应变片直流电桥电子秤的静态特性调整与测试仪器仪表实训论文.doc

实 训 报 告课程名称： 仪器仪表实训 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 成绩： 完成日期： 2013年1月9日 1 应变片直流电桥电子秤的静态特性调整与测试1.1 实训目的 （1）掌握仪器仪表基本构成及基本特性分析方法； （2）学习构建仪器仪表基本检测电路； （3）学习仪器仪表基本调试方法； （4）学习分析评估仪器仪表静态特性指标与参数； （5）学习设计仪器仪表基本测量电路。1.2 实训内容 按应变片直流电桥电子秤原理图连接测量电路，调试应变片传感器与各级电路。1.3 放大电路部分原理分析 电路中的三个运放都接成比例运算电路的形式，如图1.1所示。电路包含两个放大级，a1、a2组成第一级，二者均为同相输入方式，因而输入电阻很高。由于电路结构对称，因此漂移可以互相抵消。第二级的a3为差分输入方式，将差分输入转换为单端输出。在电路中，要求元件参数对称，即r2=r3，r4=r5，r6=r7当加上差模输入电压u1时，a1和a2的输入电压u11和u12大小相等，极性相反，且r2=r3，此时可认为电阻r1的中点电位为保持不变，即在r1/2处相当于交流接地，则图1.1 三运放放大电路 uo1=(1+r2/(r1/2)u11=(1+2r2/r1)u11uo2=(1+r3/(r1/2)u12=(1+2r2/r1)u12则：uo1- uo2=(1+2r2/r1)(u11-u12)=(1+2r2/r1)u1a3为差分输入比例运算电路，已知r4=r5，r6=r7,则uo=-r6/r4(uo1- uo2)因此，该数据放大器总的输出输入关系u0=-r6/r4(1+2r2/r1)u1由上式可知，只要改变电阻r1，即可灵活地调节输出电压与输入电压之间的比例关系。如果将r1开路，则第一级的输出电压成为uo1- uo2=u1，第二级的输出电压为u0=-(r6/r4)u1.必须指出，由差分比例运算电路的特点出发，电路中r4、r5、r6和r7四个电阻必须采用高精密度电阻，并要精确匹配，否则不仅给上述输出输入关系式带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。 1.4 电路设计1.4.1 分析应变片的受力情况（1）将托盘安装到传感器上，如图1.2所示。图1.2 传感器托盘安装示意图（2）测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片r1、r2、r3、r4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量r1、r2、r3、r4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小）。测量电路如图1.3所示。图1.3 测量应变片的阻值示意图经测量后得到：当托盘上方上砝码时，第二个臂和第四个臂（电阻值增加）受拉力作用，第一个臂和第三个臂（电阻值减小）受压力作用。1.4.2 单臂电桥连接法（1）实验模板中的差动放大器调零：按图1.4接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2v档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器合适位置(先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。图1.4 差动放在器调零接线示意图 （2）应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图1.5接线，将2v10v可调电源调节到4v档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零。 图1.5 单臂电桥连接示意图（3）传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1.1。表1.1 应变片单臂电桥性能实验数据重量(g)20406080100120140160180200电压(mv)-4-9-13-18-23-27-32-36-40-451.4.3 双臂（相邻臂）电桥连接法(1)实验模板中的差动放大器调零，方法如同上述单臂电桥实验。(2)应变片双臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图1.6接线，将2v10v可调电源调节到4v档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零。图1.6 应变片半桥实验接线示意图（3）在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1.2 。表1.2 应变片半桥实验数据重量(g)20406080100120140160180200电压(mv)-8-15-24-34-43-52-60-69-77-861.4.4 全桥连接法（1） 实验模板中的差动放大器调零，方法如同上述单臂电桥实验。（2） 应变片全桥实验：关闭主机箱电源，按图1.7接线，将2v10v可调电源调节到4v档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零。图1.7 应变片全桥性能实验接线示意图（3） 在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1.3。表1.3 全桥性能实验数据重量(g)20406080100120140160180电压(mv)-20-39.2-60.5-80.9-100.6-121.3-141.7-161.8-182.21.5 数据分析处理1.5.1 数据解释 测量的的三组数据中，电压值均为负值，即随着砝码的增加，电压值成负数增加，原因是：在单臂电桥中，r1接入了电桥中的第二个臂（电阻增加，电压为负），且r1受拉力（阻值增加），所以测量的电压值均为负数；在双臂电桥中，利用了相邻臂，r1接入第一个臂，r2接入第二个臂，因此r1受压力电阻值减小（电压为负），r2受拉力作用电阻值增加（电压为负），所以测量的电压值均为负数，且基本上与单臂电桥中对应的值成二倍关系；在全桥电路中，r1接入第一个臂，r2接入第二个臂，r3接入第三个臂，r4接入第四个臂，因此r1和r3受压力电阻值减小（电压为负），r2和r4受拉力作用电阻值增加（电压为负），所以测量的电压值均为负数，且基本上与单臂电桥中对应的值成四倍关系，与双臂电桥中对应的值成二倍关系。1.5.2 单臂电桥实验（1）将单臂电桥实验中的数据按先后顺序排列，在excel中进行分析处理，数据如图1.8所示：图1.8 单臂测量数据（2）对ab两列的数据进行x、y散点图分析，并且同时添加趋势线（拟合直线），结果图1.9所示：图1.9 单臂数据散点图（3）将x值即质量m带入到拟合函数中去，得到y值即电压v，再利用vv得到偏差值，结果如图中的cd两列所示，最后找出偏差最大的值，利用公式求出线性度（或非线性误差）： =d7/-45*100%=-0.01214*100%=-1.214%利用公式，求出灵敏度k=-45/200=-0.225mv/g1.5.3 双臂电桥实验（1）将双臂电桥实验中的数据按先后顺序排列，在excel中进行分析处理，数据如图1.10所示：图1.10 双臂测量数据（2）对ab两列的数据进行x、y散点图分析，并且同时添加趋势线（拟合直线），结果图1.11所示：图1.11 双臂数据散点图（3）利用上述运用的方法算出双桥实验中的线性度（非线性误差）和灵敏度：=d28/-86*100%=0.01651*100%=1.651%k=-86/200=-0.43mv/g1.5.4 全桥实验（1）将全桥实验中的数据按先后顺序排列，在excel中进行分析处理，数据如图1.12所示：图1.12 全桥测量数据（2）对ab两列的数据进行x、y散点图分析，并且同时添加趋势线（拟合直线），结果图1.13所示：图1.13 全桥数据散点图（3）利用上述提到的方法算出双桥实验中的线性度（非线性误差）和灵敏度：=d45/（-182.2）*100%=0.004974*100%=0.4974%k=-182.2/180=-1.0122mv/g1.6 分析误差来源在完成本次设计任务时，引入误差的原因主要包括如下几个因素：（1） 实验模板中的差动放大器调零过程中可能没有精确地调至0；（2） 在测量过程中可能有时不小心碰到了各个旋钮从而引来误差；（3） 在读数过程中出现不稳定显示值时，人为的确定了其中一个值；（4） 在放砝码时，有时没有放在托盘中央而引来误差；（5） 外界温度影响，使得应变片的电阻值在因为压力变化的同时还因为温度而变化。2差动变压器位移检测仪调整与测试2.1 实训内容按差动变压器位移检测仪原理图连接测量电路，调试差动变压器与各级电路。2.2 设计原理图2.1 相敏检波器原理图与模板上的面板图利用差动变压器可以测量位移的特性行进本次设计，差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。相敏检波器的原理图与模板上的面板图如图2.1所示：图中，ac为交流参考电压输入端，dc为直流参考电压输入端，vi端为检波信号输入端，vo端为检波输出端。原理图中各元器件的作用：c5-1交流耦合电容并隔离直流；ic5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14v -14v）；d5-1二极管箝位得到合适的开关波形v70v（0 -14v）；q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；ic5-2工作在倒相器、跟随器状态；r5-6限流电阻起保护集成块作用。2.3 设计步骤2.3.1 电路连接调试部分（1）相敏检波器电路调试：将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将2v10v可调电源调节到2v档，再按图2.2接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5khz，峰峰值vp-p=5v（用示波器测量），调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。到此，相敏检波器电路已调试完毕，以后不要触碰这个电位器钮，关闭电源。图2.2相敏检波器电路调试接线示意图（2）调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的10mm刻度值对准。按图2.3安装、接线。将音频振荡器幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；电压表的量程切换开关切到20v档。检查接线无误后合上主机箱电源开关。图2.3差动变压器测位移组成、接线示意图（3）调节音频振荡器频率f=5khz、幅值vp-p=2v（用示波器监测）。（4）松开测微头安装孔上的紧固螺钉。顺着差动变压器衔铁的位移方向移动测微头的安装套（左、右方向都可以），使差动变压器衔铁明显偏离l1初级线圈的中点位置，再调波器输出为全波整流波形（示波器ch2的灵敏度volts/div在1v50mv范围内选择监测）。再慢悠悠仔细移动测微头的安装套，使相敏检波器输出波形幅值尽量为最小（尽量使衔铁处在l1初级线圈的中点位置）并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。（5）调节差动变压器实验模板中的rw1、rw2（二者配合交替调节）使相敏检波器输出波形趋于水平线（可相应调节示波器量程档观察）并且电压表显示趋于0v。2.3.2 数据读取部分（1）调节测微头的微分筒，每隔x=1mm从电压表上读取差动变压器端口3和端口4之间的电压值即v34，记录结果如图2.4所示：图2.4 v34电压值（2）先将将测微头取下来恢复至零处在上上去，再重复按照步骤（4）和（5），完成后调节测微头的微分筒，每隔x=1mm从电压表上读取差动放大器的输出电压值即vo1，记录结果如图2.5所示：图2.5 差动放大器的输出电压值vo1（3）先将将测微头取下来恢复至零处在上上去，再重复按照步骤（4）和（5），完成后调节测微头的微分筒，每隔x=1mm从电压表上读取相敏检波器的输出电压值即vo2，记录结果如图2.6所示：图2.6 相敏检波器的输出电压值vo2（4）先将将测微头取下来恢复至零处在上上去，再重复按照步骤（4）和（5），完成后调节测微头的微分筒，每隔x=1mm从电压表上读取低通滤波器的输出电压值即vo3，记录结果如图2.7所示：图2.7 低通滤波器的输出电压值vo32.4 数据处理（1）将上述记录的三组数据输入excel表格中进行处理，数据如图2.8所示：图2.8 测量数据 （2）选取相敏检波器的输出电压值和位移量做出散点分析图，如图2.9所示：图2.9 相敏电压与位移关系图（2）观测图2.9可以看出图形在中间部分基本上呈线性关系，所以取x=7mm到16mm之间分析位移与电压之间的关系，得到图2.10的结果。图2.10 线性部分关系图3 实训心得通过本次实训让我们将理论知识运用到了实践上，这次实训任务主要包括了三方面的知识：传感器相关知识，protel 99se相关知识，误差分析与数据处理相关知识。通过第一个内容“应变片直流电桥电子秤的静态特性调整与测试”让我们更加熟练的掌握了电子称的工作原理和不同种电桥的选择之间的差异，第二个内容“差动变压器位移检测仪调整与测试”让我们掌握了差动变压器、移相器、相敏检波器和低通滤波器的工作原理，掌握了如何用差动变压器测量位移，在这过程中还是用了双踪示波器，因此更加熟练了示波器的正确使用方法和技巧。在处理这两个内容的测量数据时运用到了误差分析与数据处理方面的知识，通过