大学物理自主设计性实验

24/24大学物理自主设计性实验大学物理自主设计性实验（FB716-Ⅱ型物理设计性（传感器）

实验装置）

实

验

指

导

书

杭州精科仪器有限公司

目录

第一、产品简介(02)

第二、实验项目内容(04)

实验一、应变片性能—单臂电桥(04)

实验二、应变片：单臂、半桥、全桥比较(06)

实验三、移相器实验(08)

实验四、相敏检波器实验(10)

实验五、应变片—交流全桥实验(12)

实验六、交流全桥的应用—振幅测量(14)

实验七、交流全桥的应用—电子秤(14)

实验八、霍尔式传感的直流激励静态位移特性(16)

实验九、霍尔式传感的应用——电子秤(17)

实验十、霍尔片传感的交流激励静态位移特性(17)

实验十一、霍尔式传感的应用研究—振幅测量(18)

实验十二、差动变压器（互感式）的性能(19)

实验十三、差动变压器（互感式）零点残余电压的补偿(20)

实验十四、差动变压器（互感式）的标定(21)

实验十五、差动变压器（互感式）的应用研究—振幅测量(22)

实验十六、差动变压器（互感式）的应用—电子秤(23)

实验十七、差动螺管式（自感式）传感器的静态位移性能(24)

实验十八、差动螺管式（自感式）传感器的动态位移性能(25)

实验十九、磁电式传感器的性能(26)

实验二十、压电传感器的动态响应实验(27)

实验二十一、压电传感器引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响(28)

实验二十二、差动面积式电容传感器的静态及动态特性(29)

实验二十三、扩散硅压阻式压力传感实验(30)

实验二十四、气敏传感器（MQ3）实验(32)

实验二十五、湿敏电阻（RH）实验(34)

实验二十六、热释电人体接近实验(34)

实验二十七、光电传感器测转速实验(36)

第三、结构安装图片和说明(37)

第一、产品简介

一、FB716-II型物理设计性（传感器）实验装置

本实验装置主要由以下所述5个部分组成：

1．传感器实验台部分：装有双平行振动梁（包括应变片上下各2片、梁自由端的磁钢）、

双平行梁测微头及支架、振动盘（装有磁钢、用于固定霍尔传感器的二个半圆磁钢、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子、压电传感器），安装时可参考第三部分结构图片及安装说明。

2．九孔实验板接口平台部分：九孔实验板作为开放式和设计性实验的一个桥梁（平台）；3．JK-20型频率振荡器部分：含音频振荡器和低频振荡器；

4．JK-19型直流恒压电源部分：提供实验时所必须的电源；

5．处理电路模块部分：电桥模块（提供元件和参考电路，由学生自行搭建）、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、调零、增益、移相等模块组成。

二、本实验装置的设计宗旨：

1．九孔实验板接口平台有利于培养学生的动手、动脑能力，从中树立起创新能力以适应社会发展的需要；

2．随着科学技术的飞速发展，现今各种各样的传感器已经成为众多领域不可缺少的关键部件，为此我们把传感器作为实验研究的对象，让学生通过该实验，了解和掌握传感器的基本知识及其应用技能，为今后的学习、工作和生活打下扎实的基础。

三、实验装置的特点：

本实验装置具有设计性、趣味性、开放性和拓展性，实验中大量重复的接线、调试和后续数据处理、分析、可以加深学生对实验仪器构造和原理的理解，有利于培养学生耐心仔细的实验习惯和严谨的实验态度。非常适合大中专院校开设开放性实验。本实验装置采用了性能比较稳定，品质较高的敏感器件，同时采用布局较为合理且十分成熟的电路设计。

四、主要技术参数、性能及说明：

1．FB716-II传感器实验台部分：

双平行振动梁的自由端及振动盘装有磁钢，通过测微头或激振线圈接入低频振荡器

可做静态或动态测量。

应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。

传感器：

（1）差动变压器：

量程：；直流电阻：；由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心

线圈，铁芯为软磁铁氧体。

（2）霍尔式传感器：

量程：；直流电阻：激励源端口：；输出端口：。

（3）电容式传感器：

量程：≥±2mm，由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。

（4）压阻式压力传感器：

量程：（差动）；供电电压：；直流电阻：：；：。

（5）压电加速度计：

PZT-5双压电晶片和铜质量块构成；谐振频度：≥10KHz；电荷灵敏度：。

（6）应变式传感器：

金属箔式应变片阻值：350Ω；应变系数：2。

（7）光电传感器：

由一只红外发射管与接收管组成。

（8）磁电式传感器：

；直流电阻：；由线圈和动铁（永久磁钢）组成；灵敏度：。（9）湿敏电阻：

高分子薄膜电阻型：；响应时间：吸湿、脱湿。

湿度系数：；测量范围：；工作温度：。

（10）气敏传感器：

适用气体：酒精；测量范围：。

（11）热释电传感器：

远红外式，主要由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

2．信号处理及变换（有电源极性接反保护）：

（1）电桥模块：提供相关参数的器件，由学生根据实验需要自行搭建。

（2）差动放大器：通频带可接成同相、反相、差动结构，增益为倍的直流放大器。

（3）电压放大器：增益约为5位，同相输入，通频带。

（4）电容变换器：由高频振荡，放大和双电桥组成的处理电路。

（5）电荷放大器：电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。

（6）移相器：允许最大输入电压频率，移相范围。

（7）相敏检波器：可检波电压频率，允许最大输入电压，由极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。

（8）低通滤波器：由陷波器和滤波器组成，转折频度左右。

3．型频率振荡器部分：

（1）音频振荡器：输出连续可调，值，、反相输出，端最大功率输出电流。

（2）低频振荡器：输出连续可调，值，最大输出电流。4．振动梁、测微头：

双平行式悬臂梁一副（装有应变片与振动盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。

5．型直流恒压电源部分：

直流，主要提供给各芯片电源：

分三档输出，提供给实验时的直流激励源；

：作为电机电源或作其它电源。

五、附录

附录部分主要包括实验时的结构安装图示和各模块的电气连接图示说明，以及实验中的相关参考信息。

在实验之前，请认真仔细阅读本实验指导书及相关注意事项。实验时，严格按照接线图和实验步骤完成实验内容。由于各模块是完全独立的，所以接线比较繁琐，请各位同学要认真检查之后，确认接线正确之后（特别要注意不要把电源接到非电源输入端），方可通电实验，否则，会烧坏芯片。

设计和思考问题部分，同学可以查阅相关资料或在老师指导下完成所要求的内容。

实验时，对需要接“地”处都必须连接在一起。在实验时不要晃动或摇动实验桌以及相关的仪器设备和线路，以免引起线路接触不良，使实验不能正常进行。

第二、实验项目内容

实验一、金属箔式应变片性能——单臂电桥

【实验目的】

了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。

【实验仪器】

JK-19型直流恒压电源、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、测微头

及连接件、应变片、万用表、九孔实验板接口平台和传感器实验台。

【实验步骤】

预设：JK-19型直流恒压电源：档，万用表打到2V档，差动放大增益中间位置。

1．了解所需模块、器件设备等，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。测微头在双平行梁后面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。安装测微头时，应注意是否可以到达磁钢中心位置。

2．差动放大器调零：V+接至直流恒压电源的+15V，V-接至于-15V，调零模块的GND与差动放大器模块GND相连，与相连，V+与V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端、反相端与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压：开启直流恒压电源：调节调零旋钮使万用表显示为零。

3．根据图1-1接线，为电桥模块的固定电阻，则为应变片；将直流恒压电源的输出电压打至，万用表置档。开启直流恒压电源，调节电桥平衡网络中的电位器，使万用表显示为零；

4．将测微头转动到刻度附近，安装到双平行梁的自由端（与自由端磁钢吸合），

调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使万用表显示最小，再旋动测微头，使万用表显示为零（细调零），并记下此时测微头上的刻度值（要准确无误地读出测微头上的刻度值）。

5．往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移(X)记下万用表显示的值。建议每旋转测微头一周即记一个值填入下表：

6．根据所得结果计算灵敏度：（式中为梁的自由端位移变化，为相应万用表显示的电压相应变化）。

7．在托盘未放砝码之前，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度，并作出关系曲线，为电压变化率，为相应的重量变化。（重量用表示，电压用表示，后面所用，

20406080100120

1．本实验电路对直流恒压电源和放大器有何要求？

2．根据原理图，简要分析差动放大器的工作原理。

【注意事项】

1．在记录数据之前，请将测微头调至一个合适位置。合适位置，指的是测微头螺杆最长及最短时，万用表示数的范围要足够大。调节方法：通过调整测微头支杆座的高度来实验；2．在旋转旋钮时，请不要转动测微头支杆。

实验二、金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较

【实验目的】

验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。

【实验仪器】

JK-19型直流恒压电源、差动放大器、电桥模块、万用表、测微头及连接件、FB716-II传感器实验台、应变片和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：直流恒压电源：置档，万用表打到档，差动放大器增益置中间位置。

1．差动放大器调零：接至直流恒压电源的，接至，调零模块的与差动放大器模块的相连，与相连，与相连，再用导线将

差动放大器的输入端同相端、反相端与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压：开启直流恒压电源：调节调零旋钮使万用表显示为零。

2．按图接线，图中为应变片，及可调平衡网络。

3．安装和调整测微头到磁钢中心位置并使双平行梁处于水平位置（目测），记下该刻度值，再将直流恒压电源调到档。选择适当的放大增益，然后调节电桥平衡电位器，

使万用表显示为零。

4．旋转测微头，使梁移动，每隔读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭直流恒压电源：

5．保持放大器增益不变，将固定电阻换为工作状态相反的另一应变片即取二片受

力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥使万用表显示表显示为零，重复步骤4，同样测得读数，填入下表：

6．保持差动放大器增益不变，将两个固定电阻换成另两片受力应变片（即把

换成，换成）组桥时必须掌握相对臂应变片的受力方向相同，相邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平

位置，调节电桥同样使万用表显示为零。重复步骤4，将读出数据填入下表：

7．在同一坐标纸上描绘曲线，比较三种接法的灵敏度。

【注意事项】

1．在更换应变片时应将直流恒压电源关闭。

2．在实验过程中如有发现万用表发生过载，应将电压量程扩大。

3．在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。

4．直流恒压电源为不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。

5．接全桥时请注意区别和片子的工作状态方向。

实验三、移相器实验

【实验目的】

了解运算放大器构成的移相电路的原理及工作情况

【实验仪器】

移相器、JK-20型频率振荡器（音频振荡器）、JK-19型直流恒压电源、双踪示波器和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

1．按图3-1接线。

2．将音频振荡器的信号接入移相器的输入端（音频信号从插口输出均可）；

3．打开直流恒压电源，将示波器的两根线分别接到移相的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。

4．旋动移相器上的移相电位器，观察两个波形间相位的变化。

5．改变音频振荡器的频率，观察不同频率的最大移相范围。

【思考题】

1．试分析本移相器的工作原理及观察到的现象。

提示：超前移相，在时，

；

，，滞后移相，在

时，

，，

。分析：—定时相移，，及

一定时，变化相移。

2．如果将双踪示波器改为单踪示波器，两路信号分别从轴和轴送入，根据李沙育图形是否可完成此实验？

实验四、相敏检波器实验

【实验目的】

了解相敏检波器的原理和工作情况。

【实验仪器】

相敏检波器、移相器、型频率振荡器（音频振荡器）、双踪示波器、型

直流恒压电源、低通滤波器、万用表和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：音频振荡器频率为，幅度置最小，直流恒压电源输出置于档

1．根据图的电路接线，相敏检波器的分别接至电源的，接，将音频振荡器的信号输出端输出至相敏。检波器的输入端，把直流恒压电源输出接至相敏检流器的参考输入端，把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端和输出端组成一个测量线路。

2．调整好示波器，开户启恒压源，调整音频振荡器的幅度峰峰值：。观察输入和输出波的相位和幅值关系。

3．改变参考电压的极性（拆除直流恒压源输出端与相敏检波器参考输入端的连线，把直流恒压电源的输出接至相敏检波器的参考输入端），观察输入和输出

波形的相位和幅值关系。由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出相，当参考电压为负时，输入和输出相，此电路的放在倍数为倍。

4．关闭恒压源，根据图电路重新接线，将音频振荡器的信号从输出端输出接至相敏检波器的参考输入端，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入和输出端，将相敏检波器输出端同时与低通波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与万用表连接起来，组成一个测量线路。（此时，万用表置于档）。

5．开启恒压湖，调整音频振荡器的输出幅度，同时记录万用表的读数，填入下表。

6．关闭恒压电源，根据图4-3的电路重新接线，将音频振荡器的信号从输出端输出至

相敏检波器的输入端，将输出端输出接至移相器的输入端，移相器的输出端接至相敏检波器的参考端，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端和输出端

，将相敏检波器输出端同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与万用表连接起来，组成一测量线路。

7．开启直流恒压电源，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。

【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？（即参考端输入波形相位的作用）

2．在完成第四步后，将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端Vi和附加观察端和，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成什么波，相位如何？起什么作用？

3．当相敏检波器的输入与开关信号同相时，输出是什么极性的什么波，万用表的读数是什么极性的最大值。

实验五、金属箔式应变片—交流全桥

【实验目的】

了解交流供电的四臂应变片电桥的原理和工作情况。

【实验仪器】

JK-20型频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、万用表、FB716-II传感器实验台、应变片、测微头及连接件、型直流恒压电源、九孔

实验板接口平台和双踪示波器。

【实验步骤】

预设：音频振荡器幅度置中间位置，万用表打到20V档，差动放大器增益旋至最大。1．差动放大器调零：V+接至直流恒压电源的+15V，V-接至-15V，调零模块的GND与差

动放大器模块的GND相连，与相连，与相连，再用导线将差动放大器

的输入端同相端、反相端与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压电源，调节差动放大器的增益到最大位置，然后调节差动放大器的调零旋钮使万用表显示为零。

2．按图5-1接线，图中为应变片；为交流电桥调节平衡网络，

电桥交流激励源必须从音频振荡器的口引入。

3．用手按信振动梁（双平行梁）的自由端。旋转测微头使测微头脱离振动梁自由端并远离。将万用表打至档，示波器X轴扫描时间切换到（以合适为宜），轴或打至，音频振荡器的频率旋钮置，幅度旋钮置幅度。开启

恒压电源，调节电桥网络中的和，使万用表和示波器显示最小，再把万用表和示波

器轴的切换开关分别置档和，细调和及差动放大器调零旋钮，使万用表的显示值最小，示波器的波形大致为一条水平线（万用表显示值与示波器图形不完全相符时二者兼顾即可）。再用手按住梁的自由端产生一个大位移。调节移相器的移相旋钮，使示波器显示全波检波的图形；放手后，梁复原，示波器图形基本成一条直线。

4．在双平行梁的自由端上测微头，旋转测微头使万用表显示为零，以的每转动测微头一

周即，万用表显示值记录下表：

根据所得数据，作出曲线，找出线性范围，计算灵敏度，并与以前直流全桥实验结果相比较。

5．实验完毕，关闭直流恒压电源。

【思考题】

在交流电路中，必须有两个可调参数才能使电桥平衡，这是因为电路存在而引起的。

实验六、交流全桥的应用—振幅测量

【实验目的】

本实验了解交流激励的金属箔式应变片电桥的应用。

【实验仪器】

JK-20频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、万用表、FB716-II传感器实验台、应变片、直流恒压电源、频率计、九孔板接口平台

和双踪示波器。

【实验步骤】

预设：低频振荡器频率置合适位置，幅度为最小，差放增益置合适位置。

1．按图5-1接线，并且保持实验1、2、3的步骤。

2．将低频振荡器的输出端接至激振输入端，低频振荡咕嘟的幅度旋钮置合适位置，并用频率计监测低频振荡器的输出端，开启直流恒压源，双平行梁在振动，慢慢调节低频振荡器频率旋钮，使梁振动比较明显，如梁振幅不够大，可调大低频振荡器的幅度。

3．将音频振荡器的频度调至1KHz左右，幅度为，（频率用频率计监测，幅度用示波器监测）。

4．将示波器的轴扫描旋钮切换到档，轴切换到或，

分别观察差放输出端、相敏检波输出端，低通输出端波形。并描出各级波形，改变低频振荡器频率，可测得相应的电压峰峰值（低通滤波器输出端），填入下表，并作出幅频曲线：

做完以上实验，可反复调节线路中的各旋钮，用示波器观察各输出环节波形的变化，加深实验体会并了解各旋钮的作用。

实验七、交流全桥的应用—电子秤

【实验目的】

了解交流供电的金属箔式应变片电桥的实际应用。

【实验仪器】

JK-20频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、低通滤波器、万用表、砝码、JK-19直流恒压电源、应变片、九孔实验板接口平台和传感器实验台。

【实验步骤】

1．按图7-1接线，图为应变片；为交流电桥调节平衡网络，电桥交流激励源必须从音频振荡器的输出口引入。

2．将万用表的打至20V档，示波器X轴扫描时间切换到，轴或

打至，音频振荡器的频率旋钮置，幅度旋钮置幅度。开启恒压电源，调节电桥网络中的和，使万用表和示波器显示最小，再把万用表和示波器轴的切换

开关分别置档和，细调和及差动放大器调零旋钮，使万用表的显示值最小，示波器的波形大致为一条水平线（万用表显示值与示波器图形不完全相符时二者兼顾即可）。再用手按住梁的自由端产生一个大位移。调节移相器的移相电位器，使示波器显示全波检波的图形；放手后，梁复原，示波器图形基本成一条直线。

3．在梁的自由端加上砝码，调节差放增益旋钮，使万用表显示对应的量值，去除所有砝

码，调使万用表显示为零，这样重复几次即可。

4．在梁自由端（磁钢处同一个点上）逐一加上砝码，把万用表的显示值填入下表，并计算灵敏度。

5．在梁自由端放一个重量未知的重物，记录万用表的显示值，得出未知重物的重量

【注意事项】

砝码和重物应放在梁自由端的磁钢上的同一点。

【思考题】

要将这个电子秤设计方案投入实际应用，应如何改进？

实验八、霍尔式传感器的特性—直流激励

【实验目的】

了解霍尔式传感器的原理与特性。

【实验仪器】

霍尔式传感器及磁场、霍尔片、电桥模块、差动放大器、万用表、型直流恒压

电源、测微头及连接件、传感器实验台和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：差动放大器增益旋钮打到最小，万用表置档，直流恒压电源档。

1．了解霍尔式传感器的结构，熟悉霍尔片的符号，将霍尔磁场固定在振动盘上，调节振动盘与霍尔片之间的位置，不可有任何接触，以免将霍尔传感器损坏；

2．按图8-1接线，为电桥模块的直流电桥平衡网络，霍尔片上的与霍尔式传感器上的一一对应；

3．装好测微头，调节测微头与振动盘吸合并使霍尔片置于关圆磁钢上下正中位置。4．打开直流恒压源调整使万用表指示为零（要先将调节好再调整霍尔片的位置）；5．上下旋动测微头，记下万用表的读数，建议每读一个数，将读数填入下表：

描绘曲线并指出线性范围，求出灵敏度，关闭直流恒压电源。

可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。

6．实验完毕关闭直流恒压电源，将各旋钮置初始位置。

【注意事项】

1．由于磁场的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。

2．激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。

实验九、霍尔式传感器的应用—电子秤

【实验目的】

了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。

【实验仪器】

霍尔式及磁场、霍尔片、差动放大器、JK-19型直流恒压电源、测微头及连接件、电桥模块、砝码、万用表、九孔实验板接口平台和FB716-II传感器实验台。

【实验步骤】

预设：直流恒压电源置档，万用表置2V档。

1．将霍尔磁场固定在振动盘上，调节振动盘与霍尔片之间的位置，（不可有任何接触，以免将霍尔传感器损坏。）使霍尔片刚好处于磁场的中间位置。

2．参照图8-1接线，霍尔片上的了A、B、C、D与霍尔式上的一一对应，打开直流恒压电源；

3．差动放大器增益调至适中位置，调节调零旋钮使万用表显示为零；

5．在平面上放一个未知重量之物，记下表头读数，根据实验结果作出曲线，可

求得未知物体的重量。

【注意事项】

1．此霍尔传感器的线性范围较小，所以砝码和重物不应太重。

2．砝码应置于振动般的中间部位，装或卸砝码时，不要用力拉扯。

实验十、霍尔片传感器的特性——交流激励

【实验目的】

了解交流激励霍尔片的特性

【实验仪器】

霍尔片及磁场地、霍尔片、JK-20型频率振荡器、差动放大器、测微头及连接件、电桥模块、移相器、相敏检波器、低通滤波器、九孔板接口平台、万用表、JK-19型直流恒压电源、示波器和FB716-II传感器实验台。

【实验步骤】

预设：差动放大器增益最大。

1、将霍尔磁场固定在振动盘上，调节振动般与霍尔片之间的位置，（不可有任何接触，以免将霍尔传感器损坏），装上并调节测微头与振动盘吸合，使霍尔片刚好处于磁场的中间位置。

2、按图10-1接线，霍尔片上的A、B、C、D与霍尔片式上的一一对应，打开直流恒流源，将音频振荡器的输出幅度调到左右，差放增益置合适位置。利用示波器和万用表调整好，移相器及振动盘与霍尔片之间的位置，再转动测微头，使其在某个位置时万用表显示为0，也可以调节音频幅度。万用表置20V档。

3．旋动测微头，每隔记下表头读数填入下表：

描绘出曲线并找出线性范围，计算出灵敏度。

【注意事项】

交流激励信号必须从电压输出端或输出，幅度应限制在以下，以免霍尔片

产生自热现象。

实验十一、霍尔式传感器的应用—振幅测量

【实验目的】

了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。

【实验仪器】

霍尔片、霍尔式及磁场、差动放大器、电桥模块、移相器、频率计、相敏检波器、低通滤波器、JK-20型频率振荡器、FB716-II传感器实验台、JK-19型直流恒压电源、九孔实验板接口平台和示波器。

【实验步骤】

预设：差动放大器增益合适位置，万用表置于20V档。

1．将霍尔磁场固定在振动盘上，调节振动盘与霍尔片之间的位置（不可有任何接触，以免将霍尔传感器损坏。）使霍尔片刚好处于磁场的中间位置。

2．按图11-1接线，将音频振荡器、电桥平衡网络、霍尔式传感器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、示波器连接起来，组成一个测量线路，霍尔片上的与霍尔式上的一一对应。

3．打开直流恒压电源，调整电桥平衡电位器，使万用表指示为零；

4．将频度计置档，并将低频振荡器的输出端与激振线圈相连，用频率计监测频率；

5．低频带振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节低频振荡频率（用频率计监测频率），用示波器读出低通滤波器输出的峰峰值填入下表：

1．根据实验结果，可以知道传感器实验台的自振频率大致多少。

2．在某一频率固定时，调节低频振荡器的幅度旋钮，改变梁的振动幅度，利用万用表并通过示波器读出的数据是否可以推算出梁振动时的相对位置。

3．试想一下，用其他方法来测传感器实验台振动时的位移范围，并与本实验结果进行比较验证。

【注意事项】

应仔细调整霍尔式及磁场部分，使传感器工作在梯度磁场中，否则灵敏度将大大下降。

实验十二、差动变压器（互感式）的性能

【实验目的】

了解差动变压器原理及工作情况。

【实验仪器】

JK-20频率振荡器、测微头及连接件、示波器、九孔实验板接口平台、FB716-II传感器实验台和差动线圈与铁芯连接件等。

【实验步骤】

预设：音频振荡器之间。

1．先将差动线圈及其铁芯连接件安装在FB716-II传感器实验台的振动盘上，再按图12-1接线，音频振荡器（必须输出）、示波器连接起来，组成一个测量线路。打开直流恒压电源，将老婆婆器挥拳分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为。通过观察波形，并调节铁芯上下的位置使的波

形幅度为最小。

2．转动测微头使测微头与传感器实验台的磁钢吸合，并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。

3．往下旋动测微头，使传感器实验台产生位移。每位移，用示波器读出差动变压器输出端的峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度。（式中为电压变化，为相应传感器实验台的位移变化），作出关系曲线。

1．根据实验结果，反映出线性范围。

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小型相位会发生怎样的变化？

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？

实验十三、差动变压器（互感式）零点残余电压的补偿

【实验目的】

说明如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿。

【实验仪器】

JK-20频率振荡器、测微头及连接件、电桥模块、差动线圈与铁芯连接件，差动放大器、示波器、FB716-II传感器实验台、直流恒压电源和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：差动放大器的增益中间位置。

1．先把线圈与铁芯连接件的位置调整好，使铁芯处于线圈的中间位置，后将差动放大器调零，再按图13-1接线，音频振荡必须从口输出，，，，，为电桥模块中调平衡网络。

2．利用示波器，调整音频振荡器幅度使示波器为。调节音频振荡器频率，使示波器波形不失真。

3．将的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压波形相比较。经过

补偿后的残余电压波形：为加强波形，这说明波形中有分量；4．这时的零点残余电压经放大后，为放大倍数与实验十四未经补偿残

余电压相比较；

5．实验完毕后，关闭直流恒压电源，拆除导线。

【注意事项】

1．由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。因此次级输出波形难以用一般示波器来看，要用差动放大器使双端输出转换为单端输出。

2．音频信号必须从口引出。

【思考题】

本实验也可把电桥模块搬到次级圈上进行零点残余电压补偿。

实验十四、差动变压器（互感式）的标定

【实验目的】

了解差动变压器测量系统的组成和标定方法

【实验仪器】

JK-20型频率振荡器、差动放大器、差动线圈与差动棒连接件、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头及连接件、电桥模块、万用表、示波器、FB716-II传感器实验台、九孔实验板接口平台和JK-19型直流恒压电源。

【实验步骤】

预设：差动放大器的增益中间位置，万用表置2V档。

1．按图14-1接线；

2．装上测微头，调整使铁芯处于差动线圈的中间位置；

3．打开直流恒压电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮为2VP-P

4．利用示波器和万用表，调整差动放大口授增益及电桥平衡网络电位器，使万用表指示为零；

5．给梁一个较大的位移，调整移相器，使万用表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形；

6．旋转测微头，使万用表的显示为0，记下测微头的刻度值，每隔0.5mm读数记录实验数据，填入下表，描绘出曲线，并求出灵敏度。

如果接着做下一个实验则各旋钮及接线无须变动。

实验十五、差动变压器器（互感式）的应用—振动测量

【实验目的】

了解差动变压器的实际应用。

【实验仪器】

JK-20型频率振荡器、JK-19型直流恒压电源、差动放大器、移相器、相敏检波器、电桥模块、低通滤波器、频率计、示波器、差动线圈与铁芯连接件、九孔实验板接口平台和FB716-II传感器实验台。

【实验步骤】

预设：差动放大器增益最大，低频振荡器频率和幅度均置中间位置。

1．先把铁芯与线圈的位置调整好，使铁芯处于线圈的中间位置，保持图14-1接线，将低频振荡器输出接入激振一端，另一端接地，打开直流恒压电源，调节低频振荡器幅度置中，频率慢慢调大，让振动盘起来振并使振动幅度适中（如振动幅度太小可调大幅度旋钮）。2．将音频振荡器的幅度调到，频率调至适中位置。用示波器观察各单元即：差放、检波、低通输出的波形。

3．保持低频振荡器的幅度不变，并用频度计监测，调节低频振荡器的频度。用示波器观察低通滤波器的输出，如果波形不好，可以适当减小差放的增益，读出峰值记下实验数据，填入下表：

根据实验结果描绘出梁的振幅-频率（幅频）特性曲线，指出传感器实验台自振频率（谐振频率）的大致值，并与用应变片测出实验（实验六）的结果相比较。

实验完毕，关闭直流恒压电源，再拆除导线。

【注意事项】

选择合适的低频激振信号，以免传感实验台在自振频率附近振幅过大。

【思考题】

如果用直流万用表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？

实验十六、差动变压器（互感式）的应用-电子秤

【实验目的】

了解差动变压器的实际应用。

【实验仪器】

JK-20型频率振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、万用表、电桥模块、砝码、JK-19型直流恒压电源、FB716-II传感器实验台和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：万用表置2V档。

1．先把差动线圈与铁芯连接件的位置调整好，使铁芯处于线圈的中间位置，后将差动放大器调零，再按图14-1接线。

2．打开直流恒压电源，利用示波器观察调节音频振荡器的幅度，使其输出为；

3．将测量系统调零（可参考实验七步骤）（万用表始终调不到零，说明差动变压器的铁芯位置不在中间位置）；

4．调节差动放大器放大倍数，使在秤重平台上放上定量的砝码时万用表指示值不溢出。5．去掉砝码后，必要时可以将系统重新调零，再逐个加砝码，记下万用表的电压值，填入下表：

6．去掉砝码，在平台上放一个重量未知的重物，记下万用表读数。关闭直流恒压电源。

7．利用所得数据，求得系统灵敏度及重物的重量。

【注意事项】

1．砝码不宜太重，以免平行梁的自由端位移过大。

2．砝码应放在磁钢的中间部位。

实验十七、差动螺管式（自感式）传感器的静态位移性能

【实验目的】

了解差动螺管式电感传感器的原理

【实验仪器】

JK-20型频率振荡器、电桥模块、差动放大器、移相器、相敏检波器、低频滤波器、万用表、测微头及连接件、示波器、差动线圈与铁芯连接件、JK-19型直流恒压电源、FB716-II传感器实验台和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：差动放大器增益中间位置。

1．差动放大器先应调零，再按图17-1接线，组成一个电感电桥测量系统；

2．装上测微头，调整连接件使铁芯到差动线圈的中间位置；

3．音频振荡器频率调至合适位置，打开直流恒压电源，以差放输出波形不失真为好，音频幅度为，用类似于实验五步骤3的方法，调整电位器，使万用表显示为零（万用表

始终调整不到零，说明差动变压器的铁芯不处在中间位置，可适当调节测微头，并记下刻度值）；

4．转动测微头，同时记下实验数据，填入下表：

作出曲线，并求出灵敏度

5．关闭直流恒压电源，拆除导线。

【注意事项】

（1）此实验只用原差动变压器的次级线圈，注意接法。

（2）频振荡器必须从口输出。

实验十八、差动螺管式（自感式）传感器的动态位移性能

【实验目的】

了解差动螺管式电感传感器振动时幅频性能和工作情况。

【实验仪器】

差动螺管式传感器、JK-20型频率振荡器、电桥模块、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、JK-19型直流恒压电源、示波器、频率计、九孔实验板接口平台和FB716-II传感器实验台。

【实验步骤】

预设：输出幅度为峰值2V，差动放大器的增益旋钮旋至中间，频率计置于，

低频振荡器的幅度旋钮置于最小。

1．将铁芯连接件固定在振动盘上，调整连接件使铁芯到差动线圈的中间位置，后将差动放大器调零，再按图18-1接线；

2．打开直流恒压电源；

3．调整电桥平衡网络的电位器和，使差动放大器的输出端输出的信号最小，这时差动放大器的增益旋钮旋至最大。（如果电桥平衡网络调整不过零，则需要调整电感中铁芯上下的位置）；

4．为了使相敏检波器输出端的两个半波的基准一致，可调节差动放大器的调零电位器。将低频振荡器输出接入激振。

5．调节低频振荡器的频率旋钮、幅度旋钮固定至某一位置，使梁产生上下振动；

6．调整移相器上的移相电位器，使得相敏检波器输出端的波形如图18-2所示；

7．将示波器探头换接至低通滤波器的输出端；

8．调节低频振荡顺的频率，可频率计监测低频振荡器的输出频率，用示波器读出峰值填

【思考题】

本实验与实验十一比较，请指出它们各自的特点？

【注意事项】

1．频率振荡器的信号必须从输出端输出；

2．差动螺管式电感的次级线圈注意接法；

3．实验中，电桥平衡网络的电位器和的调整，是配调的；

4．实验中，为了便于观察，需要调整示波器的灵敏度；

实验十九、磁电式传感器的性能

【实验目的】

了解磁电式传感器的原理及其性能

【实验仪器】

差动放大器、JK-20型频率振荡器、示波器、磁电式传感器及磁芯连接板（与差动式连接板通用）、九孔实验板接口平台和FB716-II传感器实验平台。

【实验步骤】

预设：差动放大器增益合适位置，低频振荡器幅度最小。

1．观察磁电式传感器的结构，并将磁电式传感器及磁芯的位置调整好，按下振动梁的自由端，可以有一个较大的位移，再按图19-1接线，将磁电式传感器，差动放大器，低通滤波器，示波器连接起来，组成一个测量线路。

3．调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节频率，调节时用频率计监测频率变化，并记录峰峰值填入上表。

【思考题】

1、磁电式传感器具备怎样的特点？

2．通过实验能否推测出线圈的振动频率？

实验二十、压电传感器的动态响应实验

【实验目的】

了解压电式传感器的原理、结构与应用。

【实验仪器】

JK-20型频率振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电式传感器、示波器、频率计、JK-19型直流恒压电源、九孔实验板接口平台和FB716-II传感器实验台。

【实验步骤】

预设：低频振荡器幅度最小，频率计2KHz档。

1．观察压电式传感器的结构，并将压电式传感器固定在振动盘上，按下自由端可以有一个较大的位移，否则调整振动盘在磁钢上的位置，再按图20-1接线，将压电式传感器，

电荷放大器，低通滤波器，示波器连接起来，组成一个测量线路。并将低通滤波器的输出端与频率计输入端相连。

2．将低频振荡器的输出端接入激振和频率计的输入端，打开电源；

3．调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，并用频率计监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表：

1．根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？

2．试回答压电式传感器的特点，比较磁电式传感器输出波形的相位差大致为多少？为什么？

实验二十一、压电传感器的引线电容对电压放大器、电荷放大器的影响

【实验目的】

验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用。

【实验仪器】

JK-20型频度振荡器、压电式传感器、电压放大器、电荷放大器、低通滤波器、相敏检波器、万用表、单芯屏蔽线、JK-19型直流稳压源、示波器、九孔实验板接口平台和FB716-II传感器实验台。

【实验步骤】

预设：低频振荡器幅度最小，万用表20V档，差动放大器增益合适位置，直流恒压电源

输出档。

1．先对差动放大器调零，再将压电式传感器固定在振动盘上，按下自由端可以有一个较大的位移，否则调整振动盘在磁钢上的位置，再按图21-1接线，相敏检波器参考电压应从低

频输出接入，差动放大器的增益旋钮旋到适中，不能调得太大。直流恒压电源置于档。

2．示波器的两个通道分别接到差动放大器和相敏检波器的输出端。

3．观察示波器上显示的波形，适当调节低频振荡器的幅度旋钮，使差动放大器的输出波形较大且没有明显的失真。

4．观察相敏检波器输出波形，解释所看到的现象，调整电位器，使差动放大器的直流成份减少到零，这可以通过观察相敏检波器输出波形而达到，为什么？

5．适当增大差动放大器的增益，使万用表显示值为某一整数值（如）。

6．将电压放大器与压电传感器之间的屏蔽线换成与原来一根长度不同的屏蔽线，读出万用表的读数。

7．将电压放大器换成电荷放大器，重复实验。

【注意事项】

1．低频振荡器的幅度要适当，以免引起波形失真。

2．梁振动时不应发生碰撞，否则将引起波形畸变，不再是正弦波。

3．由于梁的相频特性影响，压电式传感器的输出与激励信号一般不为。故万用表示

数会有较大跳动，此时，可以适当改变激励信号频率，使相敏检波输出的两个半波尽可能平衡，以减少万用表示数跳动。

【思考题】

1．相敏检波器输入含有一些直流成份殖民地不含直流成份对万用表的读数是否有影响，为什么？

2．根据实验数据，计算灵敏度的相对变化值，比较电压较大器的电荷放大器受引线电容的影响程度，并解释原因？

3．根据所有数据，结合压电传感器原理和电压，电荷放大器原理，试回答引线分布电容对电压放大器和电荷放大器性能有什么样的影响？

实验二十二、差动变面积式电容传感器的静态及动态特性

【实验目的】

了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性

【实验仪器】

电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、万用表、九孔实验板接口平台、JK-19型直流恒压电源、JK-20型频率振荡器、示波器和FB716-II传感器实验台

【实验步骤】

预设：差动放大器增益置于适当位置。

1．先将差动放大器调零；

2．再将电容式动片固定在振动盘上，调整好动片与静片的位置，不能相互接触，按图22-1接线。把电容的增益拧至合适位置，万用表20V档并调节测微头，使输出为零，并读取其刻度值。

3.转动测微头、每次0.3mm，记下此时测微头的读数及万用表的读数，直至电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。

退回测微头至初始位置，并开始以相反方向旋动，同上法，记下及值。

4．计算系统灵敏度。（式中为电压变化，为相应的梁端位移变

化），并作出关系曲线。

5．卸下测微头，断开万用表，接通激振器，用示波器观察输出波形。

实验二十三、扩散硅压式压力传感器实验

【实验目的】

了解扩散硅压阻式传感器的工作原理和工作情况。

【实验仪器】

九孔实验板接口平台、JK-19型直流恒压电源、差动放大器、万用表、压阻式传感器和压力表

【基本原理】

扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片上用扩散工艺（或离子注入及射工艺）制成一定开关的应变元件，当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。

【实验步骤】

预设：直流恒压电源，万用表2V档，差放增益置于适当位置。

1．先检查压力表指针是否处于零位，如果没有对准，可以通过工具校准或以某一个值为基准（如），并记下该值；

2．按照图23-1接线，注意接线正确，否则易损坏元器件，差动放大器接成同相反相均可；

3．供压回路如图23-2所示；

4．将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松；

5．打开直流恒压电源，将差动放大器的增益拧至最大，并适当调节调零旋钮，使万用表指示尽可能为零，记下此时万用表读数；

6．拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，注意不要用力太大，每隔一个压力差，记下万用表的示数，并将数据填入下表：

根据所得的结果计算系统灵敏度，并作出关系曲线，找出线性范围。

【注意事项】

1．实验中压力不稳定，应检查加压气体回路是否有漏气现象，气囊上单身调节阀的锁紧螺丝是否拧紧；

2．如读数误差较大，应检查气管是否有折压现象，造成传感器与压力表之间的供气压不均匀；

3．如觉得差动放大器增益不理想，可调整其增益旋钮，不过此时应重新调整零位，调好后在整个实验过程中不得再改变其位置。

4．实验完毕必须关闭直流恒压电源后再拆去实验连接线。（拆去实验连接线时要注意手要拿住连接线头部接起，以免拉断实验连接线。）

【思考题】

1．差压传感器是否可用作直空度以及负压测试？

2．如何实验测量人的肺活量，怎么样去实验？请给出设计方案、原理图和必要的文字说明。

实验二十四、气敏电阻（MQ3）实验

【实验目的】

了解气敏电阻（传感器）的原理与应用。

【实验仪器】

JK-19型直流恒压电源、差动放大器、电桥模块、万用表、气敏电阻（传感器）和九孔实验板接口平台。

【实验步骤】

预设：直流恒压电源，万用表2V档，差放放大器增益拧至最小、电桥模块中的

逆时针拧至最小。

1.先将差动放大器调零；

2.按图24-1接线；

3.打开直流恒压电源，预热约5-15分钟后，用浸有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥发并进入传感器金属网内，同时观察万用表数值的变化。此时电压读数。

它反映了传感两端间的电阻随着发生了变化。说明检测到了酒精气体的存在与否，如果万用表变化不够明显，可适当调大差动放大器增益。

设计：

利用现有的条件是否可以设计出一个酒精气体报警器，你认为还需要哪些条件？

提示：

1．需进行浓度标定；

2．还需增加哪些必要的电路。

MQ系列气敏元件使用说明：

特点：

1.具有很高的灵敏度和良好的选择；

2.具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；

㈠结构、外形和元件符号

1.系列气敏元件的结构如图24-2所示，由微型陶瓷管、敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢网的腔体内，加热器为气敏元件的工作白日做梦了必要的工作条件。

2.气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

㈡性能

1.标准回路：如图2所示，气敏元件的标准测试问路由两部分组成。其一为加热回路。其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。

2.传感器的表面电阻的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号

输出面获得的。二者之间的关系表述为：

3.标准工作条件：

符号参数名称技术条件备注

回路电压

加热电压

负载电阻可调

加热器电阻室温

加热功耗

4.环境条件：

符号参数名称技术条件备注

使用温度

储存温度

推荐使用范围相对温度小于

氧气浓度标准条件氧气浓度会影响灵敏度最大值大于

符号参数名称技术条件探测浓度范围适用气体

敏感体电

阻