传感器设计基础实验.docx
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传感器设计基础实验
三、实验数据记录与处理
1、实验部分四相敏检波器实验
（1）根据图4A进行连线：
观察输入与输出波的相位和幅值关系：
发现输入和输出的波形同相并且幅值相等。
改变参考电压的极性（除去直流恒压源+2V输出端与相敏检波器参考输入端DC的连线，把直流恒压源的-2V输出接至相敏检波器的参考输入端DC），观察输入和输出波形的相位和幅值关系：
发现输入和输出的波形反相，并且幅值相等。
结论：
当参考电压为正时，输入和输出同相；当参考电压为负时，输入和输出反相。
此电路的放大倍数为1。
（2）根据图4B重新接线，在电路中加入低通滤波器
观察Vi与Vo的波形如下：
可以看出，Vi与Vo同相且幅值相等。
调整音频振荡器的输出幅度Vip-p,同时记录万用表的读数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曲线如下：
可以看出，Vo与Vip-p呈线性关系，即当音频振荡器的输出幅度变大时，万用表的示数随之线性增加。
图像曲线的斜率大约为26.2（mV/V）。
（3）根据图4C重新接线，在电路中加入移相器
开启恒压源，转动移相器上的移相电位器，观察示波器上显示的波形及万用表上的读数，使得输出最大。
经过调整移相电位器，发现万用表示数最大值为-0.568V，极性为负。
此时波形图如下所示：
发现加入移相器后，Vo的幅值会随移相电位器的调整而发生改变。
且Vo在示波器上的图像不再是完全的正弦波，其顶端变尖，类似于三角波。
移相电位器调整时，Vo图像会随之倾斜。
当输出最大时，图像的顶端正好处于中间位置（通过图像也发现确实只有当相敏检波器的Vo的波形顶端处于正中时，才能使Vo的幅值最大，即输出最大）。
调整音频振荡器的输出幅度，同时记录万用表的示数，数据如下所示：
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曲线图如下所示：
发现万用表的读数Vo与Vi呈线性关系，当音频振荡器的输出Vi变大时，Vo随之线性减小。
曲线斜率约为-0.184（V/V）。
同时通过4B实验的结果推断，示波器的示数，即低通滤波器的输出幅值，与示波器的输出幅值，即低通滤波器的输入幅值呈线性关系。
2、实验部分八差动变压器（互感式）的性能
按图8进行接线，观察CH2波形，并调节铁芯上下的位置使得CH2的波形幅度为最小。
转动测微头，使示波器上的波形输出幅度为最小，记下测微头上的刻度值为7.865mm。
示波器图像如下所示：
可以看出，此时的CH1与CH2的信号波形同相，近似为正弦波。
旋动测微头，用示波器读出差动变压器输出端峰峰值，根据所得数据计算灵敏度S。
S=ΔU/ΔX，作出U-X关系曲线。
U-X实验数据如下所示：
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曲线如下所示
曲线斜率的变化比较微小，但可以看出在X<5mm时，曲线维持线性，在X>5mm的部分，曲线的斜率的绝对值有所增大，呈现出非线性。
计算灵敏度S：
S=ΔU/ΔX=-91.2（V/m）
四、实验分析与总结
1、实验部分四相敏检波器实验
（1）相敏检波器、滤波器工作原理
相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。
相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。
以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。
对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。
相敏检波器原理示意图如下所示：
相敏检波器模块主要由三部分组成：
一是由运算放大器A1（左下方）构成的整形电路部分，用于对参考信号的处理（参考信号若是直流则通过DC输入，若是交流则通过Vr输入）；二是由场效应管构成的电子开关电路部分，控制相敏检波器；三是由运算放大器A2（右上方）构成的相敏检波器部分，输入电路采用了一个电压跟随器消除对输入信号源的影响。
当
（2）端的控制电压为高电平时，二极管D截止，开关管栅极G为低电平，BG截止，相当开关断开。
此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。
当
（2）端的控制电压为低电平时，二极管D导通，开关管栅极G为高电平，BG导通，相当开关接通。
此时，相敏检波器为同相运算放大器，输入与输出信号相同。
相敏检波电路（与滤波器配合）可以将调幅波还原成原信号波形，起解调作用；并具有鉴别信号相位的能力。
调制与解调过程：
由相敏检波器与滤波器的工作原理，可以解释实验4A与4B中的现象：
实验4A与4B的参考电压均为直流恒压。
当
（2）端的控制电压为高电平时，二极管D截止，开关管栅极G为低电平，BG截止，相当开关断开。
此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。
当
（2）端的控制电压为低电平时，二极管D导通，开关管栅极G为高电平，BG导通，相当开关接通。
此时，相敏检波器为同相运算放大器，输入与输出信号相同，放大倍数均为1。
当相敏检波器与低通滤波器结合在电路中时，相敏检波器在参考电压的影响下，对输入信号进行调制，接着经过低通滤波器滤除高频分量。
因此低通滤波器的输出Vo与相敏检波器的输入Vi呈线性关系。
（2）移相器工作原理
移相器是能够对波的相位进行调整的一种装置。
任何传输介质对在其中传导的波动都会引入相移。
移相器是由电阻、电抗元件、非线性元件和有源器件等构成的一种电路，当正弦信号通过移相器时其相位会发生改变。
理想的移相器在使信号通过时其相位可在0-360度之间连续变化而不改变信号幅度大小，因此信号可不失真地通过。
移相器由两级运算放大器构成，其中，运算放大器A1与移相网络R1、R2、W1、C1构成微分电路，实现超前移相器。
运算放大器A2与移相网络R4、R5、W2、C2构成积分电路，实现滞后移相器。
改变W1和W2的大小，可以改变输出信号的相位。
移相电路示意图如下所示。
由以上工作原理，可以解释实验4C中的现象：
移相器可以改变相敏检波器控制电压的信号相位，而相敏检波器可输出反映输入信号与控制信号相位差的直流分量，经低通滤波器滤除高频分量后得到直流输出信号。
当输入信号与控制电压同相时，相敏检波器输出幅值最大，对应地，万用表示数也最大。
实验中万用表的示数为负，是由于输入信号与开关信号之间的相位关系。
输入信号与开关信号图像如下：
输入信号与开关信号反相，对应地，低通滤波器输出电压的极性为负。
所以万用表的示数是负值。
（3）思考题
①根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？
移相器在实验线路中的作用是什么？
答：
相敏检波器是能够鉴别调制信号的相位，同时还具有选频能力的电子电路。
实验中它的作用是根据输入信号与参考信号的相位关系输出不同大小的直流分量，即鉴别相位。
移相器的作用是改变参考信号的相位，使输入信号与参考信号的相位关系发生改变，从而观察相敏检波器对信号相位的鉴别作用。
②在完成第四步之后，将示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端V1和附加观察端，观察波形来回答相敏检波器中的整形电路是将什么波转换为什么波，相位如何？
起什么作用？
答：
波形如下图所示：
可知，整形电路是将正弦波转换为方波，相位关系为反相。
作用是通过转换为方波，来控制二极管的导通或截止，进而控制场效应管的栅极电压，进而控制相敏检波器的电路部分的输入方式是同相输入或是反相输入。
③当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出什么极性的什么波，万用表的读数是什么极性的最大值？
答：
输出为正极性的全波整流信号，万用表的读数是正极性的最大值。
2、实验部分八差动变压器（互感式）的性能
（1）差动变压器（互感式）的工作原理
差动变压器是一种开磁路互感式传感器。
由于其具有两个接成差动结构二次线圈，所以又称为差动变压器。
当差动变压器的一次线圈输入了交变电源激励时，其二次线圈就会产生感应电动势，由于两个二次线圈做差动连接，所以总的输出是两线圈的感应电动势的差。
当铁芯移动时，磁场发生改变，输出电动势与铁芯位移呈线性变换。
差动变压器式压力传感器的检测和转换过程是：
先将压力的变化转换为差动变压器铁芯的位移，然后通过差动变压器将磁场变化转换为电信号输出。
由以上原理可以解释实验八中的现象：
输出电动势与铁芯位移基本呈线性变换，并且线性区在X<5mm，大于该位移时，呈现出一定的非线性。
并且由于一级线圈与二级线圈的磁场变化相同，所以CH1与CH2的示波器图像是同相的，但幅值有差别。
（2）思考题
①根据实验结果，指出线性范围
答：
线性范围为X<5mm。
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相位会发生怎样的变化？
答：
磁棒的位置由上到下变化时，波形相位会在CH2幅值最小时由同相突变为反相。
图像如下：
造成该现象的原因：
当差动变压器的一次线圈输入了交变电源激励时，其二次线圈就会产生感应电动势，由于两个二次线圈做差动连接，所以总的输出是两线圈的感应电动势的差。
当铁芯由上向下移动到中间时，由于两个二级线圈的磁场完全相同，所以它们产生的感应电动势的差为0，这时CH2幅值最小。
在铁芯穿过中间点的一小段区域内，两个二级线圈的感应电动势的差由正变负，所以示波器CH1与CH2由同相突变为反相。
③用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？
是什么原因造成的？
答：
这个最小电压被称为零点残余电压。
产生原因主要是传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等。
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