传感器与检测技术实验讲义-13电子与14自动化

周次实验项目名称要点与重点掌握程度实验类型实验要求学时9常用电子测量仪器的使用万用表、*数字存储示波器、电子计数器、程控电源、LCR测试仪等的使用熟练验证性必做210电阻式传感器金属箔式应变传感器，半导体应变传感器熟练验证性必做211变电抗式传感器电涡流传感器，电容传感器熟练验证性必做212光电式传感器光敏传感器，光电转速传感器熟练验证性必做213温度传感器标准K分度热电偶，集成温度传感器熟练验证性必做214磁电、压电、电容传感器的特性研究*利用现有设备，设计实验方案，测量磁电、压电、电容传感器的特性正确综合性实验必做215-16数字温度计*以Cu50热电阻为传感器，进行温度传感、信号调理电路设计与制作，实现温度传感、信号调理、数字显示。正确综合性实验必做4实验一常用电子仪器的使用一、实验目的1、掌握数字万用表、台式万用表、数字存储示波器、函数信号发生器、数字频率计、可编程直流稳压电源、LCR测试仪等典型电子测量仪器的原理、性能和基本使用方法；2、了解测量的基本原理。二、实验仪器1、数字万用表；2、台式万用表；3、数字存储示波器；4、函数信号发生器；5、可编程直流稳压电源；6、LCR测试仪。三、实验原理1、万用表万用表具有用途多、量程广、使用方便等优点，是电子测量中最常用的工具。它可以用来测量电阻，交流电压和直流电压，有的万用表还可以测量晶体管的主要参数及电容器的电容量，还有通断蜂鸣、检测频率、温度等功能。掌握万用表的使用方法是电子技术的一项基本技能。数字万用表是可以实现多种测量功能的数字式仪器，其前端为实现各种变换电路，如：AC/DC变换、I/V变换、Z/V变换等，变换后得到直流电压，通过以A/D转换器为核心的DVM即实现数字化测量，并通过内置的CPU，实现测量自动化。2、数字存储示波器数字存储示波器（DigitalStorageOscilloscope，简称为DSO）是将捕捉到的波形通过A/D转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储器中。它具有记忆、存贮被观察信号功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。衰减器放大器触发电路A/D转换器延迟线存储器（RAM）D/A转换器地址计数器D/A转换器垂直放大器水平放大器扫描发生器逻辑控制电路（微处理器）输入外触发内外实时存储实时实时存储存储至X偏转板至Y偏转板图1-2典型数字存储示波器原理框图一个典型的数字存储示波器原理方框图如图1-2所示，它有实时和存储两种工作模式。当处于实时工作模式时，其电路组成原理与一般模拟示波器一样。当处于存储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段。在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当地放大或衰减，然后再经过“取样”和“量化”两个过程的数字化处理，将模拟信号转换成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出，并经D/A转换器转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。与此同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，加到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟输入信号。5、函数信号发生器函数信号发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号发生器。多波形信号发生原理：函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其它波形，通常基于RC、LC振荡器，稳定度在10－2―10－3之间。（1）方波三角波发生器它最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波——三角波发生器，其原理框图如1-3所示：（2）正弦波形成电路正弦波可以由三角波获得，其方法是分段折线逼近的波形综合法。分段折线逼近的实现电路图如图1-4所示：utiustusct图1-4分段折线逼近波形综合图1-3方波、三角波发生器原理框图V1AC双稳态电路V2WRU1I1+-U2BVC2VC1（a）原理框图（b）工作波形图B端波形toA端波形to（3）锯齿波形成电路将下图1-5（a）所示三角波与图1-5（b）所示方波直接叠加就可得到图1-5（c）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图1-4（d）所示的锯齿波。（4）用专门的IC构成的信号发生器ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。其中ICL8038芯片具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。6、合成信号源（1）频率合成原理当要获得许多稳定的信号频率时，不能采用很多个晶体振荡器来产生，应采用频率合成的方法来得到。图1－6频率合成原理频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率（一般由高稳定的石英晶体振荡器产生），通过基本的代数运算（加、减、乘、除），得到一系列所需的频率。（2）频率合成分类Ⅰ、直接频率合成。它是通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）1-5锯齿波的获得原理代数运算（加、减、乘、除）石英晶体基准频率频率1输出频率n输出频率控制字列频率信号并用窄带滤波器将其选出。Ⅱ、锁相式频率合成。它是一种间接式的频率合成技术，利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。Ⅲ、直接数字合成（DDS）。基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号。合成信号源的频率稳定度高，通常在10－6――10－8之间7、任意信号发生器（1）任意波形发生器的工作原理任意波形发生器的原理与DDS基本相同，如下图1－7所示：它包括信号的频率合成及波形合成，它采用波形取样、数据存储和波形恢复等数字技术。它截取所要产生的信号波形的一个周期，进行等间距的均匀取样和量化，获得的波形数据存入存储器RAM中。波形恢复时，以与取样时钟同频率的时钟顺序读出存储的波形数据，经D/A转换后即可以得到所需要波形的信号、（2）任意波形发生器的主要技术指标任意波形发生器的种类很多，性能各异，其基本的功能及性能指标有：Ⅰ、波形编辑功能；Ⅱ、输出波形频率；Ⅲ、相位分辨力；Ⅳ、幅度分辨率；Ⅴ、输出通道数。任意波形发生器简介：下图1－8是某种任意波形发生器的系统结构框图波形存储器D/A转换器滤波器fs输出图1－7任意波形发生器原理RS232GP-IBDDSASIC波形RAMDAC调制RAMDAC滤波同步信号电路方波电路衰减调幅输出电路图1－8某任意波形发生器系统结构同步输出输出四、实验步骤1、万用表的应用（1）测直流电压源的输出电压；（2）测量供电系统50HZ交流电（要注意安全）；（3）测电阻，与LCR测试仪对比；（4）测电容，与LCR测试仪对比；（5）测电感，与LCR测试仪对比；（6）练习平常用得比较少的功能，如测频率、测温度、测二极管的导通压降、判断三极管的三极以及放大倍数等等，并把测量值记录下来。2、信号发生器的应用（1）分别调出正弦波、方波、三角波；（2）设置频率300Hz；（3）设置峰－峰值4V。3、示波器的应用（1）探头补偿调试；（2）用示波器分别观察正弦波、方波、三角波波形、频率、幅度与信号发生器示值比较，观察一个周期的波形、上升沿、下降沿，写出具体操作过程。要把面板上的功能都用一用，比如自动读数、光标读数功能，波形存储功能，切换两个通道，算法切换功能。4、LCR测试仪的使用分别测量已给电阻、电容、电感的值：RLC标称11M101001nF1F万用表测的值LCR测试仪测的值误差五、实验报告1、记录实验数据2、总结各种仪器的使用方法实验二金属箔式与半导体式应变计的性能测试一．实验目的：１．观察了解箔式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式。２．验证单臂、半桥、全桥的性能，比较各桥路间的输出关系。３．说明实际使用的应变电桥的性能和原理。４．了解温度对测试系统的影响，说明箔式应变片和半导体应变计的灵敏度和温度效应。５．通过实验对两种应变电路的特性有充分的了解。二．实验所需部件：直流稳压电源、应变式传感器实验模块、金属箔式应变计及温度补偿片、半导体式应变计、砝码、数字电压／频率表、应变加热（位于主机面板的温控单元下面）。三．实验原理：1.箔式应变片性能——单臂电桥本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，RRR；当二个应变片组成差动状态工作，则有RRR2；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，RRR4。2.箔式应变片三种桥路性能比较已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/R、2△R/R、4△R/R。根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于41·E·∑R，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关３．金属箔式应变计的温度效应温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。由此引起测试系统输出电压发生变化。用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图（1）所示。在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1＝R2。当温度变化时两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1*R4＝R2*R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。图（1）图（2）４．半导体应变片性能由于材料的阻值slR，则)21(ρρldldsdsldldRdR,当应变ll，灵敏度/)21(/RRK;对于箔式应变片，K箔≈1＋2μ，主要是由形变引起。对于半导体应变计，K半≈（△ρ/ρ）/∑,主要由电阻率变化引起。由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K半要大于K箔，但是受温度影响大。半导体应变计主要是根据硅半导体材料的压阻效应制成，当半导体晶体受到作用力时，晶体除产生应变外，电阻率也会发生变化。与金属应变片相比，半导体应变计灵敏系数很高，可达100～200，但是在稳定性及重复性方面都不如金属箔式片。实际使用时都是采用全桥工作形式以达到相对稳定。四．实验步骤：（一）箔式应变片三种桥路性能比较图（3）１．首先差放调零，连接主机与应变式传感器实验模块之间的电源，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线对地短路。输出端接数字电压表2V档。开启主机电源，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后关闭主机电源，拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。２．观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图（3）将所需实验部件连接成单臂电桥，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使