检测与传感器实验讲义（董） - 图文

CSY2000型传感器检测技术实验台简介

CSY2000型传感器与检测技术实验台主要用于“传感器原理与技术”、“检测与转换技术”等课程的教学实验。

CSY2000型传感器与检测（控制）技术实验台由主控台、测控对象、传感器、实验模板、实验桌等部分组成（见下图）。

附图 CSY2000型传感器与检测（控）制技术实验台

1、主控台部分：提供高稳定的±15V、+5V、±2V～±10V、+2V～+24V可调四种直流稳压电源，主控台面板上装有数显电压、频率、转速、压力表。0.4KHz～10KHz可调音频信号源；1Hz～30Hz可调低频信号源；0～20kpa可调气压源；高精度温度控制仪表，电源故障报警指示，RS232计算机串行接口；浮球流量计。

2、测控对象有：振动台1Hz～30Hz （可调）；旋转源0-2400转/分（可调）；温度源<200℃(可调)。

3、传感器：电阻应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、集成温度传感器、热电偶、铂电阻、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

4、实验模块部分：有应变式、压力、差动变压器、电容式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波、气敏、湿敏。

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实验一 应变片称重实验

一、 实验目的

1. 了解金属应变片的应变效应，设计应用应变片的称重检测电路； 2. 比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能和特点；

3. 掌握电桥检测、放大、显示等测量电路的设计方法和检测装置的调试技术。 二、 实验原理

1. 应变片的工作原理

导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应”。

2. 应变测量电桥

应变片将机械应变转换为电阻变化后，为了显示和记录，通常将应变片组成电桥电路，使得由非电量引起的应变片电阻变化转化为电压或电流的变化。而对电桥电路的要求是具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。

图1.1(a)为一单臂电桥电路，应变片接在电桥的一个臂上，电阻值为R1。无应变时，ΔR1=0，此时电桥平衡，U0=0；若应变片受力作用产生应变，则该臂阻值为R1+ΔR1，电桥就有电压输出，由图1.1 (a)可知。

(a) 单臂 (b) 半桥 (c) 全桥

图1.1 应变片直流电桥电路

U0?R3(R4/R3)?(?R1/R1)R1??R1US?US?US (1)

?RRRR1??R1?R2R3?R4(1?1?2)(1?4)R1R1R3设电桥初始平衡时，

R2R4?R==n，且若1??n，则(1)式近似地为 R1R3R1?R1n  (2) U?S(1?n)2R1- 2 -

 U0?

所以电桥的电压灵敏度

 Su1?U0n?US (3) 2?R1/R1(1?n)1US (4) 4进一步设n=1，即有 R1= R2= R3= R4，可求得最大电压灵敏度为

Su1?上述讨论是在

?R1?R??n情况下进行，桥路的输出电压与应变的关系U0?f(1)R1R1?R1就不能忽R1是线性关系。但若n较小，且应变片承受的应变较大时，(1)式分母项中的

略，U0?f(?R1)就呈非线性。补偿的办法是采用半桥或全桥差动电路。 R1如果将一片受压和一片受拉的两应变片，接入电桥相邻桥臂内，形成半桥差动电路，如图1.1 (b)所示。设R1= R2= R3= R4，且ΔR1=ΔR2，则电桥输出

U0?(R3R1??R11?R (5) ?)US?USR1??R1?R2??R1R3?R42R1所以半桥的电压灵敏度

1Su2?US (6)

2 由此可见，采用半桥差动电路不仅消除了非线性误差，而且电压灵敏度也比单臂电桥时提高了一倍。

若采用两片受压，两片受拉的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上，如图1.1 (c)所示，设R1= R2= R3 =R4，且ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，则此时的输出电压和电压灵敏度为

U0=US??R1 (7) R1Su3?US (8)

即全桥差动电路的电压灵敏度比单臂时提高了四倍，同时消除了非线性误差，因 而得到广泛的实际应用。

三、 实验步骤

(一)、应变片单臂电桥实验

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1.根据图1.2, 4个同型号的应变式传感器已粘贴在弹性梁上下表面。为方便测量，各应变片已接入传感器模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。

图1.2 应变传感器安装示意图

2.实验模板差动放大器调零，如图1.3所示，方法为： ①将实验模板上的±15V和 “?”接地端子与主控台上的相应电源/接地端准确连接；将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控台上数显电压表输入端Vi相连。

2将实验模板增益调节电位器Rw3调节到大致中间位置。 ○

3检查无误后，合上主控台电源开关，调节实验模板上调零电位器○

RW4，使电压表

显示为零(数显表置2V档)，完毕后关闭主控台电源。

3．应变式传感器实验模块面板图1.3，按图1.4接线。将应变式传感器中任一个应变片(模板左上方的应变电阻R1～R4任选一个)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥，将主控台的电压选择旋钮调至±4V输出，将Vo+、Vo-端接入直流电桥电源端子。电桥输出端接差动放大器输入端，放大器输出接数显表。检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零。

图1.3 应变式传感器模块面板图

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图1.4 应变片单臂电桥实验线路

4．在传感器托盘上依次放置10个砝码（每个20g），读取数显电压表数值，实验结果填入表1-1。

表1-1：单臂测量时输出电压与负载重量的关系（加载和卸载各测量5组）：

重量（g） 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 加载时2 输出电3 压（mV） 4 5 1 卸载时2 输出电3 压（mV） 4 5 完成单臂桥称重加载和卸载实验后，选取一件随身物品如手机、钥匙串、眼镜等进行称重，记录其输出电压为 。

(二)、应变片半桥差动实验

承受相反应力的两个应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压和灵敏度比单臂桥提高一倍。

图1.6 应变片半桥差动实验线路

1．保持实验（一）的各旋钮位置不变。

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2．根据图1.6接线，R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源±4V，调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零。同实验一（4）步骤，将实验数据记入表1-2

注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮）。

表1-2：半桥测量时，输出电压与负载重量的关系：

重量（g） 加载时输出电压（mV） 卸载时输出电压（mV） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 采用半桥差动测量电路，选取与单臂桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为 。

(三)、应变片全桥差动实验

全桥差动测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压和灵敏度比半桥差动又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。

1．保持实验（二）的各旋钮位置不变。

2．根据图1.7接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意电桥中任意相邻的两个应变片应承受相反应力，否则，全桥不能正常工作。调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零。同实验一（4）步骤，将实验结果记入表1-3；

注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮）。

图1.7 应变片全桥实验线路

表1-3：全桥测量时,输出电压与负载重量的关系： 重量（g） 加载时输出电压（mV） 卸载时输出电压（mV）

0 20 40 60 80 - 6 -

100 120 140 160 180 200

采用全桥差动测量电路，选取与前面电桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为 。

四、 实验仪器与设备

1. 应变式传感器实验模板 1块 2. 砝码（每个约20g） 10个 3. 托盘 一个 4. 直流数显电压表 主控台 5. ±15V电源、±4V电源 主控台 五、 注意事项

1. 实验前应将实验中使用的导线全部检测一遍，确保导线全部导通。 2. 实验模板接±15V直流电源时，一定要接准确，切不可接反烧毁运算放大器。 3. 在更换应变片时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

4. 为了比较应变片单臂、半桥、全桥电路的电压灵敏度，这三种检测电路的实验过程中，桥路所加稳定电压(±4V)及差动放大器增益均应保持不变。

5. 差动放大器调零后，在实验过程中一般不再调整。但是检测电桥则必须经常检查零点是否变化，并及时进行调整。

6. 实验中为防止电压表过载，在接好电路开通电源前，应先将量程打到最大(20V)，后根据实测数据的大小正确选择量程。

7. 本实验台上的地线是内部接通的，每块实验模板上的地线也内部接通。 8. 做此实验时应将低频振荡器的幅值关至最小，以减小其对直流电桥的影响。

六、 创新和思考

1．单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用（ ）。

A.正(受拉)应变片 B.负(受压)应变片 C.正、负应变片均可以

2．半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在（ ）。 A.对边 B.邻边 C.对边邻边都可以

3．查阅资料，谈谈在实际工作和生活中应变片式传感器还有哪些用途。 七、 实验报告要求 1. 根据表1-1实验数据，对单臂电桥时应变称重装置的静态特性（线性度、灵敏度、迟滞和重复性）进行分析。

2. 根据单臂电桥、半桥差动、全桥差动称重实验数据，在同一坐标上绘制出上述结果的三条V-W特性曲线。（建议采用matlab用最小二乘法拟合曲线）

3. 计算三种测量电桥的灵敏度S，实验结果与理想结论是否一致？如不一致分析产生的原因。

4. 计算并比较单臂电桥、半桥、全桥测量时的非线性误差，得出相应的结论并阐述理由。

5. 根据单臂电桥、半桥、全桥测量结果，结合对随身物品称重输出电压，分析计算

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该物品的质量。对计算结果进行对比，分析实验误差产生的原因。

6. 完成创新与思考中的问题。

实验二 电容传感器位移的测量

一、 实验目的

1. 设计差动变面积式电容传感器的位移测量电路；

2. 通过差动变面积式电容传感器的应用进一步了解传感器的原理、测量电路及其

它相关电路的作用；

3. 了解电容式传感器的动态性能及测量原理与方法。 二、 实验原理

(一) 电容式传感器工作原理：

利用平板电容C=εS/d的关系,在ε、S、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可使电容C发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电信号,则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。②变d的电容式压力传感器。③变S的电容式位移传感器。本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器，传感器外形如图2-1所示。

图2-1 差动变面积式电容传感器外形

(二) 电容变换器测量电路原理

要利用电容式传感器电容量的变化检测物理量，必须借助于测量电路，通过测量电路将电容的微小变化转换成与其成正比的电压，电流或频率，以便传输、显示或记录。电容变换器电路如图2.2所示。

图2.2 电容变换器电路

这是一种利用电容充放电原理的脉冲型测量电路，其中E、f为方波激励电源的幅

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值和频率，D1～Ｄ4为特性相同的二极管，A为放大器，Cx1、Ｃx2即为差动变面积式电容传感器的两个等效电容。RL为等效的负载电阻。

为便于分析，设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大。电路的工作原理为：当电源E处于正半周时，D1导通，D2截止，电容Cx1经D1迅速充电至电压E，电源经D3向负载电阻RL供电，与此同时，电容Ｃx2经D4和RL放电，流经RL的电流iL为这两电流之和。当电源E处于负半周时，D1截止，D2导通，此时Ｃx2很快被充电至电压E，流径负载电阻的电流i′L也为这两电流之和。

当Cx1=Cx2(即没有差动)时，则流经RL的电流iL与i′L的平均值大小相等而极性相反，因此，在一个周期内流过RL的平均电流为零。RL上无信号输出。

当Cx1＞Ｃx2(或Cx2＞Ｃx1)时，则通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压U０。

经分析计算可得

E' iL?RLEiL?RL输出电流对时间的平均值可写为

 IL?将(1)式代入(2)式得

t???RLCx1?1?e? （1） ????t???RLCx2?1?e? （2） ????1T??iT0L(t)?iL(t)dt （3）

?TT???1?RLCx2RLCx1?Cx1eIL??E?Cx1?Cx2?Cx2e? （4）

T????f=

1T

适当选择线路中的元件参数及电源频率f,使

TT?5，?5,则(4)式中非线性项

RLCx2RLCx1(指数项)在总输出中的比例将小于1%，如将其忽略则得：

IL?E?f?(Cx1?Cx2)

于是输出电压的平均值U０可写为

U0?IL?RL?E?f?RL(Cx1?Cx2)?E?f?RL?kx

x为动片位移量(当动片处于两定片中间位置时，x=0,此时U０＝0Ｖ）。

据此原理，可用差动变面积式传感器测量直线位移，以及可转化为位移测量的其它

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非电量。

三、 实验步骤

1． 将电容传感器通过专用连接线插入电容传感器实验模块（如图2.3所示）。接

入±15V电源，电压表量程置2V档，Rw调节到最大位置。

图2.3 电容传感器实验模块

2． 用手缓慢拉动电容传感器的位移导杆，导杆从一端到另一端变化时电压表指示应有从正到负或从负到正的变化过程。再按照图2.4所示将传感器固定在位移支架左侧。

图 2.4 差动变压器电容传感器安装示意图

3． 将螺旋测微头旋至10mm左右处，按图2.4固定在支架右侧，使测微头活动杆与传感器位移导杆相吸合。先粗调测微头的左右位置，使电压表指示接近零，将测量支架顶部的镙钉拧紧。再按照固定方向旋动测微头，使电压表输出电压为零。

4． 注意：在电压表指示接近为零时要减慢速度细心调节，不可往复调节，造成回程误差。

5． 旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值，填入表2-1。将测微头回到10mm左右处（即电压表指示重新归零的位置），反向旋动测微头，重复实验过程。

表2-1电容式传感器位移与输出电压的关系（起始零点＝10mm左右）

X(mm) 起 起始零点位置 U(mV) X(mm) U(mV)

+0.2 -0.2 +0.4 -0.4 +0.6 -0.6 - 10 -

+0.8 -0.8 +1.0 -1.0 +1.2 -1.2 +1.4 -1.4 +1.6 -1.6 起始零点位置

四、实验仪器与设备

1. 电容传感器实验模板 1块 2. 电容传感器 1个 3. 螺旋测微头 1个 4. 数显单元 主控台 5. ±15V电源 主控台 五、注意事项

1．电容变换器增益旋钮一旦调整好后，在实验过程中，不能再动。

2．电容传感器的连接线从实验模板上取下时，需要按下连接线与模板接头处的按键后再拔下。

六、 创新与思考

1．查阅资料，谈谈目前电容传感器有哪些新的应用?

2．本实验采用的是差动变面积式电容传感器，根据下面提供的电容传感器尺寸，计算在移动0.5mm时的电容变化量(△C)。传感器外圆筒半径R=8mm，内圆筒半径r=7.25mm，当活动杆处于中间位置时，外圆与内圆覆盖部分长度L=16mm。

七、 实验报告要求

1．根据表2-1数据绘制静态输出特性曲线U=f(x)，计算电容传感器的灵敏度S。建议采用matlab工具用最小二乘法拟合曲线。

2. 计算系统非线性误差。

5. 分析实验误差产生的原因。 6. 完成创新与思考中的问题。

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实验三 差动变压器传感器实验

一、 实验目的

1. 了解差动变压器的工作原理和特性。

2. 掌握差动变压器零点残余电压的补偿方法。

3. 掌握差动变压器的静态标定方法，了解微位移测量原理。 4．了解差动变压器测量振动的方法。 二、 实验原理

螺线管式差动变压器通常由一个初级线圈和二个次级线圈及铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式等，本实验采用三段式结构。在传感器的初级线圈上接入高频交流信号，当初、次中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化促使两个次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级线圈差动连接(即将一组同名端连接)，在另两端就能引出差动电势输出，其输出电势的大小反映出被测体的移动量。

1. 结构

差动变压器式传感器的结构如图3.1所示，初级线圈(1)和次级线圈(2)、(3)绕在同一骨架上，线圈中间插入的衔铁(4)可以自由移动，初级线圈接入稳定激励电源后，次级线圈将因互感而产生输出电压，当衔铁移动时，互感随之而变，输出电压也发生相应变化，由于两个次级线圈接成差动输出形式(同名端相接)，故通常称为差动变压器，又称三节式螺管型互感传感器。

图3.1 差动变压器结构示意图

2. 工作原理

图3.2是忽略铁损、线圈寄生电容时的等效电路。

其中U1为初级线圈的激励电压，R１、Ｌ１为初级线圈的电阻和电感，R２、Ｒ３、Ｌ２、Ｌ３为两个次级线圈的电阻和自感，M２、Ｍ３分别为初级线圈和两个次级线圈间的互感，RＬ为负载阻抗。

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图3.2 差动变压器式传感器等效电路

当输出空载时，在正弦电流的情况下，根据图示的电流，电压参考方向和线圈的同名端，可写出如下方程：

I(R1?j?L1)?U1 I(j?M2?j?M3)?U0

所以

?????U0?? U1(j?M2?j?M3)R1?j?L1接上负载电阻RＬ后，负载电流IＬ将影响初级回路。但因负载大多是前置放大器的输入阻抗，其值很大，所以次级电流很小，加之在测量范围内(M２－Ｍ３)不大，因此负载电流IＬ对初级回路的影响可忽略不计，由此可得

?RLU?U0RL?R2?R3?j?L2?j?L3?

?其有效值

RL(j?M2?j?M3)U1(R1?j?L1)(RL?R2?R3?j?L2?j?L3)RL?(M2?M3)U1?UL?

(R1)2?(?L1)2?(R?R2?R3)2?(?L2??L3)2RL??MU12222 (1)

?相移角

(R1)?(?L1)?(RL?R2?R3)?(?L2??L3)??M- 13 -

??(?)?2?arctg?L1R1?arctg?L2??L3R2?R3?RL （2）

当ΔＭ＞0时取正号，当ΔＭ＜０时取负号。由(1)式可见，输出电压UＬ的幅值取决于ΔM，也即取决于衔铁在线圈中移动的距离，当衔铁处于中间位置时，若两个次级线圈参数和磁路尺寸相等，则因M２＝Ｍ３，ΔＭ＝０，ＵＬ＝０(V)。

由(2)式可见，U与U间的相位差角则由衔铁的移动方向决定。

L1??上述关系可用图3.3表示，图中U２、Ｕ３分别为两个次级线圈的输出电压的幅值，UＬ为负载电压，即(差动输出电压)幅值，x表示衔铁偏离中心位置的距离，本实验将通过实际测量U－Ｘ关系来验证差动变压器的上述特性。

图3.3 差动变压器输出电压特性及残余电压

3. 差动变压器的零点残余电压及其补偿电路 当差动变压器的衔铁处于线圈中间位置时，理想情况下差动输出电压应为零，但是实际上，无论怎样调衔铁位置也无法使输出电压为零，而只能使其达到某个最小值U０。如图3.3(c)所示，这个最小的输出电压就称为零点残余电压，图中虚线为理想特性，实线为实际特性。产生零点残余电压的原因比较复杂，首先是由于两个次级线圈的绕制在工艺上不可能完全一致，因此，它们的等效参数(M、L、R)不可能完全一致，造成残差，其次是因为铜损、铁损，分布电容的存在，使得两次级线圈的感应电压不仅数值不等，而且相位上也存在误差，因此产生的零点残余电压是无法通过调节衔铁位置来消除的。而残压的存在会造成零点附近的不连续性，还有残压输入放大器后还会使放大器末级趋于饱和，影响电路正常工作，所以应消除零点残余电压。为了消除零点残余电压，主要是从设计上和工艺上尽量保证线圈和磁路的对称。在电路上则可采用补偿的方法，图3.4是两种补偿电路方法，其中(a)的补偿网络接在初级线圈中，(b)的补偿网络接在次级线圈中。

4. 差动变压器的应用——微位移测量原理

差动变压器式传感器常用来进行位移测量，例如可对长度内径、外径、不平行度、不垂直度、偏心、椭园度等进行测量，此外还可以用来测量零件的膨胀、伸长、应变、移动、目前不少位移测微仪常用差动变压器形式，图3.5是差动变压器式测微仪的典型框图。

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  (a) (b)

图3.4 零点残余电压补偿电路

图3.5 电感测微仪框图

?图中，音频振荡器输出U1接入差动变压器初级线圈，那么，差动变压器的输出电(x为衔铁位移)，因UL幅值较小，需经放大器放大K倍，相敏检波器解调，才

??压UL?x

能在数字电压表上显示电压U，由于相敏检波器同时以音频信号为参考信号，所以相敏检波器输出电压既正比于放大器的输出电压，又能反映其相位，所以数字电压表上显示 的电压能反映出测量的位移大小和方向。

本实验采用的差动变压器标定电路和电感测微仪的结构基本相同，若用测微头精确控制衔铁的位移，并以此为标准来校准数字电压表，就成为一个数字式位移测量仪。

三、 实验步骤

(一) 差动变压器的性能实验

1．根据图3.6，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

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图3.6 差动变压器安装示意图

2．在模块上如图3.7接线，将音频振荡器信号从主控箱中的Lv端子输出，接在传感器的信号输入端子1、2上，调节音频振荡器的频率旋钮，输出频率为4～5kHz，调节幅度旋钮使输出幅度为Vp-p=4V左右(用示波器通道1进行测量，注意示波器接地端应与信号地相连）。将传感器输出端子3、4连接示波器通道2进行观测，当左右拉动传感器衔铁导杆时，通道2信号幅值和相位应有规律地变化。

图3.7 示波器与差动变压器连结示意图

3．将测微头旋至10mm处，测微头活动杆与传感器位移导杆相吸合，先粗调测微头的左右位置，使示波器第二通道显示的波形值Vp-p为最小，然后将测量支架顶部的镙钉拧紧，再按照固定方向旋动测微头，使示波器输出电压幅值为最小，即最小零点残余电压，记下该位置刻度及输出电压值。这时可以进行交流输出的静态位移测量实验。

假设其中一个方向为正位移，则另一方向为负位移。从Vp-p最小处开始旋动测微头，

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每隔0.2mm从示波器上读出电压Vp-p值并填入表3-1，再从Vp-p最小处反向旋转测微头，重复实验过程。

注意：1.在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

2.测量过程中根据位移变化及时调节示波器的幅值灵敏度。

表3-1差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表

X -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 (mm) Vp-p (mV) min （ ） +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 +1.2 注：实验过程中差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压。 （二）差动变压器零点残余电压补偿实验

1．按图3.6安装好差动变压器并按图3.8接线，实验模板R1、C1、Rw1、Rw2为电桥平衡网络。

图3.8 零点残余电压参数补偿电路

2．音频信号源从Lv端口输出，保持音频振荡器输出的电压幅度和频率与步骤（一）中一致。

3．调整螺旋测微头，使差动放大器输出电压最小，即找到差动变压器的零点残余电压点。

4．依次调整Rw1、Rw2进行桥路补偿，使输出电压降至最小。

5．将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与第一通道激励电压波形相比较。分析此时产生零点残余电压的主要原因。

6．从示波器上观察并记录下差动变压器的零点残余电压值。(注：这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压)。

7．拆去R1、C1与电路的连线，观察并记录下示波器的信号值，比较一下与上述6的结果有什么不同？

（三）差动变压器的静态标定

预习要求：做此部分内容前需预习移相器和相敏检波器的电路原理和工作情况（实验八）

1.按图3.9接入移相器和相敏检波器。

2.从零点附近调节螺旋测微头使传感器产生一个较大位移，用示波器观察相敏检波器输出波形，调节移相电位器ＲW和相敏检波器电位器ＲW，使示波器显示为一均匀的正极性脉动或负极性脉动的全波整流波形，如图3.10。再将相敏检波器的输出端接主控台

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数显电压表，此时数显表会显示一最大值（正或负）

Vi移相器VoACL2L1*R1C1-Rw1Rw2+相敏检波低通滤波器主控台电压表L3*

图3.9 差动变压器静态标定实验线路

（a）正极性脉动的全波整流波形 (b)负极性脉动的全波整流波形

图3.10 相敏检波输出波形

5. 调整螺旋测微头，使电压表读数为零，即传感器回到位移零点（X=10.00mm）。 6. 旋转测微头每隔0.2mm记下数字电压表读数，并记入表2-2。

表2-2 X=10mm左右为零点

X(mm) -← 10mm →+ 0 V（V） （四）差动变压器的应用—振动测量实验

1．实验线路与图3.9相同，相敏检波器输出端接低通滤波器，低通滤波器输出端接示波器一个通道。

2. 将低频振荡器信号接入振动台，缓慢调节低频信号振动频率，使梁振幅最大，然后将低频振荡器幅度旋钮旋至最小。

3. 在静态标定基础上，将差动变压器传感器从位移测量台上取下按图3.11所示安装在振动台上，并用手按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死的现象，调整传感器连接支架高度，使数显电压表值基本为零（即铁芯处于线圈中间位置）。

4. 仔细调节低频振荡器的幅度旋钮使振动平台振动较为明显（输出波形不失真），用示波器上观察低通滤波器输出波形并读取电压峰-峰值。用频率表读出振动梁的固有频率(即示波器显示波形幅度最大时的激振信号频率)。

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图3.11 差动变压器振动测量安装图

5. 用示波器读取峰-峰电压值，记入表（3-3）。

表3-3

f(Hz) 测量值 Vp-p(V) 计算值 Xp-p(mm) f0 四、 实验仪器与设备

1. 差动变压器实验模板 一块 2. 移相/相敏波/滤波模板 一块 3. 螺旋测微头 一个 4. 差动变压器 一个 5. 音频振荡器 主控台 6. 直流稳压电源 主控台 7. 低频振荡器 主控台 8. 数显单元 主控台 9. 双踪示波器 一台 10. 振动台（2000型） 一个 五、 注意事项

1．低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。

2. 转动测微头时，动作要轻，旋转方向要一致，不能来回旋转调整，避免回程误差。 六、 创新和思考

1. 通过线路补偿能否彻底消除差动变压器的零点残余电压？还有没有其它消除零点残余电压的方法？

2．试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

3．经过补偿后的零点残余电压波形为什么不是很好的正弦波？

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4．用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅度，可以吗？差动变压器测量频率的上限受到什么影响？

5．创新设计：试设计一种利用差动变压器测量加速度的装置。

七、实验与研究

1．差动变压器在测量位移中产生的非线性与什么因素有关？如何减小非线性误差？

2．差动变压器的输出灵敏度与什么因素有关？如何提高灵敏度？

八、实验报告要求

1. 根据表3－1画出Vp-p—X曲线（注意：X-与X+时的Vp-p相位），指出线性工作范围，求出灵敏度S??V和非线性误差。 ?X2. 总结零点残余电压与输入电压的相位关系及铁芯从上至下变化时，初、次级波形的相位关系。

3. 比较差动变压器补偿前后的零点残余电压。

4. 根据表3－2的数据，绘制V0=f(x)曲线，求出灵敏度S??V。 ?X5. 根据表3－3的实验结果作出振动梁的幅频特性曲线，指出谐振频率，并与用电容传感器方式测出的结果相比较。

6.分析实验误差产生的原因

实验八 移相器和相敏检波器

一、 实验目的

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1.了解运算放大器构成的移相器电路原理及工作情况，为交流电桥实验做准备。 2.了解运放构成的相敏检波器电路的原理及工作情况,为交流全桥实验做准备。 二、 实验原理 1. 移相器工作原理

图8.1 移相器原理图

图8.1为移相器电路原理图，A1与C1、R2组成有源微分网络，A2与RW1、C2组成有

源积分网络。当（1）端输入正弦交流信号μm时，A1输出一超前μm相位信号，A2输出一滞后μm相位的信号，通过调节RW1可使输出信号与输入信号相位发生变化。

其中A１、R１、R２、R３、C１构成一阶移相电路，在R３=R１条件下，可证明幅频特性和相频特性分别可用下式表示：



UHU1UHU1??????1?j?R2C1

1?j?R2C1?1 (1)

φF１(ω)=π-2tg-1ωR２Ｃ１ (2)

其中ω=2πf，f为输入信号频率，同理，由A２、R４、R５、R6、Rw1、C２构成另一个一阶移相电路，在R４=R５条件下的相应特性为：



U0UH???1?j?R?C2

1?j?R?C2 - 21 -

U0UH???1 (3)

φＦ2(ω)=-2tg-1ωRW1Ｃ2 (4)

由此可见，根据幅频特性公式(1)、(3)得：



U0U1???1

即相移前后的信号幅值相等。根据相频特性公式(2)、(4)得： φＦ(ω)=φＦ1(ω)+φＦ2(ω)=π-2tg-1ωR2Ｃ1-2tg-1ωRw1Ｃ2 (5)

即相移角度φF(ω)与信号频率f及电路中阻容元件的数值有关，其中：R２=10KΩ、C１=6800PF、C２=0.022μF、Rw1∈［0，10KΩ］。

注：RW1=0Ω时 (逆时针旋到底)

RW1=10ΚΩ时 (顺时针旋到底) 2.相敏检波器工作原理

一般检波器只输出单向的电压或电流，当用于交流应变电桥时，无法判断信号的相位，即不能确定应变片处在“拉伸”或“压缩”状态。通常，除测量传感器信号数值大小外，还应确定其相位，例如位移的方向、温度的正负、磁场的极性等，采用相敏检波器可解决这一问题。因而在传感器测量电路中有很广泛的应用。

相敏检波电路如图8.2：

图8.2 相敏检波器原理图

①为输入信号端，②为交流参考电压输入端,③为输出端，④为直流参考电压输入，⑤、⑥为信号监测端。当②或④端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用使场效应晶体管处于开关状态。从而把①端输入的正弦信号转换与控制信号有关的检波信号。

图8.2为采用集成运放的相敏检波器，其中虚线框内元件构成整形电路。若②端输入正弦信号，在⑤、⑥端变换成方波信号，并由该信号控制结型场效应管3DJ6的导通或截止。在3DJ6导通时，A２的“+”输入端接地，这时A２相当于一个KＡ=-1的倒相器。

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若3DJ6截止，A２的“+”输入端断开，这时A２相当于一个KＡ=1的跟随器，据此可起到相敏检波的作用。

下面画出各点波形来具体说明相敏检波的作用。

(1) 相敏检波器输入信号U①与参考信号U②同相，如图8.3(a)所示，在U②的正半周，A１输出的方波信号U⑥为负，二极管D导通，U⑦也为负值，3DJ6截止，A２相当于跟随器。因此，相敏检波器输出U③跟随U①。在U②的负半周，U⑥为正，D截止，U⑦=0，3DJ6饱和导通，A２相当于倒相器。因此，U③和U①相位相反。由此可见，此时相敏检波输出正极性的脉动波，经低通滤波器后，在电压表上可测得正最大值。

图8.3 相敏检波器各点波形图

(2) 相敏检波器的输入信号U①与参考信号U②反相；如图8.3(b)所示，根据同样的分析可知，这时U③为负极性的脉动波，经低通滤波后，可测得负最大值。

(3) 相敏检波器的输入信号U①与参考信号U②相位差90°，如图8.3(c)所示，同理可得相敏检波器的输出为零。

根据以上原理，在调整时，通常按照输入信号极性，调移相器使参考信号与其同相或反相，从而得到正、负极性脉动波，或低通滤波器的输出为正、负最大值。

三、 实验步骤

(一)、移相器实验

1．了解移相器的电路原理。

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图8.4 移相器实验接线图

2．如图8.4接线，将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0°、180°插口输出均可）。音频振荡器频率置5KHz，幅度置Vp-p=5V。

3．将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。

4．调节移相器上的电位器，观察两个波形间相位的变化。 5．改变音频振荡器的频率，观察不同频率时的最大移相范围。

(二)、相敏检波器实验

1．了解相敏检波器的电路原理。 2．根据图8.5的电路连线，将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波器输入端①，把直流稳压电源+2V输出接至相敏检波器的参考输入端④，把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③组成一个测量线路。

图8.5 相敏检波器实验接线图1

3．调整好示波器，开启主控箱电源，音频振荡器频率置4KHz，调整音频振荡器的幅度旋钮，使示波器显示电压Vp-p=4V，观察输入和输出波形的相位和幅度值关系。

4．改变参考电压的极性（-2V），观察输入和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，输入和输出同相，当参考电压为负时，输入和输出相反。

5．关闭电源，根据图8.6重新接线，将音频振荡器信号从0°输出端接至相敏检波器的输入端①，并同时接入相敏检波器的参考输入端②，把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③，将相敏检波器输出端③同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一个测量线路（电压表置20V档）。

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图8.6相敏检波器实验接线图2

6．开启主控箱电源，音频振荡器频率置4KHz，调整音频振荡器的输出幅度（Vp-p），同时记录电压表的读数V0，填入表（8－1）。

表8－1：

Vp-p V0 0.5 1 2 3 4 8 16 用示波器比较：相敏检波器①、③端的波形，分析当输入信号①与参考信号②同相时为什么会产生上面的波形。

7．关闭电源，根据图8.7的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°端输出至相敏检波器的输入端①，180°端输出接至移相器的输入端，把移相器的输出端接至相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器输出端与直流电压表连接起来，组成一测量线路。

图8.7相敏检波器实验接线图3

8．开启电源，转动移相器上的移相电位器，比较示波器的两个通道的显示波形及电压表的读数V0。

9．调整音频振荡器的输出幅度（Vp-p），同时记录电压表的读数V0，填入表（8－2）。

表8－2：

Vp-p V0 0.5 1 2 3 4 8 16

10．分析一下，当相敏检波器的输入信号与参考端信号相位不同时，为什么会产生上面的波形。

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四、实验仪器与设备

1. 移相/相敏检波/低通模块 一个 2. 双踪示波器 一台 3. 音频振荡器 主控台 4. 直流稳压电源 主控台 五、 注意事项

1．本仪器中音频信号是由函数发生器产生的，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障，不影响实验效果。

2．正确选择示波器中的“触发”形式，以保证双踪示波器能看到波形的变化。

六、 创新和思考

1．根据电路原理图，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。 2．根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？移相器在实验线路中的作用是什么？ 3．在完成第⑥步骤后，将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和附加观察端⑤和⑥，分别观察⑥、⑤端波形来回答相敏检波器中的整形电路是起什么作用？信号相位如何？

4．电压表的读数什么时候达到最大值。

七、 实验报告要求

完成表格8－1和8－2后面的实验要求，以及创新和思考中提出的要求。

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四、实验仪器与设备

1. 移相/相敏检波/低通模块 一个 2. 双踪示波器 一台 3. 音频振荡器 主控台 4. 直流稳压电源 主控台 五、 注意事项

1．本仪器中音频信号是由函数发生器产生的，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障，不影响实验效果。

2．正确选择示波器中的“触发”形式，以保证双踪示波器能看到波形的变化。

六、 创新和思考

1．根据电路原理图，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。 2．根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？移相器在实验线路中的作用是什么？ 3．在完成第⑥步骤后，将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和附加观察端⑤和⑥，分别观察⑥、⑤端波形来回答相敏检波器中的整形电路是起什么作用？信号相位如何？

4．电压表的读数什么时候达到最大值。

七、 实验报告要求

完成表格8－1和8－2后面的实验要求，以及创新和思考中提出的要求。

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