传感器实验剖析.docx

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传感器实验剖析

*实验一应变片单臂、半桥、全桥特性比较

一、实验目的：

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

二、基本原理：

如图4（a）、（b）、（c）为应变片单臂、半桥和全桥测量电路原理图。

它们输出电压分别为：

a）单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R4＋△R4）／（R4＋△R4＋R3）－R1／（R1＋R2）〕E

＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E

设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。

则Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图4应变测量电路

三、需用器件与单元：

机头中的应变梁、振动台；主板中的F/V电压表、±4V电源、箔式应变片输出口、电桥、差动放大器；砝码。

四、实验步骤：

四、需用器件与单元介绍：

熟悉需用器件与单元在传感器箱中机头与主板的布置位置（参阅以上说明书二、实验箱组成图）。

1、图1—4为主板中的电桥单元。

图中：

⑴菱形虚框为无实体的电桥模型（为实验者组桥参考而设，无其它实际意义）。

⑵R1=R2=R3=350Ω是固定电阻，为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻。

⑶W1电位器、r电阻为电桥直流调节平衡网络，W2电位器、C电容为电桥交流调节平衡网络。

图1—4电桥单元

2、图1—5为主板中的差动放大器单元。

图中：

左图是原理图。

其中：

IC1-1AD620是差动输入的测量放大器（仪用放大器）；

IC1-2为调零跟随器。

右图为实验面板图。

图1—5差动放大器原理与面板图

五、实验步骤：

1、在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用4

位数显万用表2kΩ电阻档测量所有

应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提振动台）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况（标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片）。

如下图1—6所示。

图1—6观察应变片阻值变化情况示意图

2、差动放大器调零点：

按图1—7示意接线。

将F／V表的量程切换开关切换到2V档，

合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。

差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。

图1—7差放调零接线图

3、应变片单臂电桥特性实验：

⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片（标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片）与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接±4V直流电源，另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端，将W1电位器、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中（W1电位器二固定端接电桥的±4V电源端、W1的活动端r电阻接电桥的输出端），如图1—8示意接线（粗细曲线为连接线）。

图1—8应变片单臂电桥特性实验接线示意图

⑵检查接线无误后合上主电源开关，在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流

调节平衡网络W1电位器，使电压表显示为0或接近0（有小的起始电压也无所谓，不影响应

变片特性与实验）。

⑶在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码（20g／只），读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，记下实验数据填入表1。

表1应变片单臂电桥特性实验数据

重量（g）

单臂电压（mV）

半桥电压（mV）

全桥电压（mV）

根据得的结果进行单臂、半桥和全桥输出的灵敏度和非线性度分析比较（注意：

实验的放大器增益必须相同）。

实验完毕，关闭电源。

实验二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、基本原理：

差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。

差动变压器的结构如图

12—1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。

差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。

由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图12—2所示。

图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：

L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，

图12—1差动变压器的结构示意图图12—2差动变压器的等效电路图

两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。

由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。

同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。

因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

由图12—2可以看出一次绕组的电流为：

二次绕组的感应动势为：

 由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：

其有效值为：

差动变压器的输出特性曲线如图12—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。

其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。

Eo为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。

零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

为了减小零点残余电动势可采取以下方法：

图12—3 差动变压器输出特性

1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。

磁性材料要经过处理，

消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。

2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。

既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。

3、采用补偿线路减小零点残余电动势。

图12—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。

在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。

（a）（b）（c）

图12—4 减小零点残余电动势电路

三、需用器件与单元：

机头静态位移安装架、传感器输入插座、差动变压器、测微头、主板音频振荡器、电感输出口、双踪示波器（自备）。

四、实验步骤：

1、将差动变压器和测微头安装在机头的静态位移安装架上，如下图12－5，Li为初级线圈（一次线圈）；Lo1、Lo2为次级线圈（二次线圈）；＊号为同名端。

差动变压器的原理图参阅图12—2。

2、按图12—5示意接线，差动变压器的原边Li的激励电压（绝对不能用直流电压激励）必须从主板中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上主电源开关，调节音频振荡器的频率为3～5KHz（可输入到频率表10K档来监测或示波器上读出）的任一值；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（示波器第一通道监测）。

图12—5差动变压器性能实验安装、接线示意图

3、差动变压器的性能实验：

使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用如下a、b两种方法实验（建议用b方法可以看到死区范围）。

a、调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。

松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉。

仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值（零点残余电压）并定为位移的相对零点。

这时可假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最小开始旋动测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm（可取30点值）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表4，再将测位头位移退回到Vp-p最小处开始反方向（也取30点值）做相同的位移实验。

在实验过程中请注意：

⑴从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点粗大误差继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。

⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化（没有回到原来起始位置）是正常的，做实验时位移取相对变化量△X为定值，与测微头的起始点定在哪一根刻度线上没有关系，只要中途测微头微分筒不回调就不会引起机械回程误差。

b、调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。

松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉，再顺时针方向转动测微头的微分筒12圈，记录此时的测微头读数和示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）值为实验起点值。

以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒，每隔

△X=0.2mm（可取60～70点值）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表12（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差）。

4、根据表12数据画出X－Vp-p曲线并回答差动变压器的零点残余电压大小？

实验完毕，关闭电源。

表12差动变压器性能实验数据

△X（mm）

Vp-p（mV）

五、思考题：

1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

2、用直流电压激励会损坏传感器。

为什么？

3、如何理解差动变压器的零点残余电压？

用什么方法可以减小零点残余电压？

实验三激励频率对差动变压器特性的影响

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。

二、基本原理：

差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：

=

表示,式中Lp、Rp为初级线圈电感和损耗电阻，

、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2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。

三、需用器件与单元：

机头静态位移安装架、传感器输入插座、差动变压器、测微头、主板音频振荡器、电感输出口、双踪示波器（自备）。

四、实验步骤：

1、差动变压器及测微头的安装、接线同实验十二、图12—5。

2、检查接线无误后，合上主电源开关，调节音频振荡器LV输出频率为1KHz（用示波

器，也可用F／V表的量程切换开关切到20K档监测频率），Vp-p＝2V（示波器监测）。

调节测微头使差动变压器衔铁明显偏离位移中点位置，即差