仪表实训报告

课程名称： 仪器仪表实训

1 实训准备

1.1 传感器

1.1.1 传感器的定义

最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量装置，能实现检测功能。其输入量是某一被检测量，这个被检测量或是物理量、化学量、生物量等。其输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。 1.1.2 传感器的组成

传感器一般由敏感元件和转换电路两大部分构成。从外部结构看，绝大多数传感器是将敏感元件、转换电路、辅助电源等功能单元做成一体化的功能器件。 一般分为测量部分，转换部分，显示部分；测量元件将所测量的信号（电流、电感、温度、压力、质量、速度、流速等等）转换为标准电流信号，再经过比例放大，通过显示部分将其显示。仪表系统基本的八大单元：变送器、转换器、调节器、运算器、显示器等在传统的传感器中都可以用到。 1.1.3 传感器的作用

传感器构建检测系统一个重要组成部分，它位于检测系统的输入端，所起的作用包括信息的收集、信息数据的转换和控制信息的采集。

1.2 检测系统的静态指标

衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 1.2.1 线性度

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能来看，希望具有线性关系，即具有理想的输出与输入关系。实际特性曲线与拟合直线之间的偏称为传感器的非线性误差（线性度），其公式如下：

∆L max

γL =±⨯100%

Y FS

ΔLmax 为最大非线性绝对误差；Y FS 为满量程输出 。即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多，用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 1.2.2 灵敏度

检测系统在稳态标准条件下，输出量变化量对输入量变化量的比值称灵敏度，用K 表示，即

K =

输出量的变化量dy

=

输入量的变化量dx

对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。 1.2.3 零点（零点位置）

当输入量X=0时，对应传感器输出量的值称为零点。零点可以为零或不为零。 如某一温度传感器输入量范围为0~300℃，输出电压范围为1~5V；则其静态特性方程为：

V =

4

T +1 300

由上式可知，当温度T=0时。输出量不为零，即零点值V=1。 1.2.4 分辨率

表征传感器能够有效辨别最小输入变化量的能力。如一位移传感器输出范围为0~1000mV，输入范围为0~100mm。当输出变化1 mV时，最小输入变化量为x 。

1.2.5 测量范围与量程

测量范围是指传感器所能测量到的最小被测量值（下限）x min 至最大被测量值x max 之间的范围。

量程是指传感器测量上限x max 和测量下限x min 的代数差，即L =x max -x min 1.2.6 满度

量程最大值所对应的输出值称为满度。 1.2.7 迟滞特性

迟滞特性表明检测系统在正向(输入量增大) 和反向(输入量减小) 行程期间，输入-输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对同样大小的输入量，检测系统在下、反行程中，往往对应两个大小不同的输出量。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程输出YFS 的百分数表示，就得到了迟滞的大小式中，为

输出值在正、反行程期间的最大差。

迟滞可能是由仪表元件存在能量吸收或传动机构的摩擦、间隙原因造成的。 1.2.8 重复性

重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的不一致程度，也叫稳定性。重复性的高低与许多随机因素有关，也与产生迟滞的原因相似，它可用实验的方法来测定。

2 应变片直流电桥式电子称的设计

2.1 单臂电桥测试与调整

2.1.1电路原理

1）应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下) 、R2(传感器的右下) 、R3(传感器的右上) 、R4(传感器的左上) 为称重传感器上的应变片输出口。根据实验模板，将托盘安装到传感器上，实验模板中的差动放大器调零，进行应变片单臂电桥实验。应变片单臂电桥实验接线示意图（如图2.1）所示。

图2.1 应变片单臂电桥实验接线示意图

2）根据应变片单臂电桥实验接线图画出电路原理图（如图2.2）所示。

图2.2 单臂电桥电路原理图

电路图中，R1为电阻应变片，R5、R6、R7为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥(如图2.2) 所示。应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。当产生应变时，若应变片电阻变化为△R ，其他桥臂固定不变，电桥输出电压U0≠0，则电桥输出不平衡电压为：

设桥臂比 n=R5/R1,由于△R1

R 7R 1+∆R 1

U 0=E (-)

R 1+∆R 1+R 5R 6+R 7

U 0=E

∆R 1n R 1(1+n ) 2

E ∆

R 14R 1

当R1=R5=R6=R7时，电桥电压灵敏度最高，这时有 U 0=2.1.2数据测试与分析（单臂测量数据如表2.1所示）

表2.1 单臂测量数据

重量（g ） 电压（mv ）

0 0

20 4

40 8

60 13

80 19

100 23

120 27

140 32

160 37

180 42

200 46

在Excel 中处理数据得单臂电桥散点图（如图2.3所示）。

图2.3 单臂电桥散点图

1) 灵敏度：

∆V K =

∆G

故有K=(46-4)/(200-20)=0.23(mv/g) 2) 线性度：

取（200,46），（20,4）两坐标可求得线性方程：V=0.23G-0.6，由表1.1的数据可知，当G=80g时，V=17.8mv，此时非线性误差值达到最大，即 △L=17.8-19=-1.2mv

由公式：

∆L

⨯100%Y

γ=±

可得 γ=-1.2/(200-20)=-6.67%

2.2 双臂电桥

2.2.1 电路原理

1）应变片半桥特性实验接线图如图2.4所示。电路原理图如图2.5所示。不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压。

图 2.4应变片双臂电桥实验接线示意图

2）根据接线图画出电路原理图（如图2.5）所示。

图2.5 双臂电桥电路原理图

如图所示，为了减小和克服非线性误差，常采用双臂电桥，如图1.7所示，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，另一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，就构成了半桥差动电路。应变片工作时，其阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。该电桥输出电压为：

U 0=E (

R 7R 1+∆R 1

-)

R 1+∆R 1+R 2+∆R 2R 6+R 7

E ∆R 1

U 0=若△R1=-△R2,R1=R2,△R3=△R4, 则得： 2R 1

2.2.2 数据的测试与分析(双臂电桥数据如表2.2所示)

表2.2 双臂电桥测量数据

重量（g ） 电压（mv)

0 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 10 21 31 42

52

62

72

83

93 103

在Excel 中处理数据得双臂电桥散点图（如图2.6所示）。

图2.6 双臂电桥散点图

∆V

1) 灵敏度： K =

∆G

故有K=(103-10)/(200-20)=0.52(mv/g)

2) 线性度：

取两坐标点（200,103），（20,10）可求出线性方程：V=0.52G-0.4,由表1.2中的数据可得，当G=140g时，V=72.4时，此时取得的非线性误差值达到最大，即：△L=72.7-72=0.4mv，则γ=0.4/(200-20)=2.2%。

2.3 全桥的测试与调整

2.3.1 电路原理

1) 应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。如图2.7全桥电路接线图。当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输

∆R 出 U 0≈E =EK ε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。

R

2）全桥电路原理图（如图2.8所示）。

图2.8全桥电路原理图

如图2.8所示，若将电桥四臂接入四片应变片，，即两个受拉应变，另两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对臂上，即可构成全桥差动电路。应变片工作时，其阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大若△R1=-△R2=△R3=-△R4, 且R1= R2= R3= R4，则： U 0=E ∆R 12.3.2 数据处理与分析（全桥电路数据如表2.3所示）

表2.3 全桥性能试验数据

2R 1

重量（g ） 电压（mv ）

0 0

20 19

40 38

60 58

80 78

100 98

120 118

140 138

160 158

180 178

200 198

图2.9 全桥电路散点图

灵敏度： K =

∆V ∆G

故有K=(198-19)/(200-20)=0.99

由图2.9可知，线性图趋于直线，故无非线性误差。 2.3.3 全桥电路工作原理

1）根据接线图画出全桥电路原理图(如图2.10所示)

5

将电桥四臂接入四片应变片，构成全桥差动电路，由于应变电桥输出电压很小，所以一般都需要加放大器，将电桥输出的正极端接正向放大器，负极端接反向放大器，两个放大器的输出端又同时接入连续的两个反向放大器中（同时接两

个反向放大器可以消除零点漂移）。调节Rw4，可以使电压表显示为零；，调节Rw3，可以增大或减小增益，即改变输出电压大小，调节Rw1，可以使输出电压为零。 利用万用表可测出R1=350.9Ω,R2=350.9Ω, R3=351.6Ω, R4=350.6Ω, 则可近似估计R1=R2=R3=R4。

2）PCB 板的设计（如图2.11）全桥电路PCB 原理图。

图2.11 全桥电路PCB 原理图

3)绘制过程：设计电路板的最基本过程分为三个：电路原理图的设计、产生网络表、印刷电路板的设计。启动Protel99se 电路原理图编辑器；设置电路图纸大小、方向、网格大小及标题栏等；根据需要添加元件库, 在图纸上放置需要设计的元器件，对放置的元器件进行布局布线；设置电气检查规则，进行修正。

4）布线规则：安全间距设计（Clearance Constraint ）:安全间距为0.5mm 。布线宽度限制设计（Width Constraint）。如图表2.4所示。

表2.4 布线宽度设计表

Name GND VCC Width

Scope GND VCC B0ard

Minimum 0.254mm 0.254mm 0.254mm

Maximum 2mm 2mm 2mm

Preferred 2mm 1.5mm 0.5mm

3 差动变压器位移检测仪的调试

3.1 移相器的调试

3.1.1调节音频振荡器

调节音频振荡器幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图3-2示意接线，检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节音频振荡器的频率（用示波器测量）为ｆ=1kHz，幅度适中（2V ≤Vp-p ≤8V ）。 3.2.2 正确波选择双线（双踪）器

正确波选择双线（双踪）器的“触发”方式及其它设置(提示：触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS ～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO 。

垂直显示方式为双踪显示DUAL 、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC 、灵敏度VOLTS/DIV在1V ～5V 范围内选择) ，调节移相器模板上的移相电位器（旋钮），用示波器测量波形的相角变化。 3.3.3 调节移相器的移相电位器

逆时针到底0k Ω～顺时针到底10k Ω变化范围，用示波器可测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）和移相范围△ΦＦ。 3.3.4测试相应的ΦＦ和△ΦＦ

改变输入信号频率为ｆ=9kHz，再次测试相应的ΦＦ和△ΦＦ。测试完毕关闭主电源。

3.2 相敏检波器的调试

1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V ～±10V 可调电源调节到±2V 档。按图3.3示意接线，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）；结合相敏检波器工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系(跟随关系，波形相同) 。＊提示：示波器设置除与(一) 移相器实验2中的垂直输入耦合方式选择直流耦合DC 外，其它设置都相同；但当CH1、CH2输入对地短接时，将二者光迹线移动到显示屏中间(居中) 后再进行测量波形。

2、将相敏检波器的DC 参考电压改接到-2V(-Vout)，调节相敏检波器的电位 器钮使示波器显示的两个波形幅值相等(相敏检波器电路已调整完毕，以后不要触碰这个电位器钮) ，观察相敏检波器的输入、输出波形关系(倒相作用，反相波形) 。关闭电源。

3、按图3.4示意图接线，合上主机箱电源，调节移相电位器钮(相敏检波 器电路上一步已调好不要动) ，结合相敏检波器的工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。注：一般要求相敏检波器工作状态Vi 检波信号与参考电压AC 相位处于同相或反相。

4、将相敏检波器的AC 参考电压改接到180°，调节移相电位器，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。关闭电源。

3.3差动变压器的性能测试

3.3.1 差动变压器测位移的实物接线图(如图3.5所示

)

将移相器和相敏检波器调试好后，注意不要再碰到已经调试好的按钮，以免带来实验误差，按图2.6示意接好线，将音频振荡器幅度调节到最小，电压表的量程开关切到20V 档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，再调节音频振荡器频率，f=5KHz、幅值Vp-p=2V（用示波器监测），调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形，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，调节差动变压器实验模板中的RW1、RW2，使相敏检波器输出波形趋于水平线，并且电压表显示趋于0V 。

利用万用表测量U34的电压，调节测微头的微分筒，每隔△X=0.5mm从万用表上读取U34的值（读取20组数据），差动变压器的输出电压、相敏检波器的输出电压同理即可，低通滤波器输出的电压值通过主机箱上的电压表读取。 3.3.2 数据测试与分析（如表3.1差动变压器测位移数据表）

表3.1 差动变压器测位移实验数据

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

△X(mm)

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

低通（v ） U 34(mv）

0.33

0.64 0.96 1.31 1.65 1.98 2.32 2.66 3 3.37 4.08 4.44 4.83 5.14 5.45 5.73 5.95 6.08 6.11 6

0 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.1 1.3 1.5 2.4 3.9 10.4 20.1 31.5 45.5 60.7 77.6 95.2 113.2

差动（mv ） 相敏mv ）

1.4 1.5 1.6 1.7 2 2.2 2.3 2.6 2.8 3.1 3.5 4.1 4.4 5.2 6.4 28.2 57.4 76.8 142.8 181.7

29.8 29.4 28.3 31.3 23.3 25.3 32.4 29.2 28.5 28.4 28.3 28.3 28.2 25 27.9 27.7 27.5 27.2 26.8 26.2

在Excel 中数据分析数据得到散点图（如图3.6所示）。

图3.6 差动变压器实验数据的XY 散点图

由散点图可知以零点位移为基准，随着偏离零点位移的距离增加，3、4两端的输出电压逐渐增大，且偏离距离越大，电压变化就越明显；差动输出电压也随着距离的增大而增大，且差动输出电压始终比大，因为3、4后接入了放大器；由图2.7中的黄色线部分可看出，随着偏离距离增大，相敏检波器的输出电压时

增时减，变化趋势不太明显，这是由于相敏检波器检波后并没有消除零点残余电压和死区；而随着偏离距离的增大，低通滤波器的输出电压也逐渐增大。

4 实训心得

此次实训大大提高了对仪器仪表相关知识的了解，综合了误差分析，电子测

量，传感器，Protel99se,Excel 工作表等多方面的知识，加强了仪器仪表实验台的动手能力以及对示波器及各种传感器的使用。仪器仪表一般具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，所以仪器仪表也同样具备检测系统的一切特性。 有关描述传感器与检测技术的基本理论同样适用于仪器仪表的研究。加深了对误差分析的的一些名词术语的理解。对Protel99se 软件又进行了一次复习和巩固。此次实训是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识和自己的想象能力相结合，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己分析问题、处理问题的能力。我相信这对自己相应能力的提高是最好的方法之一。我们应该注重实践与理论相结合，这次的实训让我们懂得了在工业生产中的用途。