太原理工大學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告2

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)踐報(bào)告課程名稱： 實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐名稱： 實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐地點(diǎn)： 專業(yè)班級： 學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 年 月 日一、實(shí)驗(yàn)名稱 1. 移相器、相敏檢波器實(shí)驗(yàn)2. 應(yīng)變片交流全橋的應(yīng)用(應(yīng)變儀)振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)3. 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c基本要求1. 了解移相器、相敏檢波器的工作原理。2. 了解利用應(yīng)變交流電橋測量振動(dòng)的原理與方法3. 了解擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和標(biāo)定方法。三、實(shí)驗(yàn)原理1、 移相器工作原理圖71為移相器電路原理圖與實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系拿姘鍒D。圖中，IC-1、R1、R2、R3、C1 圖71 移相器原理圖與模板上的面板圖構(gòu)成一階移相器（超前），在R2=

2、R1的條件下，可證明其幅頻特性和相頻特性分別表示為： KF1(j)=Vi/V1=-(1-jR3C1)/(1+jR3C1) KF1()=1F1()=-2tg-1R3C1其中： =2f,f為輸入信號(hào)頻率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3構(gòu)成另一個(gè)一階移相器（滯后），在R5=R4條件下的特性為：KF2(j)=Vo/V1=-(1-jRwC3)/(1+jRwC3) KF2()=1F2()=-2tg-1RwC3由此可見，根據(jù)幅頻特性公式，移相前后的信號(hào)幅值相等。根據(jù)相頻特性公式，相移角度的大小和信號(hào)頻率f及電路中阻容元件的數(shù)值有關(guān)。顯然，當(dāng)移相電位器Rw=0，上式中F2=0，因此F1決定了圖71所示

3、的二階移相器的初始移相角：即F=F1=-2tg-12fR3C1若調(diào)整移相電位器Rw，則相應(yīng)的移相范圍為：F=F1-F2=-2tg-12fR3C1+2tg-12fRwC3已知R3=10k,C1=6800p,Rw=10k,C3=0.022F,如果輸入信號(hào)頻率f一旦確定，即可計(jì)算出圖71所示二階移相器的初始移相角和移相范圍。2、相敏檢波器工作原理：圖72為相敏檢波器（開關(guān)式）原理圖與實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系拿姘鍒D。圖中，AC為交流參考電壓輸入端，DC為直流參考電壓輸入端，Vi端為檢波信號(hào)輸入端，Vo端為檢波輸出端。圖72 相敏檢波器原理圖與模板上的面板圖原理圖中各元器件的作用：C5-1交流耦合電容并隔離直流；I

4、C5-1反相過零比較器，將參考電壓正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波（開關(guān)波+14V -14V）；D5-1二極管箝位得到合適的開關(guān)波形V70V（0 -14V）；Q5-1是結(jié)型場效應(yīng)管，工作在開、關(guān)狀態(tài)；IC5-2工作在倒相器、跟隨器狀態(tài)；R5-6限流電阻起保護(hù)集成塊作用。關(guān)鍵點(diǎn)：Q5-1是由參考電壓V7矩形波控制的開關(guān)電路。當(dāng)V70V時(shí)，Q5-1導(dǎo)通，使IC5-2同相輸入5端接地成為倒相器，即V3-V1；當(dāng)V70V時(shí)，Q5-1截止（相當(dāng)于斷開），IC5-2成為跟隨器，即V3V1。相敏檢波器具有鑒相特性，輸出波形V3的變化由檢波信號(hào)V1與參考電壓波形V2之間的相位決定。下圖73為相敏檢波器的工作時(shí)序圖。圖73相

5、敏檢波器工作時(shí)序圖2. 應(yīng)變片交流全橋的應(yīng)用(應(yīng)變儀)振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)圖81是應(yīng)變片測振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)原理方塊圖。當(dāng)振動(dòng)源上的振動(dòng)臺(tái)受到F(t)作用而振動(dòng)，使粘貼在振動(dòng)梁上的應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變信號(hào)dR/R，應(yīng)變信號(hào)dR/R由振蕩器提供的載波信號(hào)經(jīng)交流電橋調(diào)制成微弱調(diào)幅波，再經(jīng)差動(dòng)放大器放大為u1(t)，u1(t)經(jīng)相敏檢波器檢波解調(diào)為u2(t)，u2(t)經(jīng)低通濾波器濾除高頻載波成分后輸出應(yīng)變片檢測到的振動(dòng)信號(hào)u3(t)(調(diào)幅波的包絡(luò)線)，u3(t)可用示波器顯示。圖中，交流電橋就是一個(gè)調(diào)制電路，W1(RW1)、r(R8)、W2(RW2)、C是交流電橋的平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，移相器為相敏檢波器提供同步檢波的參考電壓

6、。這也是實(shí)際應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀原理。圖81 應(yīng)變儀實(shí)驗(yàn)原理方塊圖3. 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的工作機(jī)理是半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出多個(gè)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出P型或N型電阻條）組成電橋。在壓力（壓強(qiáng)）作用下彈性元件產(chǎn)生應(yīng)力，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。圖91為壓阻式壓力

7、傳感器壓力測量實(shí)驗(yàn)原理圖。圖91 壓阻式壓力傳感器壓力測量實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；移相器/相敏檢波器/低通濾波器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?；雙蹤示波器(自備) ；壓阻式壓力傳感器、壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、引壓膠管。五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 移相器、相敏檢波器實(shí)驗(yàn)(一)移相器實(shí)驗(yàn)1、 調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅度為最小（幅度旋鈕逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底），按圖74示意接線，檢查接線無誤后，合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率（用示波器測量）為=1kHz，幅度適中（2VVp-p8V）。圖74移相器實(shí)驗(yàn)接線圖2、正確選擇雙線（雙蹤）

8、示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置(提示：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V范圍內(nèi)選擇)，調(diào)節(jié)移相器模板上的移相電位器（旋鈕），用示波器測量波形的相角變化。3、調(diào)節(jié)移相器的移相電位器（逆時(shí)針到底0k順時(shí)針到底10k變化范圍），用示波器可測定移相器的初始移相角（=1）和移相范圍。4、改變輸入信號(hào)頻率為=9kHz，再次測試相應(yīng)的和。測試完畢關(guān)閉主電源。（二）相敏檢波器實(shí)驗(yàn)1、調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅度為最小（幅度旋鈕逆時(shí)針輕

9、輕轉(zhuǎn)到底），將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔。按圖75示意接線，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器測量）；結(jié)合相敏檢波器工作原理，分析觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系(跟隨關(guān)系，波形相同)。提示：示波器設(shè)置除與(一)移相器實(shí)驗(yàn)2中的垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC外，其它設(shè)置都相同；但當(dāng)CH1、CH2輸入對地短接時(shí)，將二者光跡線移動(dòng)到顯示屏中間(居中)后再進(jìn)行測量波形。圖75相敏檢波器跟隨、倒相實(shí)驗(yàn)接線示意圖2、將相敏檢波器的DC參考電壓改接到-2V(-Vout)，調(diào)節(jié)相敏檢波器的電位器鈕使示波

10、器顯示的兩個(gè)波形幅值相等(相敏檢波器電路已調(diào)整完畢，以后不要觸碰這個(gè)電位器鈕)，觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系(倒相作用，反相波形)。關(guān)閉電源。3、按圖76示意圖接線，合上主機(jī)箱電源，調(diào)節(jié)移相電位器鈕(相敏檢波器電路上一步已調(diào)好不要?jiǎng)?，結(jié)合相敏檢波器的工作原理，分析觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系。注：一般要求相敏檢波器工作狀態(tài)Vi檢波信號(hào)與參考電壓AC相位處于同相或反相。圖76相敏檢波器檢波實(shí)驗(yàn)接線示意圖4、將相敏檢波器的AC參考電壓改接到180°，調(diào)節(jié)移相電位器，觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系。關(guān)閉電源。2. 應(yīng)變片交流全橋的應(yīng)用(應(yīng)變儀)振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)1、相敏檢波器電

11、路調(diào)試：正確選擇雙線（雙蹤）示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置(提示：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH1、水平掃描速度TIME/DIV 在0.1mS10µS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO 。垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V5V范圍內(nèi)選擇)并將光跡線居中(當(dāng)CH1、CH2輸入對地短接時(shí))。調(diào)節(jié)音頻振蕩器的幅度為最?。ǚ刃o逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底），將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±2V檔。按圖82示意接線，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=1kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器測量）；調(diào)節(jié)

12、相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個(gè)波形(相敏檢波器電路已調(diào)整完畢，以后不要觸碰這個(gè)電位器鈕)。相敏檢波器電路調(diào)試完畢，關(guān)閉電源。圖82相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖2、將主機(jī)箱上的音頻振蕩器、低頻振蕩器的幅度逆時(shí)針慢悠悠轉(zhuǎn)到底(無輸出)，再按圖83示意接線(接好交流電橋調(diào)平衡電路及系統(tǒng)，應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞8、RW1、C、RW2為交流電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，將振動(dòng)源上的應(yīng)變輸出插座用專用連接線與應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系膽?yīng)變插座相連，因振動(dòng)梁上的四片應(yīng)變片已組成全橋，引出線為四芯線，直接接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳弦雅c電橋模型相連的應(yīng)變插座上。電橋模型二組對角線阻值均為350，可用萬用表測量)。

13、圖83 應(yīng)變交流全橋振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)接線示意圖注：傳感器專用插頭(黑色航空插頭)的插、拔法：插頭要插入插座時(shí)，只要將插頭上的凸鎖對準(zhǔn)插座的平缺口稍用力自然往下插；插頭要拔出插座時(shí)，必須用大姆指用力往內(nèi)按住插頭上的凸鎖同時(shí)往上拔。3、調(diào)整好有關(guān)部分，調(diào)整如下：（1）檢查接線無誤后，合上主機(jī)箱電源開關(guān)，用示波器監(jiān)測音頻振蕩器Lv的頻率和幅值，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率、幅度使Lv輸出1kHz左右，幅度調(diào)節(jié)到10Vp-p （交流電橋的激勵(lì)電壓）。（2）用示波器監(jiān)測相敏檢波器的輸出(圖中低通濾波器輸出中接的示波器改接到相敏檢波器輸出)，用手按下振動(dòng)平臺(tái)的同時(shí)（振動(dòng)梁受力變形、應(yīng)變片也受到應(yīng)力作用）仔細(xì)調(diào)節(jié)移相器

14、旋鈕，使示波器顯示的波形為一個(gè)全波整流波形。（3）松手，仔細(xì)調(diào)節(jié)應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓腞W1和RW2(交替調(diào)節(jié))使示波器（相敏檢波器輸出）顯示的波形幅值更小，趨向于無波形接近零線。4、調(diào)節(jié)低頻振蕩器幅度旋鈕和頻率(8Hz左右)旋鈕，使振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)較為明顯。拆除示波器的CH1通道，用示波器CH2(示波器設(shè)置：觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH2、水平掃描速度TIME/DIV 在50mS20mS范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為顯示CH2、垂直輸入耦合方式選擇交流耦合AC、垂直顯示靈敏度VOLTS/DIV在0.2V50mV范圍內(nèi)選擇)分別顯示觀察相敏檢波器的輸入Vi和輸出Vo及低通濾波器的輸出Vo

15、波形。5、低頻振蕩器幅度(幅值)不變，調(diào)節(jié)低頻振蕩器頻率(3Hz25Hz)，每增加2Hz用示波器讀出低通濾波器輸出Vo的電壓峰峰值，填入表8畫出實(shí)驗(yàn)曲線，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得振動(dòng)梁的諧振頻率為 。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。表8應(yīng)變交流全橋振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f(Hz) Vo(p-p)3. 壓阻式壓力傳感器測量壓力特性實(shí)驗(yàn)1、按92示意圖安裝傳感器、連接引壓管和電路：將壓力傳感器安裝在壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓膫鞲衅髦Ъ苌?；引壓膠管一端插入主機(jī)箱面板上的氣源的快速接口中（注意管子拆卸時(shí)請用雙指按住氣源快速接口邊緣往內(nèi)壓，則可輕松拉出），另一端口與壓力傳感器相連；壓力傳感器引線為4芯線(專用引線)，壓力傳感器的 1端接地

16、，2端為輸出Vo，3端接電源4V，4端為輸出Vo。具體接線見圖92。圖92壓阻式壓力傳感器測壓實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖2、將主機(jī)箱中電壓表量程切換開關(guān)切到2V檔；可調(diào)電源±2V±10V調(diào)節(jié)到±4V檔。實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蟁W1用于調(diào)節(jié)放大器增益、RW2用于調(diào)零，將RW1調(diào)節(jié)到的13位置(即逆時(shí)針旋到底再順時(shí)針旋3圈)。合上主機(jī)箱電源開關(guān)，仔細(xì)調(diào)節(jié)RW2使主機(jī)箱電壓表顯示為零。3、合上主機(jī)箱上的氣源開關(guān)，啟動(dòng)壓縮泵，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)下端調(diào)壓閥的旋鈕，此時(shí)可看到流量計(jì)中的滾珠在向上浮起懸于玻璃管中，同時(shí)觀察氣壓表和電壓表的變化。4、調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕，使氣壓表顯示某一值，觀察電壓表顯示的數(shù)值。5、仔細(xì)地逐步調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕，使壓力在2kPa18kPa之間變化（氣壓表顯示值），每上升1kPa氣壓分別讀取電壓表讀數(shù)，將數(shù)值列于表8。 表8壓阻式壓力傳感器測壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)P(kPa)Vo(p-p)6、畫出實(shí)驗(yàn)曲線計(jì)算本系統(tǒng)的靈敏度和非線性誤差。7、如果本實(shí)驗(yàn)裝置要成為一個(gè)壓力計(jì)，則必須對電路進(jìn)行標(biāo)定，方法采用逼近法：輸入4kPa氣壓，調(diào)節(jié)Rw2（低限調(diào)節(jié)），使電壓表顯示0.3V