7实验验七 应变差动变压器等基本传感器型物理设计性实验.docx

7实验验七 应变差动变压器等基本传感器型物理设计性实验.docx

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7实验验七应变差动变压器等基本传感器型物理设计性实验

应变、差动变压器等

DH-SJ2基本传感器型物理设计性实验（选做其中部分实验）

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥

实验目的：

了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。

所需模块及仪器设备：

直流恒压源DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。

旋钮初始位置：

直流恒压源DH-VC2±4V档，万用表打到2V档，差动放大增益中间位置。



实验步骤：

1、了解所需模块、器件设备等，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。

上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。

测微头在双平行梁后面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。

安装测微头时，应注意是否可以到达磁钢中心位置；

2、差动放大器调零：

V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，VREF与VREF相连，V+与V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端VP（＋）、反相端VN（－）与地短接。

用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零；

3、根据图1接线R1、R2、R3为电桥模块的固定电阻，R4则为应变片；将直流恒压源的打至±4V档，万用表置20V档。

开启直流恒压源，调节电桥平衡网络中的电位器W1，使万用表显示为零；

图1

4、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使万用表显示最小，再旋动测微头，使万用表显示为零（细调零），并记下此时测微头上的刻度值（要准确无误地读出测微头上的刻度值）。

5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移（X）记下万用表显示的值。

建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：



X（mm）

U（mv）

6、据所得结果计算灵敏度S＝ΔU／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔU为相应万用表显示的电压相应变化）。

7、在托盘未放砝码之前，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。

根据所得结果计算系统灵敏度S=ΔU／ΔW，并作出U-W关系曲线，ΔU为电压变化率，ΔW为相应的重量变化率。

（重量用W表示，电压用U表示，后面所用，与此相同，不再另作说明。

）

W（g）

20

40

60

80

100

120

U（mv）

问题：

（1）本实验电路对直流恒压源和放大器有何要求？



（2）根据原理图，简要分析差动放大器的工作原理。

注意事项：

（1）在记录数据之前，请将测微头调至一个合适位置。

合适位置：

指的是测微头螺杆最长及最短时，万用表示数的范围要足够大。

调节方法：

通过调整测微头支杆座的高度来实现；

（2）在旋转旋钮时，请不要转动测微头支杆。

实验二金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较

实验目的：

验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。



所需模块及仪器设备：

直流恒压源DH-VC2、差动放大器、电桥模块、万用表、测微头及连接件、传感器实验台一、应变片和九孔板接口平台。



旋钮初始位置：



直流恒压源±4V档，万用表打到2V档，差动放大器增益中间位置。



实验步骤：

1、差动放大器调零：

V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，VREF与VREF相连，V+与V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端VP（＋）、反相端VN（－）与地短接。

用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零。



2、按图2接线，图中RX为应变片，r及W1为可调平衡网络。



图2

3、安装和调整测微头到磁钢中心位置并使双平行梁处于水平位置（目测），记下该刻度值，再将直流恒压源打到±4V档。

选择适当的放大增益，然后调节电桥平衡电位器W1，使万用表显示为零。



4、旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭直流恒压源：

X（mm）

U（mv）

5、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与RX工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使万用表显示表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：

X（mm）

U（mv）

6、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成

，R2换成

）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。

接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使万用表显示为零。

重复（4）过程将读出数据填入下表：

X（mm）

U（mv）

7、在同一坐标纸上描出X-U曲线，比较三种接法的灵敏度。



注意事项：



（1）在更换应变片时应将直流恒压源关闭。



（2）在实验过程中如有发现万用表发生过载，应将电压量程扩大。



（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。



（4）直流恒压源为±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。



（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。

实验三移相器实验

实验目的：

了解运算放大器构成的移相电路的原理及工作情况

所需模块及仪器设备：

移相器、频率振荡器DH-WG2（音频振荡器）、直流恒压源、双踪示波器和九孔板接口平台

实验步骤：

1、按图3接线。

图3

2、将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0o、180o插口输出均可）；

3、打开恒压源，将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。

4、旋动移相器上的移相电位器，观察两个波形间相位的变化。

5、改变音频振荡器的频率,观察不同频率的最大移相范围。

问题：

1、试分析本移相器的工作原理及观察到的现象。

提示：

A2、R3、R4、R5、C2超前移相，在R3＝R4=R5时，KF1（jω）=Vo1/Vi1=-（1-jωR3C2）/（1+jωR3C2）,

=1,ΦF1（ω）=-π-tg-12ωR3C2。

A3、R6、R7、Rw、C3滞后移相，在R6＝R7时，KF2（jω）=Vo2/Vi2=（1-jωRwC3）/（1+jωRwC3）,

=1,ΦF2（ω）=-tg-12ωRWC3，ω＝2πf。

分析：

f一定时Rw=0～10KΩ相移Δφ，及Rw一定时，f变化相移Δφ。

2、如果将双踪示波器改为单踪示波器，两路信号分别从Ｙ轴和Ｘ轴送入，根据李沙育图形是否可完成此实验？

实验四相敏检波器实验

实验目的：

了解相敏检波器的原理和工作情况。

所需模块及仪器设备：

相敏检波器、移相器、频率振荡器DH-WG2（音频振荡器）、双踪示波器、直流恒压源DH-VC2、低通滤波器、万用表和九孔板接口平台。

旋钮初始位置:

音频振荡器频率为4KHz，幅度置最小，直流恒压源输出置于±2V档。

实验步骤：

1、根据图4A的电路接线，相敏检波器的V+、V-分别接至DH-VC2的+15V、-15V，GND接GND,将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波器的输入端Vi，把直流恒压源＋2V输出接至相敏检波器的参考输入端DC，把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端Vi和输出端V0组成一个测量线路。

图4A

2、调整好示波器，开启恒压源，调整音频振荡器的幅度峰峰值为4V。

观察输入和输出波的相位和幅值关系。

3、改变参考电压的极性（除去直流恒压源＋2V输出端与相敏检波器参考输入端DC的连线，把直流恒压源的－2V输出接至相敏检波器的参考输入端DC），观察输入和输出波形的相位和幅值关系。

由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出

相，当参考电压为负时，输入和输出相，此电路的放大倍数为倍。

图4B

4、关闭恒压源，根据图4B电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出端输出至相敏检波器的输入端Vi，将从0°输出端输出接至相敏检波器的参考输入端Vr，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入Vi和输出端V0，将相敏检波器输出端V0同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与万用表连接起来，组成一个测量线路。

（此时，万用表置于20V档）。

5、开启恒压源，调整音频振荡器的输出幅度Vip-p，同时记录万用表的读数Vo，填入下表。

单位：

V

Vip-p

Vo

6、关闭恒压源，根据图4C的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出端输

出至相敏检波器的输入端Vi，将180°输出端输出接至移相器的输入端，移相器的输出端接至相敏检波器的参考输入端Vr，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端Vi和输出端V0，将相敏检波器输出端V0同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与万用表连接起来，组成一测量线路。

图4C

7、开启恒压源，转动移相器上的移相电位器，观察示波器上显示的波形及万用表上的读数，使得输出最大。

8、调整音频振荡器的输出幅度，同时记录万用表的读数，填入下表。

单位：

V

Vip-p

V0

思考：

1、根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么?

移相器在实验线路中的作用是什么？

（即参考端输入波形相位的作用）

2、在完成第四步后，将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端Vi和附加观察端

和

，观察波形来回答相敏检波器中的整形电路是将什么波转换成什么波，相位如何？

起什么作用？

3、当相敏检波器的输入与开关信号同相时，输出是什么极性的什么波，万用表的读数是什么极性的最大值。

实验五金属箔式应变片―交流全桥

实验目的：

了解交流供电的四臂应变电桥的原理和工作情况。

所需模块及仪器设备：

频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、万用表、传感器实验台一、应变片、测微头及连接件、直流恒压源、九孔板接口平台和双踪示波器。

旋钮初始位置：

音频振荡器幅度拧至中间位置，万用表打到20V档，差动放大器增益旋至最大。

实验步骤：

1、差动放大器调零：

V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，VREF与VREF相连，V+与V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端VP（＋）、反相端VN（－）与地短接。

用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调节差动放大器的调零旋钮使万用表显示为零。

2、按图5接线，图中R1、R2、R3、R4为应变片；W1、W2、C、r为交流电桥调节平衡网络，电桥交流激励源必须从音频振荡器的LV口引入。

图5

3、用手按住振动梁（双平行梁）的自由端。

旋转测微头使测微头脱离振动梁自由端并远离。

将万用表打至20V档，示波器Ｘ轴扫描时间切换到0.1～0.5ms（以合适为宜），Y轴CH1或CH2打至5V/div，音频振荡器的频率旋钮置5KHz，幅度旋钮置1/4幅度。

开启恒压源，调节电桥网络中的W1和W2，使万用表和示波器显示最小，再把万用表和示波器Y轴的切换开关分别置2V档和50mv/div，细调W1和W2及差动放大器调零旋钮，使万用表的显示值最小，示波器的波形大致为一条水平线（万用表显示值与示波器图形不完全相符时二者兼顾即可）。

再用手按住梁的自由端产生一个大位移。

调节移相器的移相旋钮，使示波器显示全波检波的图形：

放手后，梁复原，示波器图形基本成一条直线。

4、在双平行梁的自由端装上测微头，旋转测微头使万用表显示为零，以后每转动测微头一周即0.5mm，万用表显示值记录下表：

X（mm）

Uo（v）

根据所得数据，作出Uo-X曲线，找出线性范围，计算灵敏度S＝ΔU／ΔX，并与以前直流全桥实验结果相比较。

5、实验完毕，关闭恒压源。

思考：

在交流电桥中，必须有两个可调参数才能使电桥平衡，这是因为电路存在

而引起的。

实验六交流全桥的应用―振幅测量

实验目的：

本实验了解交流激励的金属箔式应变片电桥的应用。

所需模块及仪器设备：

频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、万用表、传感器实验台一、应变片、直流恒压源、频率计、九孔板接口平台和双踪示波器。

旋钮初始位置：

低频振荡器频率置合适位置，幅度为最小，差放增益置合适位置。

实验步骤：

1、按图5接线，并且保持实验

（1）、

（2）、（3）的步骤。

2、将低频振荡器的输出端接至激振输入端，低频振荡器的幅度旋钮置合适位置，并用频率计监测低频振荡器的输出端，开启直流恒压源，双平行梁在振动，慢慢调节低频振荡器频率旋钮，使梁振动比较明显，如梁振幅不够大，可调大低频振荡器的幅度。

3、将音频振荡器的频率调至1KHz左右，幅度为10Vp-p.（频率用频率计监测，幅度用示波器监测）

4、将示波器的X轴扫描旋钮切换到ms/div级档，Y轴切换到50mv/div或0.1v/div，分别观察差放输出端、相敏检波输出端，低通输出端波形。

并描出各级波形，改变低频振荡器频率，可测得相应的电压峰峰值（低通滤波器输出端VoP-P）,填入下表，并作出幅频曲线：

f（Hz）

VoP-P（mv）

做完以上实验，可反复调节线路中的各旋钮,用示波器观察各输出环节波形的变化，加深实验体会并了解各旋钮的作用。

实验七交流全桥的应用―电子秤

实验目的：

了解交流供电的金属箔式应变片电桥的实际应用。

所需模块及仪器设备：

频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、低通滤波器、万用表、砝码、直流恒压源、应变片、九孔板接口平台和传感器实验台一。

实验步骤：

1、按图7接线，图中R1、R2、R3、R4为应变片；W1、W2、C、r为交流电桥调节平衡网络，电桥交流激励源必须从音频振荡器的LV输出口引入。

图7

2、将万用表的打至20V档，示波器Ｘ轴扫描时间切换到0.1～0.5ms，Y轴CH1或CH2打至5V/div，音频振荡器的频率旋钮置5KHz，幅度旋钮置1/4幅度。

开启恒压源，调节电桥网络中的W1和W2，使万用表和示波器,显示最小，再把万用表和示波器Y轴的切换开关分别置2V档和50mv/div，细调W1和W2及差动放大器调零旋钮，使万用表的显示值最小，示波器的波形为一条水平线（万用表显示值与示波器图形不完全相符时二者兼顾即可）。

现用手按住梁的自由端产生一个大位移。

调节移相器的移相电位器，使示波器显示全波检波的图形,放手后，梁复原，示波器图形基本成一条直线。

3、在梁的自由端加上砝码，调节差放增益旋钮，使万用表显示对应的量值，去除所有砝码，调W1使万用表显示为零，这样重复几次即可。

4、在梁自由端（磁钢处同一个点上）逐一加上砝码，把万用表的显示值填入下表。

并计算灵敏度S＝ΔU/ΔW。

W（g）

U（v）

5、梁自由端放一个重量未知的重物，记录万用表的显示值，得出未知重物的重量

注意事项：

砝码和重物应放在梁自由端的磁钢上的同一点。

设计：

要将这个电子秤方案投入实际应用，应如何改进？

实验八差动变压器（互感式）的性能

实验目的：

了解差动变压器原理及工作情况。

所需模块及仪器设备：

频率振荡器、测微头及连接件、示波器、九孔板接口平台、传感器实验台一和差动线圈与铁芯连接件等。

旋钮初始位置：

音频振荡器4KHz～8KHz之间。

实验步骤：

1、先将差动线圈及其铁芯连接件安装在传感器实验台一的振动盘上，再按图8接线,音频振荡器（必须Lv输出）、示波器连接起来，组成一个测量线路。

打开直流恒压源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。

通过观察CH2波形，并调节铁芯上下的位置使CH2的波形幅度为最小。

图8

2、转动测微头使测微头与传感器实验台一的磁钢吸合，并使示波器上的波形输出幅度为最小，记下测微头上的刻度值。

3、往下旋动测微头，使传感器实验台一产生位移。

每位移0.5mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度S。

S＝ΔU／ΔX（式中ΔU为电压变化，ΔX为相应传感器实验台一的位移变化），作出U-X关系曲线。

X（mm）

Uop-p（mv）

思考：

1、根据实验结果，指出线性范围。

2、当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双踪示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？

3、用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？

是什么原因造成的？

实验九差动变压器（互感式）零点残余电压的补偿

实验目的：

说明如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿。



所需模块及仪器设备：



频率振荡器、测微头及连接件、电桥模块、差动线圈与铁芯连接件、差动放大器、示波器、传感器实验台一、直流恒压源和九孔板接口平台。

旋钮初始位置：



差动放大器的增益中间位置。



实验步骤：



图9

1、先把线圈与铁芯连接件的位置调整好，使铁芯处于线圈的中间位置，后将差动放大器调零，再按图9接线，音频振荡必须从LV口输出，W1（22k），W2（22k），r（1k）,c（0.1μF）,为电桥模块中调平衡网络；

2、利用示波器，调整音频振荡器幅度使示波器CH1为2VP-P。

调节音频振荡器频率，使示波器CH2波形不失真；

3、将CH2的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波形相比较。

经过补偿后的残余电压波形：

为波形，这说明波形中有分量；4、这时的零点残余电压经放大后＝V零点p-p／100，100为放大倍数与实验十四未经补偿残余电压相比较；

5、实验完毕后，关闭直流恒压源，拆除导线。

注意事项：



（1）由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。

因此次级输出波形难以用一般示波器来看，要用差动放大器使双端输出转换为单端输出。



（2）音频信号必须从LV口引出。



思考：

本实验也可把电桥模块搬到次级圈上进行零点残余电压补偿。



实验十差动变压器（互感式）的标定

实验目的：

了解差动变压器测量系统的组成和标定方法

所需模块及仪器设备：

频率振荡器、差动放大器、差动线圈与差动棒连接件、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头及连接件、电桥模块、万用表、示波器、传感器实验台一、九孔板接口平台和直流恒压源。

旋钮初始位置：



差动放大器的增益中间位置，万用表置2V档。



实验步骤：

（1）按图10接线；

图10

（2）装上测微头，调整使铁芯处于差动线圈的中间位置；

（3）打开直流恒压源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮为2VP-P；

（4）利用示波器和万用表，调整差动放大器的增益及电桥平衡网络电位器，使万用表指示为零；

（5）给梁一个较大的位移，调整移相器，使万用表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形；

（6）旋转测微头，使万用表的显示为0，记下测微头的刻度值，每隔0.5mm读数记录实验数据，填入下表，作出U-X曲线，并求出灵敏度S＝ΔU／ΔX。

X（mm）

U（mv）

注意事项：



如果接着做下一个实验则各旋钮及接线无须变动。



实验十一差动变压器（互感式）的应用—振动测量

实验目的：

了解差动变压器的实际应用。



所需模块及仪器设备：

频率振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、电桥模块、低通滤波器、频率计、示波器、差动线圈与铁芯连接件、九孔板接口平台和传感器实验台一。

旋钮初始位置：



差动放大器增益最大，低频振荡器频率、幅度置中。

实验步骤：



1、先把铁芯与线圈的位置调整好，使铁芯处于线圈的中间位置，保持图10接线，将低频振荡器输出V0接入激振一端，另一端接地，打开直流恒压源，调节低频振荡器幅度置中，频率慢慢调大，让振动盘起振并使振动幅度适中（如振动幅度太小可调大幅度旋钮）。

2、将音频振荡器的幅度调到2VP-P，频率调至适中位置。

用示波器观察各单元即：

差放、检波、低通输出的波形。

3、保持低频振荡器的幅度不变，并用频率计监测，调节低频振荡器的频率，用示波器观察低通滤波器的输出，如果波形不好，可以适当减小差放的增益，读出峰峰值记下实验数据，填入下表：

f（Hz）

Vp-p（v）

根据实验结果作出梁的振幅—频率（幅频）特性曲线，指出传感器实验台一自振频率（谐振频率）的大致值，并与用应变片测出实验（实验六）的结果相比较。

实验完毕，关闭直流恒压源，再拆除导线。

注意事项：

选择合适的低频激振信号，以免传感器实验台一在自振频率附近振幅过大。



问题：

如果用直流万用表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？

实验十二差动变压器（互感式）的应用—电子秤

实验目的：

了解差动变压器的实际应用。



所需模块及仪器设备：

频率振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、万用表、电桥模块、砝码、直流恒压源、传感器实验台一和九孔板接口平台。



旋钮初始位置：



万用表置2V档。



实验步骤：



1、先把差动线圈与铁芯连接件的位置调整好，使铁芯处于线圈的中间位置，后将差动放大器调零，再按图10接线；

2、打开直流恒压源，利用示波器观察调节音频振荡器的幅度,使其输出为2VP-P；

3、将测量系统调零（与实验七相同）（万用表始终调不到零，说明差动变压器的铁芯不处在中间位置。

）；

4、适当调节差动放大器的放大倍数，使在秤重平台上放上数量的砝码时万用表指示不溢出。

5、去掉砝码后，必要的话可以将系统重新调零，再逐个加砝码，记下万用表的电压值，填入下表：

W（g）

U（v）

6、去掉砝码，在平台上放一个重量未知的重物，记下万用表读数。

关闭直流恒压源。



7、利用所得数据，求得系统灵敏度S＝ΔU/ΔW及重物的重量。



注意事项：



（1）砝码不宜太重，以免平行