測試技術與感測器
實驗報告
班級學號
姓名2023年12 月日
實驗一一、金屬箔式應變片效能——單臂單橋
實驗目的：了解金屬箔式應變片，單臂單橋的工作原理和工作情況。
實驗準備：預習
實驗儀器和裝置：直流穩壓電源、電橋、差動放大器、測微頭、應變片、電壓表。
實驗原理：當電橋平衡（或調整到平衡）時，輸出為零，當橋臂電阻變化時，電橋產生相應輸出。
實驗注意事項：直流穩壓電源打到4v檔，接線過程應關閉電源，電壓表打到2v檔，如實驗過程中指示溢位則改為20v檔，接線過程注意電源不能短接。實驗時位移起始點不一定在10mm處，可根據實際情況而定。
為確保實驗過程中輸出指示不溢位，差動放大增益不宜過大，可先置中間位置，如測得的資料普遍偏小，則可適當增大，但一旦設定，在整個實驗過程中不能改變。
實驗內容：
（1）觀察雙平行梁上的應變片、測微頭的位置，每一應變片在感測器實驗操作台上有引出插座。
（2）將差動放大器調零。方法是用導線將差動放大器正負輸入端相連並與地端連線起來，然後將輸出端接到電壓表的輸入插口。接通主、副電源。
調整差動放大器上的調零旋鈕使表頭指為示零。關閉主副電源。
（3）根據圖1的電路結構，利用電橋單元上的接線座用導線連線好測量線路（差動放大器接成同相反相均可）。
（4）檢查測微頭安裝是否牢固，轉動測微頭至10mm刻度處，並調整旋緊固定螺釘，使測微頭上下移動至雙平行梁處於水平位置（目測），測微頭與梁的接觸緊密。
（5）將直流穩壓電源開關打到4v檔，開啟主副電源，預熱數分鐘，調整電橋平衡電位器w1，使電壓表指示為零。調零時逐步將電壓表量程20v檔轉換到2v檔。
（6）旋動測微頭，記下樑端位移與電壓表的數值，每一圈0.5mm記乙個數值。根據所得結果計算系統靈敏度s，並作出v一x關係曲線。 ，其中為電壓變化，為相應的樑端位移變化。
（7）按最小二乘法求出擬合直線，並求線性度誤差，最後根據擬合直線求靈敏度。
（8）在最大位移處，以每0.5mm減至原始值，記錄反行程下的示值，根據所得結果算出滯後誤差。
按照最小二乘法擬合，用matlab程式設計得直線表示式為：
（6）因為圖形呈線性關係，所以靈敏度s=(124-0)/(14.5-10)=2705mv/mm；
（8）最大誤差為1mm；所以滯後誤差為r=1/124*100%=0.8%；
思考題：
1．本實驗電路對直流穩壓源、差動放大器有何要求？它們對輸出結果影響怎樣？
直流穩壓源輸出穩定，差動放大器要調零。
由於直流穩壓源的輸出和差動放大器都會影響電壓表的示數，如果直流穩壓源和差動放大器不符合要求，那麼的變化將不能通過電壓表的示數變化反映出來，起到了干擾實驗的作用。
二、金屬箔式應變片：單臂、半橋、全橋比較
實驗目的：驗證單臂、半橋、全橋的效能。
實驗準備：預習
實驗儀器和裝置：直流穩壓電源、差動放大器、電橋、應變片、電壓表、測微頭
實驗原理：當電橋平衡（或調整到平衡）時，輸出為零，當橋臂電阻變化時，電橋產生相應輸出。
實驗注意事項：直流穩壓電源打到4v檔，電壓表打到2v檔，實驗過程還須注意的事項：
（1）在連線和更換應變片時應將直流穩壓電源關閉。
（2）在實驗過程中如有發現電壓表過載，應將量程擴大。
（3）在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統不能正常工作。
（4）接全橋時請注意區別各應變片的工作狀態與方向，不得接錯。
實驗內容：
（1） 按單臂電橋實驗中的方法將差動放大器調零。
(2) 按圖2接線，圖中為應變片，其餘為固定電阻，及為調平衡網路。
（3）調整測微頭使雙平行梁處於水平位置（目測），將直流穩壓電源打到士4v檔。選擇適當的放大增益。然後調整電橋平衡電位器，使電壓表示零（需預熱幾分鐘表頭才能穩定下來）。
（4）向上旋轉測微頭，使梁向上移動每隔0.5mm讀乙個數，將測得數值填入下表：
（5）保持差動放大器增益不變，將換為與工作狀態相反的另一應變片（一片為拉時，另一片為壓），形成半橋，調好零點，同樣測出讀數，填入下表：
（6）保持差動放大器增益不變，將，兩個電阻換成另兩片相反工作的應變片，接成乙個直流全橋，調好零點，將讀出資料填人下表：
（7）在同一座標紙上描出三根x一v曲線，比較三種接法的靈敏度，並分析實驗結果：
由圖中的斜率可以知道v3的斜率最大，由靈敏度的定義可知道全橋的靈敏度最高，半橋的靈敏度次之，單臂電橋的靈敏度最低。
五、思考題
1．如用最小二乘法擬合三根x一v曲線，寫出各自的線性化方程。理論上三種接法中哪一種線性最好？對實際結果是否符合理論情況作出具體分析。
根據最小二乘法擬合直線，得到線性化方程：
單臂（為應變片）：
線性誤差==
半橋（和為應變片）：
線性誤差==
全橋（、、和都為應變片）：
線性誤差==
通過上述比較所得，線性度：單臂《半橋《全橋，與理論上一致
實驗二應變片與交流電橋、應變片電橋的應用
一、相敏檢波器、移相器實驗
實驗目的：了解相敏檢波器的原理和工作情況。
實驗準備：預習
實驗儀器和裝置：相敏檢波器、音訊振盪器、移相器、直流穩壓電源、低通濾波器、電壓表、雙蹤示波器
實驗原理：相敏檢波利用參考端電壓的極性不同，導致輸入—輸出相位發生改變的原理。
實驗注意事項：參考輸入端1（dc）與參考輸入端5（ac）不能同時接線。由於作為電子開關的場效電晶體3dj7h效能所限，相敏檢波器輸出有兩個半波不一樣的現象。
實驗內容：
（1）把音訊振盪器的輸出電壓（0°輸出端）接至相敏檢波器的輸入端4。
（2）將直流穩壓電源打到2v檔，把輸出電壓（正或負均可）接到相敏檢波器的參考輸入端1（dc）。參考輸入端也稱相敏檢波器的控制端，控制訊號是直流時，接1，交流時接5。
（3）把示波器的兩根輸入線分別接到相敏檢波器的輸入端和輸出端，觀察輸入和輸出波形的相位關係和幅值關係。
（4）改變參考輸入端1的電壓極性，觀察輸入輸出波形的相位和幅值關係。由此可得出結論，當參考電壓為正時，輸入與輸出同相，當參考電壓為負時，輸入與輸出
反相，此電路的放大倍數為 1 倍。
（5）從音訊振盪器的0°輸出插口輸出訊號再接一根線至移相器輸入端，移相器的輸出端與相敏檢波器的參考輸入端5（ac）之間連線起來，此時應斷開參考輸入端1的連線。保持原相敏檢波器的訊號輸入端與音訊振盪器0°輸出插口的連線。
（6）將示波器的兩根輸入線分別連到相敏檢波器輸入端和參考輸入端5，調整移相器，使兩個訊號同相位。再將接相敏檢波器參考輸入端5的示波器的探頭移至相敏檢波器輸出端，觀察示波器上的兩個波形。
由此得出：相敏檢波器和移相器組合整形電路的作用是將輸入的全波轉變成
半波。（7）將相敏檢波器的輸出端與低通濾波器的輸入端連線起來，低通濾器的輸出端接至電壓表的輸入端（20v檔）。
（8）適當調整音訊振盪器的幅度，仔細觀察示波器的波形和電壓表讀數變化，然後將相敏檢波器的輸入端接到音訊振盪器的180°輸出插口，保持移相器接0°不變，觀察示器波的波形和電壓表數字變化。
由此可以看出：當相敏撿波器的輸入與控制訊號（參考輸入端5訊號） （同、反）相時，輸出為正極性的半波形，電壓表指示為正極性方向的最大值，反之則輸出為負極性的半波形，電壓表指示為負極性的最大值。當音訊振盪器的幅值增大時，波形幅值變大 ，電壓表讀數變大 。
所以，相敏檢波器、移相器、低通濾波器組合後可用來測量交流訊號的幅值。
（9）改變音訊振盪器的頻率，發現訊號間相位移動 ，輸出波形也發生移動 ，此時要重新調整移相器才能使訊號間相位一致。
（10）調整移相器，使電壓表輸出最大，利用示波器和電壓表，測出相敏檢波器的輸入電壓峰峰值與輸出直流電壓的關係。（注意應置示波器探頭衰減為×1，對應的通道var為最大）
（11）使輸入訊號與參考訊號的相位差改為180°，測出上述關係資料：
思考題1． 當相敏檢波器輸入為直流時，輸出波形如何？其平均值為多少？
為直線，平均值就為波形的幅值。
二、金屬箔式應變片——交流全橋
實驗目的：了解交流供電的四臂應變片電橋的工作原理、特點及其應用。
實驗準備：預習
實驗儀器和裝置：音訊振盪器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、測微頭、砝碼、示波器。
實驗原理：工作原理同直流電橋，但供橋電源為交流，差放的輸出值也為交流電壓。
實驗注意事項：旋鈕初始位置是，音訊振盪器4khz左右，幅度適中，電壓表打到2v檔，差動放大器增益旋至中位。其它還須注意的事項有：
（1）本實驗也可用示波器觀察各環節的波形。
（2）組橋時應注意應變片的受力狀態，使橋路正常工作。
（3）如果緊接著做後續的實驗，則不要變動音訊振盪器的幅度旋鈕及差動放大器的增益旋鈕。
（4）做電子稱應用部分實驗時，磚碼應盡量放在應變樑端部的正中間。
（5）做電子稱應用部分實驗時，在懸壁梁系統的自由端部不得有與外部相碰擦的情況。
實驗內容：
（1）按實驗一的方法將差動放大器調零。
（2）引出四片金屬箔式應變片（2個正片、2個負片），在電橋單元上組成全橋（注意應變片的正確接入）。
（3）按圖4的電路搭成工作電橋，圖中～為應變片，為調平衡網路，電橋供橋電壓必須從音訊振盪器的插口輸出（負載能力強）。
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