太原理工大学传感器实验报告2.docx

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太原理工大学传感器实验报告2

实验报告□实践报告□

课程名称：

实验、实践名称：

实验、实践地点：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

年月日

一、实验名称

1.移相器、相敏检波器实验

2.应变片交流全桥的应用（应变仪）—振动测量实验

3.压阻式压力传感器测量压力特性实验

二、实验目的与基本要求

1.了解移相器、相敏检波器的工作原理。

2.了解利用应变交流电桥测量振动的原理与方法

3.了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。

三、实验原理

1、移相器工作原理

图7—1为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。

图中，IC-1、R1、R2、R3、C1

图7—1移相器原理图与模板上的面板图

构成一阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：

KF1（jω）=Vi/V1=-（1-jωR3C1）/（1+jωR3C1）

KF1（ω）=1

ΦF1（ω）=-л-2tg-1ωR3C1

其中：

ω=2лf,f为输入信号频率。

同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：

KF2（jω）=Vo/V1=-（1-jωRwC3）/（1+jωRwC3）

KF2（ω）=1

ΦF2（ω）=-л-2tg-1ωRwC3

由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。

根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。

显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：

即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1

若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：

ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3

已知R3=10kΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定，即

可计算出图7—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。

2、相敏检波器工作原理：

图7—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验模板上的面板图。

图中，AC为交流参考电压输入端，DC为直流参考电压输入端，Vi端为检波信号输入端，Vo端为检波输出端。

图7—2相敏检波器原理图与模板上的面板图

原理图中各元器件的作用：

C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V～-14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0～-14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。

关键点：

Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。

当V7＝0V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。

相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。

下图7—3为相敏检波器的工作时序图。

图7—3相敏检波器工作时序图

2.应变片交流全桥的应用（应变仪）—振动测量实验

图8—1是应变片测振动的实验原理方块图。

当振动源上的振动台受到F（t）作用而振动，使粘贴在振动梁上的应变片产生应变信号dR/R，应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波，再经差动放大器放大为u1（t），u1（t）经相敏检波器检波解调为u2（t），u2（t）经低通滤波器滤除高频载波成分后输出应变片检测到的振动信号u3（t）（调幅波的包络线），u3（t）可用示波器显示。

图中，交流电桥就是一个调制电路，W1（RW1）、r（R8）、W2（RW2）、C是交流电桥的平衡调节网络，移相器为相敏检波器提供同步检波的参考电压。

这也是实际应用中的动态应变仪原理。

图8—1应变仪实验原理方块图

3.压阻式压力传感器测量压力特性实验

扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N型电阻条）组成电桥。

在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。

图9—1为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。

图9—1压阻式压力传感器压力测量实验原理

四、实验仪器

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器；移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；双踪示波器（自备）；压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。

。

五、实验步骤

1.移相器、相敏检波器实验

（一）移相器实验

1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图7—4示意接线，

检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节音频振荡器的频率（用示波器测量）为ｆ=1kHz，幅度适中（2V≤Vp-p≤8V）。

图7—4移相器实验接线图

2、正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它设置（提示：

触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO。

垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内选择），调节移相器模板上的移相电位器（旋钮），用示波器测量波形的相角变化。

3、调节移相器的移相电位器（逆时针到底0kΩ～顺时针到底10kΩ变化范围），用示波器可测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）和移相范围△ΦＦ。

4、改变输入信号频率为ｆ=9kHz，再次测试相应的ΦＦ和△ΦＦ。

测试完毕关闭主电源。

（二）相敏检波器实验

1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档。

按图7—5示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量）；结合相敏检波器工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系（跟随关系，波形相同）。

＊提示：

示波器设置除与

（一）移相器实验2中的垂直输入耦合方式选择直流耦合DC外，其它设置都相同；但当CH1、CH2输入对地短接时，将二者光迹线移动到显示屏中间（居中）后再进行测量波形。

图7—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图

2、将相敏检波器的DC参考电压改接到-2V（-Vout），调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示的两个波形幅值相等（相敏检波器电路已调整完毕，以后不要触碰这个电位器钮），观察相敏检波器的输入、输出波形关系（倒相作用，反相波形）。

关闭电源。

3、按图7—6示意图接线，合上主机箱电源，调节移相电位器钮（相敏检波器电路上一步已调好不要动），结合相敏检波器的工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。

注：

一般要求相敏检波器工作状态Vi检波信号与参考电压AC相位处于同相或反相。

图7—6相敏检波器检波实验接线示意图

4、将相敏检波器的AC参考电压改接到180°，调节移相电位器，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。

关闭电源。

2.应变片交流全桥的应用（应变仪）—振动测量实验

1、相敏检波器电路调试：

正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它设置（提示：

触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO。

垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内选择）并将光迹线居中（当CH1、CH2输入对地短接时）。

调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档。

按图8—2示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=1kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量）；调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形（相敏检波器电路已调整完毕，以后不要触碰这个电位器钮）。

相敏检波器电路调试完毕，关闭电源。

图8—2相敏检波器电路调试接线示意图

2、将主机箱上的音频振荡器、低频振荡器的幅度逆时针慢悠悠转到底（无输出），再按图8—3示意接线（接好交流电桥调平衡电路及系统，应变传感器实验模板中的R8、RW1、C、RW2为交流电桥调平衡网络，将振动源上的应变输出插座用专用连接线与应变传感器实验模板上的应变插座相连，因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，直接接入实验模板上已与电桥模型相连的应变插座上。

电桥模型二组对角线阻值均为350Ω，可用万用表测量）。

图8—3应变交流全桥振动测量实验接线示意图

注：

传感器专用插头（黑色航空插头）的插、拔法：

插头要插入插座时，只要将插头上的凸锁对准插座的平缺口稍用力自然往下插；插头要拔出插座时，必须用大姆指用力往内

按住插头上的凸锁同时往上拔。

3、调整好有关部分，调整如下：

（1）检查接线无误后，合上主机箱电源开关，用示波器监测音频振荡器Lv的频率和幅值，调节音频振荡器的频率、幅度使Lv输出1kHz左右，幅度调节到10Vp-p（交流电桥的激励电压）。

（2）用示波器监测相敏检波器的输出（图中低通滤波器输出中接的示波器改接到相敏检波器输出），用手按下振动平台的同时（振动梁受力变形、应变片也受到应力作用）仔细调节移相器旋钮，使示波器显示的波形为一个全波整流波形。

（3）松手，仔细调节应变传感器实验模板的RW1和RW2（交替调节）使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅值更小，趋向于无波形接近零线。

4、调节低频振荡器幅度旋钮和频率（8Hz左右）旋钮，使振动平台振动较为明显。

拆除示波器的CH1通道，用示波器CH2（示波器设置：

触发源选择内触发CH2、水平扫描速度TIME/DIV在50mS～20mS范围内选择、触发方式选择AUTO；垂直显示方式为显示CH2、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、垂直显示灵敏度VOLTS/DIV在0.2V～50mV范围内选择）分别显示观察相敏检波器的输入Vi和输出Vo及低通滤波器的输出Vo波形。

5、低频振荡器幅度（幅值）不变，调节低频振荡器频率（3Hz～25Hz），每增加2Hz用示波器读出低通滤波器输出Vo的电压峰－峰值，填入表8画出实验曲线，从实验数据得振动梁的谐振频率为。

实验完毕，关闭电源。

表8应变交流全桥振动测量实验数据

f（Hz）

Vo（p-p）

3.压阻式压力传感器测量压力特性实验

1、按9—2示意图安装传感器、连接引压管和电路：

将压力传感器安装在压力传感器实验模板的传感器支架上；引压胶管一端插入主机箱面板上的气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连；压力传感器引线为4芯线（专用引线），压力传感器的1端接地，2端为输出Vo＋，3端接电源＋4V，4端为输出Vo－。

具体接线见图9—2。

图9—2压阻式压力传感器测压实验安装、接线示意图

2、将主机箱中电压表量程切换开关切到2V档；可调电源±2V～±10V调节到±4V档。

实验模板上RW1用于调节放大器增益、RW2用于调零，将RW1调节到的1／3位置（即逆时针旋到底再顺时针旋3圈）。

合上主机箱电源开关，仔细调节RW2使主机箱电压表显示为零。

3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。

4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。

5、仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在2kPa～18kPa之间变化（气压表显示值），每上升1kPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表8。

表8压阻式压力传感器测压实验数据

P（kPa）

Vo（p-p）

6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。

7、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法采用逼近法：

输入4kPa气压，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.3V（有意偏小），当输入16kPa气压，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.3V（有意偏小）；再调气压为4kPa，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.35V（有意偏小），调气压为16kPa，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.4V（有意偏小）；这个过程反复调节直到逼近自己的要求（4kpa对应0.4V，16kpa对应1.6V）即可。

实验完毕，关闭电源。

六、实验结论：

七、思考题：

1.通过移相器、相敏检波器的实验是否对二者的工作原理有了更深入的理解。

作出相敏检波器的工作时序波形，能理解相敏检波器同时具有鉴幅、鉴相特性吗?