應(yīng)變片直流電橋電子秤的靜態(tài)特性調(diào)整與測試儀器儀表實(shí)訓(xùn)論文

1、 實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告課程名稱： 儀器儀表實(shí)訓(xùn) 專業(yè)： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)教師： 成績： 完成日期： 2013年1月9日 1 應(yīng)變片直流電橋電子秤的靜態(tài)特性調(diào)整與測試1.1 實(shí)訓(xùn)目的 （1）掌握儀器儀表基本構(gòu)成及基本特性分析方法； （2）學(xué)習(xí)構(gòu)建儀器儀表基本檢測電路； （3）學(xué)習(xí)儀器儀表基本調(diào)試方法； （4）學(xué)習(xí)分析評(píng)估儀器儀表靜態(tài)特性指標(biāo)與參數(shù)； （5）學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)儀器儀表基本測量電路。1.2 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容 按應(yīng)變片直流電橋電子秤原理圖連接測量電路，調(diào)試應(yīng)變片傳感器與各級(jí)電路。1.3 放大電路部分原理分析 電路中的三個(gè)運(yùn)放都接成比例運(yùn)算電路的形式，如圖1.1所示。電路包含兩個(gè)放大級(jí)，a1、a2組

2、成第一級(jí)，二者均為同相輸入方式，因而輸入電阻很高。由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此漂移可以互相抵消。第二級(jí)的a3為差分輸入方式，將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。在電路中，要求元件參數(shù)對(duì)稱，即r2=r3，r4=r5，r6=r7當(dāng)加上差模輸入電壓u1時(shí)，a1和a2的輸入電壓u11和u12大小相等，極性相反，且r2=r3，此時(shí)可認(rèn)為電阻r1的中點(diǎn)電位為保持不變，即在r1/2處相當(dāng)于交流接地，則圖1.1 三運(yùn)放放大電路 uo1=(1+r2/(r1/2)u11=(1+2r2/r1)u11uo2=(1+r3/(r1/2)u12=(1+2r2/r1)u12則：uo1- uo2=(1+2r2/r1)(u11-u12)=(1+

3、2r2/r1)u1a3為差分輸入比例運(yùn)算電路，已知r4=r5，r6=r7,則uo=-r6/r4(uo1- uo2)因此，該數(shù)據(jù)放大器總的輸出輸入關(guān)系u0=-r6/r4(1+2r2/r1)u1由上式可知，只要改變電阻r1，即可靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓與輸入電壓之間的比例關(guān)系。如果將r1開路，則第一級(jí)的輸出電壓成為uo1- uo2=u1，第二級(jí)的輸出電壓為u0=-(r6/r4)u1.必須指出，由差分比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)出發(fā)，電路中r4、r5、r6和r7四個(gè)電阻必須采用高精密度電阻，并要精確匹配，否則不僅給上述輸出輸入關(guān)系式帶來誤差，而且將降低電路的共模抑制比。 1.4 電路設(shè)計(jì)1.4.1 分析應(yīng)變片的受力

4、情況（1）將托盤安裝到傳感器上，如圖1.2所示。圖1.2 傳感器托盤安裝示意圖（2）測量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤上無重物時(shí)，分別測量應(yīng)變片r1、r2、r3、r4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量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?。?。測量電路如圖1.3所示。圖1.3 測量應(yīng)變片的阻值示意圖經(jīng)測量后得到：當(dāng)托盤上方上砝碼時(shí)，第二個(gè)臂和第四個(gè)臂（電阻值增加）受拉力作用，第一個(gè)臂和第三個(gè)臂（電阻值減?。┦軌毫ψ饔谩?.4.2 單臂電橋連接法（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零：按圖1.4接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換

5、開關(guān)切換到2v檔，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器合適位置(先順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器，使電壓表顯示為零。圖1.4 差動(dòng)放在器調(diào)零接線示意圖 （2）應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖1.5接線，將2v10v可調(diào)電源調(diào)節(jié)到4v檔。檢查接線無誤后合上主機(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?，使主機(jī)箱電壓表顯示為零。 圖1.5 單臂電橋連接示意圖（3）傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(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)填入表1.1。表1.1 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重量(g)2

6、0406080100120140160180200電壓(mv)-4-9-13-18-23-27-32-36-40-451.4.3 雙臂（相鄰臂）電橋連接法(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零，方法如同上述單臂電橋?qū)嶒?yàn)。(2)應(yīng)變片雙臂電橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖1.6接線，將2v10v可調(diào)電源調(diào)節(jié)到4v檔。檢查接線無誤后合上主機(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鳎怪鳈C(jī)箱電壓表顯示為零。圖1.6 應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖（3）在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(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)填入表1.2 。表1.2 應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)重量(g)2

7、0406080100120140160180200電壓(mv)-8-15-24-34-43-52-60-69-77-861.4.4 全橋連接法（1） 實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零，方法如同上述單臂電橋?qū)嶒?yàn)。（2） 應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖1.7接線，將2v10v可調(diào)電源調(diào)節(jié)到4v檔。檢查接線無誤后合上主機(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鳎怪鳈C(jī)箱電壓表顯示為零。圖1.7 應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線示意圖（3） 在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(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)填入表1.3。表1.3 全橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重量(g)204060

8、80100120140160180電壓(mv)-20-39.2-60.5-80.9-100.6-121.3-141.7-161.8-182.21.5 數(shù)據(jù)分析處理1.5.1 數(shù)據(jù)解釋 測量的的三組數(shù)據(jù)中，電壓值均為負(fù)值，即隨著砝碼的增加，電壓值成負(fù)數(shù)增加，原因是：在單臂電橋中，r1接入了電橋中的第二個(gè)臂（電阻增加，電壓為負(fù)），且r1受拉力（阻值增加），所以測量的電壓值均為負(fù)數(shù)；在雙臂電橋中，利用了相鄰臂，r1接入第一個(gè)臂，r2接入第二個(gè)臂，因此r1受壓力電阻值減?。妷簽樨?fù)），r2受拉力作用電阻值增加（電壓為負(fù)），所以測量的電壓值均為負(fù)數(shù)，且基本上與單臂電橋中對(duì)應(yīng)的值成二倍關(guān)系；在全橋電路中，

9、r1接入第一個(gè)臂，r2接入第二個(gè)臂，r3接入第三個(gè)臂，r4接入第四個(gè)臂，因此r1和r3受壓力電阻值減小（電壓為負(fù)），r2和r4受拉力作用電阻值增加（電壓為負(fù)），所以測量的電壓值均為負(fù)數(shù)，且基本上與單臂電橋中對(duì)應(yīng)的值成四倍關(guān)系，與雙臂電橋中對(duì)應(yīng)的值成二倍關(guān)系。1.5.2 單臂電橋?qū)嶒?yàn)（1）將單臂電橋?qū)嶒?yàn)中的數(shù)據(jù)按先后順序排列，在excel中進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)如圖1.8所示：圖1.8 單臂測量數(shù)據(jù)（2）對(duì)ab兩列的數(shù)據(jù)進(jìn)行x、y散點(diǎn)圖分析，并且同時(shí)添加趨勢線（擬合直線），結(jié)果圖1.9所示：圖1.9 單臂數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖（3）將x值即質(zhì)量m帶入到擬合函數(shù)中去，得到y(tǒng)值即電壓v，再利用vv得到偏差值，結(jié)果如

10、圖中的cd兩列所示，最后找出偏差最大的值，利用公式求出線性度（或非線性誤差）： =d7/-45*100%=-0.01214*100%=-1.214%利用公式，求出靈敏度k=-45/200=-0.225mv/g1.5.3 雙臂電橋?qū)嶒?yàn)（1）將雙臂電橋?qū)嶒?yàn)中的數(shù)據(jù)按先后順序排列，在excel中進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)如圖1.10所示：圖1.10 雙臂測量數(shù)據(jù)（2）對(duì)ab兩列的數(shù)據(jù)進(jìn)行x、y散點(diǎn)圖分析，并且同時(shí)添加趨勢線（擬合直線），結(jié)果圖1.11所示：圖1.11 雙臂數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖（3）利用上述運(yùn)用的方法算出雙橋?qū)嶒?yàn)中的線性度（非線性誤差）和靈敏度：=d28/-86*100%=0.01651*100%=1.

11、651%k=-86/200=-0.43mv/g1.5.4 全橋?qū)嶒?yàn)（1）將全橋?qū)嶒?yàn)中的數(shù)據(jù)按先后順序排列，在excel中進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)如圖1.12所示：圖1.12 全橋測量數(shù)據(jù)（2）對(duì)ab兩列的數(shù)據(jù)進(jìn)行x、y散點(diǎn)圖分析，并且同時(shí)添加趨勢線（擬合直線），結(jié)果圖1.13所示：圖1.13 全橋數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖（3）利用上述提到的方法算出雙橋?qū)嶒?yàn)中的線性度（非線性誤差）和靈敏度：=d45/（-182.2）*100%=0.004974*100%=0.4974%k=-182.2/180=-1.0122mv/g1.6 分析誤差來源在完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，引入誤差的原因主要包括如下幾個(gè)因素：（1） 實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟?/p>

12、動(dòng)放大器調(diào)零過程中可能沒有精確地調(diào)至0；（2） 在測量過程中可能有時(shí)不小心碰到了各個(gè)旋鈕從而引來誤差；（3） 在讀數(shù)過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定顯示值時(shí)，人為的確定了其中一個(gè)值；（4） 在放砝碼時(shí)，有時(shí)沒有放在托盤中央而引來誤差；（5） 外界溫度影響，使得應(yīng)變片的電阻值在因?yàn)閴毫ψ兓耐瑫r(shí)還因?yàn)闇囟榷兓?差動(dòng)變壓器位移檢測儀調(diào)整與測試2.1 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容按差動(dòng)變壓器位移檢測儀原理圖連接測量電路，調(diào)試差動(dòng)變壓器與各級(jí)電路。2.2 設(shè)計(jì)原理圖2.1 相敏檢波器原理圖與模板上的面板圖利用差動(dòng)變壓器可以測量位移的特性行進(jìn)本次設(shè)計(jì)，差動(dòng)變壓器在應(yīng)用時(shí)要想法消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢和死區(qū)，選用合適的測量電路，如采用相敏檢波

13、電路，既可判別銜鐵移動(dòng)（位移）方向又可改善輸出特性，消除測量范圍內(nèi)的死區(qū)。相敏檢波器的原理圖與模板上的面板圖如圖2.1所示：圖中，ac為交流參考電壓輸入端，dc為直流參考電壓輸入端，vi端為檢波信號(hào)輸入端，vo端為檢波輸出端。原理圖中各元器件的作用：c5-1交流耦合電容并隔離直流；ic5-1反相過零比較器，將參考電壓正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波（開關(guān)波+14v -14v）；d5-1二極管箝位得到合適的開關(guān)波形v70v（0 -14v）；q5-1是結(jié)型場效應(yīng)管，工作在開、關(guān)狀態(tài)；ic5-2工作在倒相器、跟隨器狀態(tài)；r5-6限流電阻起保護(hù)集成塊作用。2.3 設(shè)計(jì)步驟2.3.1 電路連接調(diào)試部分（1）相敏檢波器

14、電路調(diào)試：將主機(jī)箱的音頻振蕩器的幅度調(diào)到最小（幅度旋鈕逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底），將2v10v可調(diào)電源調(diào)節(jié)到2v檔，再按圖2.2接線，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5khz，峰峰值vp-p=5v（用示波器測量），調(diào)節(jié)相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個(gè)波形。到此，相敏檢波器電路已調(diào)試完畢，以后不要觸碰這個(gè)電位器鈕，關(guān)閉電源。圖2.2相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖（2）調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度值與軸套上的10mm刻度值對(duì)準(zhǔn)。按圖2.3安裝、接線。將音頻振蕩器幅度調(diào)節(jié)到最?。ǚ刃o逆時(shí)針輕轉(zhuǎn)到底）；電壓表的量程切換開關(guān)切到20v檔。檢查接線無誤后合

15、上主機(jī)箱電源開關(guān)。圖2.3差動(dòng)變壓器測位移組成、接線示意圖（3）調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5khz、幅值vp-p=2v（用示波器監(jiān)測）。（4）松開測微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著差動(dòng)變壓器銜鐵的位移方向移動(dòng)測微頭的安裝套（左、右方向都可以），使差動(dòng)變壓器銜鐵明顯偏離l1初級(jí)線圈的中點(diǎn)位置，再調(diào)波器輸出為全波整流波形（示波器ch2的靈敏度volts/div在1v50mv范圍內(nèi)選擇監(jiān)測）。再慢悠悠仔細(xì)移動(dòng)測微頭的安裝套，使相敏檢波器輸出波形幅值盡量為最?。ūM量使銜鐵處在l1初級(jí)線圈的中點(diǎn)位置）并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘。（5）調(diào)節(jié)差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械膔w1、rw2（二者配合交替調(diào)節(jié)）使相敏檢波器輸出

16、波形趨于水平線（可相應(yīng)調(diào)節(jié)示波器量程檔觀察）并且電壓表顯示趨于0v。2.3.2 數(shù)據(jù)讀取部分（1）調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，每隔x=1mm從電壓表上讀取差動(dòng)變壓器端口3和端口4之間的電壓值即v34，記錄結(jié)果如圖2.4所示：圖2.4 v34電壓值（2）先將將測微頭取下來恢復(fù)至零處在上上去，再重復(fù)按照步驟（4）和（5），完成后調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，每隔x=1mm從電壓表上讀取差動(dòng)放大器的輸出電壓值即vo1，記錄結(jié)果如圖2.5所示：圖2.5 差動(dòng)放大器的輸出電壓值vo1（3）先將將測微頭取下來恢復(fù)至零處在上上去，再重復(fù)按照步驟（4）和（5），完成后調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，每隔x=1mm從電壓表上讀取相敏檢波器的

17、輸出電壓值即vo2，記錄結(jié)果如圖2.6所示：圖2.6 相敏檢波器的輸出電壓值vo2（4）先將將測微頭取下來恢復(fù)至零處在上上去，再重復(fù)按照步驟（4）和（5），完成后調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，每隔x=1mm從電壓表上讀取低通濾波器的輸出電壓值即vo3，記錄結(jié)果如圖2.7所示：圖2.7 低通濾波器的輸出電壓值vo32.4 數(shù)據(jù)處理（1）將上述記錄的三組數(shù)據(jù)輸入excel表格中進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)如圖2.8所示：圖2.8 測量數(shù)據(jù) （2）選取相敏檢波器的輸出電壓值和位移量做出散點(diǎn)分析圖，如圖2.9所示：圖2.9 相敏電壓與位移關(guān)系圖（2）觀測圖2.9可以看出圖形在中間部分基本上呈線性關(guān)系，所以取x=7mm到16m

18、m之間分析位移與電壓之間的關(guān)系，得到圖2.10的結(jié)果。圖2.10 線性部分關(guān)系圖3 實(shí)訓(xùn)心得通過本次實(shí)訓(xùn)讓我們將理論知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)踐上，這次實(shí)訓(xùn)任務(wù)主要包括了三方面的知識(shí)：傳感器相關(guān)知識(shí)，protel 99se相關(guān)知識(shí)，誤差分析與數(shù)據(jù)處理相關(guān)知識(shí)。通過第一個(gè)內(nèi)容“應(yīng)變片直流電橋電子秤的靜態(tài)特性調(diào)整與測試”讓我們更加熟練的掌握了電子稱的工作原理和不同種電橋的選擇之間的差異，第二個(gè)內(nèi)容“差動(dòng)變壓器位移檢測儀調(diào)整與測試”讓我們掌握了差動(dòng)變壓器、移相器、相敏檢波器和低通濾波器的工作原理，掌握了如何用差動(dòng)變壓器測量位移，在這過程中還是用了雙蹤示波器，因此更加熟練了示波器的正確使用方法和技巧。在處理這兩個(gè)內(nèi)容的測量數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)用到了誤差分析與數(shù)據(jù)處理方面的知