传感器技术与测试系统实验讲义(实验部分).docx

传感器技术与测试系统实验讲义（实验部分）编写： 张军香 王可东北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院 宇航学院第1节 实验一 信号的时频域分析及处理（6学时）实验目的： 了解时域和频域转换的原理，掌握基本信号的时域和频域分析方法；了解信号处理的原理，掌握数字滤波器及窗函数的原理及应用；掌握信号采样的原理及过程；学习Matlab软件编程及进行信号分析的方法；学习LabVIEW软件的编程思想及编程方法；学习使用LabVIEW的相关功能进行信号分析与处理的方法。学习使用LabVIEW操作数据采集卡的方法；了解动态称重的原理和特点；学习Labview中MATLAB脚本节点的使用方法；学习顺序结构的使用方法；学习Labview中打开和引用文件的方法；学习动态称重数据的处理方法。实验原理：1、信号的时频域转换方法通过Fourier级数展开或变换，可将时域信号变换为频域信号；反之，通过Fourier逆变换可以将频域信号转换为时域信号。通过时频域转换，不仅可以研究分析信号的时域特征（如持续时间、幅值等），还可以研究分析信号的频域特征（如是否有周期性信号、频率带宽等），实现对信号的全面认识。按照时域信号的特点，可以应用不同的方法将其转换为频域信号，分别为：图1-1 四种时频域转换方式这四种变换原理如下：（1） Fourier级数展开级数展开有两种形式：三角级数和指数级数形式。其中前者为单边谱或实频谱，后者为双边谱或复频谱。三角函数形式的Fourier级数展开： （1-1）其中： 指数函数形式的Fourier级数展开：根据Euler公式，可以将式（1-1）转化为指数形式： (1-2)（2） Fourier变换Fourier变换分正变换和逆变换，其中前者是将时域信号变换为频域信号，后者将频域信号转换为频域信号。正变换： （1-3）逆变换： （1-4）（3） 序列Fourier变换序列的Fourier变换也分正、逆变换。正变换： （1-5）逆变换： （1-6）（4） 离散Fourier变换有限长序列的离散Fourier变换的正、逆变换如下：正变换： （1-7）逆变换： （1-8）其中：。2、抽样过程及抽样定理（1） 抽样过程从时域看，抽样过程就是通过等间隔或不等间隔地获取原始信号的某些片断，得到抽样信号，通过对抽样信号的处理和分析，获取原始信号的特征信息。理想的抽样过程是冲激抽样，其过程如图1-2所示。otx(t) o（a） （d）otT o（b） （e）otT o（c） （f）(a)时域原始信号；（b）冲激信号序列；（c）采样后得到的信号（d）频域原始信号；（e）频域冲激序列；（f）频域采样后的信号图1-2 冲激采样过程原理示意图在实际中，不可能以产生冲激采样序列，一般都是矩形窗、Hamming窗、Hanning窗等，采用不同的采样窗函数，得到的采样效果是不同的，特别是旁瓣的大小。图1-3是矩形窗采样过程示意图。otx(t) o（a） （d）otp(t)T o（b） （e）oxp(t)Tt o（c） （f）(a)时域原始信号；（b）矩形窗序列；（c）采样后得到的信号（d）频域原始信号；（e）频域矩形窗；（f）频域采样后的信号图1-3 矩形窗采样过程原理示意图（2） 抽样定理抽样定理主要是考虑如何不失真地对信号的抽样，特别是考察待采样信号的频率与采样频率之间的关系，如图1-4所示为二者之间不同关系时，采样后的信号频域示意图。o（a）o （b）o （c）（a）时的抽样效果；（b）时的抽样效果；（c）时的抽样效果图1-4 不同采样频率时的采样效果示意图由图1-4可知当采样频率大于等于信号频率的2倍时，采样后的信号得到了忠实地保持，没有产生采样误差；而采样频率小于信号频率的2倍时，发生了混叠误差，这样就不能实现对原信号的复原。采样定理就是这样得到的，定理如下：对一带限信号，设为信号最高频率，抽样信号能无失真地恢复原信号的条件是，其中为采样频率。3、动态称重原理动态称重是物体在运动变化过程中的称重过程，如汽车在行进过程中的称重过程。具有速度快、效率高等优点；还具有测量时间短，干扰因素多等特点。 此实验中，就是针对汽车动态称重中获得的数据进行分析处理。动态称重过程中的信号特点如图1-5所示，信号处理过程中需选取合适的数据段。图1-5 动态称重过程中的信号（1） 动态称重系统模型采用二阶弹簧-阻尼系统模型： （1-9）其z变换形式为： （1-10）其中：是与参数相关的数值。将式（1-9）写成差分方程形式为： （1-11）其中u单位为阶跃（或近似阶跃）信号，当k大于2时，u为常数，则差分方程变为： （1-12）由此，得到重量估值系统的终值为： （1-13）（2）RLS算法 递推最小二乘算法（Recursive Least Squares，RLS）表达式为： （1-14）其中，为参数向量， 为回归向量，为增益系数矩阵，为增益矩阵。重量为： （1-15）实验内容：（1）利用Matlab软件进行基本信号的时域和频域分析； （2）利用Labview软件进行信号的分析及处理； （3）利用Labview软件进行信号的输出及采样； （4）利用Labview软件完成动态称重的仿真。实验思考问题：（1）信号的时频域转换的方法及其发展过程。（2）FFT变换中如何进行参数的选择，如何保证FFT变换的频率分辨率？（3）LabVIEW软件的编程思想及编程方法是什么？（4）为什么对信号加窗？加窗后对信号的影响是什么？（5）实验中数据采集需注意哪些问题？（6）实验中的动态称重的方法是什么？实验仪器：计算机、数据采集卡PCI-9111DG、示波器DS5062CE、信号发生器DG1011。实验步骤：1、应用Matlab软件（1）产生不同的周期信号，包括正弦信号、方波信号、锯齿波，在时域分析这些波形特征（幅值、频率（周期）。（2）在Matlab中产生随机噪声、阶跃信号（选作）、矩形脉冲（选作）。（3）对产生的信号进行Fourier变换，从频率域分析信号的特征，并说明方波信号和锯齿波信号的信号带宽；（进行傅里叶变换时注意采样频率）（4）产生复合信号：（注意：在此注意如何验证FFT变换参数的选择，以及频率分辨率问题）由3个不同频率、幅值的正弦信号叠加的信号，从图形上判断信号的特征；产生由正弦信号和随机信号叠加的混合信号，从图形上判断信号的特征； 产生由正弦信号和方波叠加的信号，从图形上判断信号的特征。（5）对（4）中的3种复合信号进行FFT计算，从图上判断信号的特征。（6）应用不同窗函数对（4）中的信号进行采样，其中包括矩形窗、Hamming窗、Hanning窗。比较不同窗函数采样得到的结果。2、应用Labview软件设计任务及步骤 设置开始和停止按钮。 产生一个规则的信号（正弦、方波等类型可选，幅值、频率等可设置）由图形显示控件显示。 （1）计算机模拟产生； （2）由数据采集卡输出后再采集回来；（3）通过数据采集卡采集信号发生器信号。 为规则信号叠加白噪声（指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声），成为待测信号，显示此信号。 对待测信号进行分析处理： （1）进行FFT变换，并显示信号频谱； （2）对待测信号加窗（矩形窗、汉明窗、汉宁窗等可选，可改变通频带范围），显示加窗后的信号； （3）选择滤波器（低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器等可选），显示滤波后的信号； （4）对滤波后的信号进行FFT变换，显示信号频谱。3、数据采集卡实验（1）以顺序结构连接数据采集卡的操作程序框图；（2）产生某一信号（自选），通过数据采集卡输出，用示波器观察输出的波形是否与产生的波形一致；（3）将输出的信号采集回来，或者采集信号发生器的信号，并显示。（4）结合“2 应用Labview软件”对采集卡采集到的信号进行变换和处理。注：信号幅度不超过5V。4、动态称重仿真实验步骤：截取数据段、对数据滤波、模型参数辨识、求取重量（1）截取数据段：分别采用矩形窗、海明窗、海宁窗等截取数据段，分析不同窗口对信号的影响。（2）数据滤波：根据信号特点选取滤波器。如滤波器形式为：其中，系数向量Matlab中对应的函数为y(t)=filter(b,a,x)，参数x为原始信号数据，b为滤波器分子向量，a为滤波器分母向量，返回量y为滤波后的信号数据。（3）模型参数辨识采用RLS法进行参数辨识的编程步骤：确定各向量及矩阵的维数，对各向量及矩阵初始化：参数向量，初始化为Thita=zeros3,size(x,1)。回归向量，初始化为H=zeros3，size(x,1)。遗忘因子系数向量L(k)，初始化为L=0,0,0。协方差矩阵P(k)，初始化为P=0.1*eye(3)。质量M(k)，初始化为M=x。用循环语句对各向量矩阵进行运算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)得到最后的质量值（4）用Matlab及Labview实现动态称重算法的过程用Labview从文件中读取原始数据；用Labview实现窗函数，选取有效数据段；在Labview中调用Matlab脚本节点，用Matlab实现数据滤波和模型辨识算法；得到质量值并用Labview显示。（5）参考界面如图1-6所示(a) 前面板(b) 程序框图之一图1-6 动态称重示例实验报告：（1）根据实验内容及步骤的要求针对各波形进行相应的分析。（2）综述傅里叶变换的实际意义及应用价值。（3）分析窗函数的作用及意义。（4）分析数据采集的过程和注意事项（5）分析动态称重的过程及实验过程中解决的问题。（6）实验中的每个图像都要有横纵坐标的物理量及单位，并且要有图题。（7）写出实验感受和建议。第2节 实验二 传感器原理及应用实验（6学时）2.1 温度传感器测量原理实验 实验目的： 了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理； 掌握热电偶的冷端补偿原理； 掌握热电偶的标定过程； 了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。实验原理：（1）热电偶测温原理热电偶由两根不同介质的导体熔接而成，其形成的闭合回路叫做热电回路，当两端处于不同温度时回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。实验中使用两种热电偶 ：镍铬镍硅（K分度）、镍铬铜镍（E分度）。图2.1所示为热电偶的工作原理，图中： T为热端，To为冷端，热电势为：图2.1 热电偶工作原理热电偶冷端温度不为0时（下式中的T1），需对所测热电势值进行修正 ，修正公式为：E（T，To）=E(T,T1)+E(T1,T0) （2-1）即：实际电动势 测量所得电势 温度修正电势对热电偶进行标定时，以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶。K分度热电偶和E分度热电偶的分度表见附表2。（2）铂热电阻铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0T650时， RT=R0（1+AT+BT2） 式中：RT铂热电阻T时的电阻值 R0铂热电阻在0时的电阻值 A系数（=3.9684710-31/） B系数（=-5.84710-71/2）将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。（3）PN结温敏二极管半导体PN结具有良好的温度线性，PN结特性表达公式为：式中，为与PN结结构相关的常数； k为波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K； e为电子电荷量，e=1.60210-19C；T为被测物体的热力学温度（K）。当一个PN结制成后，当其正向电流保持不变时，PN结正向压降随温度的变化近似于线性，大约以2mv/的斜率随温度下降，利用PN结的这一特性可以进行温度的测量。（4）热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件，灵敏度高，可以测量小于0.01的温差变化。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻PTC、负温度系数热敏电阻NTC和在某一特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻器CTR。实验中使用NTC，热敏电阻的阻值与温度的关系近似符合指数规律，为：式中，T为被测温度（K），T=t+273.16； T0为参考温度（K），T0=t0+273.16； Rt为温度T时热敏电阻的阻值； R0为温度T0时热敏电阻的阻值； B 为热敏电阻的材料常数，由实验获得，一般为20006000 K。（5）集成温度传感器用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1A/K的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接得到摄氏温度值。实验内容：（1）使用K型热电偶对E型热电偶进行标定；（2）测量铂热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器在一些温度下的电压，画出电压和温度的关系曲线，分析各种温度传感器的特性。实验问题思考：（1）热电偶的标定原理是什么？为什么使用K分度热电偶标定E分度热电偶。（2）如何获得式（2-1）中的热电势E(T,T1)和E(T1,T0)？（3）各种温度传感器的特点是什么？根据其原理特点分析其应用。实验仪器：温度传感器实验模块、热电偶（K型、E型）、CSY2001B型传感器系统综合实验台（以下简称主机）、温控电加热炉、连接电缆、万用表：VC9804A，附表笔及测温探头、万用表：VC9806，附表笔。实验步骤：注意：为提高效率，在标定热电偶的同时可将其他温度传感器按照说明连好线，同时测量。（1）观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理（见附1）。（2）关闭主机“电源开关”，将温控电加热炉电源插头插入主机“220V加热电源出”插座；热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，（注意热电偶极性不能接反红为正，蓝为负，而且不能断偶）；（3）连接主机的“实验模块电源”至温度传感器实验模块电源插座（在后侧板）。（4）将主机上的“热电偶转换”开关扳向“温控”端，调节“设定调节”旋钮到最低；（5）关闭“应变加热”开关，打开主机“电源开关”，将主机上“加热炉”置“开”；（6）“测量设定”开关扳向“设定”，调节“设定调节”旋钮，将温度设定在40（注意，由于温控炉超调较大，可以将设定值稍微调小些）；（7）“测量设定”开关扳向“测量”；（8）温控炉加热时，“加热”指示灯亮，温控电加热炉加热；加热炉到达设定温度后，“加热”指示灯灭，“关闭”指示灯亮，温控炉在设定温度保温；（9）VC9806型万用表置200mv档，当“温控加热器”上方的数码管显示为设定温度时，用VC9806型万用表分别测量K型和E型热电偶的热电势。（10）用VC9804型万用表测量冷端温度，即环境温度。（将温度探头连接在万用表的“TEMP”插座，万用表置于“C”档，注意温度探头的方向，将温度探头的“+”端插入万用表温度测量的“+”端）。（11）按照步骤（6），分别将温度设定在40、50、60、70、80、90、100，重复（7）（10）步，记录测量数据，填写下表。给定温度/405060708090100冷端温度K型温度热电势/mv冷端补偿电势/mv测量温度/E型温度热电势/mv冷端补偿电势/mv误差测量温度/铂热电阻输出电压PN结温敏二极管输出电压半导体热敏电阻输出电压集成温度传感器输出电压实验报告： 分析各种温度传感器的温度测量原理； 分析测量数据，分别计算各种温度传感器的灵敏度、线性度； 通过实验及查找相关资料定性分析各种温度传感器的测温范围、精度、线性、重复性及灵敏度。2.2 电感式传感器测量原理实验 实验目的： 了解电感式传感器的基本组成及工作原理； 了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性； 了解移相器的工作原理； 了解相敏检波器的工作原理；实验原理：（1） 差动变压器 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。分为自感式传感器、差动变压器式传感器和电涡流传感器三种类型。电感元件的基本特性方程为：式中，W为电感线圈的匝数；为空气的导磁率；S为气隙的截面积；为气隙长度；L为电感量。差动变压器是一种电感式传感器。差动变压器由衔铁、初级线圈和次级线圈组成，初级线圈是差动变压器激励，相当于变压器原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图2.2、图2.3和图2.4所示。 图2.2 差动变压器结构 图2.3 差动变压器的位移-输出特性图2.4 差动变压器原理差动变压器的输出为调幅信号，反映了位移的大小和方向，只有经过相应电路才能提取出这两个信息。如图2.5所示，其中，（a）为调制信号（位移），（b）为载波信号，（c）为调幅信号。图2.5 差动变压器的调幅信号（2）电桥及差动放大电路由于衔铁在中间位置时，次级输出不为0，因此存在零点残余电压。零点残余电压的影响：造成差动变压器零点附近的不灵敏区；此电压经过放大器会使放大器未级趋向饱和，影响电路正常工作。零点残余电压的补偿：从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。选用补偿电路。电桥及差动放大电路如图2.6所示。对传感器信号进行放大的同时，还可进行零点残余电压补偿。图2.6 电桥及差动放大电路 （3）相敏检波器差分放大器的输出信号是调幅波，不能够直接反映出被测量的大小和方向，经过相敏检波器后，可反映出位移的大小和方向。相敏检波电路如图2.7所示：图中为输入信号端，为交流参考电压输入端，为检波信号输出端，为直流参考电压输入端。当、端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把端输入的正弦信号转换成全波整流信号。图2.7 相敏检波器电路（4）移相器相敏检波器要求参考输入与差动变压器的输出频率相同，则需要接入移相器。移相器电路示意如图2.8所示。通过对电路的闭环增益的推导，可得此式为移相器输出信号和输入信号之间的相移。调节W可改变相移。图2.8 移相器示意图（5）实验框图差动变压器实验框图如图2.9所示。从图中看到，实验系统包括差动变压器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、信号源、电压表，另外还包括示波器。图2.9 实验框图实验内容：（1）测试差动变压器的调幅信号；（2）差动变压器的标定。实验问题思考：（1）调幅波在实验中是否能够观察到？（2）相敏检波器的工作原理是什么？（3）移相器的作用是什么？实验仪器：电感式传感器实验模块 实验模块公共电路 示波器：DS5062CE 信号发生器：DG1011型 微机电源：WD990型，12V 万用表VC9806 电源连接电缆2根 螺旋测微仪实验步骤：实验连接图如图2.9所示。实验步骤如下：（1）差动变压器连接与测试（在电感式传感器实验模块上）如图2.4所示差动变压器原理接线，初级线圈（绿色导线）接到“初级线圈插孔”；次级线圈（白色导线和蓝色导线）分别连接“次级线圈”的“L01”和“L02”；信号发生器的输出与示波器的1通道连接至初级线圈（注意：信号发生器的地和示波器的地相连，再连接至初级线圈的一端）；示波器的2通道连接至次级线圈；两个次级线圈串接（其中的一根蓝线和一根白线相连）。示波器1通道灵敏度调至500mv/格，2通道调至10mv/格。连接实验模块与电源，其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地，切记勿接错！打开微机电源开关，打开信号发生器电源开关，打开示波器电源开关。调节示波器可显示两路波形。按下信号发生器的“sine”按钮，选择正弦信号，设置信号发生器输出信号Vp-p值为2V；调整信号发生器的信号频率，观察示波器2通道使波形不失真为好，信号频率约10kHz。前后移动改变变压器磁芯在线圈中位置，观察示波器第2通道所示波形能否过零翻转，如不翻转则改变次级两个线圈的串接端序，使其为反向串接。思考示波器显示波形与调幅波的关系。（2）电桥和差动放大器的连接与测试连接见图2.9。连接电感式传感器实验模块和实验模块公共电路的地。电感式传感器实验模块上电桥中的电容C的右端连接至差动变压器二次线圈的另一个白色导线端，同时连接至实验模块公共电路的差动放大器的Vi+端；电桥中的电阻R的左端连接至差动变压器二次线圈的另一个蓝色导线端，同时连接至实验模块公共电路的差动放大器的Vi-端；示波器2通道连接至差动放大器输出端Vout；观察示波器的波形，调节螺旋测微仪，使衔铁在中间位置，即差动放大器输出电压最小（示波器2通道的波形电压最小）；调节电感式实验模块的WD和WA，使示波器2通道的波形电压最小；调节实验模块公共电路的“差动调零”，使通道2波形电压为0V；（此旋钮为零点残余电压的补偿）；调节实验模块公共电路的“差动增益”，使放大器处于合适的增益；旋动螺旋测微仪，观察示波器的波形的变化，并记录。（3）移相器、相敏检波器、低通滤波器的连接与测试连接图见图2.9。连接差动变压器信号源端至实验模块公共电路的移相器的“IN”端，移相器的“Vout”端连至相敏检波器的“2”；差动放大器的“Vout”连至相敏检波器的“1”；相敏检波器的“3”连至低通滤波器的“IN”；低通滤波器的“Vout”接万用表，万用表置20V直流电压档；示波器2通道接至移相器的“Vout”端，旋转“移相调节”旋钮，观察示波器两通道波形相位的变化，同时观察万用表示数的变化，观察万用表正最大值和负最大值时，两波形的相位差。（4）差动变压器的标定旋转螺旋测微仪刻度为0，记录万用表的电压；螺旋测微仪刻度每增加1mm，记录万用表的电压，直到数据饱和为止；螺旋测微仪刻度每减少1mm，记录万用表的电压，直到螺旋测微仪刻度为0。在表2.3中记录数据。测量时，注意初次级线圈波形相位的变化。表2.3 差动变压器测量数据（采用静态标定步骤进行正反三次循环）位移/mm电压/V位移/mm电压/V位移/mm电压/V根据表格所列结果，作出电压-位移曲线，指出线性工作范围，并进行静态指标的计算。实验报告要求：（1）说明差动变压器位移测量的原理，分析差动变压器输出信号的特点；（2）分析差分放大器功能；（3）分析移相器功能及相位差同差动变压器输出电压的关系；（4）分析相敏检波器工作原理及功能；（5）分析测量数据，作出电压-位移曲线，拟合出电压-位移表达式；（6）计算出静态指标参数，绘制出滞回曲线。2.3 应变传感器测量原理实验 实验目的：（1）了解箔式应变片的结构及粘贴方式（2）掌握使用电桥电路对应变片进行信号调理的原理和方法（3）掌握使用应变片设计电子秤的原理（4）掌握应变片的温度补偿的原理和方法实验原理：（1）应变片测量原理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，即可将电阻变化转换成电信号输出。（2）应变电桥原理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，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R，则有。 （3）称重原理本实验选用的是标准商用双孔悬臂梁式称重传感器，灵敏度高，性能稳定，四个特性相同的应变片贴在如图2.10所示位置，弹性体的结构决定了R1和R3、R2 和R4的受力方向分别相同，因此将它们串接就形成差动电桥（弹性体中间上下两片为温度补偿片）。当弹性体受力时，根据电桥的加减特性其输出电压为：图2.10 双孔悬臂梁称重传感器（4）温补原理当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。本实验中采用的是电桥补偿法，如图2.11所示。图2.11 电桥补偿法电路原理实验内容：（1）测试应变称重电路的静态指标。（2）了解温度变化对应变测量系统的影响，学习温度补偿的方法。实验问题思考：（1）实验中温度补偿的原理。（2）通过实验思考影响应变片测量精度的因素。实验仪器：直流稳压电源（4V、12V），应变式传感器实验模块，双孔悬臂梁称重传感器，称重砝码（20克/个），数字万用表（可测温）。实验步骤：（1）观察称重传感器弹性体结构及传感器粘贴位置，将三芯电缆供电线一端与应变式传感器实验模块相连，另一端与主机实验电源相连（2）将差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器的“+”“-”输入端接地。输出端接电压表200mV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。（3）按图2.12将所需实验部件连接成测试桥路（全桥接法），图中R1、R2、R3和R均为应变计（可任选双孔悬臂梁上的一个应变片），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，勿使直流激励电源短路。（4V采用主机电源上的+V0和-V0）。图2.12 测试电桥连接电路（4）开启微机电源，调节电桥WD调零电位器使无负载时的称重传感器输出为零。（5）逐一将砝码放上传感器称重平台（共9个砝码），调节增益电位器，使VOUT端输出电压与所称重量成一比例关系，记录W（克）与V（mV）的对应值，并将数据填入表中（按静态标定步骤进行正反三次循环）。表 称重实验数据记录表1增加砝码过程W/克020406080100120140160180V1/mV表 称重实验数据记录表2减少砝码过程W/克180160140120100806040200V1/mV（6）做出V-W曲线。（7）用可测温度的万用表测出环境温度大小，并记录。（8）开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（加热器加热温度约高于环境温度30），记录VOUT端输出电压值，用可测温度的万用表测出孔悬臂梁上的温度，并求出大致的温飘V/T，然后关闭加热电源，待其冷却。将该过程的数据记录在表中。表 应变片温度效应数据记录加热前温度稳定后温度/电压/mV（9）将图2.12中电阻R2换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整系统输出为零。（10）开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，按照表2的形式记录数据，并求出温漂，然后与未进行补偿时的电路进行比较，用文字说明比较的结果。注意事项（1）实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。（2）称重传感器的激励电压请勿随意提高（即保证在4V）。（3）注意保护传感器的引线及应变片使之不受损伤。（4）在箔式应变片接口中，从左至右6片箔式片分别是：第1、3工作片与第2、4工作片受力方向相反，第5、6片为上、下梁的温度补偿片，请注意应变片接口上所示符号表示的相对位置。（5）“应变加热”源温度是不可控制的，只能达到相对的热平衡。实验报告要求：（1）用自己的语言叙述应变片测量原理、应变电桥原理、称重原理及应变片温补原理。（2）列出实验过程中数据，以及要求的曲线。（3）对各种实验现象进行分析总结.（4）计算传感器静态指标，绘制出滞回曲线。第3节 实验三 信号调理及信号处理实验（4学时）实验目的：了解电子称的称重原理；掌握测试系统的标定方法；掌握测试系统静态特性的分析方法。掌握模拟滤波器的设计方法和实现过程；掌握数字滤波器的设计方法和实现过程。了解测量系统的设计和实现过程。实验原理：（1）电子秤称重原理实验中使用的电子秤，传感器为高精度高阻值电阻应变传感器。电子称原理框图及电子称结构分别如图3.1和图3.2所示。电阻应变传感器安装在悬臂梁上。悬臂梁与秤盘相连，当秤盘上放上重物后，悬臂梁产生形变，电阻应变传感器产生应变，将感受到的力或力矩的变化转变成变化的模拟信号。该模拟信号经放大调理电路，再经采样转变成便于计算机处理的数字信号，由CPU运算后，根据键盘指令及程序将结果输出到显示器上。图3.1 电子秤原理框图图3.2 电子秤结构（2）滤波器设计根据有用信号和噪声不同的特性，抑制不需要的噪声和干扰，提取出有用信号的过程，称为滤波。实现滤波功能的装置为滤波器。从功能上滤波器可分为低通（LP）、高通（HP）、带通（BP）、带阻（BS）。滤波器的选取与设计步骤为： 根据信号特性，提出滤波器设计要求； 根据滤波器设计要求写出滤波器传递函数； 对于模拟滤波器由传递函数设计出实际电路，对于数字滤波器，则编写对应的程序算法。常用的低通滤波器为巴特沃思低通滤波器，其归一化传递函数为：二阶巴特沃思滤波器的传递函数可表示为：其中，归一化系数B=1.414214，C=1.0000000；c为截止频率，K=1为增益。一个二阶巴特沃思低通滤波器电路原理图如图3.3所示。图3.3 二阶巴特沃斯低通滤波器电路图通过推导可得其传递函数为：则有：根据c值即可选求各个器件的值。 器件选择注意： （1）先选择电容的值，使得可直接使用模拟机实验箱上的电容或经过简单的串并联可以实现；实验箱可选电容：0.1uF、0.47uF、1uF、2.2uF、4.7uF、10uF。 （2）电容选择经验规律： （3）实验箱电阻：10k、100k、200k、510k、1M； 可变电阻：10k、100k、470k、2.2M。 提供的可变电阻：50k 模拟滤波器设计： 将信号发生器的噪声信号叠加到表示电子称输出的信号上； 将叠加了噪声的信号连接到数采卡的接口板上； 利用Labview软件将信号采集到计算机中； 分析信号的频谱，得到信号幅度谱； 根据信号特点提出滤波器设计参