杭州电子科技大学测试技术及传感器实验报告

测试技术与传感器实验报告班级：学号：姓名：2012年12月日实验一一、金属箔式应变片性能——单臂单桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。实验准备：预习实验仪器和设备：直流稳压电源、电桥、差动放大器、测微头、应变片、电压表。实验原理：当电桥平衡（或调整到平衡）时，输出为零，当桥臂电阻变化时，电桥产生相应输出。实验注意事项：直流稳压电源打到4V档，接线过程应关闭电源，电压表打到2V档，如实验过程中指示溢出则改为20V档，接线过程注意电源不能短接。实验时位移起始点不一定在10mm处，可根据实际情况而定。为确保实验过程中输出指示不溢出，差动放大增益不宜过大，可先置中间位置，如测得的数据普遍偏小，则可适当增大，但一旦设定，在整个实验过程中不能改变。实验内容：（1）观察双平行梁上的应变片、测微头的位置，每一应变片在传感器实验操作台上有引出插座。（2）将差动放大器调零。方法是用导线将差动放大器正负输入端相连并与地端连接起来，然后将输出端接到电压表的输入插口。接通主、副电源。调整差动放大器上的调零旋钮使表头指为示零。关闭主副电源。（3）根据图1的电路结构，利用电桥单元上的接线座用导线连接好测量线路（差动放大器接成同相反相均可）。（4）检查测微头安装是否牢固，转动测微头至10mm刻度处，并调整旋紧固定螺钉，使测微头上下移动至双平行梁处于水平位置（目测），测微头与梁的接触紧密。（5）将直流稳压电源开关打到4V档，打开主副电源，预热数分钟，调整电桥平衡电位器W1，使电压表指示为零。调零时逐步将电压表量程20V档转换到2V档。（6）旋动测微头，记下梁端位移与电压表的数值，每一圈0.5mm记一个数值。根据所得结果计算系统灵敏度S，并作出V一X关系曲线。XVS，其中V为电压变化，X为相应的梁端位移变化。（7）按最小二乘法求出拟合直线，并求线性度误差，最后根据拟合直线求灵敏度。（8）在最大位移处，以每0.5mm减至原始值，记录反行程下的示值，根据所得结果算出滞AR2R1RxVrR3W1-4V+4V图1仪器上的电桥模块及单臂电桥接线图RXR2R1RX电桥W2nFCkWWrRRR20222110350321W1rc后误差Hr。位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）正行程013274053678195109124电压（mV）反行程113263952668094109124V-X0132740536781951091241132639526612410994800204060801001201400246810121416位移/mm电压/mVV1V2按照最小二乘法拟合，用matlab编程得直线表达式为：9.27676.27XV（6）因为图形呈线性关系，所以灵敏度S=(124-0)/(14.5-10)=2705mv/mm；（8）最大误差为1mm；所以滞后误差为r=1/124*100%=0.8%；思考题：1．本实验电路对直流稳压源、差动放大器有何要求？它们对输出结果影响怎样？直流稳压源输出稳定，差动放大器要调零。由于直流稳压源的输出和差动放大器都会影响电压表的示数，如果直流稳压源和差动放大器不符合要求，那么4R的变化将不能通过电压表的示数变化反映出来，起到了干扰实验的作用。二、金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能。实验准备：预习实验仪器和设备：直流稳压电源、差动放大器、电桥、应变片、电压表、测微头实验原理：当电桥平衡（或调整到平衡）时，输出为零，当桥臂电阻变化时，电桥产生相应输出。实验注意事项：直流稳压电源打到4V档，电压表打到2V档，实验过程还须注意的事项：（1）在连线和更换应变片时应将直流稳压电源关闭。（2）在实验过程中如有发现电压表过载，应将量程扩大。（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。（4）接全桥时请注意区别各应变片的工作状态与方向，不得接错。实验内容：（1）按单臂电桥实验中的方法将差动放大器调零。(2)按图2接线，图中4R为应变片，其余为固定电阻，r及1W为调平衡网络。（3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到士4V档。选择适当的放大增益。然后调整电桥平衡电位器，使电压表示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。（4）向上旋转测微头，使梁向上移动每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）013274053678195109124（5）保持差动放大器增益不变，将3R换为与4R工作状态相反的另一应变片（一片为拉时，另一片为压），形成半桥，调好零点，同样测出读数，填入下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）0275581107134160186210236（6）保持差动放大器增益不变，将1R，2R两个电阻换成另两片相反工作的应变片，接成一个直流全桥，调好零点，将读出数据填人下表：位移（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5电压（mV）055109162215270321378425482（7）在同一坐标纸上描出三根X一V曲线，比较三种接法的灵敏度，并分析实验结果：图2全桥电路R3R4VrR1R2W1–4V+4VV-X013274053678195109124027558110713416018621023605510916221527032137842548201002003004005006000246810121416位移/mm电压/mvV1V2V3由图中的斜率可以知道V3的斜率最大，由灵敏度的定义可知道全桥的灵敏度最高，半桥的灵敏度次之，单臂电桥的灵敏度最低。五、思考题1．如用最小二乘法拟合三根X一V曲线，写出各自的线性化方程。理论上三种接法中哪一种线性最好？对实际结果是否符合理论情况作出具体分析。根据最小二乘法拟合直线，得到线性化方程：单臂（4R为应变片）：9.27676.27XV线性误差%100max1FSLYL=%10012262.3=%97.2半桥（3R和4R为应变片）：467.493467.49XV线性误差%100max2FSLYL=%10022434.1=0.60%全桥（1R、2R、3R和4R都为应变片）：176.996694.99XV线性误差%100max3FSLYL=%10045076.1=%39.0通过上述比较所得，线性度：单臂半桥全桥，与理论上一致实验二应变片与交流电桥、应变片电桥的应用一、相敏检波器、移相器实验实验目的：了解相敏检波器的原理和工作情况。实验准备：预习实验仪器和设备：相敏检波器、音频振荡器、移相器、直流稳压电源、低通滤波器、电压表、双踪示波器实验原理：相敏检波利用参考端电压的极性不同，导致输入—输出相位发生改变的原理。实验注意事项：参考输入端1（DC）与参考输入端5（AC）不能同时接线。由于作为电子开关的场效应管3DJ7H性能所限，相敏检波器输出有两个半波不一样的现象。实验内容：（1）把音频振荡器的输出电压（0°输出端）接至相敏检波器的输入端4。（2）将直流稳压电源打到2V档，把输出电压（正或负均可）接到相敏检波器的参考输入端1（DC）。参考输入端也称相敏检波器的控制端，控制信号是直流时，接1，交流时接5。（3）把示波器的两根输入线分别接到相敏检波器的输入端和输出端，观察输入和输出波形的相位关系和幅值关系。（4）改变参考输入端1的电压极性，观察输入输出波形的相位和幅值关系。由此可得出结论，当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相，此电路的放大倍数为1倍。（5）从音频振荡器的0°输出插口输出信号再接一根线至移相器输入端，移相器的输出端与相敏检波器的参考输入端5（AC）之间连接起来，此时应断开参考输入端1的连线。保持原相敏检波器的信号输入端与音频振荡器0°输出插口的连接。（6）将示波器的两根输入线分别连到相敏检波器输入端和参考输入端5，调整移相器，使两个信号同相位。再将接相敏检波器参考输入端5的示波器的探头移至相敏检波器输出端，观察示波器上的两个波形。由此得出：相敏检波器和移相器组合整形电路的作用是将输入的全波转变成半波。（7）将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接起来，低通滤器的输出端接至电压表的输入端（20V档）。（8）适当调整音频振荡器的幅度，仔细观察示波器的波形和电压表读数变化，然后将相敏检波器的输入端接到音频振荡器的180°输出插口，保持移相器接0°不变，观察示器波的图3相敏检波器W151KR52.2K513264R222KR130KR330KA1A2R430K场效应管INOUT12345AC6DC波形和电压表数字变化。由此可以看出：当相敏捡波器的输入与控制信号（参考输入端5信号）（同、反）相时，输出为正极性的半波形，电压表指示为正极性方向的最大值，反之则输出为负极性的半波形，电压表指示为负极性的最大值。当音频振荡器的幅值增大时，波形幅值变大，电压表读数变大。所以，相敏检波器、移相器、低通滤波器组合后可用来测量交流信号的幅值。（9）改变音频振荡器的频率，发现信号间相位移动，输出波形也发生移动，此时要重新调整移相器才能使信号间相位一致。（10）调整移相器，使电压表输出最大，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入电压峰峰值与输出直流电压的关系。（注意应置示波器探头衰减为×1，对应的通道VAR为最大）输入Vip-p（V）0．51248输出Vo（V）0.270.541.242.435.03（11）使输入信号与参考信号的相位差改为180°，测出上述关系数据：输入Vip-p（V）0．51248输出Vo（V）-0.26-0.53-1.25-2.44-5.02思考题1．当相敏检波器输入为直流时，输出波形如何？其平均值为多少？为直线，平均值就为波形的幅值。二、金属箔式应变片——交流全桥实验目的：了解交流供电的四臂应变片电桥的工作原理、特点及其应用。实验准备：预习实验仪器和设备：音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、测微头、砝码、示波器。实验原理：工作原理同直流电桥，但供桥电源为交流，差放的输出值也为交流电压。实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz左右，幅度适中，电压表打到2V档，差动放大器增益旋至中位。其它还须注意的事项有：（1）本实验也可用示波器观察各环节的波形。（2）组桥时应注意应变片的受力状态，使桥路正常工作。（3）如果紧接着做后续的实验，则不要变动音频振荡器的幅度旋钮及差动放大器的增益旋钮。（4）做电子称应用部分实验时，砖码应尽量放在应变梁端部的正中间。（5）做电子称应用部分实验时，在悬壁梁系统的自由端部不得有与外部相碰擦的情况。实验内容：（1）按实验一的方法将差动放大器调零。（2）引出四片金属箔式应变片（2个正片、2个负片），在电桥单元上组成全桥（注意应变片的正确接入）。（3）按图4的电路搭成工作电桥，图中1R～4R为应变片，12,,,WWCr为调平衡网络，电桥供桥电压必须从音频振荡器的LV插口输出（负载能力强）。（4）将音频振荡器的幅度旋至中位。根据相敏检波、移相器实验方法调整好移相器（使电压表的读数最大）。如差放的输出偏小，可适当增加音频振荡器的幅度。（5）确认测微头安装到位，调整旋紧固定螺钉，旋动测微头至10mm处使梁处于水平位置（目测）。调整W1与W2使电压表指零。（W1与W2须交互反复调整）由此可见：在交流电桥中，必须有2个可调参数才能使电桥平衡，这是因为电路存在RC而引起的。（6）旋转测微头，每隔0.50mm读数，并填入下表：X（mm）1010.51111.51212.51313.51414.5V（mV）161015192327313539根据所得数值，作出X一V曲线，并与前面直流电桥的结果相比较。V161015192327313