综 合 实 验 报 告
学 院 实 验 名 称 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 成 绩
实验一 应变片单臂特性实验
一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应
变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε；式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K 为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U 01=EKε/4。（E 为供桥电压）。
三、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2k Ω电阻档测量所有 2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。
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R 1、R 2、R 3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W 1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、W 1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
(4)
四、思考题：
1、ΔR 转换成ΔV 输出用什么方法? 答：利用桥式电路。
3、 根据图4机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变
方向(是拉? 还是压?) 。
答:上梁片中应变片方向是拉，下梁片的是压。
实验二 应变片半桥特性实验
一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
二、基本原理: 应变片基本原理: 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电
阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是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变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。不同受力方向的两片应变片（上、下二片梁的应变片应力方向不同）接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。
其桥路输出电压Uo ≈(1／2)(△R ／R)E ＝(1／2) K εE 。
图2—1 应变片半桥特性实验原理图
三﹑实验步骤：
除实验接线按图2—2接线即电桥单元中R 1、R 2与相邻的二片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。实验完毕，关闭电源。
图2—2 应变式传感器半桥接线示意图
应变片半桥特性实验实验数据
四、思考题：
半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应接在：（1）对边? （2）邻边? 为什么?
答：不同受力方向的两只应变片应接入电桥作为邻边, 中点的电位变化的才能和另外的参考点进行比较，如果不在临边，也就会出现当两个应变片都发生变化时，与他们对应电阻的电位差可能会出现0的情况。电桥输出灵敏度提高, 非线性得到改善.
实验三 应变片全桥特性实验
一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。
应变片全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥
邻边。当应变片初始阻值：R 1＝R 2＝R 3＝R 4，其变化值ΔR 1＝ΔR 2＝ΔR 3＝ΔR 4时，其桥路输出电压Uo ≈(△R ／R)E ＝K εE 。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
图3—1应变片全桥特性实验原理图
三、实验步骤：
除实验接线按图3—2示意接线，四片应变片组成电桥电路外。实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。实验完毕，关闭电源。
图3—2 应变片全桥特性实验接线示意图
应变片全桥特性实验实验数据
四、思考题：
应变片组桥时应注意什么问题?
答：1. 不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。 2. 电桥的电压为±5V ，绝不可错接成±15V 。 3. 接线方法是相邻应变片相反, 相对相同
实验五 应变直流全桥的应用—电子秤实验
一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤
实验原理如图5—1。本实验只做放大器输出Vo 实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V ）改为重量量纲（g ）即成为一台原始电子秤。
图5—1 数字电子称原理框图
三、实验步骤：
1、差动放大器调零点：按图5—2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，使数显表显示0.000V 。差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图5—2 差放调零接线图
2、按图5—3接线，检查接线无误后合上主电源开关。在振动台无砝码时，调节电桥中的W 1电位器，使数显表显示为0.000V 。将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V(2V档测量) 或－0.200V 。
图5—3电子秤实验接线示意图
3、拿去振动台上的所有砝码，如数显电压表不显示0.000V 则调节差动放大器的调零电位器，使数显表显示为0.000V 。再将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V(2V档测量) 或－0.200V 。
4、重复3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V 改为重量纲g ，就可以称重，成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入下表5。 6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。 表5 电子称实验数据
7、在振动台上放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。
实验八 移相器、相敏检波器实验
一、实验目的：了解移相器、相敏检波器的工作原理。 二、基本原理：
1、 移相器工作原理：
图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的面板图。图中，IC-1、R 1、R 2、R 3、C 1
图8—1 移相器原理图与面板图
构成一阶移相器（超前），在R 2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：
KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR 3C 1)/(1+jωR 3C 1) KF1(ω)=1
ΦF1(ω)=-л-2tg ωR 3C 1
其中： ω=2лf,f 为输入信号频率。同理由IC-2,R 4,R 5,Rw,C 3构成另一个一阶移相器（滞后），在R 5=R4条件下的特性为：
K F2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC 3)/(1+jωRwC 3)
KF2(ω)=1
ΦF2(ω)=-л-2tg ωRwC 3
由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f 及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：
即ΦF =ΦF1=-л-2tg 2лfR 3C 1
若调整移相电位器Rw ，则相应的移相范围为：ΔΦF =ΦF1-ΦF2=-2tg2лfR 3C 1+2tg 2лf ΔRwC 3
已知R 3=10KΩ,C 1=6800p,△Rw=10kΩ,C 3=0.022μF, 如果输入信号频率f 一旦确定，即 可计算出图8—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。
2、相敏检波器工作原理：
-1
-1
-1-1-1
图8—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验箱主板上的面板图。图中，AC 为交流参考电压输入端，DC 为直流参考电压输入端，Vi 端为检波信号输入端，Vo 端为检波输出端。
图8—2 相敏检波器原理图与面板图
原理图中各元器件的作用：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V ～ -14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V （0 ～ -14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。
关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7＝0V 时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V 时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图8—3为相敏检波器的工作时序图。
图8—3相敏检波器工作时序图
三、实验步骤：
（一） 移相器实验
1、 调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图8—4示意接线， 检查接线无误后，将称相器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源开关，调节音频振荡器的频率为ｆ=1KHz，幅度适中（2V ≤Vp-p ≤8V ）。
图8—4移相器实验接线图
2、正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在0.5mS ～0.1mS 范围内选择；VOLTS/DIV：1V ～5V 范围内选择) 设置，调节移相器的移相电位器以保证能看到波形的相角变化。答：输入波形无变化，输出波形变化范围是306~0。
3、调节移相器的移相电位器（逆时针到底0K Ω～顺时针到底10K Ω变化范围），用示波器可测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）和移相范围△ΦＦ。
4、改变输入信号频率为ｆ=9KHz，再次测试相应的ΦＦ和△ΦＦ。测试完毕关闭主电源。 （二）相敏检波器实验
1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图8—5示意接线。检查接线无误后将相敏检波器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源，调节音频振荡器频率f=5KHz，峰峰值Vp-p=5V；结合相敏检波器的原理图和工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
图8—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图
2、将相敏检波器的DC 参考电压改接到-4V ，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。关闭主电源。
3、按图8—6示意图接线，合上主电源，分别调节移相电位器和音频信号幅度，结合相敏检波器的原理图和工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
图8—6相敏检波器检波实验
4、将相敏检波器的AC 参考电压改接到180°，分别调节移相电位器和音频信号幅度，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。关闭主电源。
四、思考题：
通过移相器、相敏检波器的实验是否对二者的工作原理有了更深入的理解。作出相敏检波器的工作时序波形，能理解相敏检波器同时具有鉴幅、鉴相特性吗?
实验十一 电容式传感器的位移实验
一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理：
原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C ＝εA ／d 关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d 变）和测液位（A 变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒) 形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边) 式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图11—1所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R ；圆柱的半径为r ；圆柱的长为x ，则电容量为C=ε2πｘ／ln(R／r) 。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X 位移时，电容量的变化量为∆C =C1－C2=ε2π2∆X ／ln(R／r) ，式中ε2π、ln(R／r) 为常数，说明∆C 与∆X 位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图11—1 实验电容传感器结构
三、实验步骤：
1、差动放大器调零：按图11—6所示接线。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。再关闭主电源。
图11—6 差动放大器调零接线图
2、 电容传感器的位移测量系统电路调整：
将电容传感器安装在机头的静态位移安装架上(传感器动极片连接杆的标记刻线朝上 方) 并将引线插头插入传感器输入插座内，如图11—7的机头部分所示。再按图11—7主板部分的接线示意图接线，将F ／V 表的量程切换开关切换到20V 档，检查接线无误后合上主电源开关，将电容变换器的拨动开关拨到“开”位置并将电容变换器的增益顺针方向慢慢转到底再反方向回转半圈。
拉出(向右慢慢拉) 传感器动极片连接杆，使连接杆上的第二根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的增益旋钮使电压表显示绝对值为1V 左右；推进(向左慢慢推) 传感器动极片连接杆，使连接杆上的第一根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的调零旋钮(0电平迁移) 使电压表反方向显示值为1V 左右。重复这一过程，最终使传感器的二条标记刻线(传感器的位移行程范围) 对应于差动放大器的输出为±1V 左右。
图11—7电容传感器位移测量系统电路调整安装、接线图
3、安装测微头：
首先调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度线对准轴套的20mm 处，再将测微头的安 装套插入静态位移安装架的测微头安装孔内并使测微头测杆与传感器的动极片连接杆吸合；然后移动测微头的安装套使传感器连杆上的第二根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐后拧紧测微头安装孔上的紧固螺钉，如图11—8机头部分所示。
4、传感器位移特性实验：
安装好测微头后(测微头的微分筒0刻度线对准轴套的20mm 处) ，读取电压表显示的电 压值为起始点，再仔细慢慢顺时针转动测微头的微分筒一圈△X=0.5mm(不能转动过量，否则回转会引起机械回程差) 从F ／V 表上读出输出电压值，填入下表11，直到传感器连杆上的第一根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐为止。 表11电容传感器测位移实验数据
图11—8 测微头的安装图(机头部分所示)
4、 根据数据表作出△X —V 实验曲线，在实验曲线上截取线性比较好的线段作为测量范
围并计算灵敏度S=△V ／△X 与线性度。实验完毕，关闭所有电源开关。
实验十二 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。
三、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方法实验: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。
差动变压器性能实验数据表
四、思考题：
1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：不同点:这两者差距极大, 不可互相代替. 差动变压器一般用于作为检测元件, 而一般变压器一般作为电源变换部件或者信号转换部件。 相同点:都是由铁芯和线圈组成, 都是转换电压的元件. 2、用直流电压激励会损坏传感器。为什么？
答：会, 因为变压器初级直接接到了直流电压上, 由于初级线圈的直流电阻很低, 这样形成很大的直流电流, 产生的热量如果足够大可能将初级线圈烧毁
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？ 答：差动变压器在零点位置理论上两个次级线圈电压抵消，输出为零。实际上由于移动铁芯时的机械摩擦、间隙等原因要让铁芯完全处于零位，或检测出铁芯是否处于零位都有相当的难度，也没有必要。通常是在人为给出一个范围，只要输出在这个范围内就认为输出为零。这时实际输出并不一定是真正的零电压，这个电压就是零点残余电压。
1采用补偿线路②并联电位器W 用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位 ○
实验十三 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： U o =
ω(M 1-M 2) U i
R +ωL
2
p
2
2
p
表示, 式中L p 、R p 为初级线圈电感和损耗电阻，U i 、ω为激励电压和频率，M 1、M 2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R P ＞ωL P ，则输出电压Uo 受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ωL P ＞＞R P 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。
2
2
2
2
2
2
三、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L V 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），V p-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，即差动变压器有某个较大的V p-p 输出。(示波器监测V p-p 最小时) 的位置。
3、在保持位移量不变的情况下改变激励电压(音频振荡器) 的频率从1KHz-9KHz(激励电压幅值2V 不变) 时差动变压器的相应输出的V p-p 值填入表13。 表13差动变压器幅频特性实验数据
4、根据表13数据作出幅频(Ｆ—V p-p ) 特性曲线。实验完毕，关闭主电源。
实验十五 差动变压器测位移实验
一、实验目的：了解差动变压器测位移时的应用方法
二、基本原理：差动变压器的工作原理参阅实验四（差动变压器性能实验）。差动变压器
在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。图15—1是差动变压器测位移原理框图。
图15—1差动变压器测位移原理框图
三、实验步骤：
1、 按图15—2示意图安装差动变压器和测微头。按图15—3示意接线。将音频振荡器 幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；F ／V 表的量程切换开关切到2V 档。检查接线无误后，将差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源开关。
图15—2差动变压器安装示意图
图15—3差动变压器测位移组成、接线示意图
2、 调节音频振荡器（用示波器监测），频率f=5KHz，幅值Vp-p=2V。
3、 调整差动放大器增益：差动放大器增益旋钮顺时针轻转到底，再逆时针回转2圈。 4、 松开测微头安装孔上的紧固螺钉。调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴 套上的10mm 刻度值对准。
5、顺着差动变压器衔铁的位移方向移动测微头的安装套（正、反方向都可以），使差动变压器衔铁明显偏离位移中点位置后，调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整
流波形（示波器监测）。再慢悠悠仔细移动测微头的安装套，使相敏检波器输出波形幅值绝对值尽量为最小（尽量使衔铁处在初级线圈的中点位置）并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。
6、调节电桥单元中的W 1、W 2（二者配合调）和差动放大器的调零电位器使相敏检波器输出波形趋于水平线（可相应调节示波器量程档观察）并且F ／V 表显示0（以F ／V 表为主）。
7、调节测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm从F ／V 表上读出输出电压V 值，填入下表15。 表15 差动变压器测位移实验数据
8、根据表15数据作出实验曲线并截取线性范围计算灵敏度S=△V ／△X 与线性度。
四、思考题：差动变压器输出经相敏检波器检波后是否消除了零点残余电压和死区？
可以, 经相敏检波器检波主要目的是使零点残余电压可以小到忽略不计的程度 从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗? 实验完毕关闭所有电源开关。
答：差动变压器输出经相敏检波器后基本消除了零点残余电压和死区。从实验曲线上理解相敏检波器的检相特性，相敏检波器电路的检相特性是指如果输入信号与参考信号同频，但一定相位差，这是输出电压u0=Usm/2cosφ，即输出信号随相位差的余弦变化。由于在输入信号与参考信号同频，但一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波器电路的这一特性成为检相特性，故不能从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性。
实验二十一 压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以
压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
三、实验步骤：
1、按图21—5所示将压电传感器放置在振动台面的中心点上(与振动台面中心的磁钢吸合) ，并在主板上按图示意接线。
图21—5 压电传感器测振动实验安装、接线示意图
2、将主板上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零) ， 调节低频振荡器的频率在6～8Hz 左右。检查接线无误后合上主电源开关并将电荷放大器、低通滤波器的拨动开关拨到“开”位置。再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率) 。答：观察低通滤波器输入端和输出端波形变化一致，频率相等，且波形频率与振动台振动频率一致。
3、用示波器的两个通道[正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS ～20mS 范围内选择；VOLTS/DIV：1V ～0.1V 范围内选择) 设置]
同时观察低通滤波器
输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
答：随着低频振荡器的幅度增大，输出端的波形也发生越来越明显的震荡，输入端上，但最后与振动台稳定振动一致 。改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。实验完毕，关闭所有电源开关。
当频率增大，波形频率增大，振幅也增大，振动态振动更加明显，当频率减小时，波形的频率和振幅均减小，振动态的震动变缓慢。
实验二十六 NTC 热敏电阻温度特性实验
一、实验目的：定性了解NTC 热敏电阻的温度特性。
二、实验原理：热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：PTC 热敏电阻(正温度系
数：温度升高而电阻值变大) 与NTC 热敏电阻(负温度系数：温度升高而电阻值变小) 。一般NTC 热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC 突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。有些功率PTC 也作为发热元件用。PTC 缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。
三、实验步骤：
1、用数显万用表的20k 电阻当测一下R T 热敏电阻在室温时的阻值。R T 是一个黑色(或兰色或棕色) 园珠状元件，透明地封装在应变梁上梁的上表面。加热器的阻值为100Ω左右封装在双平行应变梁的上下梁之间。如图26—2所示。
图26—2 R T 热电阻室温阻值测量示意图
2、调节1.2—12V 可调电源输出为2V ：按图26—3示意接线。将F ／V 表切换开关置20V 档，检查接线无误后合上主电源，调节1.2—12V 可调电源使F ／V 表显示为2V 作为Vs 备用。关闭主电源。
图26—3 调节1.2—12V 可调电源为2V 接线示意图
3、调节NTC 热敏电阻在室温时输出为100mV ：按图26—4接线，将F ／V 表切换开关置2V 档，检查接线无误后合上主电源开关。调节W 2使F ／V 表显示为100mV 。
图26—4 NTC热敏电阻在室温时输出为100mV 接线图
4、将加热器接到－15V 稳压电源上，如图26—5所示，观察F ／V 表的显示变化(大约 5～6分钟时间) 。再将加热器电源去掉，如图26—4所示，再观察F ／V 表的显示变化。由此可见，当温度 升高 时，R T 阻值 减小 ，Vi 增大 。当温度 下 降 时，R T 阻值 增大 ，Vi 逐渐减小 。实验完毕，关闭所有电源。
图26—5 NTC热敏电阻受热时温度特性实验接线图
实验二十八 线性霍尔式传感器位移特性实验
一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的
磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。
三、实验步骤：
1、差动放大器调零：按图28—3示意接线，电压表（F ／V 表）量程切换开关打到2V 档，检查接线无误后合上主电源开关并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顺时针慢悠悠转到底，再逆时针回转半周；调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为０。维持差动放大器的调零电位器的位置不变，关闭主电源，拆除差动放大器的输入引线。
图28—3差动放大器调零接线图
2、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。按图28—4在机头上安装传感器与测微头并根据示意图接线。检查接线无误后，开启主电源。
图28—4 线性霍尔传感器(直流激励) 位移特性实验安装与接线示意图 3、松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套，使PCB 板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置(目测) 时，拧紧紧固螺钉。仔细调节电桥单元中的W1电位器，使电压表显示０。
4、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单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3周，记录电压表读数（大约在1.6V ～1.8V 左右）作为位移起点。以后，反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格) ，每隔△X=0.1mm(总位移可取3～4mm) 从电压表上读出输出电压Vo 值，填入下表25(这样可以消除测微头的机械回差) 。 表28 霍尔传感器(直流激励) 位移实验数据
5、 根据表28实验数据作出V －X 特性曲线，分析曲线计算不同测量范围 (±0.5mm 、 ±1mm 、±2mm) 时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。
实验三十一 光电传感器测转速实验
一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电
断续器也称光耦) ，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示ｆ，即可得到转速ｎ=10f。实验原理框图如图31—1所示。
图31—1 光耦测转速实验原理框图
三、实验步骤：
1、在主板上按图31—2所示接线，将F ／V 表的切换开关切换到频率2KHz 档。
图31—2 光电传感器测转速实验接线示意图
2、检查接线无误后，合上主电源开关，调节1.2-12V 电压调节旋钮，F ／V 表就显示相应的频率f ，计算转速为ｎ=10f。实验完毕，关闭电源。
四、思考题：
已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。 答：开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波输出的传感器；磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电动势的有源传感器，与开关式霍尔传感器一样，磁电传感器测速也要求齿轮上装磁体，且测量很低的转速是经都会很低；本实验装置是透射型的光电传感器，传感器内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上的通孔后又光电管接收转换成为电信号，由于转盘上有均匀的孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经过处理由频率表显示f ，即可得到转速n=10f，该方法比较简单方便。
实验三十三 光纤位移传感器测位移特性实验
一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理：光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器了。光纤传感器主要分为
两类：功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型) 。本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y 形光纤，半园分布即双D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距d ，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量。
三、实验步骤：
1、观察光纤结构：二根多模光纤组成Y 形位移传感器。将二根光纤尾部端面(包铁端 部) 对住自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，
在探头端观察面为半圆双D 形结构。
2、按图33—3示意安装、接线。⑴安装光纤：安装光纤时，要用手抓捏两根光纤尾部
图33—3 光纤传感器位移实验安装、接线示意图
的包铁部分轻轻插入光纤座中, 绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔，插入时不 要过分用力, 以免损坏光纤座组件中光电管。⑵测微头、被测体安装：调节测微头的微分筒 到5 mm 处(测微头微分筒的0刻度与轴套5刻为对准) 。将测微头的安装套插入静态位移安 装架的安装孔内并在测微头的测杆上套上被测体(铁圆片抛光反射面) ，移动测微头安装套使 被测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。⑶在主板上按图33—3示意接 线。
3、检查接线无误后合上主电源开关，将F ／V 表的量程切换开关切换到20V 档，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按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转1圈，调节差动放大器的调零使F ／V 表显示为零。
4、逆时针调动测微头的微分筒，每隔0.1mm(微分筒刻度0～10、10～20„„) 读取电压表显示值，将数据填入表33。根据表33数据画出实验曲线并找出线性区域较好的范围计算灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。
表33 光纤位移传感器输出电压与位移数据
四、思考题：
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
光纤传感器位移/输出电压(信号) 曲线的形状取决于光纤探头的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数，为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可采取归一化过程，即将光纤探头调整到位移/输出曲线的波峰位置上，调整输人光使输出信号达到满量程，这样就可对被测量表面的颜色、灰度进行补偿。
综 合 实 验 报 告
学 院 实 验 名 称 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 成 绩
实验一 应变片单臂特性实验
一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应
变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε；式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K 为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U 01=EKε/4。（E 为供桥电压）。
三、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2k Ω电阻档测量所有 2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。
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R 1、R 2、R 3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W 1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、W 1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
(4)
四、思考题：
1、ΔR 转换成ΔV 输出用什么方法? 答：利用桥式电路。
3、 根据图4机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变
方向(是拉? 还是压?) 。
答:上梁片中应变片方向是拉，下梁片的是压。
实验二 应变片半桥特性实验
一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
二、基本原理: 应变片基本原理: 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电
阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是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变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。不同受力方向的两片应变片（上、下二片梁的应变片应力方向不同）接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。
其桥路输出电压Uo ≈(1／2)(△R ／R)E ＝(1／2) K εE 。
图2—1 应变片半桥特性实验原理图
三﹑实验步骤：
除实验接线按图2—2接线即电桥单元中R 1、R 2与相邻的二片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。实验完毕，关闭电源。
图2—2 应变式传感器半桥接线示意图
应变片半桥特性实验实验数据
四、思考题：
半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应接在：（1）对边? （2）邻边? 为什么?
答：不同受力方向的两只应变片应接入电桥作为邻边, 中点的电位变化的才能和另外的参考点进行比较，如果不在临边，也就会出现当两个应变片都发生变化时，与他们对应电阻的电位差可能会出现0的情况。电桥输出灵敏度提高, 非线性得到改善.
实验三 应变片全桥特性实验
一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。
应变片全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥
邻边。当应变片初始阻值：R 1＝R 2＝R 3＝R 4，其变化值ΔR 1＝ΔR 2＝ΔR 3＝ΔR 4时，其桥路输出电压Uo ≈(△R ／R)E ＝K εE 。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
图3—1应变片全桥特性实验原理图
三、实验步骤：
除实验接线按图3—2示意接线，四片应变片组成电桥电路外。实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。实验完毕，关闭电源。
图3—2 应变片全桥特性实验接线示意图
应变片全桥特性实验实验数据
四、思考题：
应变片组桥时应注意什么问题?
答：1. 不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。 2. 电桥的电压为±5V ，绝不可错接成±15V 。 3. 接线方法是相邻应变片相反, 相对相同
实验五 应变直流全桥的应用—电子秤实验
一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤
实验原理如图5—1。本实验只做放大器输出Vo 实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V ）改为重量量纲（g ）即成为一台原始电子秤。
图5—1 数字电子称原理框图
三、实验步骤：
1、差动放大器调零点：按图5—2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，使数显表显示0.000V 。差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图5—2 差放调零接线图
2、按图5—3接线，检查接线无误后合上主电源开关。在振动台无砝码时，调节电桥中的W 1电位器，使数显表显示为0.000V 。将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V(2V档测量) 或－0.200V 。
图5—3电子秤实验接线示意图
3、拿去振动台上的所有砝码，如数显电压表不显示0.000V 则调节差动放大器的调零电位器，使数显表显示为0.000V 。再将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V(2V档测量) 或－0.200V 。
4、重复3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V 改为重量纲g ，就可以称重，成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入下表5。 6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。 表5 电子称实验数据
7、在振动台上放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。
实验八 移相器、相敏检波器实验
一、实验目的：了解移相器、相敏检波器的工作原理。 二、基本原理：
1、 移相器工作原理：
图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的面板图。图中，IC-1、R 1、R 2、R 3、C 1
图8—1 移相器原理图与面板图
构成一阶移相器（超前），在R 2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：
KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR 3C 1)/(1+jωR 3C 1) KF1(ω)=1
ΦF1(ω)=-л-2tg ωR 3C 1
其中： ω=2лf,f 为输入信号频率。同理由IC-2,R 4,R 5,Rw,C 3构成另一个一阶移相器（滞后），在R 5=R4条件下的特性为：
K F2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC 3)/(1+jωRwC 3)
KF2(ω)=1
ΦF2(ω)=-л-2tg ωRwC 3
由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f 及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：
即ΦF =ΦF1=-л-2tg 2лfR 3C 1
若调整移相电位器Rw ，则相应的移相范围为：ΔΦF =ΦF1-ΦF2=-2tg2лfR 3C 1+2tg 2лf ΔRwC 3
已知R 3=10KΩ,C 1=6800p,△Rw=10kΩ,C 3=0.022μF, 如果输入信号频率f 一旦确定，即 可计算出图8—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。
2、相敏检波器工作原理：
-1
-1
-1-1-1
图8—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验箱主板上的面板图。图中，AC 为交流参考电压输入端，DC 为直流参考电压输入端，Vi 端为检波信号输入端，Vo 端为检波输出端。
图8—2 相敏检波器原理图与面板图
原理图中各元器件的作用：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V ～ -14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V （0 ～ -14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。
关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7＝0V 时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V 时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图8—3为相敏检波器的工作时序图。
图8—3相敏检波器工作时序图
三、实验步骤：
（一） 移相器实验
1、 调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图8—4示意接线， 检查接线无误后，将称相器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源开关，调节音频振荡器的频率为ｆ=1KHz，幅度适中（2V ≤Vp-p ≤8V ）。
图8—4移相器实验接线图
2、正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在0.5mS ～0.1mS 范围内选择；VOLTS/DIV：1V ～5V 范围内选择) 设置，调节移相器的移相电位器以保证能看到波形的相角变化。答：输入波形无变化，输出波形变化范围是306~0。
3、调节移相器的移相电位器（逆时针到底0K Ω～顺时针到底10K Ω变化范围），用示波器可测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）和移相范围△ΦＦ。
4、改变输入信号频率为ｆ=9KHz，再次测试相应的ΦＦ和△ΦＦ。测试完毕关闭主电源。 （二）相敏检波器实验
1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图8—5示意接线。检查接线无误后将相敏检波器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源，调节音频振荡器频率f=5KHz，峰峰值Vp-p=5V；结合相敏检波器的原理图和工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
图8—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图
2、将相敏检波器的DC 参考电压改接到-4V ，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。关闭主电源。
3、按图8—6示意图接线，合上主电源，分别调节移相电位器和音频信号幅度，结合相敏检波器的原理图和工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
图8—6相敏检波器检波实验
4、将相敏检波器的AC 参考电压改接到180°，分别调节移相电位器和音频信号幅度，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。关闭主电源。
四、思考题：
通过移相器、相敏检波器的实验是否对二者的工作原理有了更深入的理解。作出相敏检波器的工作时序波形，能理解相敏检波器同时具有鉴幅、鉴相特性吗?
实验十一 电容式传感器的位移实验
一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理：
原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C ＝εA ／d 关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d 变）和测液位（A 变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒) 形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边) 式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图11—1所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R ；圆柱的半径为r ；圆柱的长为x ，则电容量为C=ε2πｘ／ln(R／r) 。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X 位移时，电容量的变化量为∆C =C1－C2=ε2π2∆X ／ln(R／r) ，式中ε2π、ln(R／r) 为常数，说明∆C 与∆X 位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图11—1 实验电容传感器结构
三、实验步骤：
1、差动放大器调零：按图11—6所示接线。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。再关闭主电源。
图11—6 差动放大器调零接线图
2、 电容传感器的位移测量系统电路调整：
将电容传感器安装在机头的静态位移安装架上(传感器动极片连接杆的标记刻线朝上 方) 并将引线插头插入传感器输入插座内，如图11—7的机头部分所示。再按图11—7主板部分的接线示意图接线，将F ／V 表的量程切换开关切换到20V 档，检查接线无误后合上主电源开关，将电容变换器的拨动开关拨到“开”位置并将电容变换器的增益顺针方向慢慢转到底再反方向回转半圈。
拉出(向右慢慢拉) 传感器动极片连接杆，使连接杆上的第二根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的增益旋钮使电压表显示绝对值为1V 左右；推进(向左慢慢推) 传感器动极片连接杆，使连接杆上的第一根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的调零旋钮(0电平迁移) 使电压表反方向显示值为1V 左右。重复这一过程，最终使传感器的二条标记刻线(传感器的位移行程范围) 对应于差动放大器的输出为±1V 左右。
图11—7电容传感器位移测量系统电路调整安装、接线图
3、安装测微头：
首先调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度线对准轴套的20mm 处，再将测微头的安 装套插入静态位移安装架的测微头安装孔内并使测微头测杆与传感器的动极片连接杆吸合；然后移动测微头的安装套使传感器连杆上的第二根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐后拧紧测微头安装孔上的紧固螺钉，如图11—8机头部分所示。
4、传感器位移特性实验：
安装好测微头后(测微头的微分筒0刻度线对准轴套的20mm 处) ，读取电压表显示的电 压值为起始点，再仔细慢慢顺时针转动测微头的微分筒一圈△X=0.5mm(不能转动过量，否则回转会引起机械回程差) 从F ／V 表上读出输出电压值，填入下表11，直到传感器连杆上的第一根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐为止。 表11电容传感器测位移实验数据
图11—8 测微头的安装图(机头部分所示)
4、 根据数据表作出△X —V 实验曲线，在实验曲线上截取线性比较好的线段作为测量范
围并计算灵敏度S=△V ／△X 与线性度。实验完毕，关闭所有电源开关。
实验十二 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。
三、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方法实验: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。
差动变压器性能实验数据表
四、思考题：
1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：不同点:这两者差距极大, 不可互相代替. 差动变压器一般用于作为检测元件, 而一般变压器一般作为电源变换部件或者信号转换部件。 相同点:都是由铁芯和线圈组成, 都是转换电压的元件. 2、用直流电压激励会损坏传感器。为什么？
答：会, 因为变压器初级直接接到了直流电压上, 由于初级线圈的直流电阻很低, 这样形成很大的直流电流, 产生的热量如果足够大可能将初级线圈烧毁
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？ 答：差动变压器在零点位置理论上两个次级线圈电压抵消，输出为零。实际上由于移动铁芯时的机械摩擦、间隙等原因要让铁芯完全处于零位，或检测出铁芯是否处于零位都有相当的难度，也没有必要。通常是在人为给出一个范围，只要输出在这个范围内就认为输出为零。这时实际输出并不一定是真正的零电压，这个电压就是零点残余电压。
1采用补偿线路②并联电位器W 用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位 ○
实验十三 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： U o =
ω(M 1-M 2) U i
R +ωL
2
p
2
2
p
表示, 式中L p 、R p 为初级线圈电感和损耗电阻，U i 、ω为激励电压和频率，M 1、M 2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R P ＞ωL P ，则输出电压Uo 受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ωL P ＞＞R P 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。
2
2
2
2
2
2
三、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L V 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），V p-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，即差动变压器有某个较大的V p-p 输出。(示波器监测V p-p 最小时) 的位置。
3、在保持位移量不变的情况下改变激励电压(音频振荡器) 的频率从1KHz-9KHz(激励电压幅值2V 不变) 时差动变压器的相应输出的V p-p 值填入表13。 表13差动变压器幅频特性实验数据
4、根据表13数据作出幅频(Ｆ—V p-p ) 特性曲线。实验完毕，关闭主电源。
实验十五 差动变压器测位移实验
一、实验目的：了解差动变压器测位移时的应用方法
二、基本原理：差动变压器的工作原理参阅实验四（差动变压器性能实验）。差动变压器
在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。图15—1是差动变压器测位移原理框图。
图15—1差动变压器测位移原理框图
三、实验步骤：
1、 按图15—2示意图安装差动变压器和测微头。按图15—3示意接线。将音频振荡器 幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；F ／V 表的量程切换开关切到2V 档。检查接线无误后，将差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源开关。
图15—2差动变压器安装示意图
图15—3差动变压器测位移组成、接线示意图
2、 调节音频振荡器（用示波器监测），频率f=5KHz，幅值Vp-p=2V。
3、 调整差动放大器增益：差动放大器增益旋钮顺时针轻转到底，再逆时针回转2圈。 4、 松开测微头安装孔上的紧固螺钉。调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴 套上的10mm 刻度值对准。
5、顺着差动变压器衔铁的位移方向移动测微头的安装套（正、反方向都可以），使差动变压器衔铁明显偏离位移中点位置后，调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整
流波形（示波器监测）。再慢悠悠仔细移动测微头的安装套，使相敏检波器输出波形幅值绝对值尽量为最小（尽量使衔铁处在初级线圈的中点位置）并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。
6、调节电桥单元中的W 1、W 2（二者配合调）和差动放大器的调零电位器使相敏检波器输出波形趋于水平线（可相应调节示波器量程档观察）并且F ／V 表显示0（以F ／V 表为主）。
7、调节测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm从F ／V 表上读出输出电压V 值，填入下表15。 表15 差动变压器测位移实验数据
8、根据表15数据作出实验曲线并截取线性范围计算灵敏度S=△V ／△X 与线性度。
四、思考题：差动变压器输出经相敏检波器检波后是否消除了零点残余电压和死区？
可以, 经相敏检波器检波主要目的是使零点残余电压可以小到忽略不计的程度 从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗? 实验完毕关闭所有电源开关。
答：差动变压器输出经相敏检波器后基本消除了零点残余电压和死区。从实验曲线上理解相敏检波器的检相特性，相敏检波器电路的检相特性是指如果输入信号与参考信号同频，但一定相位差，这是输出电压u0=Usm/2cosφ，即输出信号随相位差的余弦变化。由于在输入信号与参考信号同频，但一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波器电路的这一特性成为检相特性，故不能从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性。
实验二十一 压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以
压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
三、实验步骤：
1、按图21—5所示将压电传感器放置在振动台面的中心点上(与振动台面中心的磁钢吸合) ，并在主板上按图示意接线。
图21—5 压电传感器测振动实验安装、接线示意图
2、将主板上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零) ， 调节低频振荡器的频率在6～8Hz 左右。检查接线无误后合上主电源开关并将电荷放大器、低通滤波器的拨动开关拨到“开”位置。再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率) 。答：观察低通滤波器输入端和输出端波形变化一致，频率相等，且波形频率与振动台振动频率一致。
3、用示波器的两个通道[正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS ～20mS 范围内选择；VOLTS/DIV：1V ～0.1V 范围内选择) 设置]
同时观察低通滤波器
输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
答：随着低频振荡器的幅度增大，输出端的波形也发生越来越明显的震荡，输入端上，但最后与振动台稳定振动一致 。改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。实验完毕，关闭所有电源开关。
当频率增大，波形频率增大，振幅也增大，振动态振动更加明显，当频率减小时，波形的频率和振幅均减小，振动态的震动变缓慢。
实验二十六 NTC 热敏电阻温度特性实验
一、实验目的：定性了解NTC 热敏电阻的温度特性。
二、实验原理：热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：PTC 热敏电阻(正温度系
数：温度升高而电阻值变大) 与NTC 热敏电阻(负温度系数：温度升高而电阻值变小) 。一般NTC 热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC 突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。有些功率PTC 也作为发热元件用。PTC 缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。
三、实验步骤：
1、用数显万用表的20k 电阻当测一下R T 热敏电阻在室温时的阻值。R T 是一个黑色(或兰色或棕色) 园珠状元件，透明地封装在应变梁上梁的上表面。加热器的阻值为100Ω左右封装在双平行应变梁的上下梁之间。如图26—2所示。
图26—2 R T 热电阻室温阻值测量示意图
2、调节1.2—12V 可调电源输出为2V ：按图26—3示意接线。将F ／V 表切换开关置20V 档，检查接线无误后合上主电源，调节1.2—12V 可调电源使F ／V 表显示为2V 作为Vs 备用。关闭主电源。
图26—3 调节1.2—12V 可调电源为2V 接线示意图
3、调节NTC 热敏电阻在室温时输出为100mV ：按图26—4接线，将F ／V 表切换开关置2V 档，检查接线无误后合上主电源开关。调节W 2使F ／V 表显示为100mV 。
图26—4 NTC热敏电阻在室温时输出为100mV 接线图
4、将加热器接到－15V 稳压电源上，如图26—5所示，观察F ／V 表的显示变化(大约 5～6分钟时间) 。再将加热器电源去掉，如图26—4所示，再观察F ／V 表的显示变化。由此可见，当温度 升高 时，R T 阻值 减小 ，Vi 增大 。当温度 下 降 时，R T 阻值 增大 ，Vi 逐渐减小 。实验完毕，关闭所有电源。
图26—5 NTC热敏电阻受热时温度特性实验接线图
实验二十八 线性霍尔式传感器位移特性实验
一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的
磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。
三、实验步骤：
1、差动放大器调零：按图28—3示意接线，电压表（F ／V 表）量程切换开关打到2V 档，检查接线无误后合上主电源开关并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顺时针慢悠悠转到底，再逆时针回转半周；调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为０。维持差动放大器的调零电位器的位置不变，关闭主电源，拆除差动放大器的输入引线。
图28—3差动放大器调零接线图
2、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。按图28—4在机头上安装传感器与测微头并根据示意图接线。检查接线无误后，开启主电源。
图28—4 线性霍尔传感器(直流激励) 位移特性实验安装与接线示意图 3、松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套，使PCB 板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置(目测) 时，拧紧紧固螺钉。仔细调节电桥单元中的W1电位器，使电压表显示０。
4、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单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3周，记录电压表读数（大约在1.6V ～1.8V 左右）作为位移起点。以后，反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格) ，每隔△X=0.1mm(总位移可取3～4mm) 从电压表上读出输出电压Vo 值，填入下表25(这样可以消除测微头的机械回差) 。 表28 霍尔传感器(直流激励) 位移实验数据
5、 根据表28实验数据作出V －X 特性曲线，分析曲线计算不同测量范围 (±0.5mm 、 ±1mm 、±2mm) 时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。
实验三十一 光电传感器测转速实验
一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电
断续器也称光耦) ，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示ｆ，即可得到转速ｎ=10f。实验原理框图如图31—1所示。
图31—1 光耦测转速实验原理框图
三、实验步骤：
1、在主板上按图31—2所示接线，将F ／V 表的切换开关切换到频率2KHz 档。
图31—2 光电传感器测转速实验接线示意图
2、检查接线无误后，合上主电源开关，调节1.2-12V 电压调节旋钮，F ／V 表就显示相应的频率f ，计算转速为ｎ=10f。实验完毕，关闭电源。
四、思考题：
已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。 答：开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波输出的传感器；磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电动势的有源传感器，与开关式霍尔传感器一样，磁电传感器测速也要求齿轮上装磁体，且测量很低的转速是经都会很低；本实验装置是透射型的光电传感器，传感器内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上的通孔后又光电管接收转换成为电信号，由于转盘上有均匀的孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经过处理由频率表显示f ，即可得到转速n=10f，该方法比较简单方便。
实验三十三 光纤位移传感器测位移特性实验
一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理：光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器了。光纤传感器主要分为
两类：功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型) 。本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y 形光纤，半园分布即双D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距d ，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量。
三、实验步骤：
1、观察光纤结构：二根多模光纤组成Y 形位移传感器。将二根光纤尾部端面(包铁端 部) 对住自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，
在探头端观察面为半圆双D 形结构。
2、按图33—3示意安装、接线。⑴安装光纤：安装光纤时，要用手抓捏两根光纤尾部
图33—3 光纤传感器位移实验安装、接线示意图
的包铁部分轻轻插入光纤座中, 绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔，插入时不 要过分用力, 以免损坏光纤座组件中光电管。⑵测微头、被测体安装：调节测微头的微分筒 到5 mm 处(测微头微分筒的0刻度与轴套5刻为对准) 。将测微头的安装套插入静态位移安 装架的安装孔内并在测微头的测杆上套上被测体(铁圆片抛光反射面) ，移动测微头安装套使 被测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。⑶在主板上按图33—3示意接 线。
3、检查接线无误后合上主电源开关，将F ／V 表的量程切换开关切换到20V 档，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按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转1圈，调节差动放大器的调零使F ／V 表显示为零。
4、逆时针调动测微头的微分筒，每隔0.1mm(微分筒刻度0～10、10～20„„) 读取电压表显示值，将数据填入表33。根据表33数据画出实验曲线并找出线性区域较好的范围计算灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。
表33 光纤位移传感器输出电压与位移数据
四、思考题：
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
光纤传感器位移/输出电压(信号) 曲线的形状取决于光纤探头的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数，为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可采取归一化过程，即将光纤探头调整到位移/输出曲线的波峰位置上，调整输人光使输出信号达到满量程，这样就可对被测量表面的颜色、灰度进行补偿。