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

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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）。

R1?R2?R3?350?RRX X r?10? W1?W2?22k?C?20nF+4V W1 -4V r R1 R2 Rx R3 A V R1 r R2 c W1 电桥 W2

图 1 仪器上的电桥模块及单臂电桥接线图 （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。S??V?X ，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

后误差r。

H位移（mm） 10 10.5 13 13 11 27 26 11.5 40 39 12 53 52 12.5 67 66 13 81 80 13.5 95 94 14 109 109 14.5 124 124 电压（mV） 0 正行程 电压（mV） 1 反行程 V-X14012010012412410910994958081666752533940262713131010121416电压/mV80604020002468位移/mmV1V2

按照最小二乘法拟合，用matlab编程得直线表达式为：V?27.76X?276.9

（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R4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。 +4V

R1 R4 r

V W1 R2 –4V 图 2 全桥电路 R3 (2) 按图2接线，图中R4为应变片，其余为固定电阻，r及W1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） 10 10.5 13 11 27 11.5 40 12 53 12.5 67 13 81 13.5 95 14 109 14.5 124 电压（mV） 0 （5）保持差动放大器增益不变，将R3换为与R4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） 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 电压（mV） 0 27 55 81 107 134 160 186 14 210 14.5 236 （6）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两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） 10 10.5 55 11 109 11.5 162 12 215 12.5 270 13 321 13.5 378 14 425 14.5 482 电压（mV） 0 （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：

V-X6005004824253783212702362151862101621601341091241091079581815555536740272701310121416电压/mv400300200100002468位移/mmV1V2V3

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（R4为应变片）：V?27.76X?276.9

线性误差?L1??LmaxYFS?100%=

3.62122?100%=2.97%

半桥（R3和R4为应变片）：V?49.467X?493.467 线性误差?L2??LmaxYFS?100%=

1.34224?100%=0.60%

全桥（R1、R2、R3和R4都为应变片）：V?99.694X?996.176

线性误差?L3??LmaxYFS?100%=

1.76450?100%=0.39%

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。

R4 30K W1 51K A2 4 R3 30K A1 R5 2.2K 6 IN 5 AC OUT 1 5 1 30K R 3 场效应管 R2 22K 4 DC 6 2 1 2 3 图3 相敏检波器 （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

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） 输出Vo（V） 0．5 0.27 1 0.54 2 1.24 4 2.43 8 5.03 （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） 0．5 1 2 4 8 输出Vo（V） 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。

-0.26 -0.53 -1.25 -2.44 -5.02 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R1～R4为应变片，W1,W2,C,r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 R C 而引起的。

（6）旋转测微头，每隔0.50mm读数，并填入下表： X（mm） 10 V（mV） 1 10.5 11 6 10 11.5 12 15 19 12.5 13 23 27 13.5 14 31 35 14.5 39 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。

V45403530252015105002468位移/mm10电压/mv611915102723393531V121416

分析结果：由斜率可以看出逼前面半桥的灵敏度低。

交流全桥的应用——电子秤 实验步骤：

（1）按图4接线，调好移相器，去掉测微头。 （2）将系统重新调零（调整W1、W2）。

（3）在位移台上加不同重量的简易法码（铁环）进行标定，将结果填入下表： W（g） V（V） 20 0.045 40 0.043 60 0.041 80 0.039 100 0.037 120 0.034 （4）在位移台上加上一个重量未知的重物（如：钥匙串），记上电压表的读数： 0.041 （5）根据实验结果，得出未知重物的重量 70 。 思考题

要将这个电子秤方案投入实际应用，你认为哪些部分需要改进？

（一）电压表的量程应该调大

实验三 差动变压器性能、零残及补偿、标定实验

一、差动变压器性能

实验目的：了解差动变压器的原理及工作情况。 实验准备：预习

实验仪器和设备：音频振荡器、测微头、双踪示波器、差动式电感。 实验原理：交流电通过偶合的线圈产生感应电势。

实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz～6 KHz左右，幅度适中，双踪示波器第一通道灵敏度500mV/cm，第二通道灵敏度10mV／cm。其它还须注意的事项有： （1）差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电源输出插口（LV插口）输出。

（2）差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，即，两个同名端短接，另两个同名端则构成输出。

（3）差动变压器与激励信号的连线应尽量短一些，以避免引入干扰。

实验内容：

（1）按图5接线，音频振荡器必须从LV接出，LV、GND接差动式电感的Li，2个L0构成差

动输出。 Vpp=2V；同时接示波器第一 通道观测输入信号。

图 5 差动变压器接线方式 接Lv：4KHz～6 KHz左右，接示波器第二通道（灵敏度10mV／cm）观测输出信号 （2）调整音频振荡器幅度旋钮，观察第一通道示波器，使音频LV信号输入到初级线圈的电

压为VPP＝2伏。

（3）调整测微头，使衔铁处于中间位置M（此时输出信号最小），记下此时测微头的刻度

值填入下表 （4）旋动测微头，从示波器第二通道上读出次级差动输出电压的峰一峰值填入下表： X（mm） M- M- M- M- M(中间M+ M+ M+ M+ 2.0 1.5 1.0 0.5 位置) 0.5 1.0 1.5 125 2.0 136 Vop-p（mV） 160 115 80 44 25 42 85 *如果第二通道的信号实在太弱，可先接差放再行观察。

读数过程中应注意初、次级波形的相位关系：

当铁芯从上至下过零位时,相位由 同 （同、反）相变为 反 （同、反）相；再由下至上过零位时，相位由 反 相变为 同 相；

（5）仔细调节测微头使次级的差动输出电压为最小，必要时应将通道二的灵敏度打到最高档，这个最小电压叫做 零点残余电压 ，可以看出它的基波与输入电压的相 位差约为 90度 。

(6) 根据所得结果，画出（Vop-p一X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度：

Vop-p18016014012010080604440200160电压/mv1158012585422512136Vop-p-3-2-10位置/mm36) 根据所得结果，画出（Vop-p一X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度： S??V?X?V?X? ?70.12mV/mm ，更一般地，由于灵敏度还与激励电压有关，因此：

/V?＝ ?17.53mV/mm 。

S1?

二、差动变压器零点残余电压的补偿

实验目的：了解零点残余电压的补偿及其方法。 实验准备：预习

实验仪器和设备：音频振荡器、测微头、电桥、差动放大器、双踪示波器。

实验注意事项：音频信号必须从LV插口引出。旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz～6 KHz左右，双踪示波器第一通道灵敏度500mV/cm，第二通道灵敏度1V/cm，触发选择打到第一通道，差动放大器的增益旋到适中。 实验内容：

（1）利用示波器，调整音频振荡器的输出为2伏峰一峰值。 （2）观察差动变压器的结构。按图6接好线，音频振荡器必须从LV插口输出，W1,W2,r,C为电桥单元中的调平衡网络。

（3）调整测微头，使差动放大器输出电压最小（此时对应的输出是零点残余电压）。 （4）依次调整W1,W2,使输出电压进一步减小，必要时重新调节测微头。

（5）将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波形相比较。 经过补偿后的残余电压波形：

为一 单脉冲 波形，这说明波形中有 高频 分量。 LV 接第一通道 5kHz，Vpp=2V r W1 C W2 接第二通道

图 6 零点残余电压的补偿 LV C 接第二通道 W2 r 图7 零点残余电压的补偿的另一种方法 接第一通道 W1 4kHz，Vpp=2V

思考题

1．本实验也可用附图7所示线路，试解释原因。

图7和图6一样，差动放大器的‘+’，‘—’两端的电压都和w1，w2的阻值有关，调节w1，w2的阻值可以补偿零点残余电压。

三、差动变压器的标定

实验目的：了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。 实验准备：预习

实验仪器和设备：音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、电压表、示波器。

实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡4KHz，差动放大器的增益打到最大，电压表打到2V档。

实验内容：

（1）按图8接好线路 ?1/?20° W1 W2 音频振 r 荡器， LV 4kHz， C Vpp=2V 图 8 差动变压器实验接线 V （2）装上测微头，上下调整，使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置（差动放大器输出最小）。

（3）利用示波器和电压表，调整W1、W2电位器，使电压表指示最小，再调整差放的调零旋钮，使电压表指示为零。

（4）给测微头一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形（全半波为正常）。

（5）电压表在20V档，旋转测微头，使电压表读数为零（此时铁芯又回到中间位置），记

四、试验数据及处理

X（mm） V（V） 9.71 10.21 1.34 2.51 10.71 3.69 11.21 4.83 11.72 6.07 12.21 7.20 12.71 8.47 13.21 9.53

X（mm） V（V） 13.21 9.53 12.71 8.28 12.21 7.10 11.71 5.91 11.21 4.75 10.71 3.53 10.21 2.36 9.71 1.15 10987654321891011121314

五、思考题

1．作出V一X曲线，给出你认为较好的线性工作区间，分析产生非线性误差的原因是什么？求出灵敏度

由图可得：传感器较好的线性工作区间为9.71~11.21mm，灵敏度S=2.34V/mm。 产生非线性误差的原因是：

1、在实验的过程中电源幅值和频率的不稳定导致输出的随机波动。 2、差动变压器存在零点残余电压，引起非线性误差

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