傳感器設(shè)計基礎(chǔ)實驗.doc

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三、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理 1、實驗部分四 相敏檢波器實驗 （1）根據(jù)圖4A進行連線： 觀察輸入與輸出波的相位和幅值關(guān)系： 發(fā)現(xiàn)輸入和輸出的波形同相并且幅值相等。 改變參考電壓的極性（除去直流恒壓源+2V輸出端與相敏檢波器參考輸入端DC的連線，把直流恒壓源的-2V輸出接至相敏檢波器的參考輸入端DC），觀察輸入和輸出波形的相位和幅值關(guān)系： 發(fā)現(xiàn)輸入和輸出的波形反相，并且幅值相等。 結(jié)論：當參考電壓為正時，輸入和輸出同相；當參考電壓為負時，輸入和輸出反相。 此電路的放大倍數(shù)為1。 （2）根據(jù)圖4B重新接線，在電路中加入低通濾波器 觀察Vi與Vo的波形如下： 可以看出，Vi與Vo同相且幅值相等。 調(diào)整音頻振蕩器的輸出幅度Vip-p,同時記錄萬用表的讀數(shù)Vo： Vip-p/V Vo/mV 1.02 23.0 1.22 28.7 1.42 33.1 1.62 38.3 1.82 44.5 2.02 49.0 2.22 54.6 2.42 59.5 2.62 64.5 2.82 70.2 3.02 75.4 作出Vo-Vip-p曲線如下： 可以看出，Vo與Vip-p呈線性關(guān)系，即當音頻振蕩器的輸出幅度變大時，萬用表的示數(shù)隨之線性增加。圖像曲線的斜率大約為26.2（mV/V）。 （3）根據(jù)圖4C重新接線，在電路中加入移相器 開啟恒壓源，轉(zhuǎn)動移相器上的移相電位器，觀察示波器上顯示的波形及萬用表上的讀數(shù)，使得輸出最大。 經(jīng)過調(diào)整移相電位器，發(fā)現(xiàn)萬用表示數(shù)最大值為-0.568V，極性為負。 此時波形圖如下所示： 發(fā)現(xiàn)加入移相器后，Vo的幅值會隨移相電位器的調(diào)整而發(fā)生改變。且Vo在示波器上的圖像不再是完全的正弦波，其頂端變尖，類似于三角波。移相電位器調(diào)整時，Vo圖像會隨之傾斜。當輸出最大時，圖像的頂端正好處于中間位置（通過圖像也發(fā)現(xiàn)確實只有當相敏檢波器的Vo的波形頂端處于正中時，才能使Vo的幅值最大，即輸出最大）。 調(diào)整音頻振蕩器的輸出幅度，同時記錄萬用表的示數(shù)，數(shù)據(jù)如下所示： Vip-p/V Vo/V 1 -0.167 1.96 -0.349 3 -0.537 3.96 -0.717 4.92 -0.896 5.96 -1.094 6.96 -1.287 8 -1.479 8.96 -1.646 10 -1.834 11 -2.040 12 -2.188 13 -2.379 作出Vo-Vip-p曲線圖如下所示： 發(fā)現(xiàn)萬用表的讀數(shù)Vo與Vi呈線性關(guān)系，當音頻振蕩器的輸出Vi變大時，Vo隨之線性減小。曲線斜率約為-0.184（V/V）。同時通過4B實驗的結(jié)果推斷，示波器的示數(shù)，即低通濾波器的輸出幅值，與示波器的輸出幅值，即低通濾波器的輸入幅值呈線性關(guān)系。 2、實驗部分八 差動變壓器（互感式）的性能 按圖8進行接線，觀察CH2波形，并調(diào)節(jié)鐵芯上下的位置使得CH2的波形幅度為最小。 轉(zhuǎn)動測微頭，使示波器上的波形輸出幅度為最小，記下測微頭上的刻度值為7.865mm。 示波器圖像如下所示： 可以看出，此時的CH1與CH2的信號波形同相，近似為正弦波。 旋動測微頭，用示波器讀出差動變壓器輸出端峰峰值，根據(jù)所得數(shù)據(jù)計算靈敏度S。S=ΔU/ΔX，作出U-X關(guān)系曲線。 U-X實驗數(shù)據(jù)如下所示： Uop-p(mV) X(mm) 32.8 7.865 94 7.365 154 6.865 206 6.365 260 5.865 312 5.365 364 4.865 412 4.365 460 3.865 504 3.365 550 2.865 596 2.365 640 1.865 U-X曲線如下所示 曲線斜率的變化比較微小，但可以看出在X<5mm時，曲線維持線性，在X>5mm的部分，曲線的斜率的絕對值有所增大，呈現(xiàn)出非線性。 計算靈敏度S： S=ΔU/ΔX=-91.2（V/m） 四、實驗分析與總結(jié) 1、實驗部分四 相敏檢波器實驗 （1）相敏檢波器、濾波器工作原理 相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。 相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應衰減為基波的1/ n，即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。 相敏檢波器原理示意圖如下所示： 相敏檢波器模塊主要由三部分組成：一是由運算放大器A1（左下方）構(gòu)成的整形電路部分，用于對參考信號的處理（參考信號若是直流則通過DC輸入，若是交流則通過Vr輸入）；二是由場效應管構(gòu)成的電子開關(guān)電路部分，控制相敏檢波器；三是由運算放大器A2（右上方）構(gòu)成的相敏檢波器部分，輸入電路采用了一個電壓跟隨器消除對輸入信號源的影響。當（2）端的控制電壓為高電平時，二極管D截止，開關(guān)管柵極G為低電平，BG截止，相當開關(guān)斷開。此時，相敏檢波器為反相運算放大器，輸入與輸出信號反相。當（2）端的控制電壓為低電平時，二極管D導通，開關(guān)管柵極G為高電平，BG導通，相當開關(guān)接通。此時，相敏檢波器為同相運算放大器，輸入與輸出信號相同。 相敏檢波電路(與濾波器配合)可以將調(diào)幅波還原成原信號波形，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號相位的能力。 調(diào)制與解調(diào)過程： 由相敏檢波器與濾波器的工作原理，可以解釋實驗4A與4B中的現(xiàn)象： 實驗4A與4B的參考電壓均為直流恒壓。 當（2）端的控制電壓為高電平時，二極管D截止，開關(guān)管柵極G為低電平，BG截止，相當開關(guān)斷開。此時，相敏檢波器為反相運算放大器，輸入與輸出信號反相。當（2）端的控制電壓為低電平時，二極管D導通，開關(guān)管柵極G為高電平，BG導通，相當開關(guān)接通。此時，相敏檢波器為同相運算放大器，輸入與輸出信號相同，放大倍數(shù)均為1。 當相敏檢波器與低通濾波器結(jié)合在電路中時，相敏檢波器在參考電壓的影響下，對輸入信號進行調(diào)制，接著經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量。因此低通濾波器的輸出Vo與相敏檢波器的輸入Vi呈線性關(guān)系。 （2）移相器工作原理 移相器是能夠?qū)Σǖ南辔贿M行調(diào)整的一種裝置。任何傳輸介質(zhì)對在其中傳導的波動都會引入相移。 移相器是由電阻、電抗元件、非線性元件和有源器件等構(gòu)成的一種電路，當正弦信號通過移相器時其相位會發(fā)生改變。理想的移相器在使信號通過時其相位可在0-360度之間連續(xù)變化而不改變信號幅度大小，因此信號可不失真地通過。 移相器由兩級運算放大器構(gòu)成，其中，運算放大器A1與移相網(wǎng)絡(luò)R1、R2、W1、C1構(gòu)成微分電路，實現(xiàn)超前移相器。運算放大器A2與移相網(wǎng)絡(luò)R4、R5、W2、C2構(gòu)成積分電路，實現(xiàn)滯后移相器。改變W1和W2的大小，可以改變輸出信號的相位。 移相電路示意圖如下所示。 由以上工作原理，可以解釋實驗4C中的現(xiàn)象： 移相器可以改變相敏檢波器控制電壓的信號相位，而相敏檢波器可輸出反映輸入信號與控制信號相位差的直流分量，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后得到直流輸出信號。當輸入信號與控制電壓同相時，相敏檢波器輸出幅值最大，對應地，萬用表示數(shù)也最大。 實驗中萬用表的示數(shù)為負，是由于輸入信號與開關(guān)信號之間的相位關(guān)系。 輸入信號與開關(guān)信號圖像如下： 輸入信號與開關(guān)信號反相，對應地，低通濾波器輸出電壓的極性為負。所以萬用表的示數(shù)是負值。 （3）思考題 ①根據(jù)實驗結(jié)果，可以知道相敏檢波器的作用是什么？移相器在實驗線路中的作用是什么？ 答：相敏檢波器是能夠鑒別調(diào)制信號的相位，同時還具有選頻能力的電子電路。實驗中它的作用是根據(jù)輸入信號與參考信號的相位關(guān)系輸出不同大小的直流分量，即鑒別相位。 移相器的作用是改變參考信號的相位，使輸入信號與參考信號的相位關(guān)系發(fā)生改變，從而觀察相敏檢波器對信號相位的鑒別作用。 ②在完成第四步之后，將示波器的兩根輸入線分別接至相敏檢波器的輸入端V1和附加觀察端，觀察波形來回答相敏檢波器中的整形電路是將什么波轉(zhuǎn)換為什么波，相位如何？起什么作用？ 答：波形如下圖所示： 可知，整形電路是將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，相位關(guān)系為反相。 作用是通過轉(zhuǎn)換為方波，來控制二極管的導通或截止，進而控制場效應管的柵極電壓，進而控制相敏檢波器的電路部分的輸入方式是同相輸入或是反相輸入。 ③當相敏檢波器的輸入信號與開關(guān)信號同相時，輸出什么極性的什么波，萬用表的讀數(shù)是什么極性的最大值？ 答 ：輸出為正極性的全波整流信號，萬用表的讀數(shù)是正極性的最大值。 2、實驗部分八 差動變壓器（互感式）的性能 （1）差動變壓器（互感式）的工作原理 差動變壓器是一種開磁路互感式傳感器。由于其具有兩個接成差動結(jié)構(gòu)二次線圈，所以又稱為差動變壓器。 當差動變壓器的一次線圈輸入了交變電源激勵時，其二次線圈就會產(chǎn)生感應電動勢，由于兩個二次線圈做差動連接，所以總的輸出是兩線圈的感應電動勢的差。當鐵芯移動時，磁場發(fā)生改變，輸出電動勢與鐵芯位移呈線性變換。 差動變壓器式壓力傳感器的檢測和轉(zhuǎn)換過程是：先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為差動變壓器鐵芯的位移，然后通過差動變壓器將磁場變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 由以上原理可以解釋實驗八中的現(xiàn)象： 輸出電動勢與鐵芯位移基本呈線性變換，并且線性區(qū)在X<5mm，大于該位移時，呈現(xiàn)出一定的非線性。 并且由于一級線圈與二級線圈的磁場變化相同，所以CH1與CH2的示波器圖像是同相的，但幅值有差別。 （2）思考題 ①根據(jù)實驗結(jié)果，指出線性范圍 答：線性范圍為X<5mm。 ②當差動變壓器中磁棒的位置由上到下變化時，雙蹤示波器觀察到的波形相位會發(fā)生怎樣的變化？ 答：磁棒的位置由上到下變化時，波形相位會在CH2幅值最小時由同相突變?yōu)榉聪唷? 圖像如下： 造成該現(xiàn)象的原因： 當差動變壓器的一次線圈輸入了交變電源激勵時，其二次線圈就會產(chǎn)生感應電動勢，由于兩個二次線圈做差動連接，所以總的輸出是兩線圈的感應電動勢的差。當鐵芯由上向下移動到中間時，由于兩個二級線圈的磁場完全相同，所以它們產(chǎn)生的感應電動勢的差為0，這時CH2幅值最小。在鐵芯穿過中間點的一小段區(qū)域內(nèi)，兩個二級線圈的感應電動勢的差由正變負，所以示波器CH1與CH2由同相突變?yōu)榉聪唷? ③用測微頭調(diào)節(jié)振動平臺位置，使示波器上觀察到的差動變壓器的輸出端信號為最小，這個最小電壓稱作什么？是什么原因造成的？ 答：這個最小電壓被稱為零點殘余電壓。 產(chǎn)生原因主要是傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等。