傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).doc

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三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理 1、實(shí)驗(yàn)部分四 相敏檢波器實(shí)驗(yàn) （1）根據(jù)圖4A進(jìn)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(dāng)參考電壓為正時(shí)，輸入和輸出同相；當(dāng)參考電壓為負(fù)時(shí)，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(shí)記錄萬(wàn)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(dāng)音頻振蕩器的輸出幅度變大時(shí)，萬(wàn)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(dòng)移相器上的移相電位器，觀察示波器上顯示的波形及萬(wàn)用表上的讀數(shù)，使得輸出最大。 經(jīng)過(guò)調(diào)整移相電位器，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表示數(shù)最大值為-0.568V，極性為負(fù)。 此時(shí)波形圖如下所示： 發(fā)現(xiàn)加入移相器后，Vo的幅值會(huì)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(shí)，Vo圖像會(huì)隨之傾斜。當(dāng)輸出最大時(shí)，圖像的頂端正好處于中間位置（通過(guò)圖像也發(fā)現(xiàn)確實(shí)只有當(dāng)相敏檢波器的Vo的波形頂端處于正中時(shí)，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(shí)記錄萬(wàn)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(wàn)用表的讀數(shù)Vo與Vi呈線性關(guān)系，當(dāng)音頻振蕩器的輸出Vi變大時(shí)，Vo隨之線性減小。曲線斜率約為-0.184（V/V）。同時(shí)通過(guò)4B實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)部分八 差動(dòng)變壓器（互感式）的性能 按圖8進(jìn)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(dòng)測(cè)微頭，使示波器上的波形輸出幅度為最小，記下測(cè)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(shí)的CH1與CH2的信號(hào)波形同相，近似為正弦波。 旋動(dòng)測(cè)微頭，用示波器讀出差動(dòng)變壓器輸出端峰峰值，根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度S。S=ΔU/ΔX，作出U-X關(guān)系曲線。 U-X實(shí)驗(yàn)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(shí)，曲線維持線性，在X>5mm的部分，曲線的斜率的絕對(duì)值有所增大，呈現(xiàn)出非線性。 計(jì)算靈敏度S： S=ΔU/ΔX=-91.2（V/m） 四、實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié) 1、實(shí)驗(yàn)部分四 相敏檢波器實(shí)驗(yàn) （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(hào)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(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。以參考信號(hào)為基波，所有偶次諧波在載波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對(duì)于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/ n，即信號(hào)的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對(duì)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(yùn)算放大器A1（左下方）構(gòu)成的整形電路部分，用于對(duì)參考信號(hào)的處理（參考信號(hào)若是直流則通過(guò)DC輸入，若是交流則通過(guò)Vr輸入）；二是由場(chǎng)效應(yīng)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(yùn)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(gè)電壓跟隨器消除對(duì)輸入信號(hào)源的影響。當(dāng)（2）端的控制電壓為高電平時(shí)，二極管D截止，開關(guān)管柵極G為低電平，BG截止，相當(dāng)開關(guān)斷開。此時(shí)，相敏檢波器為反相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)反相。當(dāng)（2）端的控制電壓為低電平時(shí)，二極管D導(dǎo)通，開關(guān)管柵極G為高電平，BG導(dǎo)通，相當(dāng)開關(guān)接通。此時(shí)，相敏檢波器為同相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)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(hào)波形，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號(hào)相位的能力。 調(diào)制與解調(diào)過(guò)程： 由相敏檢波器與濾波器的工作原理，可以解釋實(shí)驗(yàn)4A與4B中的現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)4A與4B的參考電壓均為直流恒壓。 當(dāng)（2）端的控制電壓為高電平時(shí)，二極管D截止，開關(guān)管柵極G為低電平，BG截止，相當(dāng)開關(guān)斷開。此時(shí)，相敏檢波器為反相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)反相。當(dāng)（2）端的控制電壓為低電平時(shí)，二極管D導(dǎo)通，開關(guān)管柵極G為高電平，BG導(dǎo)通，相當(dāng)開關(guān)接通。此時(shí)，相敏檢波器為同相運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相同，放大倍數(shù)均為1。 當(dāng)相敏檢波器與低通濾波器結(jié)合在電路中時(shí)，相敏檢波器在參考電壓的影響下，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，接著經(jīng)過(guò)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(jìn)行調(diào)整的一種裝置。任何傳輸介質(zhì)對(duì)在其中傳導(dǎo)的波動(dòng)都會(huì)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(dāng)正弦信號(hào)通過(guò)移相器時(shí)其相位會(huì)發(fā)生改變。理想的移相器在使信號(hào)通過(guò)時(shí)其相位可在0-360度之間連續(xù)變化而不改變信號(hào)幅度大小，因此信號(hào)可不失真地通過(guò)。 移相器由兩級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中，運(yùn)算放大器A1與移相網(wǎng)絡(luò)R1、R2、W1、C1構(gòu)成微分電路，實(shí)現(xiàn)超前移相器。運(yùn)算放大器A2與移相網(wǎng)絡(luò)R4、R5、W2、C2構(gòu)成積分電路，實(shí)現(xiàn)滯后移相器。改變W1和W2的大小，可以改變輸出信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(hào)相位，而相敏檢波器可輸出反映輸入信號(hào)與控制信號(hào)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(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)與控制電壓同相時(shí)，相敏檢波器輸出幅值最大，對(duì)應(yīng)地，萬(wàn)用表示數(shù)也最大。 實(shí)驗(yàn)中萬(wàn)用表的示數(shù)為負(fù)，是由于輸入信號(hào)與開關(guān)信號(hào)之間的相位關(guān)系。 輸入信號(hào)與開關(guān)信號(hào)圖像如下： 輸入信號(hào)與開關(guān)信號(hào)反相，對(duì)應(yīng)地，低通濾波器輸出電壓的極性為負(fù)。所以萬(wàn)用表的示數(shù)是負(fù)值。 （3）思考題 ①根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以知道相敏檢波器的作用是什么？移相器在實(shí)驗(yàn)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(hào)的相位，同時(shí)還具有選頻能力的電子電路。實(shí)驗(yàn)中它的作用是根據(jù)輸入信號(hào)與參考信號(hào)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(hào)的相位，使輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位關(guān)系發(fā)生改變，從而觀察相敏檢波器對(duì)信號(hào)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(lái)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(guò)轉(zhuǎn)換為方波，來(lái)控制二極管的導(dǎo)通或截止，進(jìn)而控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，進(jìn)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(dāng)相敏檢波器的輸入信號(hào)與開關(guān)信號(hào)同相時(shí)，輸出什么極性的什么波，萬(wàn)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(hào)，萬(wàn)用表的讀數(shù)是正極性的最大值。 2、實(shí)驗(yàn)部分八 差動(dòng)變壓器（互感式）的性能 （1）差動(dòng)變壓器（互感式）的工作原理 差動(dòng)變壓器是一種開磁路互感式傳感器。由于其具有兩個(gè)接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)二次線圈，所以又稱為差動(dòng)變壓器。 當(dāng)差動(dòng)變壓器的一次線圈輸入了交變電源激勵(lì)時(shí)，其二次線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于兩個(gè)二次線圈做差動(dòng)連接，所以總的輸出是兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差。當(dāng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生改變，輸出電動(dòng)勢(shì)與鐵芯位移呈線性變換。 差動(dòng)變壓器式壓力傳感器的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換過(guò)程是：先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為差動(dòng)變壓器鐵芯的位移，然后通過(guò)差動(dòng)變壓器將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 由以上原理可以解釋實(shí)驗(yàn)八中的現(xiàn)象： 輸出電動(dòng)勢(shì)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(shí)，呈現(xiàn)出一定的非線性。 并且由于一級(jí)線圈與二級(jí)線圈的磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出線性范圍 答：線性范圍為X<5mm。 ②當(dāng)差動(dòng)變壓器中磁棒的位置由上到下變化時(shí)，雙蹤示波器觀察到的波形相位會(huì)發(fā)生怎樣的變化？ 答：磁棒的位置由上到下變化時(shí)，波形相位會(huì)在CH2幅值最小時(shí)由同相突變?yōu)榉聪唷? 圖像如下： 造成該現(xiàn)象的原因： 當(dāng)差動(dòng)變壓器的一次線圈輸入了交變電源激勵(lì)時(shí)，其二次線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于兩個(gè)二次線圈做差動(dòng)連接，所以總的輸出是兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差。當(dāng)鐵芯由上向下移動(dòng)到中間時(shí)，由于兩個(gè)二級(jí)線圈的磁場(chǎng)完全相同，所以它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差為0，這時(shí)CH2幅值最小。在鐵芯穿過(guò)中間點(diǎn)的一小段區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)二級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差由正變負(fù)，所以示波器CH1與CH2由同相突變?yōu)榉聪唷? ③用測(cè)微頭調(diào)節(jié)振動(dòng)平臺(tái)位置，使示波器上觀察到的差動(dòng)變壓器的輸出端信號(hào)為最小，這個(gè)最小電壓稱作什么？是什么原因造成的？ 答：這個(gè)最小電壓被稱為零點(diǎn)殘余電壓。 產(chǎn)生原因主要是傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等。