【正文】 、實(shí)驗(yàn)步驟：相敏檢波器電路調(diào)試：參見實(shí)驗(yàn)十四中的步驟1及圖14—2。將差動(dòng)變壓器卡在傳感器安裝支架的U型槽上并擰緊差動(dòng)變壓器的夾緊螺母，再安裝到振動(dòng)源的升降桿上，如圖15所示。調(diào)整傳感器安裝支架使差動(dòng)變壓器的銜鐵連桿與振動(dòng)臺(tái)接觸，再調(diào)節(jié)升降桿使差動(dòng)變壓器銜鐵大約處于L1初級線圈的中點(diǎn)位置。 圖15 差動(dòng)變壓器振動(dòng)測量安裝、接線圖將音頻振蕩器和低頻振蕩器的幅度電位器逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底（幅度最?。?，按圖15接線，并調(diào)整好有關(guān)部分，調(diào)整如下：（1）檢查接線無誤后，合上主機(jī)箱電源開關(guān)，用示波器CH1通道監(jiān)測音頻振蕩器LV的頻率和幅值，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率、幅度旋鈕使LV輸出4kHz～5kHz左右、Vopp=2V。（2）用示波器CH2通道觀察相敏檢波器輸出(圖中低通濾波器輸出中接的示波器改接到相敏檢波器輸出)，用手往下按住振動(dòng)平臺(tái)（讓傳感器產(chǎn)生一個(gè)大位移）仔細(xì)調(diào)節(jié)移相器的移相電位器鈕，使示波器顯示的波形為一個(gè)接近全波整流波形。（3）手離開振動(dòng)臺(tái)，調(diào)節(jié)升降桿(松開鎖緊螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)升降桿的銅套)的高度，使示波器顯示的波形幅值為最小。（4）仔細(xì)調(diào)節(jié)差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓腞W1和RW2(交替調(diào)節(jié))使示波器（相敏檢波器輸出）顯示的波形幅值更小，趨于一條接近零點(diǎn)線（否則再調(diào)節(jié)RW1和RW2）。（5）調(diào)節(jié)低頻振蕩器幅度旋鈕和頻率（8Hz左右）旋鈕，使振動(dòng)平臺(tái)振蕩較為明顯。用示波器觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形及低通濾波器的輸出波形 [正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS～20mS范圍內(nèi)選擇；VOLTS/DIV：1V～)設(shè)置]。定性地作出相敏檢波器的輸入、輸出及低通濾波器的輸出波形。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉主機(jī)箱電源。實(shí)驗(yàn)十六 電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。二、基本原理：原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來實(shí)現(xiàn)測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C＝εA／d關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇ε、A、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測干燥度（ε變）、測位移（d變）和測液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動(dòng)式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖16—1所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=ε2pｘ／ln(R／r)。圖中CC2是差動(dòng)連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生?X位移時(shí)，電容量的變化量為?C =C1－C2=ε2p2?X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)為常數(shù)，說明?C與?X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。 圖16—1 實(shí)驗(yàn)電容傳感器結(jié)構(gòu) 測量電路(電容變換器)：測量電路畫在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓拿姘迳?。其電路的核心部分是圖16—2的二極管環(huán)路充放電電路。圖16—2 二極管環(huán)形充放電電路在圖16—2中，環(huán)形充放電電路由DDDD6二極管、C4電容、L1電感和CXCX2（實(shí)驗(yàn)差動(dòng)電容位移傳感器）組成。當(dāng)高頻激勵(lì)電壓(ｆ100kHz)輸入到ａ點(diǎn)，由低電平E1躍到高電平E2時(shí)，電容CX1和CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由ａ點(diǎn)經(jīng)D3到b點(diǎn)，再對CX1充電到O點(diǎn)(地)；另一路由由ａ點(diǎn)經(jīng)C4到c點(diǎn)，再經(jīng)D5到d點(diǎn)對CX2充電到O點(diǎn)。此時(shí)，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充電時(shí)間內(nèi)，由ａ到c點(diǎn)的電荷量為：Q1＝CX2(E2E1) （16—1） 當(dāng)高頻激勵(lì)電壓由高電平E2返回到低電平E1時(shí)，電容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點(diǎn)、Dc點(diǎn)、Cａ點(diǎn)、L1放電到O點(diǎn)；CX2經(jīng)d點(diǎn)、DL1放電到O點(diǎn)。在t2放電時(shí)間內(nèi)由c點(diǎn)到ａ點(diǎn)的電荷量為：Q2＝CX1(E2E1) （16—2）當(dāng)然，（16—1）式和（16—2）式是在C4電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C4的充放電回路由圖16—2中實(shí)線、虛線箭頭所示。在一個(gè)充放電周期內(nèi)（Ｔ＝t1＋t2），由c點(diǎn)到ａ點(diǎn)的電荷量為：Ｑ＝Q2Q1＝(CX1CX2)(E2E1)＝△CX △E （16—3）式中：CX1與CX2的變化趨勢是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動(dòng)式）。設(shè)激勵(lì)電壓頻率f＝1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：i＝fＱ＝f△CX △E （16—4） 式中：△E—激勵(lì)電壓幅值；△CX—傳感器的電容變化量。由（16—4）式可看出：f、△E一定時(shí)，輸出平均電流i與△CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1＝I Rw。由傳感器原理已知?C與?X位移成正比，所以通過測量電路的輸出電壓Vo1就可知?X位移。 電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)原理方塊圖如圖16—3圖16—3電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)方塊圖三、需用器件與單元：主機(jī)箱177。15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測微頭。四、實(shí)驗(yàn)步驟：按圖16—4示意安裝、接線。圖16—4 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)傳３圈)。將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)測微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示0V ，再轉(zhuǎn)動(dòng)測微頭(同一個(gè)方向)6圈，記錄此時(shí)的測微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動(dòng)測微頭1圈即△X=(這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填入表16(這樣單行程位移方向做實(shí)驗(yàn)可以消除測微頭的回差)。表16 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)X (mm) V(mV)根據(jù)表16數(shù)據(jù)作出△X—V實(shí)驗(yàn)曲線并截取線性比較好的線段計(jì)算靈敏度S=△V／△X和非線性誤差δ及測量范圍。實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉電源開關(guān)。實(shí)驗(yàn)十七 線性霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。二、基本原理：霍爾式傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應(yīng)原理工作。它將被測量的磁場變化（或以磁場為媒體）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢輸出?；魻栃?yīng)是具有載流子的半導(dǎo)體同時(shí)處在電場和磁場中而產(chǎn)生電勢的一種現(xiàn)象。如圖17—1（帶正電的載流子）所示，把一塊寬為b，厚為d的導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，并在導(dǎo)電板中通以縱向電流I ，此時(shí)在板圖17—1霍爾效應(yīng)原理的橫向兩側(cè)面,之間就呈現(xiàn)出一定的電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)可以用洛倫茲力來解釋），所產(chǎn)生的電勢差UH稱霍爾電壓?；魻栃?yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：UH＝RH＝KHIB 式中：RH＝1／(ne)是由半導(dǎo)體本身載流子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)；KH＝ RH／d靈敏度系數(shù)，與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件，霍爾元件大多采用N型半導(dǎo)體材料（金屬材料中自由電子濃度ｎ很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件），厚度d只有1181。m左右。 霍爾傳感器有霍爾元件和集成霍爾傳感器兩種類型。集成霍爾傳感器是把霍爾元件、放大器等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)，與霍爾元件相比，它具有微型化、靈敏度高、可靠性高、壽命長、功耗低、負(fù)載能力強(qiáng)以及使用方便等等優(yōu)點(diǎn)。 本實(shí)驗(yàn)采用的霍爾式位移（小位移1mm～2mm）傳感器是由線性霍爾元件、永久磁鋼組成，其它很多物理量如：力、壓力、機(jī)械振動(dòng)等本質(zhì)上都可轉(zhuǎn)變成位移的變化來測量?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯墓ぷ髟砗蛯?shí)驗(yàn)電路原理如圖17—2 (a)、(b)所示。將磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鋼同極性相對放置著，線性霍爾元件置于兩塊磁鋼間的中點(diǎn)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，(a)工作原理 (b)實(shí)驗(yàn)電路原理圖17—2霍爾式位移傳感器工作原理圖設(shè)這個(gè)位置為位移的零點(diǎn)，即X＝0，因磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0，故輸出電壓UH＝0。當(dāng)霍爾元件沿X軸有位移時(shí)，由于B≠0，則有一電壓UH輸出，UH經(jīng)差動(dòng)放大器放大輸出為V。V與X有一一對應(yīng)的特性關(guān)系。＊注意：線性霍爾元件有四個(gè)引線端。涂黑二端是電源輸入激勵(lì)端，另外二端是輸出端。接線時(shí)，電源輸入激勵(lì)端與輸出端千萬不能顛倒，否則霍爾元件就損壞。三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的177。2V～177。10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、177。15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、霍爾傳感器、測微頭。四、實(shí)驗(yàn)步驟：調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，使微分筒的0刻度線對準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。按圖17—3示意圖安裝、接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，177。2V～177。10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)到177。4V檔。檢查接線無誤后，開啟主機(jī)箱電源，松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測微頭的安裝套，使傳感器的PCB板（霍爾元件）處在兩園形磁鋼的中點(diǎn)位置(目測)時(shí)，擰緊緊固螺釘。再調(diào)節(jié)RW1使電壓表顯示０。圖17—3 霍爾傳感器(直流激勵(lì))位移實(shí)驗(yàn)接線示意圖測位移使用測微頭時(shí)，當(dāng)來回調(diào)節(jié)微分筒使測桿產(chǎn)生位移的過程中本身存在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用單行程位移方法實(shí)驗(yàn)：順時(shí)針調(diào)節(jié)測微頭的微分筒3周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點(diǎn)。以后，反方向(逆時(shí)針方向) 調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，每隔△X=(總位移可取3～4mm)從電壓表上讀出輸出電壓Vo值，將讀數(shù)填入表17(這樣可以消除測微頭的機(jī)械回差)。表17 霍爾傳感器(直流激勵(lì))位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)△X（mm）V(mV)根據(jù)表17數(shù)據(jù)作出V－X實(shí)驗(yàn)曲線，分析曲線在不同測量范圍 (177。、177。1mm、177。2mm)時(shí)的靈敏度和非線性誤差。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)十八 線性霍爾傳感器交流激勵(lì)時(shí)的位移性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饨涣骷?lì)時(shí)霍爾式傳感器的特性。二、基本原理：交流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器與直流激勵(lì)一樣，基本工作原理相同，不同之處是測量電路。三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的177。2V～177。10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、177。15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、電壓表；測微頭、霍爾傳感器、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒁葡嗥鳎嗝魴z波器／低通濾波器模板、雙蹤示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟：相敏檢波器電路調(diào)試：將主機(jī)箱的音頻振蕩器的幅度調(diào)到最?。ǚ刃o逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底），將177。2V～177。10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到177。2V檔，再按圖18—1示意接線，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=，峰峰值Vpp=（用示波器測量。提示：正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置，觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)CH水平掃描速度TIME/DIV ～10181。S范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式選擇AUTO ；垂直顯示方式為雙蹤顯示DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合DC、靈敏度VOLTS/DIV在1V～5V范圍內(nèi)選擇。當(dāng)CHCH2輸入對地短接時(shí)移動(dòng)光跡線居中后再去測量波形。）。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18—1相敏檢波器電路調(diào)試接線示意圖圖18—2 交流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，使微分筒的0刻度線對準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。按圖18—2示意圖安裝、接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)。松開測微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著傳感器的位移方向移動(dòng)測微頭的安裝套（左、右方向都可以），使傳感器的PCB板（霍爾元件）明顯偏離兩園形磁鋼的中點(diǎn)位置(目測)時(shí)，再調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器輸出為全波整流波形（示波器CH2的靈敏度VOLTS/DIV在50mV～1V范圍內(nèi)選擇監(jiān)測）。再仔細(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量使傳感器的PCB板霍爾元件處在兩園形磁鋼的中點(diǎn)位置）并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘。再仔細(xì)交替地調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系碾娢黄鱎WRW2使示波器CH2顯示相敏檢波器輸出波形基本上趨為一直線并且電壓表顯示為零（示波器與電壓表二者兼顧，但以電壓表顯示零為準(zhǔn)）。測位移使用測微頭時(shí)，當(dāng)來回調(diào)節(jié)微分筒使測桿產(chǎn)生位移的過程中本身存在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用單行程位移方法實(shí)驗(yàn)：順時(shí)針調(diào)節(jié)測微頭的微分筒3周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點(diǎn)。以后，反方向(逆時(shí)針方向) 調(diào)節(jié)測微頭的微分筒()，每隔△X=(總位移可取3～4mm)從電壓表上讀出輸出電壓Vo值，將讀數(shù)填入表18(這樣可以消除測微頭的機(jī)械回差)。表18交流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)△X（mm）V(mV)根據(jù)表18數(shù)據(jù)作出V－X實(shí)驗(yàn)曲線，分析曲線在不同測量范圍 (177。、177。1mm、177。2mm)時(shí)的靈敏度和非線性誤差。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：根據(jù)對實(shí)驗(yàn)曲線的分析再與實(shí)驗(yàn)十七比較，線性霍爾傳感器測靜態(tài)位移時(shí)采用什么激勵(lì)電源為好（直流或交流）？實(shí)驗(yàn)十九 開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私忾_關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。二、基本原理：開關(guān)式霍爾傳感器是線性霍爾元件的輸出信號經(jīng)放大器放大，再經(jīng)施密特電路整形成矩形波（開關(guān)信號）輸出的傳感器。開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的原理框圖19—1所示。當(dāng)被測圓盤上裝上6只磁性體時(shí)，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場就變化6次，開關(guān)式霍爾傳感器就同頻率f相應(yīng)變化輸出，再經(jīng)轉(zhuǎn)速表顯示轉(zhuǎn)速n。圖19—1開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理框圖三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)0～24V直流穩(wěn)壓電源、+5V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、頻率\轉(zhuǎn)速表；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)源。