图与模板上的面板图构成一阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)KF1(ω)=1理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1其中：ω=2лf,f为输入信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)KF2(ω)=1ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωRwC3由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3已知R3=10kΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定，即可算出图3—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。2、相敏检波器工作原理图3—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验模板上的面板图。图中，AC为交流参考电压输入端，DC为直流参考电压输入端，Vi端为检波信号输入端，Vo端为检波输出端。图3—2相敏检波器原理图与模板上的面板图原理图中各元器件的作用：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V～-14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0～-14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7＝0V时，Q5-1导通，使理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图3—3为相敏检波器的工作时序图。图3—3相敏检波器工作时序图三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器；移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；双踪示波器。四、实验步骤(一)移相器实验1、按图3—4示意接线。检查接线无误后，合上主机箱电源开关，用数字示波器监测音频振荡器的输出，调节音频振荡器的输出频率约为ｆ=2kHz，幅值约为Vp-p＝5V（带负载）。图3—4移相器实验接线图2、正确设置和使用数字示波器，采用《电子测量与仪器》实验课中学到的示波器测相理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节位方法，测量波形的相角变化。调节移相器的移相电位器，当移相电位器处于0kΩ位置时（逆时针旋到最左端为0kΩ），用示波器测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）；然后顺时针慢慢旋动移相电位器，同时观察相位的变化情况，当相位不再变化时测定移相器的截至移相角（ΦＦ=ΦＦ2）（10kΩ的电位器只是部分接入，当相位不再变化时电位器还未到最大）。测量时请注意信号的超前和滞后关系，最后计算确定移相器的移相范围△ΦＦ（用多少度表示）。（注意：直接法测相位需要保证示波器CH1、CH2的扫描时间基线位于坐标横轴的零位置。）3、改变输入信号的频率为ｆ=9kHz，幅值不变，再次测试相应的ΦＦ1、ΦＦ2和△ΦＦ，比较结果。4、测试完毕关闭主电源。当：f=2KHz，ΦＦ1=-96.7，ΦＦ2=68.1，△ΦＦ=|ΦＦ1-ΦＦ2|=164.8当：f=9KHz，ΦＦ1=-30.9，ΦＦ2=57.6，△ΦＦ=|ΦＦ1-ΦＦ2|=88.5（二）相敏检波器实验1、按图3—5示意接线，将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关。保持音频振荡器的峰峰值Vp-p=5V（带负载）不变，调节音频振荡器的频率约为f=5kHz；把示波器两个输入通道的垂直输入耦合方式设置为“直流”，并调节CH1、CH2的扫描时间基线位于坐标横轴的零位置。结合相敏检波器工作原理，观察分析相敏检波理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节器的输入、输出波形关系(跟随关系，波形相同)。图3—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图2、将相敏检波器的DC参考电压改接到-2V(-Vout)，调节相敏检波器的电位器旋钮使示波器显示的两个波形幅值相等(相敏检波器电路已调整完毕，以后不要触碰这个电位器旋钮)，观察相敏检波器的输入、输出波形关系(倒相作用，反相波形)。关闭电源。3、按图3—6示意图接好线之后，合上主机箱电源，调节移相电位器旋钮(相敏检波器电路上一步已调好不要动)，结合相敏检波器的工作原理，观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系，记录当移相电位器旋钮处于最左边、中间同相（即图3—3第一列的V3波形）和最右边（即波形不再变化的位置）这三个位置时的输出波形图。（注：实际应用上一般要求相敏检波器工作状态Vi检波信号与参考电压AC相位处于同相或反相，才能正确的完成解调。）图3—6相敏检波器检波实验接线示意图4、将相敏检波器的AC参考电压改接到音频振荡器的180°输出，调节移相电位器旋钮，观察分析相敏检波器的输入、输出波形关系，记录当移相电位器旋钮处于最左边、中间反相（即图3—3第二列的V3波形）和最右边这三个位置时的输出波形图。理论指导老师：李芬兰实验指导老师：林奕戎实验合作同学：王耿辉2013142024林杰宽13通信工程星期三78节本实验所记录的波形如下图：五、思考题：总结本次实验内容，并定性分析移相器和相敏检波器的工作原理。总结分析：在这次试验中，通过多次操作移相器和相敏检波器来深入了解移相器和相敏检波器的工作原理。由于移相器的初始移相角与输入信号频率f有关，而移相范围不仅与输入信号频率有关，还与移相电位器的阻值有关，所以在移相器实验中，测的是