光電學(xué)院《傳感器技術(shù)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(2016版)

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1、傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)室名稱：測(cè)控與傳感器實(shí)驗(yàn)室（ 2） 實(shí)驗(yàn)室房號(hào)： A 主 1109 重慶大學(xué)光電工程學(xué)院 2016.3 實(shí)驗(yàn)一電容式傳感器原理與使用 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠顒?dòng)式同軸變面積電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用。 二、基本原理： 1、原理簡(jiǎn)述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變 化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容

2、C= eA/d關(guān)系式通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu) 和測(cè)量電路可以選擇 e、A、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以 有測(cè)干燥度（e變）、測(cè)位移（d變）和測(cè)液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分 成平板、圓板形和圓柱（圓筒）形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實(shí)驗(yàn)采用 的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器， 差動(dòng)式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。它 靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑 為R;圓柱的半徑為r；圓柱的長(zhǎng)為x,則電容量為C=S 2nx / ln（R / r）。圖中C1、C2是

3、差動(dòng)連接， 當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生？*位移時(shí)，電容量的變化量為 ?C=C1-C2= 2ti2?X/ln（R /r）,式中e 2n、ln（R /r）為常數(shù)，說(shuō)明？C與？X位移成正比，配上配套測(cè)量電路就能測(cè)量位移。 R 住 C2 圓筒2 圓 C1 連桿 2、測(cè)量電路（電容變換器 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 廣 測(cè)量電路畫在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓拿姘迳?。其電路的核心部分是下圖 的二極管環(huán)路充放電電路。 1)3 二極管環(huán)形充放電電路 在圖中，環(huán)形充放電電路由 D3、D4、D5、D6二極管、。電容、L1電感和C<1、CX2 （實(shí)驗(yàn)差動(dòng)電 容位移傳感器）組成。 當(dāng)高頻激勵(lì)電壓（

4、f >100kHz）輸入至Ua點(diǎn)，由低電平 E1躍到高電平E2時(shí)，電容Cxi和C<2兩端 電壓均由 日充到以。充電電荷一路由a點(diǎn)經(jīng) D3到b點(diǎn)，再對(duì)CX1充電到。點(diǎn)(地)；另一路由由a點(diǎn) 經(jīng)C4到C點(diǎn)，再經(jīng)D5到d點(diǎn)對(duì)CX2充電到。點(diǎn)。此時(shí)，口和D6由于反偏置而截止。在 t 1充電時(shí)間 內(nèi)，由a至ij c點(diǎn)的電荷量為： Q = CX2(E2-E1) (1) 當(dāng)高頻激勵(lì)電壓由高電平 E2返回到低電平 E1時(shí)，電容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點(diǎn)、口、c 點(diǎn)、C4、a點(diǎn)、L1放電到。點(diǎn)；CX2經(jīng)d點(diǎn)、D6、L1放電到。點(diǎn)。在t2放電時(shí)間內(nèi)由 c點(diǎn)到a點(diǎn)的 電荷量為： Q2=CX1(E2

5、-E1) (2) 當(dāng)然，(1)式和(2)式是在C4電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的 CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。 電容C4的充放電回路由圖中實(shí)線、虛線箭頭所示。 在一個(gè)充放電周期內(nèi)(T= t 1+t2),由c點(diǎn)到a點(diǎn)的電荷量為： Q = Q2-Q1 = (CX1-CX2)(E 2-E 1) = aCX aE (3) 式中：CX1與CX2的變化趨勢(shì)是相反的(傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動(dòng)式) 。 設(shè)激勵(lì)電壓頻率f = 1/T,則流過(guò)ac支路輸出的平均電流i為： i =f Q= f ACX AE (4) 式中：AE—激勵(lì)電壓幅值；ACX一傳感器的電容變化量。 由(4)式可看出：f、

6、△ 一定時(shí)，輸出平均電流 i與aCX成正比，此輸出平均電流 i經(jīng)電路 中的電感L2、電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)RW轉(zhuǎn)換成電壓輸出 Vo1=I RW。由傳感器原理已知 ?C與？X位移成正比，所以通過(guò)測(cè)量電路的輸出電壓 Vo1就可知？X位移。 3、電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)原理方塊圖如下圖 電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)方塊圖 三、需用器件與單元：主機(jī)箱土 15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?測(cè)微頭。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 附：測(cè)微頭的組成與使用 測(cè)微頭組成和讀數(shù)如圖 微調(diào)鈕 側(cè)桿 安裝建 微分筒 測(cè)微頭組成： 測(cè)微頭由不可動(dòng)部分安裝套、軸套和可動(dòng)部分測(cè)

7、桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。 測(cè)微頭讀數(shù)與使用：測(cè)微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線， 標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線 （1mM格），另一排是半毫米刻線（0.5mm/格）；微分筒前部圓周表面上刻 有50等分的刻線（0.01mm/格）。 用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時(shí)，測(cè)桿就沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過(guò) 1格，測(cè)桿沿軸方向移動(dòng) 微小位移0.01mm,這也叫測(cè)微頭的分度值。 測(cè)微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對(duì)準(zhǔn) 微分筒上的數(shù)值、可以估讀 1/10分度，如上圖甲讀數(shù)為 3.678mm,不是3.178mm；遇到微分筒邊緣 前端與主尺上

8、某條刻線重合時(shí)，應(yīng)看微分筒的示值是否過(guò)零，如上圖乙已過(guò)零則讀 2.514mm；如上 圖丙未過(guò)零，則不應(yīng)讀為 2mm讀數(shù)應(yīng)為1.980mm= 測(cè)微頭使用：測(cè)微頭在實(shí)驗(yàn)中是用來(lái)產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測(cè)微頭在使用前， 首先轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒到10mn#（為了保留測(cè)桿軸向前、后位移的余量），再將測(cè)微頭軸套上的主尺橫線面 向自己安裝到專用支架座上，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套 （測(cè)微頭整體移動(dòng)）使測(cè)桿與被測(cè)體連接并使被測(cè) 體處于合適位置（視具體實(shí)驗(yàn)而定）時(shí)再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒時(shí)，被測(cè) 體就會(huì)隨測(cè)桿而位移。 1、按示意圖安裝、接線。 交架座 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝、接線

9、示意圖 2、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系?Rw調(diào)節(jié)到中間位置（方法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)傳3圈 ）。 3、將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到 2V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn) 測(cè)微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示 0V ,再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭（同一個(gè)方向）6圈，記錄此時(shí) 的測(cè)微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。 以后，反方向每轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭 1圈即△X=0.5mm位移讀取 電壓表讀數(shù)（這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù)），將數(shù)據(jù)填入下表（這樣單行程位移方向做實(shí)驗(yàn)可 以消除測(cè)微頭的回差）。 表16電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) X(mm)

10、V(mV) 4、根據(jù)數(shù)據(jù)作出AX- V實(shí)驗(yàn)曲線并截取線性比較好的線段計(jì)算靈敏度 S=a V/AX和非線性誤差 8,指出線性測(cè)量范圍，分析產(chǎn)生非線性現(xiàn)象的原因。 五、擴(kuò)展問(wèn)題： 本實(shí)驗(yàn)怎樣提高系統(tǒng)靈敏度? 實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉電源開關(guān)。 注：傳感器專用插頭（黑色航空插頭）的插、拔法：插頭要插入插座時(shí)，只要將插頭上的凸鎖對(duì) 準(zhǔn)插座的平缺口稍用力自然往下插；插頭要拔出插座時(shí)，必須用大姆指用力往內(nèi)按住插頭上的凸鎖 同時(shí)往上拔。 實(shí)驗(yàn)二 電阻應(yīng)變片與直流電橋 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測(cè)量電路。 二、

11、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成。一種利 用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過(guò) 一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻 的變化，再通過(guò)測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的 各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行 業(yè)應(yīng)用十分廣泛。 1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng) 所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻 值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理

12、現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)” 。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長(zhǎng)為： L、 半徑為r、材料的電阻率為p時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得 j 7rM （1） 當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度 L、截面積A和電阻率P的變化為dL、dA、dp相應(yīng)的電阻變 化為dR對(duì)式（1）全微分得電阻變化率 dR/R為： dR dL 汽 dr dp —=—-2—+— R L r p ⑵ 式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量 j dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量 十 由材料力學(xué)得： 也=-re ⑶ 式中：科為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為 0.3?0.5左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相 反。將式（3）代入式（2）得：

13、 空=(1 +如E +生 R P (4) 式（4）說(shuō)明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變 （幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)） 2、應(yīng)變靈敏度 它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。 （1）、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度 K:主要取決于其幾何效應(yīng)；可取 (5) 其靈敏度系數(shù)為： K= 1- 然 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng) 變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在 2左右。 （2）、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)； dR/R< = dp ?并導(dǎo)體材料之所以具有較大 的電阻變

14、化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶 體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使 電阻增大）的或負(fù)（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說(shuō)，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將 得到完全相反的電阻變化效果。 半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在 100到200左右。 3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用 在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線 性度不好而且易損壞）

15、很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用 N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面 直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵） ，制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。 *本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。 4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為 0.025mm左右 的金屬絲或金屬箔制成，如圖所示。 （a）絲式應(yīng)變片 L川禁匿法用然 （b）箔式應(yīng)變片 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖 金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。 電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電

16、阻應(yīng)變效 應(yīng)的關(guān)系式為： 4R/ R= Ke 式中：^R/ R為電阻絲電阻相對(duì)變化， K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，e=4L/L 為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。 5、測(cè)量電路 為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)， 在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其 測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。 能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。 電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂(半橋)和全橋三種，單臂工作輸出信號(hào)最小、線性、穩(wěn)定 性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能 最好。因此

17、，為了得到較大的輸出電壓信號(hào)一般都采用雙臂或全橋工作。基本電路如圖( a)、(b)、 (c)所示。 (b)半橋 (c)全橋 (a)單臂 應(yīng)變片測(cè)量電路 (a)、單臂 Uo= UD-U3) =C (R1 +AR1)/(R1+ AR1 + R5) - R7/(R7+ R6) ] E =｛〔(R7+ R6) (R1+ AR1) - R7 (R5+R1+ △R1)〕/〔(R5+R1+ 4Rl) (R7+R6)〕｝ E 設(shè) R1= R5=R6=R7,且△R/R： 4R/ R < < 1, aR/R=K , K 為靈敏度系數(shù)。 則 Ug (1 /4)( △R1/R1)E =

18、 (1 /4)( AR/R)E=(1 /4)K E (b)、雙臂(半橋) 同理：Uo=(1 /2)( R)E=(1/2)K E (C)、全橋 同理：Uo=( AR/R)E= K E 6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖 圖中R5、R5、R7為350a固定電阻，R1為應(yīng)變片；RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)， E為供橋電 源4V。橋路輸出電壓 Ug （1/4）（ △R4/R4）E = （1 /4）（ R）E= （1/4）K e E 。差放輸出為 Vo。 三、需用器件與單元： 主機(jī)箱中的土 2V?10V （步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、土 15V直流穩(wěn)

19、壓電 源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、祛碼； 4 g位數(shù)顯萬(wàn)用表。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f(shuō)明：應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逵蓱?yīng)變式雙孔懸臂梁載荷傳感器 （稱重傳感器）、 加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應(yīng)變片測(cè)量電路、差動(dòng)放大器組成。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械?R1（傳感器的 左下）、R2（傳感器的右下）、R3（傳感器的右上）、R4（傳感器的左上）為稱重傳感器上的應(yīng)變片輸出口； 沒(méi)有文字標(biāo)記的5個(gè)電阻符號(hào)是空的無(wú)實(shí)體，其中 4個(gè)電阻符號(hào)組成電橋模型是為電路初學(xué)者組成 電橋接線方便而設(shè)；R5、R6、卬是350a固定電阻，是為應(yīng)變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋） 而設(shè)的其它橋臂電阻。加

20、熱器 +5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應(yīng)變片溫度影響實(shí)驗(yàn)時(shí)用。 多芯插頭是振動(dòng)源的振動(dòng)梁上的應(yīng)變片輸入口，做應(yīng)變片測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)用。要使實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭９?作必須接入土 15V直流電源。 1、將托盤安裝到傳感器上，如圖所示。 r \ \1 固丈螺起/加勃絲\ 拒變后 傳感器托盤安裝示意圖 2、測(cè)量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤上無(wú)重物時(shí)，分別測(cè)量應(yīng)變片 R1、R2、R& R4 的阻值。在傳感器的托盤上放置 10只祛碼后再分別測(cè)量 R1、R2、R3 R4的阻值變化，分析應(yīng)變片 的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變小。 ）。 3、對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)

21、放大器調(diào)零：運(yùn)算放大器調(diào)零原則，在放大器的增益較大時(shí) （先將RW3 順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn) 1圈），運(yùn)算放大器輸入為零時(shí)，輸出應(yīng)為零。 4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)：按應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖接線，注意電橋電源為 4V,檢查 接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)， 調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄?RW1使主機(jī)箱電壓表顯示為零； 在傳感器的托盤上依次增加放置一只 20g祛碼（盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置 ），讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電 壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入下表。 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 重量(g) 0 電壓(mV) 0

22、 5、應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)：參考步驟 4,注意增益不能改變 重量(g) 0 電壓(mV) 0 6、應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)：參考步驟 4, 重量(g) 0 電壓(mV) 0 7、根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在同一座標(biāo)系中作出實(shí)驗(yàn)曲線；分別計(jì)算系統(tǒng)靈敏度 S= △ V/ AW( AV輸 出電壓變化量，4Wi量變化量)；分別計(jì)算非線性誤差 8 =4m/yFS x 100%,式中am為輸出值(多 次測(cè)量時(shí)為平均值)與擬合

23、直線的最大偏差， yFS滿量程輸出平均值，此處為 200g。 五、選作實(shí)驗(yàn)： 如果應(yīng)變計(jì)未按鄰臂受力方向相反，對(duì)臂受力方向相同的原則連接，電路輸出的理論值應(yīng)該是 多少？用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)三電感傳感器原理與特性 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姼袀鞲衅?差動(dòng)變壓器)的工作原理和零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償方法。 二、基本原理：差動(dòng)變壓器的工作原理屬于電磁互感原理。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由一 個(gè)一次繞組1和二個(gè)二次繞組2、3及一個(gè)銜鐵4組成。差動(dòng)變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵 的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于把二個(gè)二次繞組反向串接(*同名端 相接)，以差動(dòng)電勢(shì)輸出，所以把這

24、種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。 當(dāng)差動(dòng)變壓器工作在理想情況下(忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響) ，它的等效電路 如下圖所示。圖中 U1為一次繞組激勵(lì)電壓； Mi、M2分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感： L1、 R分別為一次繞組的電感和有效電阻； L21、L22分別為兩個(gè)二次繞組的電感； R21、R22分別為兩個(gè)二 次繞組的有效電阻。對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，因而由一 次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)銜鐵 移向二次繞組L21,這時(shí)互感Ml大，/小, 差動(dòng)變壓器的結(jié)

25、構(gòu)示意圖 因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于二次繞組 L22內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳 感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組 L22一邊移 動(dòng)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。因此通過(guò)差動(dòng)變壓器輸 出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。 由差動(dòng)變壓器的等效電路圖 可以看出一次繞組的電流為： 二次繞組的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)為： 4 4 I I 心=S22 = -JaM J1 由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢(shì)為： 其有效值為： q, 一 差動(dòng)變壓器的輸出特性曲

26、線如下圖所示 .圖中匕1、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， B為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中 B的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛 線部分表示實(shí)際白^輸出特性。 E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱以及鐵心 位置等因素所造成的。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，給測(cè)量 帶來(lái)誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)可采取以 卜方法: 差動(dòng)變壓器輸出特性曲線 1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過(guò)處理， 消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定

27、。 2、選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減 小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。 3、采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。下圖是典型的幾種減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路。在 差動(dòng)變壓器的線圈中串、 并適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件， 當(dāng)調(diào)整 W1 W加，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。 (a) (b) (c) 零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路 三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的士 15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動(dòng)變壓器、差動(dòng)變壓器 實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、雙蹤示波器。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、差動(dòng)變壓器、測(cè)微頭及實(shí)驗(yàn)?zāi)０灏聪聢D示意安裝、接線。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械?L1為差動(dòng)變壓器的

28、 4kHz?5kHz、幅度為峰峰 初級(jí)線圈，L2、L3為次級(jí)線圈，*號(hào)為同名端； L1的激勵(lì)電壓必須從主機(jī)箱中音頻振蕩器的 Lv端 子引入。檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為 值Vp-p= 2V作為差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓。 作展工友凝 泳盤頭安裝札 可 蹤I 示I 波I 器I 差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖 2、差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)：使用測(cè)微頭時(shí)，當(dāng)來(lái)回調(diào)節(jié)微分筒使測(cè)桿產(chǎn)生位移的過(guò)程中本身存 在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用如下 a、b兩種方法實(shí)驗(yàn)，建議用 b方法可以檢測(cè)到差動(dòng)變 壓器零點(diǎn)殘余電壓附近的死區(qū)范圍。 a、調(diào)節(jié)測(cè)微頭的

29、微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的 10mm刻度線。松 開安裝測(cè)微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形 Vp-p（峰峰值）為較小 值（越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置 ）時(shí)，擰緊緊固螺釘。仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒使示波 器第二通道顯示的波形 Vp-p為最小值（零點(diǎn)殘余電壓）并定為位移的相對(duì)零點(diǎn)。這時(shí)可假設(shè)其中一個(gè) 方向?yàn)檎灰疲硪粋€(gè)方向位移為負(fù)，從 Vp-p最小開始旋動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔 △X=0.2mm何取 30點(diǎn)值）從示波器上讀出輸出電壓 Vp-p值，填入下表，再將測(cè)位頭位移退回到 Vp-p最小處開始反 方向（也取30點(diǎn)值）做

30、相同的位移實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中請(qǐng)注意：⑴從 Vp-p最小處決定位移方向后， 測(cè)微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移，中途不允許回調(diào)，否則，由于測(cè)微頭存在機(jī)械回差而引起位移誤 差；所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)每點(diǎn)位移量須仔細(xì)調(diào)節(jié)，絕對(duì)不能調(diào)節(jié)過(guò)量，如過(guò)量則只好剔除這一點(diǎn)粗大誤差 繼續(xù)做下一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)或者回到零點(diǎn)重新做實(shí)驗(yàn)。⑵當(dāng)一個(gè)方向行程實(shí)驗(yàn)結(jié)束，做另一方向時(shí)，測(cè)微頭 回到Vp-p最小處時(shí)它的位移讀數(shù)有變化 （沒(méi)有回到原來(lái)起始位置）是正常的，做實(shí)驗(yàn)時(shí)位移取相對(duì)變 化量AX為定值，與測(cè)微頭的起始點(diǎn)定在哪一根刻度線上沒(méi)有關(guān)系， 只要中途測(cè)微頭微分筒不回調(diào)就 不會(huì)引起機(jī)械回程誤差。 *b、調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒（0.01mm/每小

31、格），使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的10mm刻度線。松 開安裝測(cè)微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形 Vp-p（峰峰值）為較小 值（越小越好，變壓器鐵芯大約處在中間位置 ）時(shí)，擰緊緊固螺釘。仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒使示波 器第二通道顯示的波形 Vp-p為最小值（零點(diǎn)殘余電壓）并定為位移的相對(duì)零點(diǎn)， 再順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)測(cè) 微頭的微分筒12圈，記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和示波器 CH2通道顯示的波形 Vp-p（峰峰值）值為實(shí)驗(yàn) 起點(diǎn)值。以后，反方向（逆時(shí)針?lè)较颍┱{(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，每隔 △X=0.2mm（測(cè)60個(gè)數(shù)據(jù)）從示波器 上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表（這樣單行程

32、位移方向做實(shí)驗(yàn)可以消除測(cè)微頭的機(jī)械回差 差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) △ X(mm) Vp-p(mV) △ X(mm) Vp-p(mV) △ X(mm) Vp-p(mV)

33、 3、根據(jù)數(shù)據(jù)畫出X— Vp-p曲線并找出差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓。 五、選作實(shí)驗(yàn): 零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償：根據(jù)下圖接線，調(diào)整測(cè)微頭，使放大器輸出電壓（用示波器 CH2通道 監(jiān)測(cè)）最小，依次交替調(diào)節(jié) RW1 RW2使放大器輸出電壓進(jìn)一步降至最小。從示波器上觀察， （注: 這時(shí)的零點(diǎn)殘余電壓是經(jīng)放大后的零點(diǎn)殘余電壓，所以經(jīng)補(bǔ)償后的零點(diǎn)殘余電壓: 是放大倍數(shù)約為7倍左右。）差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓值（峰峰值）與未補(bǔ)償?shù)牧泓c(diǎn)殘余電壓比較 是否減小。 五、思考題: 1、能否用直流電壓激勵(lì)電感傳感器，為什

34、么? 實(shí)驗(yàn)四光纖傳感器性能實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w傳感器的工作原理和性能。 二、基本原理：光纖傳感器是利用光纖的特性研制而成的傳感器。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例 如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能，絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能， 耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等， 它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如 核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信 息。 光纖傳感器主要分為兩類：功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器 （也稱為物性型和結(jié)構(gòu)型）。 功能型光纖傳感器利用對(duì)外界信息具

35、有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖，構(gòu)成“傳”和“感”合為一體 的傳感器。這里光纖不僅起傳光的作用，而且還起敏感作用。工作時(shí)利用檢測(cè)量去改變描述光束的 一些基本參數(shù)，如光的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率等，它們的改變反映了被測(cè)量的變化。由于對(duì)光信 號(hào)的檢測(cè)通常使用光電二極管等光電元件，所以光的那些參數(shù)的變化，最終都要被光接收器接收并 被轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度及相位的變化。這些變化經(jīng)信號(hào)處理后，就可得到被測(cè)的物理量。應(yīng)用光纖傳感器 的這種特性可以實(shí)現(xiàn)力，壓力、溫度等物理參數(shù)的測(cè)量。非功能型光纖傳感器主要是利用光纖對(duì)光 的傳輸作用，由其他敏感元件與光纖信息傳輸回路組成測(cè)試系統(tǒng)，光纖在此僅起傳輸作用。 本實(shí)驗(yàn)采用的是傳光型

36、光纖傳感器，它由兩束光纖混合后，組成 丫形光纖，半園分布即雙 D分 布，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的 端部是工作端亦稱探頭，它與被測(cè)體相距 d,由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經(jīng)被測(cè)體反射回 來(lái)，另一束光纖接收光信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，如下圖所示。 (b)Y 形光纖 Y 形光纖測(cè)位移工作原理圖 傳光型光纖傳感器位移量測(cè)是根據(jù)傳送光纖之光場(chǎng)與受訊光纖交叉地方視景做決定。當(dāng)光纖探 頭與被測(cè)物接觸或零間隙時(shí) （d=0）,則全部傳輸光量直接被反射至傳輸光纖。沒(méi)有提供光給接收端之 光纖，輸出訊號(hào)便為“零”。當(dāng)探頭與被測(cè)物之距離

37、增加時(shí)，接收端之光纖接收之光量也越多，輸出 訊號(hào)便增大，當(dāng)探頭與被測(cè)物之距離增加到一定值時(shí)，接收端光纖全部被照明為止，此時(shí)也被稱之 為“光峰值”。達(dá)到光峰值之后，探針與被測(cè)物之距離繼續(xù)增加時(shí)，將造成反射光擴(kuò)散或超過(guò)接收端 接收視野。使得輸出之訊號(hào)與量測(cè)距離成反比例關(guān)系。如下圖曲線所示，一般都選用線性范圍較好 的前坡為測(cè)試區(qū)域。 光纖位移特性曲線 三、器件與單元：主機(jī)箱中的士 15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；Y型光纖傳感器、光纖傳感器實(shí)驗(yàn) 模板、測(cè)微頭、反射面（拋光鐵圓片）、轉(zhuǎn)動(dòng)源。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、觀察光纖結(jié)構(gòu)：二根多模光纖組成 Y形位移傳感器。將二根光纖尾部端面 （包鐵端部

38、）對(duì)住自 然光照射，觀察探頭端面現(xiàn)象，當(dāng)其中一根光纖的尾部端面用不透光紙擋住時(shí)，在探頭端觀察面為 半圓雙D形結(jié)構(gòu)。 2 、安裝各部件：⑴安裝光纖：安裝光纖時(shí)，要用手抓捏兩根光纖尾部的包鐵部分輕輕插入光電 座中，絕對(duì)不能用手抓捏光纖的黑色包皮部分進(jìn)行插拔，插入時(shí)不要過(guò)分用力 ，以免損壞光纖座組件 中光電管。⑵測(cè)微頭、被測(cè)體安裝：調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒到 5mm處（測(cè)微頭微分筒的 0刻度與軸套 5mm刻度對(duì)準(zhǔn)）。將測(cè)微頭的安裝套插入支架座安裝孔內(nèi)并在測(cè)微頭的測(cè)桿上套上被測(cè)體 （鐵圓片拋 光反射面），移動(dòng)測(cè)微頭安裝套使被測(cè)體的反射面緊貼住光纖探頭并擰緊安裝孔的緊固螺釘。 ⑶集成 運(yùn)放IC3

39、輸出接電壓表。 3、檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系?R/V使主機(jī)箱中的電壓表顯示為 0V。 4、逆時(shí)針調(diào)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔 0.1mm讀取電壓表顯示值填入下表。 光纖位移傳感器輸出電壓與位移數(shù)據(jù)表 X (mrm V(v) X (mrm V(v)

40、 5、根據(jù)數(shù)據(jù)畫出實(shí)驗(yàn)曲線并找出線性區(qū)域較好的范圍計(jì)算靈敏度和非線性誤差。 6、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)： 用光纖傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速（使用旋轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)要注意人身及器材安全，通電前一定要把主機(jī)箱 上的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)為最小 ，加大轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速電源最大值必須小于 12V）。記錄電機(jī)電樞電壓從 2V 開始，每增加0.5V相應(yīng)光纖傳感器和光電轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)，畫出電機(jī)的 V-n （電機(jī)電樞電壓與電 機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系）特性曲線，并進(jìn)行分析，n的單位是：轉(zhuǎn)/分。 V(v) 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 n （光纖）

41、 n （光電） 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。 五、思考題： 光纖位移傳感器測(cè)位移時(shí)對(duì)被測(cè)體的表面有些什么要求? 實(shí)驗(yàn)五壓電加速度傳感器及振動(dòng)測(cè)試 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈮弘妭鞲衅鞯脑砗蜏y(cè)量振動(dòng)的方法。 二、基本原理：壓電式傳感器是一和典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材 料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換機(jī)理實(shí)現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng) 進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。 1、壓電效應(yīng)： 具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常見的壓電材料有兩

42、類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉 等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸銀、錯(cuò)鈦酸鉛等。 壓電材料受到外力作用時(shí)，在發(fā)生變形的同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電 荷。當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變， 如下圖所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 (a) (b) (c) 壓電效應(yīng) 2、壓電晶片及其等效電路 多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個(gè)工作面上蒸 鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個(gè)電極，如下圖 （a）所示。當(dāng)壓電晶片受到力的作用時(shí)，便有 電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負(fù)電荷

43、。這種情況和電容器十分相似，所不同的 是晶片表面上的電荷會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸漏掉， 因?yàn)閴弘娋牧系慕^緣電阻 （也稱漏電阻）雖然很 大，但畢竟不是無(wú)窮大，從信號(hào)變換角度來(lái)看，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它 又是一個(gè)電容器。因此通常將壓電元件等效為一個(gè)電荷源與電容相并聯(lián)的電路如下圖 （b）所示。其中 ea=Q/Ca。式中，ea為壓電晶片受力后所呈現(xiàn)的電壓，也稱為極板上的開路電壓； Q為壓電晶片表 面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。 實(shí)際的壓電傳感器中，往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時(shí)如 下圖（c）所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負(fù)電極在兩

44、側(cè)的電極上，因而電容量大，輸出電荷量 大，時(shí)間常數(shù)大，宜于測(cè)量緩變信號(hào)并以電荷量作為輸出。 壓電傳感器的輸出，理論上應(yīng)當(dāng)是壓電晶片表面上的電荷 Q。根據(jù)下圖（b）可知測(cè)試中也可取等 效電容Ca上的電壓值，作為壓電傳感器的輸出。 因此，壓電式傳感器就有電荷和電壓兩種輸出形式。 3、壓電式加速度傳感器 下圖（d）是壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中， M是慣性質(zhì)量塊，K是壓電晶片。壓電式加速 度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)慣性力傳感器。在壓電晶片 K上，放有質(zhì)量塊 Mo當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起 振動(dòng)時(shí)，作用在壓電晶體上的力 F = Ma。當(dāng)質(zhì)量M 一定時(shí)，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷與加速度 a成正 比。

45、 (c)并聯(lián) (d)壓電式加速度傳感器 壓電晶片及等效電路 4、壓電式加速度傳感器和放大器等效電路 壓電傳感器的輸出信號(hào)很弱小，必須進(jìn)行放大，壓電傳感器所配接的放大器有兩種結(jié)構(gòu)形式： 一種是帶電阻反饋的電壓放大器， 其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶 電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。 電壓放大器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓對(duì)電纜電容 Cc敏感。當(dāng)電纜長(zhǎng)度變化時(shí)， Cc就變化，使得放大 器輸入電壓e變化，系統(tǒng)的電壓靈敏度也將發(fā)生變化，這就增加了測(cè)量的困難。電荷放大器則克服了 上述電壓放大器的缺點(diǎn)。 它是一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器

46、。 當(dāng)略去傳感器的漏電阻 Ra和電 傳感器-電纜-電荷放大器系統(tǒng)的等效電路圖。 荷放大器的輸入電阻 R影響時(shí)，有 Q=ei(Ca+Cc+Ci)+( ei-ey)Cf,, ( 1) 式中，ei為放大器輸入端電壓； ey為放大器輸出端電壓 ey=-Kei； k為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù); Cf為電荷放大器反饋電容。將 ey=-Kei代入式(1),可得到放大器輸出端電壓 ey與傳感器電荷 Q的 關(guān)系式：設(shè)C=Ca+Cc+Ci ey=-KQ/[(C+C f)+KCf] ,, ( 2) 當(dāng)放大器的開環(huán)增益足夠大時(shí)，則有 KCf>>C+C (2)簡(jiǎn)化為 ey=-Q/Cf ,, ( 3

47、) 式(3)表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分 布電容無(wú)關(guān)，輸出靈敏度取決于反饋電容 Cf。所以，電荷放大器的靈敏度調(diào)節(jié)，都是采用切換運(yùn)算 放大器反饋電容q的辦法。采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度達(dá)百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯 變化，這是電荷放大器的主要優(yōu)點(diǎn)。 5、壓電加速度傳感器實(shí)驗(yàn)原理圖 圖(a)壓電加速度傳感器實(shí)驗(yàn)原理框圖 圖(b)電荷放大器原理圖 三、需用器件與單元：主機(jī)箱土 15V直流穩(wěn)壓電源、低頻振蕩器；壓電傳感器、壓電傳感器實(shí)驗(yàn) 模板、移相器/相敏檢波器/濾波器模板；振動(dòng)源、雙蹤示波器。 四、實(shí)驗(yàn)步驟：

48、 1、將壓電傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)面上 (與振動(dòng)臺(tái)面中心的磁鋼吸合 )，振動(dòng)源的低頻輸入接主機(jī)箱 中的低頻振蕩器，其它連線參照壓電加速度傳感器實(shí)驗(yàn)原理框圖連接。 2、將主機(jī)箱上的低頻振蕩器幅度旋鈕旋到中間位置，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào) 節(jié)低頻振蕩器的頻率大約為 9Hz左右。再慢慢調(diào)節(jié)低頻振蕩器的幅度使振動(dòng)臺(tái)明顯振動(dòng) (如振動(dòng)不明 顯可調(diào)頻率)O 3、改變低頻振蕩器的頻率 f,觀察輸出波形變化并記錄數(shù)據(jù)。 f(Hz) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Vp-p 4、作出f-Vp-p曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析。