同济大学电子与信息工程学院 实验报告
实验课程名称: 自动化仪表与过程控制 任课教师: 苏永清 试验项目名称: 传感器实验 实验教师: 翟志清
姓名: 邓修齐 学号: 1452533 姓名: 寿佳鑫 学号: 1452507
实验日期: 2017.05.27、2017.06.05、2017.06.12 实验地点: 电信楼121 1
实验一 金属箔式应变片实验 一、 实验目的 1. 了解金属箔式应变片,单桥臂的工作原理和工作情况。 2. 验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、 实验原理 测量单臂、半桥和全桥测量电路下的输出电压和形变(位移)的关系。 三、 实验单元及部件 直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平衡梁、测微头、一片应变片、F/V表头、主副电源。 旋钮初始化位置:直流稳压电源打到±2V档,F/V表头2V档,差动放大器增益最大。
四、 实验步骤 1. 了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置,观察梁上的应变片,应变片尾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和一片补偿应变片,测微头在双平行梁前面的支座上,可以上、下、前、后、左、右调节。 2. 将差动放大器调零:用连线将差动放大器的正(+)、负(-)、地短接。将差动放大器的输出端与F/V 表的输入插口Vi 相连;开启主、负电源;调接差动放大器增益到最大位置,然后调整差动放大器的调零旋钮使 F/V 表显示为零,关闭主、副电源。 3. 据下图接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻;Rx=R4 为应变片。将稳压电源的切换开关置±4V档,F/V 表置20V 档。调节测位头脱离双平行梁,开关主、副电源,调节电桥平衡网络中的 W1,使 F/V 表显示为零,然后将 F/V 表置2V档,在调节电桥W1(慢慢地调),使F/V 表显示为零。
4. 将测微头转动到 10mm 刻度附近,安装到双平行梁的自由端(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 F/V 表显示最2
位移(mm)
电压(mV)
小,再旋动测微头,使F/V 表显示为零(细调零),这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 5. 旋转测微头,使梁移动,每隔0.5mm读一个数,将测得数值填表,然后关闭主、副电源。 6. 保持放大器增益不变,将R3固定电阻换成与R4工作状态相反的另一应变片,即取二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F/V表显示为零,重复上一步过程同样测得读数填表。 7. 保持放大器增益不变,将R1、R2两个固定电阻换成另两片受力应变片(即R1换成上下箭头R2换成下上箭头)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F/V表显示零。重复上一步过程将读出数据填表。 8. 实验完毕,关闭主、副电源,所有旋钮转到初始位置。
五、 实验结果 1. 实验数据 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 单臂 0.003 0.011 0.019 0.028 0.036 0.045 0.054 0.061 0.072 0.082 0.090
半桥 -0.002 0.011 0.026 0.041 0.056 0.071 0.086 0.102 0.118 0.133 0.148
全桥 0.000 0.027 0.055 0.083 0.113 0.142 0.172 0.200 0.229 0.258 0.290
2. 数据处理
六、 实验思考题 3
1. 本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求? 答:直流稳压电源的波纹系数小,电压调整率低,防止产生误差,放大器输入阻抗要高,同相反相放大一致。 2. 根据所给的差动放大器电路原理图(见附录一),分析其工作原理,说明它既能做差动放大,又可做同相或反相放大器。 答:当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路,电桥输出式为:
𝑈𝑜=𝑅1𝑅4−𝑅2𝑅3(𝑅1+𝑅2)(𝑅3+𝑅4)×𝑈 应变片工作时,其电阻变化为Δ𝑅时 𝑈𝑜=(𝑅1+Δ𝑅1)(𝑅4+Δ𝑅4)−(𝑅2+Δ𝑅2)(𝑅3+Δ𝑅3)
(𝑅1+Δ𝑅1+𝑅2+Δ𝑅2)(𝑅3+Δ𝑅3+𝑅4+Δ𝑅4) 采用等臂电桥,即𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅4
=𝑅,则上式可写为
𝑈𝑜=Δ𝑅1+Δ𝑅4−Δ𝑅3−Δ𝑅24𝑅×𝑈 相邻两应变片极性不同,即一为拉应变,另一为压应变,输出电压为两者之和,此时为差动放大器。若仅仅在电桥上接入一片应变片,当接入𝑅1或𝑅4位置时可当同相放大器,当接入𝑅2或𝑅3位置即为反相放大器。
七、 实验心得 4
实验三十 差动变面积式电容传感器的静态及动态特性 一、 实验目的 1. 了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性 二、 实验原理 电容式传感器有多种形式,本试验仪中用的是差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装与振动态的动片上、下改变位置,与两组静片之间的重叠面积发生变化,极间电容也发生相应的变化,成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定位C×1,下层定片与动片形成的电容定为C×2,当将C×1和 C×2接入桥路作为相邻两臂时,桥路的输出电压与电容量的变化有关,即与振动台的位移有关。
三、 实验单元及部件 电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器。 有关旋钮的初始位置:差动放大器增益旋钮置于中间,F/V表置于2V档。
四、 实验步骤 1. 按下图接线
2. F/V表打到20V档,调节测微头,使输出为零。 3. 转动测微头,每次0.5mm,记下此时测微头的读数及电压表的读数,直至电容动片与上(或下)定片覆盖面积最大为止。 4. 返回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动,同上法,记下X(mm)及V(mv)值。 5. 计算系统灵敏度S。S=△V/△X(式中△V为电压变化,△X为相应的梁端位移变化),并作出V—X关系曲线。 6. 卸下测微头,断开电压表,接通激振器,用示波器观察输出波形。
五、 实验结果 1. 实验数据 X(mm) 0 0.5 1 1.5 2.0 2.5 3.0 V(mV) 0 0.050 0.007 0.001 -0.034 -0.051 -0.053 2. 数据处理 5
3. 输出波形 六、 实验心得 6
实验十一 差动变压器(互感式)的性能 一、 实验目的 1. 了解差动变压器的原理及工作情况 二、 实验原理 差动变压器有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用,相当于变压器的原边,次级线圈有两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成,相当于变压器的副边,差动变压器的开磁路,工作是建立在互感的基础上的,其原理及输出特性见下图。
三、 实验单元及部件 音频振荡器 、测微头、示波器、主副电源、差动变压器、振动台。 有关旋钮的初始位置:音频振荡器4kHz~8kHz、双踪示波器第一通道灵敏度500mV/div、第二通道灵敏度10mV/div,触发选择打到第一通道,主副电源关闭。
四、 实验步骤 1. 根据下图接线,将差动变压器、音频振荡器(必须LV输出)、双踪示波器连接起来,组成一个测量线路。开启主副电源,将示波器探头(CH2、CH1)分别接到差动变压器的输入和输出端,调节差动变压器原边线圈,音频振荡器激励信号峰峰值为2V。 7
2. 用手提压变压器磁芯,观察示波器第一通道波形是否能过零翻转,如不能则改变两个次级线圈的串接端。 3. 转动测微头使测微头使测微头与振动平台吸合,再向上转动测微头5mm,使振动平台往上位移。 4. 向下旋转测微头,使振动平台产生位移。每位移0.2mm,用示波器读出差动变压器输出端峰峰值填入下表,根据所得数据计算灵敏度S。S=△V/△X(式中△V为电压变化,△X为相应振动平台的位移变化),做出X-V关系曲线。读数过程中应注意初、次级波形的相应关系。
五、 实验结果 1. 实验数据 X(mm) +2.5 +2.0 +1.5 +1.0 +0.5 0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5
V(mV) 276 226 174 124 61.6 15.6 60.0 114 164 210 256
2. 数据处理
3. 波形 8
六、 实验思考题 1. 根据实验结果,指出线性范围。 答:根据实验数据,变压器的线性范围约为4~10mm 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会发生怎样的变化? 答:当磁棒位置由上到下变化时,示波器的波形幅值会先减小得到最小值,然后再反向增大。 3. 用测微头调节振动平台的位置,使示波器上观察的差动变压器的输出阻抗端信号最小,这个最小电压是什么?由于什么原因造成的? 答:当阻抗最小时最小输出电压约为28mV,存在这个最小电压是因为线圈存在内阻,当阻抗最小时线圈电阻起主导作用,会在线圈两端产生一个较小的电压。
七、 实验心得