《现代测试技术》实验.docx
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《现代测试技术》实验
本课程主要使用金属箔式电阻应变片、电容式传感器发、霍尔式传感器、电涡流式传感器四种传感器，以及实验公共电路模块和四种相应的传感器实验模块。
实验公共电路模块：
提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。
应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：
金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿）、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。
电容式传感器实验模块：
同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路，精密位移导轨。
霍尔传感器实验模块：
霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及日本进口高精度位移导轨。
电涡流传感器实验模块：
电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。
常用信号的观察
实验目的
1．了解常用信号的波形和特点。
2．了解相应信号的参数。
3．学习示波器的使用。
实验内容
1.观察常用信号：
（1）正弦波；
（2）方波；（3）三角波；（4）锯齿波；（5）y=sin（nx）·sin（mx）。
2.用THBCC-1实验平台产生波形信号，利用示波器测量信号，读取信号的幅值与频率，绘制信号波形。
实验设备和工具
1．THBCC-1型信号与系统、控制理论及计算机控制技术实验平台，如图3所示；
2．双踪示波器，或者用已安装的相关软件、串口通信线1根。
图3THBCC-1型实验平台
实验原理
波形发生器可以给出希望的标准波形信号，是信号分析与处理实验中不可或缺的实验仪器。
信号的描述可以是数学表达式也可以是函数图形，即信号波形。
示波器是显示信号波形的一种实用仪器，利用示波器可以方便地显示波形的幅值与频率（周期），也可以方便地进行不同波形的比较。
实验要求
1.正确认识实验仪器设备的功能与使用方法。
2.正确观察、记录实验数据与曲线。
3.正确进行相关理论分析。
4.实验报告完整无误。
主要包括：
实验仪器设备的使用、实验数据与曲线、理论分析、回答思考题、总结收获。
实验步骤
1.观察实验台信号发生器和低频信号发生器，了解其功能，学会调节各种信号的振幅和频率。
（1）信号发生器的作用
2.观察示波器，了解其功能，学会示波器调节。
（1）信号发生器的调节
3、联接实验仪器设备。
分别输出正弦波、方波、三角波、锯齿波，用示波器观察各种波形。
4.观察调制波。
将信号发生器和低频信号发生器都选择正弦波输出，分别用示波器观察并记录波形，将信号分别接如实验台的调制解调模块的调制信号输入口1和载波信号输入口1。
5.用示波器观察调制信号输出口1的输出信号并记下图形。
6.调整两路输入信号的频率和振幅，观察调制信号输出口1的输出信号。
思考题
1.为什么要对信号的波形进行观察？
信号波形的变化主要对其观察哪几个参数？
各参数的含义是什么？
答：
对信号的波形进行观察可以帮助了解熟悉常用信号，加强理论教学的效果。
信号波形的变化主要应对其观察信号的幅值、频率等参数。
信号x（t）的幅值即是│x（t）│，它主要表征了信号的大小。
信号x（t）的频率即是单位时间内完成波动的次数，是描述波动频繁程度的量，常用符号f表示，单位为Hz。
2.调制波有什么特点？
调整两路输入信号的频率和振幅时调制信号有什么变化？
信号无失真传输
实验目的
1．掌握信号无失真传输的基本原理；熟悉信号无失真传输系统的结构与特性。
2．本次实验是为加强学生对信号无失真传输的基本原理及无失真传输系统的结构与特性的认识与了解而设置。
通过本次实验，使学生初步掌握无失真传输系统的结构变化时其相应传输特性的变化。
实验内容提要
1.设计一个有源（或无源）的无失真传输系统，并联接的信号无失真传输系统模拟电路。
2.用THBCC-1实验平台产生一个幅值固定、频率可变的正弦信号，此信号作为系统的输入信号。
利用示波器测量系统输出信号的幅值与相位。
3.改变输入正弦信号的频率，用示波器观察模拟电路输入输出信号的幅值与相位，比较两个信号，记录R1、R2、C1、C2的值。
4.改变电路中的R1、R2、C1、C2的值，观察电路输入输出波形直到输出信号发生失真为止，记下R1、R2、C1、C2的值。
5.比较步骤3、4得到的R1、R2、C1、C2的值，验证信号无失真传输条件。
实验主要要求及注意事项
1.基本原理。
信号无失真传输是指通过系统后，输出信号的波形与输入信号的波形完全相同，只有幅值上的差异与一定的延迟产生，具有特性的系统称为无失真传输系统。
输入信号为x（t）时，系统输出为y（t）=kx（t-t0），其幅频特性与相率特性分别为
|H（jω）|=k，φ（ω）=-t0ω
2.实验仪器设备的正确联接。
3.无失真传输系统的正确设计。
信号无失真传输系统模拟参考实验电路如下图所示。
4.无失真传输系统的正确分析。
由电路可知其频率特性为
由此可见，当R1C1=R2C2时H（jω）=R2/（R1+R2）为一常数，满足测试系统不实真的条件。
否则H（jω）为一与ω相关的函数，不满足测试系统不实真的条件。
5.在R1=R2，C1=C2的情况下，在模拟电路的输入端输入一个正弦信号，并改变其频率，用示波器观察模拟电路输入输出信号的幅值与相位，比较两个信号，记下R1、R2、C1、C2的值。
6.改变电路中的R1、R2、C1、C2的值，观察电路输入输出波形直到输出信号发生失真为止，记下R1、R2、C1、C2的值。
7.要求比较5、6中的输入信号与输出信号，并记录输入输出波形。
8.要求比较5、6中所得到的R1、R2、C1、C2的值，验证信号无失真传输条件。
注：
为实验方便，在联接电路时可设R1=20kΩ，C1=C2=1μF，R2为一可变电阻，联接信号无失真传输系统模拟电路。
9.观察波形、数据的完整正确记录。
实验思考题
1.为什么输出信号波形与输入信号波形相同？
信号无失真传输系统有什么结构特点？
答：
该电路在R1=R2，C1=C2的情况下为信号无失真传输电路，所以输出信号波形与输入信号波形相同。
对信号传输系统进行观察分析可见，该电路由2个电阻电容并联结构串联而成，从输出点看为对称结构。
2.如果R1≠R2或C1≠C2，则系统的|H（jω）|与φ（ω）会产生什么样的变化？
答：
如果R1≠R2或C1≠C2，则系统的|H（jω）|与φ（ω）均为与ω有关的函数，不满足测试系统不实真的条件|H（jω）|=k，φ（ω）=-t0ω。
金属箔式电阻应变片式性能实验
实验目的
1．了解箔式应变片的结构及粘贴方式；测试应变梁变形的应变输出；学习实验仪器的使用。
2．本次实验是为加强学生对应变片结构及性能的认识与了解而设置。
通过本次实验，同时使学生初步掌握相关实验设备的性能与使用。
实验内容提要
1.观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。
2.观察应变片的外形结构、粘贴位置、方向。
3.联接主机与模块电路，调节模块的相应参数。
4.调节悬臂梁的位移，记录输出电压信号数值。
5.绘制输入输出特性曲线，进行实际输出特性分析。
实验主要要求及注意事项
1.实验仪器设备的正确联接。
2.设计应变片对应的单电桥、双电桥及全桥电路图。
3.分析应变片对应的单电桥、双电桥及全桥电路输入输出关系。
4.正确完成差动放大器调零。
连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。
输出端接电压表2V档。
开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
5.完成测试电路的联接。
主机与模块电路连接示意图如下。
6.完成实验装置的调整。
将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。
确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。
调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。
7.用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm，每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表。
输入xi
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
输出yi
2.2
4.8
7.6
9.9
12.6
15.2
17.8
20.1
22.1
输入xi
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
输出yi
2.2
4.8
7.6
9.9
12.6
15.2
17.8
20.1
22.1
输入xi
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
输出yi
2.2
4.8
7.6
9.9
12.6
15.2
17.8
20.1
22.1
位移mm
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
电压V
2.2
4.8
7.6
9.9
12.6
15.2
17.8
20.1
22.1
8.根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线，利用端基一致拟合直线计算灵敏度S：
S=ΔV/ΔX。
如图所示，由题给数据描点用光滑曲线连接得实际特性曲线，连接实际特性曲线两端点得端基一致拟合直线。
拟合直线的斜率即为灵敏度S的近似值，即
S=（22.1-2.2）/（0.9-0.1）=24.875
附：
输出标称范围A=22.1-2.2=19.1，实际特性曲线与拟合直线y=24.875x-0.2875的最大偏差为B≈0.675（大约在x=0.7处），该装置的非线性度定义为B与A的百分比，即
非线性度=（B/A）×100%=（0.675/19.9）×100%=3.534%
注意事项：
1.实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。
2.由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。
3.做单臂电桥实验时，由于应变片的零飘和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零飘值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路必然会出现输出电压漂移现象，这是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的飘移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。
4.因为是小信号测试，所以调零后电压表应置2V档，实验中要尽量避免外界信号干扰。
实验思考题
1.为减少误差，在分析实验数据时应采用作图法，即绘制V-X曲线，如何利用V-X曲线获得应变片的灵敏度？
答：
（1）对V-X曲线将起点和终点相连接即可得端基一致拟合直线，拟合直线的斜率即为灵敏度S的近似值。
（2）连接实际特性曲线上的每相邻两点作折线，对每小折线段的斜率求和再取平均值即可作为灵敏度S的近似值。
2.从理论上讲，重复多次测量所得V-X曲线应该是重合的，但每两次实际测量所得V-X曲线并不重合，试分析其原因。
答：
主要是由于重复性误差所造成的。
3.试给出单臂电桥、双臂电桥、全桥的电路图。
为什么在工作实践中应尽可能采用双臂电桥或者全桥？
电涡流式传感器转速测量实验
实验目的
1．掌握电涡流式传感器工作原理；初步掌握电涡流传感器在转速测量中的应用；学习实验现象的理论分析方法。
2．本次实验是为加强学生对电涡流传感器工作原理及其应用的认识与了解而设置。
通过本次实验，同时要求学生初步掌握相关理论分析方法。
实验内容提要
1.观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。
2.观察电涡流式传感器的外形结构。
3.联接主机与模块电路，调节模块的相应参数。
4.调节电机转速，根据示波器显示波形调整线圈与电机叶片相对位置。
5.测量电机转速。
实验步骤：
1.连接主机与实验模块电源，并在主机上的振动圆盘旁的支架上安装好电涡流传感器，按图接好实验线路。
图6主机与模块电路连接示意图
2.电涡流传感器的安装：
将电涡流支架顺时针旋转约700，安装于电机叶片之上，线圈尽量靠近叶片，以不碰擦为标准，线圈面与叶片保持平行。
3.实验装置的调整：
开启主机电源，调节电机转速，根据示波器波形调整电涡流线圈与电机叶片的相对位置，使波形较为对称。
4.仔细观察示波器中两相邻波形的峰值，如有差异则是电机叶片不平行或是电机振动所致，可利用实验法测得特性曲线大致判断叶片的不平行度。
5.实际测量时，用电压/频率表2kHz档测得信号的频率，再计算电机转速。
本实验转速计算方法为：
转速=频率表显示值÷2。
实验主要要求及注意事项
1.实验仪器设备的正确联接。
2.正确理解电涡流传感器基本工作原理，要求在实验报告中给出电涡流传感器基本工作原理图和原理分析。
3.要求在实验报告中给出电涡流传感器转速测量原理图和原理分析。
（电涡流传感器转速测量实验线路图）
电涡流式传感器测转速原理分析：
电涡流式传感器测量叶轮转速原理图及测量电路方框图分别如上图所示。
设有n片叶轮，当叶轮转动时，检测线圈输出信号随叶轮转动成周期变化，由此可通过检测电路测得其频率为f）。
f单位为Hz时，则转速v=f/n（r/s）。
4.正确完成实验，记录数据并进行分析。
频率Hz
20
35
55
70
89
160
转速r/s
10
17.5
27.5
35
44.5
80
注：
本实验中叶轮数为n=2。
5.实验中特别要注意观察并记录示波器上波形的变化。
实验思考题
1.本实验中，电机叶片为铁质，如果将电机叶片换为铜质对本实验的实验结果会不会有影响？
如果换成塑料的会不会有影响？
为什么？
答：
如果将电机叶片换为铜质对本实验的实验结果不会有影响。
这是因为金属材质均可产生电涡流效应。
本实验只检测电涡流信号的频率，利用频率计算电机转速。
换为铜质材料后电涡流信号的幅值会产生变化，但其频率只与电机转速有关与材质无关，所以频率保持不变，因而对实验结果不会有影响。
如果换成塑料的则不会产生电涡流效应，实验无输出信号，因而会有影响
2.在用示波器观察波形时，波形很不规则，或有很多锯齿，为什么？
试分析其原因。
怎样才能消除锯齿？
答：
原因有多种。
主要是因为叶片不均匀或不对称、电机转动不稳定、电机主轴中心线与电涡流线圈中心线不平行（如：
安装时电涡流线圈截面与叶片平面不平行等造成）、实验平台震动等。
实验中注意对以上诸因素进行调整基本可消除不规则和锯齿现象。
电容式传感器性能实验
实验目的：
1.掌握电容式传感器基本原理。
2.掌握传感器特性测试的基本方法。
3.掌握传感器特性分析的基本方法。
4.本次实验是为加强学生对电容传感器工作原理及其性能的认识与了解而设置。
通过本次实验，同时要求学生初步掌握相关理论分析方法。
实验内容：
1．观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。
2.观察位移式差动电容传感器基本结构。
3.观察差动电容传感器检测电路。
4.利用CSY2001传感器综合实验台及相应模块测试位移式差动电容传感器的输出，利用电压表测量电桥输出信号，读取并记录数据，绘制实际输入—输出特性曲线。
5.进行位移式差动电容传感器基本特性分析。
实验设备和工具
1.CSY2001型传感器综合实验台，如图4所示；
2.电容式传感器实验模块、示波器。
实验原理
差动式平行{同轴}变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化，如图5所示。
图4CSY2001型传感器综合实验台
图5差动电容传感器检测电路
实验要求
1.正确认识实验仪器设备的功能与使用方法。
2.正确观察、记录实验数据与曲线。
3.正确进行相关理论分析。
4.实验报告完整无误。
主要包括：
实验仪器设备的使用、实验数据与曲线、理论分析、回答思考题、总结收获。
实验步骤
1.观察实验台及位移式差动电容传感器基本结构，观察电容传感器结构：
传感器由一组动片和两组定片组成，{一个动极与两个定级组成}，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图5接好实验线路，增益不宜太大。
2.分析位移式差动电容传感器基本工作原理。
3.分析位移式差动电容传感器基本检测电路。
4.正确联接实验仪器设备。
5.打开主机电源，进行增益与零点调零：
用测微仪带动传感器动片{极}位移至两组定片{极}中间，{调整调零电器}，此时模块电路输出为零。
6.向上{左}和向下{右}位移动片{极}，每次0.5mm，直至动片{极}静{极}片完全重合为止，记录数据，作出V-X曲线，求出灵敏度。
Xmm
V0（v）
7.移开测微仪，{在振动平台旁的安装支架上装上电容传感器，在振动平台上装好传感器动极}，在平台上用加减砝码的方法带动电容动片位移，比较两种实验方法的结果，并分析原因。
8.计算该位移式差动电容传感器的非线性度和灵敏度。
注意事项：
1.电容动片与定片之间距离须相等{动极须位于环型定极中间}，必要时可作调整，实验时电容不能发生擦片，否则信号会发生突变。
2.电容动片是由悬臂梁带动的，由于钢梁弹性恢复的滞后，实验时虽然测微仪刻度回到初始位置，但实验模块输出电压并不一定回到零位，此时可反复几次反方向旋动测微仪，使输出电压过零后再回到初始位置，开始反方向的实验。
思考题
为什么变面积式电容式传感器从原理上可以设计为线性的，而变气隙式电容式传感器则具有非线性性？
如何改善变气隙式电容式传感器的非线性性？
霍尔式传感器直流激励特性实验
实验目的
1.掌握霍尔式传感器基本原理。
2.掌握传感器特性测试的基本方法。
3.掌握传感器特性分析的基本方法。
实验原理
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。
霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。
实验仪器设备
霍尔传感器、直流稳压电源（2V）、霍尔传感器实验模块、电压表、螺旋测微仪
实验内容
1、安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，霍尔元件另一激励端接地，实验接线按图所示，差动放大器增益10倍左右。
2、用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。
3、从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：
Xmm
0
V0mv
0
4、根据上表测得的实验数据，作出V-X曲线，求得灵敏度和线性工作范围。
如出现非线性情况，请查找原因。
图1V-X曲线图
数据分析如下：
该传感器的灵敏度为：
该传感器的线性工作范围为：
实验要求
1、正确认识实验仪器设备的功能与使用方法。
2、正确观察、记录实验数据与曲线。
3、正确进行相关理论分析。
4、实验报告完整无误。
主要包括：
实验仪器设备的使用、实验数据与曲线、理论分析、回答思考题、总结收获。
注意事项
1.、直流激励电压只能是2V，不能接+2V（4V）否则锑化铟霍尔元件会烧坏。
2、实验过程中连接电路时应注意断开电源再连接线路。
3、实验模块的电源线的连接注意连接方向。
实验思考题
1、霍尔式传感器如果增大直流激励电源电压，对测得的传感器静态特性会有什么影响？
2、霍尔式传感器直流激励和交流激励一般采用什么样的叠加形式？
为什么要叠加？
2、磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。
磁阻效应与霍尔效应的主要区别在哪里？
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