实验指导书正文.docx
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实验指导书正文
实验一电阻式传感器的单臂电桥性能实验
一、实验目的
1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。
2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。
3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元
电阻应变式传感器、电阻与霍尔式传感器转换电路板（调零电桥）、差动放大器、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：
ΔR/R＝Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/L。
通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。
2、电阻应变式传感如图1-1所示。
传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。
1─外壳2─电阻应变片3─测杆4─等截面悬臂梁5─面板接线图
图1-1电阻应变式传感器
3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R1、R2、R3为固定，R为电阻应变片，输出电压UO＝EKε，E为电桥转换系数。
图1-2电阻式传感器单臂电桥实验电路图
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。
将测微器装入位移台架上部的开口处，将测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆磁钢吸合，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。
2、将实验箱（实验台内部已连接）面板上的±15V和地端，用导线接到差动放大器上；将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（实验台为增益旋钮）顺时针旋到终端位置。
3、用导线将差动放大器的正负输入端短接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；电压量程切换开关拨至20V档；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后切换到2V量程档，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。
4、按图1-2接线，R1、R2、R3（电阻传感器部分固定电阻）与一个的应变片构成单臂电桥形式。
5、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。
分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。
表1-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表1-1中的实验数据，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、传感器的输入电压能否从＋5V提高到＋10V？
输入电压的大小取决于什么？
3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。
实验二电阻式传感器的半桥性能实验
一、实验目的
掌握半桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元
同实验一。
三、实验原理及电路
将两个受力方向不同的应变片电阻分别接入电桥的两个相邻桥臂，组成半桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度提高，非线性得到改善。
实验电路图见图2-1，当两个应变片的阻值和应变量相同时，半桥输出电压UO＝2EKε
四、实验步骤
1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。
2、按图2-1接线，将两个受力方向相反的应变片接入电桥中。
图2-1电阻式传感器半桥实验电路
3、调节电桥平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。
分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。
表2-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表2-1的实验数据，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、进行半桥测量时，接入的两个应变片电阻的受力方向为什么必须相反？
实验三电阻式传感器的全桥性能实验
一、实验目的
掌握全桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元
同实验一。
三、实验原理及电路
将四个应变片电阻分别接入电桥的四个桥臂，两相邻的应变片电阻的受力方向不同，组成全桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度进一步提高，非线性得到改善。
实验电路图见图3-1，全桥的输出电压UO＝4EKε
四、实验步骤
1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。
2、按图3-1接线，将四个应变片接入电桥中，注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。
图3-1电阻式传感器全桥实验电路
3、调节电桥平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。
分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。
表3-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表3-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、全桥测量时，四个应变片电阻是否必须全部一样？
实验四电阻式传感器的单臂、半桥、全桥性能比较实验
一、实验目的
比较半桥、全桥形式输出时的灵敏度和非线性度。
二、实验所用单元
同实验一。
三、实验报告
1、按实验一、实验二、实验三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性误差，从理论上进行分析比较，注意实验一、实验二和实验三中的放大器增益必须相同。
2、若要提高系统的灵敏度，除了采用不同的桥路形式外，还能采用什么措施？
实验五电阻式传感器的振动实验
一、实验目的
了解电阻应变式传感器的动态特性。
二、实验所用单元
电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器、低通滤波器、连桥板、连接杆（螺丝）、直流稳压电源、低频振荡器、振动台、示波器。
三、实验原理及电路
将电阻式传感器与振动台相连，在振动台的带动下，可以观察电阻式传感器动态特性，电路图如图5-1。
图5-1电阻式传感器振动实验电路图
四、实验步骤
1、固定好振动台，将电阻应变式传感器置于振动台边的桌面上，将振动连接杆与电阻应变式传感器测杆上的磁钢吸合。
2、按照图5-1接线，将四个应变片接入电桥中，组成全桥形式，并将桥路输出与示波器探头相连，低频振荡器输出接振动台小板上的振荡线圈。
3、接通电源，调节低频振荡器的振幅与频率以及示波器的量程，观察输出波形。
实验六电阻式传感器的电子秤实验*
一、实验目的
1、进一步掌握电阻应变式传感器的特性。
2、了解电阻应变式传感器在称重仪器中的应用。
二、实验所用单元
电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、振动台、砝码。
三、实验原理及电路
由于电阻式传感器的输出与位移成正比，利用弹性材料的特性，可以使电阻式传感器输出与质量成线性关系，由此可以进行质量的测量。
在本实验中可以利用振动台的振动梁作为弹性部件。
四、实验步骤
1、根据实验一至实验五的实验内容设计电子秤实验的实验装置。
2、调节差动放大器的零点与增益，调节该电子秤实验装置的零点与量程，注意确定量程时不要超出电阻式传感器的线性范围，并使砝码质量与输出电压在数值上有直观的联系。
3、根据所确定量程，逐次增加砝码的质量，将质量与输出电压记入下表。
表6-1
M（g）
0
UO（mV）
0
三、实验报告
1、根据表6-1中的实验数据，计算该电子秤装置的精度。
2、若要增加电子秤装置的量程，可以采取哪些措施？
实验七变面积式电容传感器特性实验
一、实验目的
1、了解变面积式电容传感器的基本结构。
2、掌握变面积式电容及二极管环形电桥的工作原理。
3、掌握变面积式电容传感器的调试方法。
二、实验所用单元
电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、实验电路框图如图7-1所示。
电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器放大后，用数字电压表显示出来。
图7-1电容式传感器实验电路框图
2、图7-1中的电容转换电路图如图7-2所示。
图中的信号发生器用于产生方波信号。
电容转换由二极管环形电桥完成，二极管环电桥工作原理如图7-3所示。
固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升沿，C0被充电，充电途径是VD3→C0；与此同时，Cx1也被充电，其充电途径是C9→VD5→Cx1。
在方波的下降沿，C0和Cx1都放电，C0的放电途径是C0→VD4→C9；Cx1的放电途径是Cx1→VD6。
由于C9在一个周期内的充电和放电平均电流分别为：
IU＝fVPCx1和ID＝fVPC0，式中f是脉冲频率，VP为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I＝ID－IU＝fVP（C0-Cx1）。
从该式中可以看出电容的变化与AB间的电路成正比。
在图7-2中，增加了L1、L2、C10和R6。
L1和L2对高频方波的阻抗很大，而直流电阻很小，与R6一起形成了A、B间的直流通路，使充放电流的直流分量得以通过。
C10用作滤波。
这样在R6两端就有与电容变化量成正比的直流电压输出。
图7-2电容转换电路原理图
图7-3二极管环形电桥原理图
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。
将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器动极旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且静极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。
2、差动放大器调零（参见实验一）。
3、按图7-2接线，将可变电容Cx1与固定电容C0接到实验板上，位移台架的接地孔与转换电路板的地线相连。
4、接通电源，调节测微器使输出电压UO接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200～400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压UO记入下表中。
表7-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表7-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、本实验的灵敏度和线性度取决于哪些因素？
实验八差动式电容传感器特性实验
一、实验目的
1、了解差动式电容传感器的基本结构。
2、掌握差动式电容传感器的调试方法。
二、实验所用单元
电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
实验电路框图如图8-1所示。
与实验七不同之处在于接入电容转换电路的两个电容都为可变电容，当电容传感器的动极移动时，两个电容的电容量都发生变化，但变化方向相反，这样就构成差动式的电容传感器。
图8-1电容式传感器实验电路框图
四、实验步骤
按照实验七的步骤进行实验，注意接入电路板的两个电容为Cx1和Cx2。
将实验结果记入下表中。
表8-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表8-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、试比较差动式和变面积式两种电容传感器的优劣。
实验九电容传感器的振动实验
一、实验目的
了解电容式传感器的动态特性。
二、实验所用单元
电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器、连桥板、连接杆（螺丝）、低通滤波器板、直流稳压电源、低频振荡器、振动台、示波器。
三、实验原理及电路
将电容式传感器与振动台相连，在振动台的带动下，可以观察电容式传感器动态特性，电路图如图9-1。
图9-1电容式传感器振动实验电路框图
四、实验步骤
1、固定好振动台，将电容式传感器置于振动台边桌面上，将振动连接杆与电容式传感器的测杆适度旋紧。
再将连桥板一端吸在振动台上方的磁钢上，另一端用磁钢与连接杆吸合，再调节连接杆与测杆使传感器动极与静极基本平齐。
2、按照图9-1接线，将转换电路输出与示波器探头相连，低频振荡器输出接振动台小板上的振荡线圈。
3、接通电源，调节低频振荡器的振幅与频率及示波器的量程和差动放大器的增益，观察输出波形。
实验十电容传感器的电子秤实验*
一、实验目的
1、进一步掌握电容式传感器的特性。
2、了解电容式传感器在称重仪器中的应用。
二、实验所用单元
电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、振动台、砝码。
三、实验原理及电路
由于电容式传感器的输出与位移成正比，利用弹性材料的特性，可以使电容式传感器输出与质量成线性关系，由此可以进行质量的测量。
在本实验中可以利用振动台的振动梁作为弹性部件。
四、实验步骤
1、根据实验七及实验八的实验内容设计电子秤实验的实验装置。
2、调节差动放大器的零点与增益，调节该电子秤实验装置的零点与量程，注意确定量程时不要超出电容式传感器的线性范围，并使砝码质量与输出电压在数值上有直观的联系。
3、根据所确定量程，逐次增加砝码的质量，将质量与输出电压记入下表。
表10-1
M（g）
0
UO（mV）
0
三、实验报告
根据表6-1中的实验数据，计算该电子秤装置的精度。
实验十一差动变压器的特性实验
一、实验目的
1、了解差动变压器的基本结构。
2、掌握差动变压器及整流电路的工作原理。
3、掌握差动变压器的调试方法。
二、实验所用单元
电感式传感器、电感式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
1、差动变压器由一个初级线圈和两个次级线圈及一个铁芯组成，当铁芯移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化使次级线圈的感应电势产生变化，一个次级线圈的感应电势增加，另一个则减少，将两个次级线圈反向串接，就可以引出差值输出，其输出电势反映出铁芯的位移量。
2、差动变压器实验电路图如图11-1所示。
图11-1差动变压器实验电路图
传感器的两个次级线圈（N2、N3）电压分别经UR1、UR2两组桥式整流电路变换为直流电压，然后相减，经过差动放大器放大后，由电压表显示出来。
R1、R2为两桥臂电阻，RP1为调零电位器，R3、R4、C1组成滤波电路，R5为负载电阻，采用这种差动整流电路可以减少零点残余电压。
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电感式传感器置于位移台架上。
调节测微器使其指示15mm左右，将测微器装入台架上部的开口处，再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使可动铁芯上的刻线与传感器相平，注意要使铁芯能在传感器中轻松滑动，再将两个滚花螺母旋紧。
2、差动放大器调零（参见实验一）。
3、按图11-1将信号源的两输出端A、B接到传感器的初级线圈N1上，传感器次级线圈N2、N3分别接到转换电路板的C、D与H、I上，并将F与L用导线连接，将差动放大器与数字电压表连接好。
这样构成差动变压器实验电路。
4、接通电源，调节信号源输出幅度电位器RP1到较大位置，平衡电位器RP2处于中间位置，调节测微器使输出电压接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益使输出电压的值为300mV左右，再回调测微器使输出电压为0mV。
此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X和对应的输出电压UO记入下表。
表11-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表11-1，画出输入/输出特性曲线，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、分析为什么采用差动整流电路可以减少零点残余电压？
实验十二自感式差动变压器的特性实验
一、实验目的
1、了解自感式差动变压器的基本结构。
2、掌握自感式差动变压器及整流电路的工作原理。
3、掌握自感式差动变压器的调试方法。
二、实验所用单元
电感式传感器、电感式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路
自感式差动变压器电路图如图12-1所示。
图12-1自感式差动变压器实验电路图
传感器的两个次级线圈（N2、N3）作为交流电桥的两个桥臂，R1、R2为另外两个桥臂，D1、D2、D3、D4组成相敏整流器，A、B之间输入交流电压，M、N之间输出脉动直流电压，经R3、R4、C1滤波后输出直流电压。
四、实验步骤
1、按实验十一的步骤1和2进行操作。
2、按图12-1将信号源的A端接至次级线圈N2、N3的中间连线点，B端接至L，N2上端接E点，N3下端接G点，B与L、J与M、K与N连接，差动放大器与电压表接线不变，这样构成自感式差动变压器实验电路。
3、按实验十一的步骤4进行实验，将实验结果记入下表。
表12-1
X（mm）
0
UO（mV）
0
五、实验报告
1、根据表12-1，画出输入/输出特性曲线
，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、比较差动变压器和自感式差动变压器的灵敏度和线性度。
实验十三差动变压器的性能实验
一、实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、实验所用单元
电感式传感器、音频振荡器、直流稳压电源、位移台架、测微器、频率与转速表、示波器。
3、实验原理及电路
1、差动变压器由一个初级线圈和两个次级线圈及一个铁芯组成，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，一个次级感应电势增加，另一个感应电势则减少，将两次级线圈反向串接（同名端连接），就可以引出差值输出，其输出电势的大小反应出被测体的移动量。
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电感式传感器置于位移台架上。
调节测微器使其指示15mm左右，将测微器装入台架上部的开口处，再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使可动铁芯上的刻线与传感器相平，注意要使铁芯能在传感器中轻松滑动，再将两个滚花螺母旋紧。
2、根据图13-1接线，音频振荡器信号须从实验台上的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率旋钮，输出频率4～5KHz（可用实验台上的频率表来监测）。
调节幅度电位器旋钮使输出幅度为Vp-p=2V～5V之间（可用示波器监测），将差动变压器的两个次级线圈的同名端相连。
注：
判别初级线圈级次级线圈同名端的方法如下：
设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图13-1接线。
当铁芯左、右移动时，分别观察示波器中显示的初、次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级线圈波形比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别，直到正确为止。
图13-1差动变压器与双线示波器连接示意图
3、将测微器旋至15mm处，使示波器第二通道显示的波形值Vp-p为最小，这时可以进行位移性能实验，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器，每隔0.2mm从示波器上读出电压Vp-p值并填入表13-1中。
再从Vp-p最小处反方向旋转测微器，重复实验过程。
在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。
表13-1
X（mm）
-←
15mm
→+
Vp-p（mV）
最小
五、实验报告
1、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。
根据表13-1画出Vp-p─X曲线（注∶X－与X＋时的Vp-p相位），分析为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。
2、差动变压器的零点残余电压能彻底消除吗？
3、试分析差动变压器与一般变压器的异同？
实验十四激励频率对差动变压器的特性的影响
一、实验目的
了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。
2、实验所用单元
电感式传感器、音频振荡器、直流稳压电源、位移台架、测微器、频率与转速表、示波器。
3、实验原理
差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式：
UO＝────表示，式中Lp、Rp为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2初级与两次级间互感系数，由关式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若R 则输出电压UO受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当时输出UO与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电感式传感器置于位移台架上。
调节测微器使其指示15mm左右，将测微器装入台架上部的开口处，再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使可动铁芯上的刻线与传感器相平，注意要使铁芯能在传感器中轻松滑动，再将两个滚花螺母旋紧。
2、差动变压器接线参考实验13-1。
3、选择音频信号输出频率为1KHz，幅度调节在2～5Vp-p内，从Lv端输出，移动传感器铁芯至中间位置（即输出信号最小的位置）。
4、旋动测微器，每隔0.2mm在示波器第二通道上读取信号电压的Vp-p值，填入下表14-1中。
5、保持输入信号幅度不变，分别改变激励频率为3KHz、5KHz、7KHz、9KHz，重复实验步骤4将结果填入下表14-1中。
表14-1
1
3
5
7
9
五、实验报告
1、作出每一频率是的Vp-p—X曲线，并计算其灵敏度S。
2、画出灵敏度与不同激励频率的关系曲线。
实验十五差动变压器的振动实验*
一、实验目的
了解差动变压器的动态特性。
二、实验所用单元
电感式传感器、差动放大器、低通滤波器、连桥板、连接杆（螺丝）、直流稳压电源、音频与低频振荡器、振动台、示波器。
三、实验原理及电路
将电感式传感器与振动台相连，在振动台的带动下，可以观察电感式传感器动态特性，电路图如图15-1。
图15-1差动变压器振
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