傳感器技術與測試系統(tǒng)實驗講義(實驗部分).docx

傳感器技術與測試系統(tǒng)實驗講義（實驗部分）編寫： 張軍香 王可東北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院 宇航學院第1節(jié) 實驗一 信號的時頻域分析及處理（6學時）實驗目的： 了解時域和頻域轉換的原理，掌握基本信號的時域和頻域分析方法；了解信號處理的原理，掌握數(shù)字濾波器及窗函數(shù)的原理及應用；掌握信號采樣的原理及過程；學習Matlab軟件編程及進行信號分析的方法；學習LabVIEW軟件的編程思想及編程方法；學習使用LabVIEW的相關功能進行信號分析與處理的方法。學習使用LabVIEW操作數(shù)據(jù)采集卡的方法；了解動態(tài)稱重的原理和特點；學習Labview中MATLAB腳本節(jié)點的使用方法；學習順序結構的使用方法；學習Labview中打開和引用文件的方法；學習動態(tài)稱重數(shù)據(jù)的處理方法。實驗原理：1、信號的時頻域轉換方法通過Fourier級數(shù)展開或變換，可將時域信號變換為頻域信號；反之，通過Fourier逆變換可以將頻域信號轉換為時域信號。通過時頻域轉換，不僅可以研究分析信號的時域特征（如持續(xù)時間、幅值等），還可以研究分析信號的頻域特征（如是否有周期性信號、頻率帶寬等），實現(xiàn)對信號的全面認識。按照時域信號的特點，可以應用不同的方法將其轉換為頻域信號，分別為：圖1-1 四種時頻域轉換方式這四種變換原理如下：（1） Fourier級數(shù)展開級數(shù)展開有兩種形式：三角級數(shù)和指數(shù)級數(shù)形式。其中前者為單邊譜或實頻譜，后者為雙邊譜或復頻譜。三角函數(shù)形式的Fourier級數(shù)展開： （1-1）其中： 指數(shù)函數(shù)形式的Fourier級數(shù)展開：根據(jù)Euler公式，可以將式（1-1）轉化為指數(shù)形式： (1-2)（2） Fourier變換Fourier變換分正變換和逆變換，其中前者是將時域信號變換為頻域信號，后者將頻域信號轉換為頻域信號。正變換： （1-3）逆變換： （1-4）（3） 序列Fourier變換序列的Fourier變換也分正、逆變換。正變換： （1-5）逆變換： （1-6）（4） 離散Fourier變換有限長序列的離散Fourier變換的正、逆變換如下：正變換： （1-7）逆變換： （1-8）其中：。2、抽樣過程及抽樣定理（1） 抽樣過程從時域看，抽樣過程就是通過等間隔或不等間隔地獲取原始信號的某些片斷，得到抽樣信號，通過對抽樣信號的處理和分析，獲取原始信號的特征信息。理想的抽樣過程是沖激抽樣，其過程如圖1-2所示。otx(t) o（a） （d）otT o（b） （e）otT o（c） （f）(a)時域原始信號；（b）沖激信號序列；（c）采樣后得到的信號（d）頻域原始信號；（e）頻域沖激序列；（f）頻域采樣后的信號圖1-2 沖激采樣過程原理示意圖在實際中，不可能以產生沖激采樣序列，一般都是矩形窗、Hamming窗、Hanning窗等，采用不同的采樣窗函數(shù)，得到的采樣效果是不同的，特別是旁瓣的大小。圖1-3是矩形窗采樣過程示意圖。otx(t) o（a） （d）otp(t)T o（b） （e）oxp(t)Tt o（c） （f）(a)時域原始信號；（b）矩形窗序列；（c）采樣后得到的信號（d）頻域原始信號；（e）頻域矩形窗；（f）頻域采樣后的信號圖1-3 矩形窗采樣過程原理示意圖（2） 抽樣定理抽樣定理主要是考慮如何不失真地對信號的抽樣，特別是考察待采樣信號的頻率與采樣頻率之間的關系，如圖1-4所示為二者之間不同關系時，采樣后的信號頻域示意圖。o（a）o （b）o （c）（a）時的抽樣效果；（b）時的抽樣效果；（c）時的抽樣效果圖1-4 不同采樣頻率時的采樣效果示意圖由圖1-4可知當采樣頻率大于等于信號頻率的2倍時，采樣后的信號得到了忠實地保持，沒有產生采樣誤差；而采樣頻率小于信號頻率的2倍時，發(fā)生了混疊誤差，這樣就不能實現(xiàn)對原信號的復原。采樣定理就是這樣得到的，定理如下：對一帶限信號，設為信號最高頻率，抽樣信號能無失真地恢復原信號的條件是，其中為采樣頻率。3、動態(tài)稱重原理動態(tài)稱重是物體在運動變化過程中的稱重過程，如汽車在行進過程中的稱重過程。具有速度快、效率高等優(yōu)點；還具有測量時間短，干擾因素多等特點。 此實驗中，就是針對汽車動態(tài)稱重中獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理。動態(tài)稱重過程中的信號特點如圖1-5所示，信號處理過程中需選取合適的數(shù)據(jù)段。圖1-5 動態(tài)稱重過程中的信號（1） 動態(tài)稱重系統(tǒng)模型采用二階彈簧-阻尼系統(tǒng)模型： （1-9）其z變換形式為： （1-10）其中：是與參數(shù)相關的數(shù)值。將式（1-9）寫成差分方程形式為： （1-11）其中u單位為階躍（或近似階躍）信號，當k大于2時，u為常數(shù)，則差分方程變?yōu)椋?（1-12）由此，得到重量估值系統(tǒng)的終值為： （1-13）（2）RLS算法 遞推最小二乘算法（Recursive Least Squares，RLS）表達式為： （1-14）其中，為參數(shù)向量， 為回歸向量，為增益系數(shù)矩陣，為增益矩陣。重量為： （1-15）實驗內容：（1）利用Matlab軟件進行基本信號的時域和頻域分析； （2）利用Labview軟件進行信號的分析及處理； （3）利用Labview軟件進行信號的輸出及采樣； （4）利用Labview軟件完成動態(tài)稱重的仿真。實驗思考問題：（1）信號的時頻域轉換的方法及其發(fā)展過程。（2）FFT變換中如何進行參數(shù)的選擇，如何保證FFT變換的頻率分辨率？（3）LabVIEW軟件的編程思想及編程方法是什么？（4）為什么對信號加窗？加窗后對信號的影響是什么？（5）實驗中數(shù)據(jù)采集需注意哪些問題？（6）實驗中的動態(tài)稱重的方法是什么？實驗儀器：計算機、數(shù)據(jù)采集卡PCI-9111DG、示波器DS5062CE、信號發(fā)生器DG1011。實驗步驟：1、應用Matlab軟件（1）產生不同的周期信號，包括正弦信號、方波信號、鋸齒波，在時域分析這些波形特征（幅值、頻率（周期）。（2）在Matlab中產生隨機噪聲、階躍信號（選作）、矩形脈沖（選作）。（3）對產生的信號進行Fourier變換，從頻率域分析信號的特征，并說明方波信號和鋸齒波信號的信號帶寬；（進行傅里葉變換時注意采樣頻率）（4）產生復合信號：（注意：在此注意如何驗證FFT變換參數(shù)的選擇，以及頻率分辨率問題）由3個不同頻率、幅值的正弦信號疊加的信號，從圖形上判斷信號的特征；產生由正弦信號和隨機信號疊加的混合信號，從圖形上判斷信號的特征； 產生由正弦信號和方波疊加的信號，從圖形上判斷信號的特征。（5）對（4）中的3種復合信號進行FFT計算，從圖上判斷信號的特征。（6）應用不同窗函數(shù)對（4）中的信號進行采樣，其中包括矩形窗、Hamming窗、Hanning窗。比較不同窗函數(shù)采樣得到的結果。2、應用Labview軟件設計任務及步驟 設置開始和停止按鈕。 產生一個規(guī)則的信號（正弦、方波等類型可選，幅值、頻率等可設置）由圖形顯示控件顯示。 （1）計算機模擬產生； （2）由數(shù)據(jù)采集卡輸出后再采集回來；（3）通過數(shù)據(jù)采集卡采集信號發(fā)生器信號。 為規(guī)則信號疊加白噪聲（指功率譜密度在整個頻域內均勻分布的噪聲），成為待測信號，顯示此信號。 對待測信號進行分析處理： （1）進行FFT變換，并顯示信號頻譜； （2）對待測信號加窗（矩形窗、漢明窗、漢寧窗等可選，可改變通頻帶范圍），顯示加窗后的信號； （3）選擇濾波器（低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、IIR濾波器、FIR濾波器等可選），顯示濾波后的信號； （4）對濾波后的信號進行FFT變換，顯示信號頻譜。3、數(shù)據(jù)采集卡實驗（1）以順序結構連接數(shù)據(jù)采集卡的操作程序框圖；（2）產生某一信號（自選），通過數(shù)據(jù)采集卡輸出，用示波器觀察輸出的波形是否與產生的波形一致；（3）將輸出的信號采集回來，或者采集信號發(fā)生器的信號，并顯示。（4）結合“2 應用Labview軟件”對采集卡采集到的信號進行變換和處理。注：信號幅度不超過5V。4、動態(tài)稱重仿真實驗步驟：截取數(shù)據(jù)段、對數(shù)據(jù)濾波、模型參數(shù)辨識、求取重量（1）截取數(shù)據(jù)段：分別采用矩形窗、海明窗、海寧窗等截取數(shù)據(jù)段，分析不同窗口對信號的影響。（2）數(shù)據(jù)濾波：根據(jù)信號特點選取濾波器。如濾波器形式為：其中，系數(shù)向量Matlab中對應的函數(shù)為y(t)=filter(b,a,x)，參數(shù)x為原始信號數(shù)據(jù)，b為濾波器分子向量，a為濾波器分母向量，返回量y為濾波后的信號數(shù)據(jù)。（3）模型參數(shù)辨識采用RLS法進行參數(shù)辨識的編程步驟：確定各向量及矩陣的維數(shù)，對各向量及矩陣初始化：參數(shù)向量，初始化為Thita=zeros3,size(x,1)?；貧w向量，初始化為H=zeros3，size(x,1)。遺忘因子系數(shù)向量L(k)，初始化為L=0,0,0。協(xié)方差矩陣P(k)，初始化為P=0.1*eye(3)。質量M(k)，初始化為M=x。用循環(huán)語句對各向量矩陣進行運算h(k)=-x(k-1),-x(k-2),1T(k)= (k-1)+L(k)X(k)-hT(k) (k-1)L(k)=P(k-1)h(k)hT(k)P(k-1)h(k)+1-1P(k)=I-L(k)hT(k)P(k-1)得到最后的質量值（4）用Matlab及Labview實現(xiàn)動態(tài)稱重算法的過程用Labview從文件中讀取原始數(shù)據(jù)；用Labview實現(xiàn)窗函數(shù)，選取有效數(shù)據(jù)段；在Labview中調用Matlab腳本節(jié)點，用Matlab實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波和模型辨識算法；得到質量值并用Labview顯示。（5）參考界面如圖1-6所示(a) 前面板(b) 程序框圖之一圖1-6 動態(tài)稱重示例實驗報告：（1）根據(jù)實驗內容及步驟的要求針對各波形進行相應的分析。（2）綜述傅里葉變換的實際意義及應用價值。（3）分析窗函數(shù)的作用及意義。（4）分析數(shù)據(jù)采集的過程和注意事項（5）分析動態(tài)稱重的過程及實驗過程中解決的問題。（6）實驗中的每個圖像都要有橫縱坐標的物理量及單位，并且要有圖題。（7）寫出實驗感受和建議。第2節(jié) 實驗二 傳感器原理及應用實驗（6學時）2.1 溫度傳感器測量原理實驗 實驗目的： 了解各種溫度傳感器（熱電偶、鉑熱電阻、PN結溫敏二極管、半導體熱敏電阻、集成溫度傳感器）的測溫原理； 掌握熱電偶的冷端補償原理； 掌握熱電偶的標定過程； 了解各種溫度傳感器的性能特點并比較上述幾種傳感器的性能。實驗原理：（1）熱電偶測溫原理熱電偶由兩根不同介質的導體熔接而成，其形成的閉合回路叫做熱電回路，當兩端處于不同溫度時回路中產生一定的電流，這表明電路中有電勢產生，此電勢即為熱電勢。實驗中使用兩種熱電偶 ：鎳鉻鎳硅（K分度）、鎳鉻銅鎳（E分度）。圖2.1所示為熱電偶的工作原理，圖中： T為熱端，To為冷端，熱電勢為：圖2.1 熱電偶工作原理熱電偶冷端溫度不為0時（下式中的T1），需對所測熱電勢值進行修正 ，修正公式為：E（T，To）=E(T,T1)+E(T1,T0) （2-1）即：實際電動勢 測量所得電勢 溫度修正電勢對熱電偶進行標定時，以K分度熱電偶作為標準熱電偶來校準E分度熱電偶。K分度熱電偶和E分度熱電偶的分度表見附表2。（2）鉑熱電阻鉑熱電阻的阻值與溫度的關系近似線性，當溫度在0T650時， RT=R0（1+AT+BT2） 式中：RT鉑熱電阻T時的電阻值 R0鉑熱電阻在0時的電阻值 A系數(shù)（=3.9684710-31/） B系數(shù)（=-5.84710-71/2）將鉑熱電阻作為橋路中的一部分在溫度變化時電橋失衡便可測得相應電路的輸出電壓變化值。（3）PN結溫敏二極管半導體PN結具有良好的溫度線性，PN結特性表達公式為：式中，為與PN結結構相關的常數(shù)； k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.3810-23 J/K； e為電子電荷量，e=1.60210-19C；T為被測物體的熱力學溫度（K）。當一個PN結制成后，當其正向電流保持不變時，PN結正向壓降隨溫度的變化近似于線性，大約以2mv/的斜率隨溫度下降，利用PN結的這一特性可以進行溫度的測量。（4）熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度升高而急劇下降這一特性制成的熱敏元件，靈敏度高，可以測量小于0.01的溫差變化。熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC、負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC和在某一特定溫度下電阻值發(fā)生突然變化的臨界溫度電阻器CTR。實驗中使用NTC，熱敏電阻的阻值與溫度的關系近似符合指數(shù)規(guī)律，為：式中，T為被測溫度（K），T=t+273.16； T0為參考溫度（K），T0=t0+273.16； Rt為溫度T時熱敏電阻的阻值； R0為溫度T0時熱敏電阻的阻值； B 為熱敏電阻的材料常數(shù)，由實驗獲得，一般為20006000 K。（5）集成溫度傳感器用集成工藝制成的雙端電流型溫度傳感器，在一定的溫度范圍內按1A/K的恒定比值輸出與溫度成正比的電流，通過對電流的測量即可得知溫度值（K氏溫度），經K氏-攝氏轉換電路直接得到攝氏溫度值。實驗內容：（1）使用K型熱電偶對E型熱電偶進行標定；（2）測量鉑熱電阻、PN結溫敏二極管、半導體熱敏電阻、集成溫度傳感器在一些溫度下的電壓，畫出電壓和溫度的關系曲線，分析各種溫度傳感器的特性。實驗問題思考：（1）熱電偶的標定原理是什么？為什么使用K分度熱電偶標定E分度熱電偶。（2）如何獲得式（2-1）中的熱電勢E(T,T1)和E(T1,T0)？（3）各種溫度傳感器的特點是什么？根據(jù)其原理特點分析其應用。實驗儀器：溫度傳感器實驗模塊、熱電偶（K型、E型）、CSY2001B型傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺（以下簡稱主機）、溫控電加熱爐、連接電纜、萬用表：VC9804A，附表筆及測溫探頭、萬用表：VC9806，附表筆。實驗步驟：注意：為提高效率，在標定熱電偶的同時可將其他溫度傳感器按照說明連好線，同時測量。（1）觀察熱電偶結構（可旋開熱電偶保護外套），了解溫控電加熱器工作原理（見附1）。（2）關閉主機“電源開關”，將溫控電加熱爐電源插頭插入主機“220V加熱電源出”插座；熱電偶插入電加熱爐內，K分度熱電偶為標準熱電偶，冷端接“測試”端，E分度熱電偶接“溫控”端，（注意熱電偶極性不能接反紅為正，藍為負，而且不能斷偶）；（3）連接主機的“實驗模塊電源”至溫度傳感器實驗模塊電源插座（在后側板）。（4）將主機上的“熱電偶轉換”開關扳向“溫控”端，調節(jié)“設定調節(jié)”旋鈕到最低；（5）關閉“應變加熱”開關，打開主機“電源開關”，將主機上“加熱爐”置“開”；（6）“測量設定”開關扳向“設定”，調節(jié)“設定調節(jié)”旋鈕，將溫度設定在40（注意，由于溫控爐超調較大，可以將設定值稍微調小些）；（7）“測量設定”開關扳向“測量”；（8）溫控爐加熱時，“加熱”指示燈亮，溫控電加熱爐加熱；加熱爐到達設定溫度后，“加熱”指示燈滅，“關閉”指示燈亮，溫控爐在設定溫度保溫；（9）VC9806型萬用表置200mv檔，當“溫控加熱器”上方的數(shù)碼管顯示為設定溫度時，用VC9806型萬用表分別測量K型和E型熱電偶的熱電勢。（10）用VC9804型萬用表測量冷端溫度，即環(huán)境溫度。（將溫度探頭連接在萬用表的“TEMP”插座，萬用表置于“C”檔，注意溫度探頭的方向，將溫度探頭的“+”端插入萬用表溫度測量的“+”端）。（11）按照步驟（6），分別將溫度設定在40、50、60、70、80、90、100，重復（7）（10）步，記錄測量數(shù)據(jù)，填寫下表。給定溫度/405060708090100冷端溫度K型溫度熱電勢/mv冷端補償電勢/mv測量溫度/E型溫度熱電勢/mv冷端補償電勢/mv誤差測量溫度/鉑熱電阻輸出電壓PN結溫敏二極管輸出電壓半導體熱敏電阻輸出電壓集成溫度傳感器輸出電壓實驗報告： 分析各種溫度傳感器的溫度測量原理； 分析測量數(shù)據(jù)，分別計算各種溫度傳感器的靈敏度、線性度； 通過實驗及查找相關資料定性分析各種溫度傳感器的測溫范圍、精度、線性、重復性及靈敏度。2.2 電感式傳感器測量原理實驗 實驗目的： 了解電感式傳感器的基本組成及工作原理； 了解差動變壓器的基本結構及原理，通過實驗驗證差動變壓器的基本特性； 了解移相器的工作原理； 了解相敏檢波器的工作原理；實驗原理：（1） 差動變壓器 電感式傳感器是利用電磁感應原理將被測非電量轉換成線圈自感系數(shù)或互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。分為自感式傳感器、差動變壓器式傳感器和電渦流傳感器三種類型。電感元件的基本特性方程為：式中，W為電感線圈的匝數(shù)；為空氣的導磁率；S為氣隙的截面積；為氣隙長度；L為電感量。差動變壓器是一種電感式傳感器。差動變壓器由銜鐵、初級線圈和次級線圈組成，初級線圈是差動變壓器激勵，相當于變壓器原邊；次級線圈由兩個結構尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，相當于變壓器副邊。差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎上的，其原理及輸出特性見圖2.2、圖2.3和圖2.4所示。 圖2.2 差動變壓器結構 圖2.3 差動變壓器的位移-輸出特性圖2.4 差動變壓器原理差動變壓器的輸出為調幅信號，反映了位移的大小和方向，只有經過相應電路才能提取出這兩個信息。如圖2.5所示，其中，（a）為調制信號（位移），（b）為載波信號，（c）為調幅信號。圖2.5 差動變壓器的調幅信號（2）電橋及差動放大電路由于銜鐵在中間位置時，次級輸出不為0，因此存在零點殘余電壓。零點殘余電壓的影響：造成差動變壓器零點附近的不靈敏區(qū)；此電壓經過放大器會使放大器未級趨向飽和，影響電路正常工作。零點殘余電壓的補償：從設計和工藝制作上盡量保證線路和磁路的對稱。選用補償電路。電橋及差動放大電路如圖2.6所示。對傳感器信號進行放大的同時，還可進行零點殘余電壓補償。圖2.6 電橋及差動放大電路 （3）相敏檢波器差分放大器的輸出信號是調幅波，不能夠直接反映出被測量的大小和方向，經過相敏檢波器后，可反映出位移的大小和方向。相敏檢波電路如圖2.7所示：圖中為輸入信號端，為交流參考電壓輸入端，為檢波信號輸出端，為直流參考電壓輸入端。當、端輸入控制電壓信號時，通過差動電路的作用使D和J處于開或關的狀態(tài)，從而把端輸入的正弦信號轉換成全波整流信號。圖2.7 相敏檢波器電路（4）移相器相敏檢波器要求參考輸入與差動變壓器的輸出頻率相同，則需要接入移相器。移相器電路示意如圖2.8所示。通過對電路的閉環(huán)增益的推導，可得此式為移相器輸出信號和輸入信號之間的相移。調節(jié)W可改變相移。圖2.8 移相器示意圖（5）實驗框圖差動變壓器實驗框圖如圖2.9所示。從圖中看到，實驗系統(tǒng)包括差動變壓器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、信號源、電壓表，另外還包括示波器。圖2.9 實驗框圖實驗內容：（1）測試差動變壓器的調幅信號；（2）差動變壓器的標定。實驗問題思考：（1）調幅波在實驗中是否能夠觀察到？（2）相敏檢波器的工作原理是什么？（3）移相器的作用是什么？實驗儀器：電感式傳感器實驗模塊 實驗模塊公共電路 示波器：DS5062CE 信號發(fā)生器：DG1011型 微機電源：WD990型，12V 萬用表VC9806 電源連接電纜2根 螺旋測微儀實驗步驟：實驗連接圖如圖2.9所示。實驗步驟如下：（1）差動變壓器連接與測試（在電感式傳感器實驗模塊上）如圖2.4所示差動變壓器原理接線，初級線圈（綠色導線）接到“初級線圈插孔”；次級線圈（白色導線和藍色導線）分別連接“次級線圈”的“L01”和“L02”；信號發(fā)生器的輸出與示波器的1通道連接至初級線圈（注意：信號發(fā)生器的地和示波器的地相連，再連接至初級線圈的一端）；示波器的2通道連接至次級線圈；兩個次級線圈串接（其中的一根藍線和一根白線相連）。示波器1通道靈敏度調至500mv/格，2通道調至10mv/格。連接實驗模塊與電源，其中電纜的橙藍線為+12V，白藍線為-12V，隔離皮（金色）為地，切記勿接錯！打開微機電源開關，打開信號發(fā)生器電源開關，打開示波器電源開關。調節(jié)示波器可顯示兩路波形。按下信號發(fā)生器的“sine”按鈕，選擇正弦信號，設置信號發(fā)生器輸出信號Vp-p值為2V；調整信號發(fā)生器的信號頻率，觀察示波器2通道使波形不失真為好，信號頻率約10kHz。前后移動改變變壓器磁芯在線圈中位置，觀察示波器第2通道所示波形能否過零翻轉，如不翻轉則改變次級兩個線圈的串接端序，使其為反向串接。思考示波器顯示波形與調幅波的關系。（2）電橋和差動放大器的連接與測試連接見圖2.9。連接電感式傳感器實驗模塊和實驗模塊公共電路的地。電感式傳感器實驗模塊上電橋中的電容C的右端連接至差動變壓器二次線圈的另一個白色導線端，同時連接至實驗模塊公共電路的差動放大器的Vi+端；電橋中的電阻R的左端連接至差動變壓器二次線圈的另一個藍色導線端，同時連接至實驗模塊公共電路的差動放大器的Vi-端；示波器2通道連接至差動放大器輸出端Vout；觀察示波器的波形，調節(jié)螺旋測微儀，使銜鐵在中間位置，即差動放大器輸出電壓最?。ㄊ静ㄆ?通道的波形電壓最?。?；調節(jié)電感式實驗模塊的WD和WA，使示波器2通道的波形電壓最??；調節(jié)實驗模塊公共電路的“差動調零”，使通道2波形電壓為0V；（此旋鈕為零點殘余電壓的補償）；調節(jié)實驗模塊公共電路的“差動增益”，使放大器處于合適的增益；旋動螺旋測微儀，觀察示波器的波形的變化，并記錄。（3）移相器、相敏檢波器、低通濾波器的連接與測試連接圖見圖2.9。連接差動變壓器信號源端至實驗模塊公共電路的移相器的“IN”端，移相器的“Vout”端連至相敏檢波器的“2”；差動放大器的“Vout”連至相敏檢波器的“1”；相敏檢波器的“3”連至低通濾波器的“IN”；低通濾波器的“Vout”接萬用表，萬用表置20V直流電壓檔；示波器2通道接至移相器的“Vout”端，旋轉“移相調節(jié)”旋鈕，觀察示波器兩通道波形相位的變化，同時觀察萬用表示數(shù)的變化，觀察萬用表正最大值和負最大值時，兩波形的相位差。（4）差動變壓器的標定旋轉螺旋測微儀刻度為0，記錄萬用表的電壓；螺旋測微儀刻度每增加1mm，記錄萬用表的電壓，直到數(shù)據(jù)飽和為止；螺旋測微儀刻度每減少1mm，記錄萬用表的電壓，直到螺旋測微儀刻度為0。在表2.3中記錄數(shù)據(jù)。測量時，注意初次級線圈波形相位的變化。表2.3 差動變壓器測量數(shù)據(jù)（采用靜態(tài)標定步驟進行正反三次循環(huán)）位移/mm電壓/V位移/mm電壓/V位移/mm電壓/V根據(jù)表格所列結果，作出電壓-位移曲線，指出線性工作范圍，并進行靜態(tài)指標的計算。實驗報告要求：（1）說明差動變壓器位移測量的原理，分析差動變壓器輸出信號的特點；（2）分析差分放大器功能；（3）分析移相器功能及相位差同差動變壓器輸出電壓的關系；（4）分析相敏檢波器工作原理及功能；（5）分析測量數(shù)據(jù)，作出電壓-位移曲線，擬合出電壓-位移表達式；（6）計算出靜態(tài)指標參數(shù)，繪制出滯回曲線。2.3 應變傳感器測量原理實驗 實驗目的：（1）了解箔式應變片的結構及粘貼方式（2）掌握使用電橋電路對應變片進行信號調理的原理和方法（3）掌握使用應變片設計電子秤的原理（4）掌握應變片的溫度補償?shù)脑砗头椒▽嶒炘恚海?）應變片測量原理應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。通過測量電路，即可將電阻變化轉換成電信號輸出。（2）應變電橋原理電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4 ，當使用一個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且R1= R2= R3= R4=R，則有。 （3）稱重原理本實驗選用的是標準商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，靈敏度高，性能穩(wěn)定，四個特性相同的應變片貼在如圖2.10所示位置，彈性體的結構決定了R1和R3、R2 和R4的受力方向分別相同，因此將它們串接就形成差動電橋（彈性體中間上下兩片為溫度補償片）。當彈性體受力時，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：圖2.10 雙孔懸臂梁稱重傳感器（4）溫補原理當應變片所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于其敏感柵本身的溫度系數(shù)，自身的標稱電阻值發(fā)生變化，而貼應變片的測試件與應變片敏感柵的熱膨脹系數(shù)不同，也會引起附加形變，產生附加電阻。為避免溫度變化時引入的測量誤差，在實用的測試電路中要進行溫度補償。本實驗中采用的是電橋補償法，如圖2.11所示。圖2.11 電橋補償法電路原理實驗內容：（1）測試應變稱重電路的靜態(tài)指標。（2）了解溫度變化對應變測量系統(tǒng)的影響，學習溫度補償?shù)姆椒?。實驗問題思考：（1）實驗中溫度補償?shù)脑?。?）通過實驗思考影響應變片測量精度的因素。實驗儀器：直流穩(wěn)壓電源（4V、12V），應變式傳感器實驗模塊，雙孔懸臂梁稱重傳感器，稱重砝碼（20克/個），數(shù)字萬用表（可測溫）。實驗步驟：（1）觀察稱重傳感器彈性體結構及傳感器粘貼位置，將三芯電纜供電線一端與應變式傳感器實驗模塊相連，另一端與主機實驗電源相連（2）將差動放大器增益置于最大位置（順時針方向旋到底），差動放大器的“+”“-”輸入端接地。輸出端接電壓表200mV檔。開啟主機電源，用調零電位器調整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線，調零后模塊上的“增益、調零”電位器均不應再變動。（3）按圖2.12將所需實驗部件連接成測試橋路（全橋接法），圖中R1、R2、R3和R均為應變計（可任選雙孔懸臂梁上的一個應變片），圖中每兩個節(jié)之間可理解為一根實驗連接線，注意連接方式，勿使直流激勵電源短路。（4V采用主機電源上的+V0和-V0）。圖2.12 測試電橋連接電路（4）開啟微機電源，調節(jié)電橋WD調零電位器使無負載時的稱重傳感器輸出為零。（5）逐一將砝碼放上傳感器稱重平臺（共9個砝碼），調節(jié)增益電位器，使VOUT端輸出電壓與所稱重量成一比例關系，記錄W（克）與V（mV）的對應值，并將數(shù)據(jù)填入表中（按靜態(tài)標定步驟進行正反三次循環(huán)）。表 稱重實驗數(shù)據(jù)記錄表1增加砝碼過程W/克020406080100120140160180V1/mV表 稱重實驗數(shù)據(jù)記錄表2減少砝碼過程W/克180160140120100806040200V1/mV（6）做出V-W曲線。（7）用可測溫度的萬用表測出環(huán)境溫度大小，并記錄。（8）開啟“應變加熱”電源，觀察電橋輸出電壓隨溫度升高而發(fā)生的變化，待加熱溫度達到一個相對穩(wěn)定值后（加熱器加熱溫度約高于環(huán)境溫度30），記錄VOUT端輸出電壓值，用可測溫度的萬用表測出孔懸臂梁上的溫度，并求出大致的溫飄V/T，然后關閉加熱電源，待其冷卻。將該過程的數(shù)據(jù)記錄在表中。表 應變片溫度效應數(shù)據(jù)記錄加熱前溫度穩(wěn)定后溫度/電壓/mV（9）將圖2.12中電阻R2換成一片與應變片在同一應變梁上的補償應變片，重新調整系統(tǒng)輸出為零。（10）開啟“應變加熱”電源，觀察經過補償?shù)碾姌蜉敵鲭妷旱淖兓闆r，按照表2的形式記錄數(shù)據(jù)，并求出溫漂，然后與未進行補償時的電路進行比較，用文字說明比較的結果。注意事項（1）實驗前應檢查實驗連接線是否完好，學會正確插拔連接線，這是順利完成實驗的基本保證。（2）稱重傳感器的激勵電壓請勿隨意提高（即保證在4V）。（3）注意保護傳感器的引線及應變片使之不受損傷。（4）在箔式應變片接口中，從左至右6片箔式片分別是：第1、3工作片與第2、4工作片受力方向相反，第5、6片為上、下梁的溫度補償片，請注意應變片接口上所示符號表示的相對位置。（5）“應變加熱”源溫度是不可控制的，只能達到相對的熱平衡。實驗報告要求：（1）用自己的語言敘述應變片測量原理、應變電橋原理、稱重原理及應變片溫補原理。（2）列出實驗過程中數(shù)據(jù)，以及要求的曲線。（3）對各種實驗現(xiàn)象進行分析總結.（4）計算傳感器靜態(tài)指標，繪制出滯回曲線。第3節(jié) 實驗三 信號調理及信號處理實驗（4學時）實驗目的：了解電子稱的稱重原理；掌握測試系統(tǒng)的標定方法；掌握測試系統(tǒng)靜態(tài)特性的分析方法。掌握模擬濾波器的設計方法和實現(xiàn)過程；掌握數(shù)字濾波器的設計方法和實現(xiàn)過程。了解測量系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)過程。實驗原理：（1）電子秤稱重原理實驗中使用的電子秤，傳感器為高精度高阻值電阻應變傳感器。電子稱原理框圖及電子稱結構分別如圖3.1和圖3.2所示。電阻應變傳感器安裝在懸臂梁上。懸臂梁與秤盤相連，當秤盤上放上重物后，懸臂梁產生形變，電阻應變傳感器產生應變，將感受到的力或力矩的變化轉變成變化的模擬信號。該模擬信號經放大調理電路，再經采樣轉變成便于計算機處理的數(shù)字信號，由CPU運算后，根據(jù)鍵盤指令及程序將結果輸出到顯示器上。圖3.1 電子秤原理框圖圖3.2 電子秤結構（2）濾波器設計根據(jù)有用信號和噪聲不同的特性，抑制不需要的噪聲和干擾，提取出有用信號的過程，稱為濾波。實現(xiàn)濾波功能的裝置為濾波器。從功能上濾波器可分為低通（LP）、高通（HP）、帶通（BP）、帶阻（BS）。濾波器的選取與設計步驟為： 根據(jù)信號特性，提出濾波器設計要求； 根據(jù)濾波器設計要求寫出濾波器傳遞函數(shù)； 對于模擬濾波器由傳遞函數(shù)設計出實際電路，對于數(shù)字濾波器，則編寫對應的程序算法。常用的低通濾波器為巴特沃思低通濾波器，其歸一化傳遞函數(shù)為：二階巴特沃思濾波器的傳遞函數(shù)可表示為：其中，歸一化系數(shù)B=1.414214，C=1.0000000；c為截止頻率，K=1為增益。一個二階巴特沃思低通濾波器電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3 二階巴特沃斯低通濾波器電路圖通過推導可得其傳遞函數(shù)為：則有：根據(jù)c值即可選求各個器件的值。 器件選擇注意： （1）先選擇電容的值，使得可直接使用模擬機實驗箱上的電容或經過簡單的串并聯(lián)可以實現(xiàn)；實驗箱可選電容：0.1uF、0.47uF、1uF、2.2uF、4.7uF、10uF。 （2）電容選擇經驗規(guī)律： （3）實驗箱電阻：10k、100k、200k、510k、1M； 可變電阻：10k、100k、470k、2.2M。 提供的可變電阻：50k 模擬濾波器設計： 將信號發(fā)生器的噪聲信號疊加到表示電子稱輸出的信號上； 將疊加了噪聲的信號連接到數(shù)采卡的接口板上； 利用Labview軟件將信號采集到計算機中； 分析信號的頻譜，得到信號幅度譜； 根據(jù)信號特點提出濾波器設計參