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1、实验一 电阻应变片传感器在电桥中的接法、性能检测及应用电子秤设计本实验为综合性实验，学时数：4 本综合实验涉及的基本内容是金属箔式应变片传感器的基本原理，结构、性能及如何通过金属箔式应变片传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数等知识。重点是金属电阻应变效应，金属应变片的主要特性；半导体材料的压阻效应。压力传感器的应用及测量处理与转换电路，温度误差产生的原因及补偿。要求实验者除应具备传感器基本知识外，还必须具备模拟电子技术，数字电子技术的基本知识，同时要求将所学知识灵活、综合地应用。一、实验目的：1. 初步掌握传感器综合实验仪的结构及操作方法；2. 学习掌握应变片在电桥中的接法及直流
2、电桥与交流电桥的工作原理及特点；3. 了解金属箔式应变片、单臂电桥、半桥及全桥的工作原理和工作情况；4. 掌握测试直流、交流单臂、半桥、全桥的性能的操作方法；5通过电子秤设计实验，更好地理解电阻应变式传感器的实际应用；6本次设计实验，使同学们在动手能力得到锻炼的同时充分发挥自己的创新潜能，充分调动学习主动性，培养创新能力；二、实验所需单元及部件：应变式传感器、应变式传感器实验模板、砝码、托盘、音频振荡器、数显表、15V电源、4V电源。三、实验原理与说明31电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部形变转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性
3、元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将形变转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成形变的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。其主要特点是： 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量 环境适应性好，应用领域广泛。32 金属箔应变片的基本结构 金属箔应变片的敏感栅是用0.0010.01mm厚的金属箔通过光刻技术制作成，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花。如图
4、1-1所示。图11箔式应变片结构 图1-2 应变片结构箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小；由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流；同时因栅薄，也便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上；且蠕变和机械滞后较小，应力传递性能好。实际应用的电阻应变式传感器主要有四个部分组成，如图1-2所示：1：引出线，作为连接测量导线用，对测量精度至关重要。2：电阻丝也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类传感器的核心构件；3：粘结剂，它的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；4 ：基底，基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；5
5、 ：面胶或叫覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用； 33 .测量电路电阻应变片把机械应变信号转换成R/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换的测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。如图1-3所示。 图1-3 直流、交流电桥电路图直流电桥的优点：高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感
6、器至测量仪表的连线导线的分布参数影响小等。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也比较复杂。因此应变电桥现在多采用交流电桥。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。当电桥平衡时，即1*3=2*4，电桥输出为零。在桥臂1、2、3、4中，电阻的相对变化分别为1/1、2/2、3/3、4/4，桥路的输出o与电桥四个臂的电阻的相对变化的代数和即： =1/1-2/2-3/34/4成正比。 当使用一片应变片时，=/；当使用二片应变片时，=1/1-2/2。
7、如二片应变片工作于差动状态，且1=2，则有/R。用四片应变片组成二个差动对工作，且1=2=3=4=,于是有1/1=-2/2=-3/3=4/4，因此有=/。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。根据戴维南定理可以得到电桥的输出电压o近似等于1/4*E*。电桥的灵敏度:So=o / (/R)，于是，对应于单臂、半桥和全桥的灵敏度分别为(1/4)E，(1/2)E、E。四、实验内容与步骤：1金属箔式应变片输出性能标定 直流单臂电桥 首先熟悉实验所需单元和部件在综合传感器实验仪与应变片传感器实验模块面板上的位置及结构。金属箔应变片的构成如图1-4所示： 图1-4应变式传感器示意图应变式传感器实
8、验模板的布局及单臂电桥、测量电路如图1-5所示。图1-5应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图图中，实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。 根据图1-5安装接线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。（传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4）。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加（为正应变），R2、R4阻值减小为负应变），可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应
9、变片阻值为350，加热丝电阻值为50左右。 放大器调零处理：方法是将图1-5实验模板上放大器（IC1、IC2）的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接后接地，使输入为零(Vi0)；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈半)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。 应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图2接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和
10、读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。表11直流单臂(克)(mv)直流半桥(克)(mv)直流全桥(克)(mv)交流全桥(克)(mv) 根据表11计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yF.S 100式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。2金属箔式应变片输出性能标定 直流半桥此时有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应变、一个负应变，即接R3的桥臂为拉应变，接R2的桥臂为压应变。实验电路连接如图1-6所示图1-6 应变式传感器半桥接
11、线图 保持以上差动放大器增益不变。按图1-6形成半桥。 调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。 根据实验测量结果，计算出半桥灵敏度S，并作出VX关系曲线。 3金属箔式应变片输出性能标定 直流全桥全桥：应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变。即R1=R2=R3=R4=R R1=R3=R R2=R4=-R 实验电路连接如图1-7 所示 ：图1-7 全
12、桥性能实验接线图 保持以上差动放大器增益不变。按图1-7形成全桥。 调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。 根据实验测量结果，计算出全桥灵敏度S，并作出VX关系曲线。 4金属箔式应变片输出性能标定 交流全桥交流电桥一般采用音频交流作为供桥电压，在特殊情况下也有采用脉冲供电方式的。交流电路远比直流复杂，特别是在高频时，需要考虑分布电容和分布电感的影响。在实际测量中，电桥的桥臂都是由应变计或固定无感式精密电阻组成，但
13、由于两邻近导体、导体与机壳以及应变计连接导线间存在着分布电容，所以应变计桥臂实际是由工作片（或电阻）和电容并联而成（分布电感的影响很小， 图1-8交流电桥可以不予考虑），如图1-8所示： 由于供桥电压的频率在测量过程中不变，故可认为分布电容引起的容抗不随工作片的变形而改变其数值。当电桥平衡时，14=23，电桥输出为零。 若桥臂阻抗的变化率分别为1/1、2/2、3/3、4/4，则电桥的输出与桥臂阻抗变化率的代数和成正比，交流电桥输出的信号，经差动放大器放大后，由相敏检波器检波，低通滤波器滤波，最后由电压表指示出来。金属箔式应变片输出性能标定 交流全桥的测量系统组成电路如图1-9所示 图1-9交流
14、全桥性能实验接线图 首先熟悉公共电路模块（移相器、相敏检波器和低通滤波器）的位置及结构。 按图1-9，接好实验测量系统电路。模块中，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，将音频振荡器的频率调节到5KHz左右，幅度调节到10Vp-p。（频率可用数显表Fin监测，幅度可用示波器监测），电桥激励必须从LV插口输出。 将/F表打到V2V（或V200mV）档，差动放大器增益旋钮RW3打到最大(顺时针到底)，而后，将差动放大器调零(RW4)。调零完毕后再关闭总电源。 将示波器接入相敏检波的输出端，观察示波器的波形，调节Rw1、Rw2、使示波器显示的波形基本为一条
15、直线，同时观察数字电压表，使指示为零。 用手按压应变片托盘，产生一个较大的位移，调节移相器与相敏检波器旋纽，使示波器显示全波整流的波形。放手后，应变梁复原，示波器显示的波形应仍为一条直线。 再次微调RW1与RW2，使数字电压表指示为零。 在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。 根据实验测量结果，计算出交流全桥灵敏度S，并作出VX关系曲线。 5电子秤设计与制作5.1设计任务与要求：5.1.1 设计任务：设计并制作一个利用应变片可以秤重的电子装置，称重精度0.1g，称重范围为1
16、0g到1000g；5.1.2 设计要求：1.首先要充分掌握前面基础验证实验的有关内容，弄清电阻应变式传感器的基本工作原理及性能特点；掌握半桥、全桥和交流全桥这三种基本测量电路的性能特点；2.其次要根据设计实验内容提出的测量要求来自主设计测量电路，可以参考本实验指导教程所提供的电路图；也可以采用另外的方法实现，另配元件或自制电路板，只要能达到测量要求就行；3.自主设计的实验方案应先由指导教师审查同意后才可实施；5.1.3 实验原理与说明 本次自主性设计实验所做的称重装置要求达到的称重精度为0.1 克，称重范围为10克1000克。同学们可根据测量要求自行设计实现方案。方案最好以YL-2100型综合
17、传感实验仪为依托，尽量少采用其它的元器件、电路模块或设备，这样便于更方便地实施。这里给出两种方案供参考：方案一是建立在实验一的基础上，采用一个测量应变片来进行检测；此方案简单易行，所用模块少，但精度较低，不一定能满足测量要求；方案二是建立在实验1-4的基础上，采用交流全桥测量电路，用到四个电阻应变片。可以获得较高的测量精度和足够的测量范围；但所用电路模块较多，结构较复杂，实现起来较困难。 方案一该电子称重装置如图1-10所示，由称重托盘、电阻应变片、应变梁、0-10伏直流稳压电源、测量电路、差动放大器模块和输出显示模块组成。称重原理是：应变梁在被称重物的重力作用下产生一应变，此应变引起电阻应变
18、片的电阻发生改变，由测量电路把这一电阻变化转换成电压变化，再由显示装置将电压显示出来，根据电压的不同就可知被称物的重量。当然， 图1-10 方案一电子称重原理图先必须经过标准砝码测出该装置的线性范围和标定系数（这也是本实验的主要任务），然后就可以称各种重物了，同学们可以试试自己设计的装置精度如何。方案二此方案的原理如图1-11所示，基本组成与方案一相似，主要区别在于此处用了四个电阻应变片来组成交流全桥测量电路，对传感器的输出信号进行更为全面的处理，故能达到较好的使用效果。称重原理与方案一类似，不再重复。图1-11中：1为称重托盘，2为四个应变电阻，3为应变粱，4为音频信号发生器， 图1-11
19、方案2电子称重原理图5为应变电桥，6为差动放大器，7为移相器，8为相敏整流器、9为低通滤波器，10为V/F表。五、实验报告要求与思考题：实验报告要求： 根据实验数据，在坐标纸上分别绘出直流单臂、半桥和全桥和交流全桥的输出特性V。=(x)曲线。 计算直流单臂、半桥和全桥和交流全桥的输出灵敏度，并加以比较。得出结论。实验思考题：1.单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。2.半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。3.桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线
20、性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。4.全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1= R3， R2= R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。5分析你所采用的称重方法有何特点和优势？6.引起称重误差的因素有哪些？7.通过这次设计性实验,你最深的体会是什么？实验二 差动变压器性能标定及零点残余电压补偿一、实验目的 1了解差动变压器的组成结构、工作原理和工作情况。2了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响3了解残余电压的补偿及其方法。4了解差动变压器测量系统的组成与学会差动变压器的标定方法。二、实验设备差动变压器实验模块、测
21、微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。三、实验原理与说明3.1 差动变压器： 差动变压器式电感传感器结构形式较多，主要有变隙式、变面积式及差动螺线管式变压器等，但它们的工作原理基本相同，都是利用两个线圈之间互感的变化引起感应电势的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，实现非电量的测量。应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100(mm)范围内的机械位移、150HZ以下的低频振动、加速度、应变、比重、张力、厚度、称重等一切能引起机械位移变化的非电物理量。实验中差动变压器采用三段式螺管型差动变压器。如图2-1所示： 图2-1差动变压器原理图在图2-
22、1（a）中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，3为线圈绝缘框架，4表示动铁，变量X 表示动铁的位移变化量。在图2-1（b）中，R1和L1表示初级线圈1的电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1和M2表示初级线圈分别与两次级线圈间的互感，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。 当初级线圈L1加上一定的交流电压u1时，在次级线圈中，由于电磁感应产生感应电压，其大小与铁芯的位置（铁芯的轴向位移）成比例。把感应电压e21和e22反极性连接便得到输出电压u2
23、。 当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1 = Rm2 ， 即互感M1 = M2 ，故此时输出电压U2 = 0 。 当动铁上移时，磁阻 Rm1 Rm2 ，则 M1 M2 ，此时输出电压U20 。 当动铁下移时，磁阻 Rm1 Rm2 ，则 M1 M2 ，此时输出电压U20 。 因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。3.2 灵敏度差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁移动单位距离时所产生的输出电压，以mv/mm表示，一般大于50mv/mm。 四、基本实验内容与步骤1.差动变压器的性能实验 根据图2-2，将差动变压器传感器与测微头（千分尺）分别装在差动变压器实验模块上。图2-2
24、差动变压器传感器安装示意图 在差动变压器实验模块上按照图2-3连接实验线路。图2-3 差动变压器传感器测量连接图 音频振荡器信号必须从主控箱中的LV端子输出，调节音频振荡器的频率为45KHz（可用主控箱的数显表的频率档“Fin”输入来监测）。调节幅度使输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V（用示波器监测）。判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：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2-2接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈信号波形与次级线圈信号波形，当次级信号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（LV音频信号Vp-p=2V波形）比较能同
25、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断直到正确为止。图中（1）、（2）、（3）、（4）为模块中的实验插孔。） 旋动测微头，并将其调整到10mm 处，前后移动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p为最小，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。（此时即为“0”mm） 从Vo(p-p)最小开始旋动测微头，使传感器产生位移,每位移0.2mm,从示波器上读出差动变压器输出端的峰峰值，填入表2-1。再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。表2-1 差动变压器位移X值与输出电压Vp-p数据表(mm
26、)0o(mv)输入波形输出波形 实验数据分析与思考1）根据表2-1所得数据计算灵敏度S，并画出曲线。式中：V为电压变化，X为相应位移变化。2）根据实验结果指出线性范围。3）当差动变压器中的磁芯位置由右向左变化时，输出信号的波形相位会怎样的变化？4）当差动变压器传感器处在平衡时，其输出电压的最小值称作什么？可以看出它与输入电压的相位差约为（ ），因此是（ ）正交分量。是由什么原因造成？2激励频率对差动变压器特性的影响差动变压器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，Ui、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
27、频率太低时，若，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与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。 差动变压器安装和实验接线图同图2-1和图2-2。 选择音频信号输出频率为1KHz从LV输出。（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置。 旋动测微头，每间隔0.2mm在示波器上读取一个Vp-p数据。 分别改变激励频率为3KHz、5KHz、7KHz、9KHz，重复实验步骤1、2将测试结果记入表2-2。 表2-2 不同激励频率时输出电压（峰-峰值）与位移X的关系。VO X f(kHz) 13579作出每一频率时的V-X曲线，并计算
28、其灵敏度Si，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。 3差动变压器零点残余电压的补偿差动变压器零点残余电压中主要包含两种信号成分：1） 基波分量这主要是由于差动变压器两个次级绕组材料或工艺差异造成等效参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不相同。2） 高次谐波分量 主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。消除或减小零点残余电压的方法主要是：从设计和工艺制作上尽量提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称
29、性；引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理；采用外电路补偿。 按图2-4接线，音频信号源从LV插口输出，实验模块中R1、C1、Rw1、Rw2为电桥单元中调平衡网络。IC为差分放大器，将差动变压器传感器的双端输出转换为单端输出。 图2-4 零点残余电压补偿电路接线图 用示波器调整音频振荡器输出为2V峰-峰值。 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。 依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。 将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压比较。 从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰-峰值）。（注：这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压，实际零点残余电压应为
30、：K为差分放大器的放大倍数。（实验模快中的）。 本实验也可用图2-5所示线路，请分析原理。图2-5 零点残余电压补偿电路接线图之二3差动变压器的标定差动变压器传感器的标定:就是通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时也确定出不同使用条件下的误差关系。 标定的基本方法是利用一种标准设备产生已知的非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量。然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。本次实验是利用螺旋测微计做为标准设备，其产生的位移作为输入的标准量。实验电路如图2-6所示： 图2-6差动变压器传感器的标定原理电路 按图2
31、-6连接实验电路。 利用示波器，调整音频振器的频率/幅度旋钮，使其输出4KHZ/1.5Vp-p的标准信号，并将V/F表打到2V档。 前后移动测微头，次级输出电压的峰-峰值Vp-p为最小，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。 调整电桥调零网络的电位器W1、W2，使电压表指零。 旋转测微头，给铁芯一个较大的向右的位移（如：3mm即13mm处），同时用示波器观察相敏检波器输出端（Vo处）的输出波形，并记录之。调整移相器电位器，使电压表指示为最大。 旋动测微头，使铁芯从右向左产生一个较大位移，（即7mm处），用示波器观察相敏检波器输出端（Vo处）的输出波形，并记录之。 按表2-3所列数据，
32、每隔0.50mm读取一组数据，将实验数据填入表2-3中。表2-3(mm)1312.51211.51110.5109.598.587.57o(v)波形 根据实验结果，画出差动变压器的V-X曲线，指出其线性工作范围，求出灵敏度。 灵敏度 五、注意事项 、差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，因此首先要找出同名端。 、差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电源输出插口（Lv插口）输出。、差动变压器示波器的连线应量短一些，以避免引入干扰。 4 、在实验过程中请注意： 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
33、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继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。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为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。六提高型实验内容与步骤 差动变压器式电感传感器的应用振动测量装置的设计（1）实验的目的要求1) 实验目的1.通过本次实验加深对差动变压器电感传感器在工程实践中的应用的了解；2.掌握用这种传感器组成振动测量系统的原理和方法；3.进一步掌握这种传感器的性能特点和工程应用；2) 实验要求1.复习差动变压器电感式传感
34、器工作原理、性能特点及性能测试实验的有关内容；2.预习本次实验的有关内容；3.根据实验要求设计好实验方案；4.通过实际测量验证自己的设计，对存在的问题进行探讨，找出解决问题的方法；（2）实验的基本原理本次实验的原理是建立在YL-2100型传感器实验台的基础上的。差动变压器电感传感器具有结构简单、性能优越、测量精度高、灵敏度高和价格合理等优点。因此，在直线位移、加速度、低频机械振动及应变和称重等的检测中得到了较为广泛的应用。其测量原理如图2-8所示： 由差动变压器线圈L0、L1、L2、动铁芯，1、振动梁， 图2-8 测量原理图2、振动台，3和低频振荡器，4组成测量系统的传感部分。振动梁在低频振荡
35、器的驱动下产生低频机械振动，带动与之相连的传感器动铁芯，使动铁芯产生位置变化，在此作用下使传感器的互感发生差动变化。再根据测量要求配之以合适的处理电路和显示仪表，组成一个能测量振动的振幅和频率的完整的振动测量系统。 受条件限制，测量电路的变化形式不是很多，但可以根据实验要求提出的测量精度来选择不同的电路模块，组成略有区别的测量处理电路。以其充分发挥每位学生的主观能动性和学习自主性。在此给出一例仅供参考，测量处理电路如图2-9所示： 传感器输出的差动信号经交流电桥转换成电压信号后由差动放大器进一步放大，然后通 图2-9差动变压器电感传感器振动测量电路图过相敏检波电路及低通滤波处理，最后分别送频率
36、计和双线示波器 显示。根据标定的传感器灵敏度S，由电压变化范围可换算出振动的振幅A，振动的频率Fs为输出电压波形的频率fv。（3）实验的具体内容本次实验的测量要求为：振幅A的测量精度达到0.01(mm)，频率的测量要求为1HZ 同学们可以按规定的测量要求自行设计检测系统的组成方案，接线完成检查，确认无误才可通电测试。先用已知的标准量对系统进行标定，确定出系统的电压灵敏度S，而后进行具体测量。测量内容包括每个振动的振幅和频率，反复测量几次，取平均值记在表中作为测量结果。按所测得的标定结果来计算振动的振幅和振动频率。对测量结果进行分析，与标准值进行比较，查找存在误差的原因，并设法进行补偿，进一步改
37、进检测系统的组成，以期得到更好的测量效果。（4）操作步骤 根据提出的测量要求，先设计出合理的测量系统组成方案，方可实施； 实验方案确定后，检查所需的电路模块及仪器设备是否齐全、有无损坏； 按所定方案的电路图接线，注意接头一定要可靠，不能有松动，接地要正确，以保证测量的准确性； 接好线路经指导老师检查无误后通电，先按3进行系统标定，确定系统电压灵敏度S后开始振动测量； 改变一次振动状态，测得一组数据，反复多次，求出平均值作为测量结果，填入表2-4中，这样可以消除一些粗大误差，使测量结果更为准确；表2-4 V-A-f表V（mV） A（mm） F（HZ） 根据对差动变压器式电感传感器的标定结果将测得
38、的电压值换算成相应的振幅大小，振动的频率可从双线示波器上输出信号的频率得到，输出信号的频率也可用频率计显示； 将测量结果与低频振荡器的输出指示相比较，如果存在较大误差，应分析测试系统的组成，查找原因，对系统进行改进，重新进行测量，直到达到测量要求为止。 完成实验后整理好实验操作台，方可离开实验室；注意事项1.振动的测量是比较困难的，需要同学们有足够的恒心和毅力，且要十分仔细认真地读好每一个数据；2.开始测量前要对电桥网络进行仔细地调整，使其在初始状态达到平衡，这样才能保证测量精度；3.所用电路模块应在正式测量前进行检查，查看其性能是否正常，如发现异常应及时报告指导老师，便于及时更换；4.系统标
39、定后应保持各个电路模块的性能参数不变，如改变差放的放大倍数或某个模块的参数则应重新进行标定；（5）思考题 1.差动变压器式电感传感器用于振动测量有何优点？ 2.谈谈所设计的振动测量系统有何特点？通过测量发现存在什么问题？应如何改进？ 3.双线示波器在使用中应如何进行调整？附：测微头的组成与使用测微头组成和读数如图2-7 图2-7测位头组成与读数测微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1格)，另一排是半毫米刻线(.格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分
40、的刻线(.格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移.毫米，这也叫测微头的分度值。测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读110分度，如图1甲读数为.，不是.；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图2-7乙已过零则读.；如图2-7丙未过零，则不应读为，读数应为.。测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用
41、支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。实验三 霍尔传感器的特性测试及应用一、实验目的：1了解霍尔式传感器的原理与特性；2了解直流激励与交流激励时霍尔式传感器的特性；3了解霍尔式传感器在振动测量与转速测量中的应用。二、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。根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB。当霍尔元件通以恒定电流处在梯度磁场中运动时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比
42、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。利用这一性质可以进行位移测量。三、实验所需部件：霍尔传感器、霍尔传感器实验模块、直流稳压电源4V和15V、数字电压表、音频信号源、螺旋测微仪、共用电路模块（移相器、相敏检波器、低通滤波器）、霍尔转速传感器、数显单元的转速显示部分、示波器。四、实验内容与步骤（1）直流激励特性测试 将霍尔传感器、引线电缆与测微头按图3-1分别装在霍尔传感器的实验模块上。 图3-1 霍尔传感器安装示意图 按图3-2连接霍尔传感器检测测量电路，将差动放大器接15V电源，增益旋钮（RW3）打到中间位置，数字电压表置2V档，直流稳压电源置4V档。图3-2霍尔传感器直流激励实验电路连接图 旋动测微头，将其调整到10mm 处，并与霍尔传感器连接（即吸合），前后移动测微头，使霍尔元件置于梯度磁场中间，并将此定为座标轴“0”点，再将测微头用螺丝固定。 检查电路无误后，通电，调节电桥直流电位器RW1，使输出为零。 从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各5 mm，每变化0.5 mm读取相应的电压值，并记入表1中：Xmm0V0mv