内容发布更新时间 : 2024/11/9 3:20:01星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

＊说明：调理电路面板上的电桥单元是通用单元，不是差变补偿专用单元，因而补偿电路中的r、c元件参数值不是最佳设计值，会影响补偿效果。但学生只要通过实验理解补偿概念及方法就达到了目的。

差动变压器的应用—振动测量实验

一、实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。

二、基本原理：参阅实验十二、实验十五。当差动变压器的衔铁连接杆与被测体连接时就能检测到被测体的位移变化或振动。

三、需用器件与单元：机头中的振动台、差动变压器；显示面板中音频振荡器、低频振荡器；调理电路面板传感器输出单元中的电感、激振；调理电路面板中的电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器；双踪示波器(自备)。 四、实验步骤：

1、调节测微头远离振动台，不能妨碍振动台的上下运动。按图16示意接线。

图16差动变压器振动测量接线示意图

2、将音频振荡器和低频振荡器的幅度电位器逆时针轻轻转到底（幅度最小），并调整好有关部分。调整如下：（1）检查接线无误后合上主、副电源开关。用示波器 [正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在0.5mS～0.1mS范围内选择；VOLTS/DIV：1V～5V范围内选择)设置] 监测音频振荡器LV的频率和幅值，调节音频振荡器的频率、幅度旋钮使LV输出4～6KHz左右、Vp-p=5V的激励电压。（2）将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底，再逆时针回转1/2。用示波器观察

相敏检波器输出，再用手往下压住振台的同时调节移相器的移相电位器，使示波器显示的波形为一个全波整流波形（如相邻波形谷底不在同一水平线上，则调节差动放大器的调零旋钮使相邻波形谷底在同一水平线上）。（3）释放振动台（振动台处于自然状态），再仔细调节电桥单元中的W1和W2(二者反复交替调节)，使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅值很小，接近为一水平线。

3、将低频振荡器的频率调到8Hz左右，调节低频振荡器幅度旋钮，使振动台振动较为明显（如振动不明显再调节频率）。用示波器 [正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS～20mS范围内选择；VOLTS/DIV：1V～0.1V范围内选择)设置] 观察差动放大器（调幅波）、相敏检波器及低通滤波器（传感器信号）输出的波形。

4、分别调节低频振荡器的频率和幅度的同时观察低通滤波器（传感器信号）输出波形的周期和幅值。

5、作出差动放大器、相敏检波器、低通滤波器的输出波形。实验完毕，关闭电源。

实验九 压电式传感器测振动实验

线性霍尔式传感器位移特性实验

磁电式传感器特性实验

压电式传感器测振动实验

一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。

二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。

1、 压电效应：

具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。

压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图20—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。

(a) (b) (c)

图20—1 压电效应

2、压电晶片及其等效电路

多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图20—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如20—2(b)所示。其中ea=Q/Ca 。式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。

实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图20—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。

(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源

(c) 并联 (d) 压电式加速度传感器

图20—2 压电晶片及等效电路

压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图20—2(b)可知测试中也可取等效电容Ca 上的电压值，作为压电传感器的输出。因此，压电式传感器

就有电荷和电压两种输出形式。 3、压电式加速度传感器

图20—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中M是惯性质量块，K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上，放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力F＝Ma。当质量M一定时，压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。 4、压电式加速度传感器和放大器等效电路

压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器所配接的放大器有两种结构形式：一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。

电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容Cc敏感。当电缆长度变化时，Cc就变化，使得放大器输入电压ei变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。它是一个高增益带电容反馈的运算放大器。

图20—3是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。

当略去传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri影响时，有

Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf……

（20—1）

式中，ei为放大器输入端电压；ey为放大器输出端电压ey=-Kei；K为电荷放大器开环放大倍数；Cf为电荷放大器反馈电容。将ey=-Kei代入式(20—1)，可得到放大器输出端电压ey与传感器电荷Q的关系式：设C=Ca+Cc+Ci

ey=-KQ/[(C+Cf)+KCf] ……

（20—2）

当放大器的开环增益足够大时，则有KCf>>C+Cf （20—2）简化为

ey=-Q/Cf ……

（20—3）

式（21—3）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容灵敏度调节，都是采用切换运算放大器反馈电容

。所以，电荷放大器的

的办法。采用电荷放大器时，即使

连接电缆长度达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。

5、压电加速度传感器实验原理图

压电加速度传感器实验原理、电荷放大器与实验面板图由图20—4(a)、(b)所示。

图20—4(a) 压电加速度传感器实验原理框图

图20—4(b) 电荷放大器原理图与实验面板图

三、需用器件与单元：机头中的悬臂双平行梁、激振器、压电传感器；显示面板中的低频振荡器；调理电路面板传感器输出单元中的压电、激振；调理电路面板中的电荷放大器、低通滤波器；双踪示波器（自备）。

四、实验步骤：

1、按图20—5示意接线。

图20—5 压电传感器测振动实验接线示意图