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从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗?
来源：www.zuowenzhai.com 作者：编辑 日期：2024-05-14
如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。
由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。
实验完毕关闭所有电源开关。 从实验结果来看没有消除零点残余电压和死区。但应该是实验的误差所致
传感器实验报告
实验⼀、⼆、三应变⽚单臂、半桥、全桥特性实验
⼀、实验原理
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定⼯艺粘贴电阻应变⽚来组成。⼀种利⽤电阻材料的应变效应将⼯程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过⼀定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变⽚将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。可⽤于能转化成变形的各种⾮电物理量的检测，如⼒、压⼒、加速度、⼒矩、重量等，在机械加⼯、计量、建筑测量等⾏业应⽤⼗分⼴泛。
根据表中数据画出实验曲线后，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和⾮线性误差δ(⽤最⼩⼆乘法)，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最⼤偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。
四、思考题
1、ΔR转换成ΔV输出⽤什么⽅法?
通过电阻的分压，将电阻两端的电压测量出来经过差动放⼤器。从⽽将ΔR转换成ΔV。
2、根据图4机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁⽚中应变⽚的应变⽅向(是拉?还是压?+压变⼤)。
所连接的应变⽚电阻中，带有符号↑是拉伸，电阻会变⼤；带有符号↓的是压缩，电阻会减⼩。
3、半桥测量时两⽚不同受⼒状态的电阻应变⽚接⼊电桥时，应接在：（1）对边?（2）邻边?为
什么?
应该接在邻边，这样能保证测量的灵敏度，同时能使⼀些去除⼲扰因素的影响。
4、应变⽚组桥时应注意什么问题?
要注意应变⽚的受⼒状态和接⼊电路时的位置。
实验五应变直流全桥的应⽤—电⼦秤实验
⼀、实验原理
常⽤的称重传感器就是应⽤了箔式应变⽚及其全桥测量电路。数字电⼦秤实验原理如图5—1。本实验只做放⼤器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为⼀台原始电⼦秤。
图5—1 数字电⼦称原理框图
⼆、实验结果
表5电⼦称实验数据
⼆、实验分析
实验⼋移相器、相敏检波器实验
⼀、实验原理
1、移相器⼯作原理：
图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的⾯板图。图中，IC-1、R1、R2、R3、C1
图8—1 移相器原理图与⾯板图
构成⼀阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表⽰为： KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)
KF1(ω)=1
ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1
其中：ω=2лf,f为输⼊信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另⼀个⼀阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：
KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)
KF2(ω)=1
ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωRwC3
由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移⾓度的⼤⼩和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所⽰的⼆阶移相器的初始移相⾓：
即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1
若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3
已知R3=10KΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022µF，如果输⼊信号频率f⼀旦确定，即
可计算出图8—1所⽰⼆阶移相器的初始移相⾓和移相范围。
2、相敏检波器⼯作原理：
图8—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验箱主板上的⾯板图。图中，AC为交流参考电压输⼊端，DC为直流参考电压输⼊端，Vi端为检波信号输⼊端，Vo端为检波输出端。
图8—2 相敏检波器原理图与⾯板图
原理图中各元器件的作⽤：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零⽐较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V ～ -14V）；D5-1⼆极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0 ～ -
14V）；Q5-1是结型场效应管，⼯作在开、关状态；IC5-2⼯作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作⽤。
关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7＝0V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输⼊5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截⽌（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图8—3为相敏检波器的⼯作时序图。
图8—3相敏检波器⼯作时序图
三、实验结果及数据分析
相敏检波器的输出波形随着移相电位器的改变⽽改变。
四、思考题
移相器能够改变系统的相频响应，⽽相敏检波器能够同时鉴别幅度特性和相位特性。
实验九应变⽚交流全桥的应⽤(应变仪)—振动测量实验
⼀、实验原理
图9—1是应变⽚测振动的实验原理⽅块图。当应变梁的振动台受到F(t)作⽤⽽振动，使粘贴在应变梁上的应变⽚产⽣应变信号dR/R，应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波，再经差动放⼤器放⼤为u1(t)，u1(t)经相敏检波器检波解调为u2(t)，u2(t)经低通滤波器滤除⾼频载波成分后输出应变⽚检测到的振动信号u3(t)(调幅波的包络线)，u3(t)可⽤⽰波器显⽰。图中，交流电桥就是⼀个调制电路，W1、r、W2、C是交流电桥的平衡调节⽹络，移相器为相敏检波器提供同步检波的参考电压。这也是实际应⽤中的动态应变仪原理。
图9—1 应变仪实验原理⽅块图
⼆、实验结果
表9应变交流全桥振动测量实验数据
三、实验分析
实验⼗压阻式压⼒传感器的压⼒测量实验
⼀、实验原理
扩散硅压阻式压⼒传感器的⼯作机理是半导体应变⽚的压阻效应，在半导体受⼒变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因⽽改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发⽣变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。⼀般半导体应变采⽤N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上⾯直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）组成电桥。在压⼒（压强）作⽤下弹性元件产⽣应⼒，半导体电阻应变薄膜的电阻率产⽣很⼤变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压⼒变化。图10—1为压阻式压⼒传感器压⼒测量实验原理图。
图10—1 压阻式压⼒传感器压⼒测量实验原理
⼆、实验结果
表10 压阻式压⼒传感器测压实验数据
三、实验分析
实验⼗⼀电容式传感器的位移实验
⼀、实验原理
1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利⽤电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持⼆个参数不变，⽽只改变其中⼀个参数，则可以有测⼲燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球⾯形和锯齿形等其它的形状，但⼀般很少⽤。本实验采⽤的传感器为圆筒式变⾯积差动结构的电容式位移传感器，差动式⼀般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度⾼、线性范围宽、稳定性⾼。如图11—1所⽰：它是有⼆个圆筒和⼀个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πx／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产⽣?X位移时，电容量的变化量为?C =C1－C2=ε2π2?X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明?C与?X位移成正⽐，配上配套测量电路就能测量位移。
图11-1 实验电容传感器结构
1、测量电路(电容变换器)：如图11—2所⽰，测量电路的核⼼部分是图11—3的电路
图11—2 电容测量电路
图11—3 ⼆极管环形充放电电路
在图11—3
中，环形充放电
电路由D3、D4、
D5、D6⼆极管、C5电容、L1电感和CX1、CX2实验差动电容位移传感器组成。
当⾼频激励电压(f>100kHz)输⼊到a点，由低电平E1跃到⾼电平E2时，电容CX1和
CX2两端电压均由E1充到E2。充电电荷⼀路由a点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地)；另⼀路由由a点经C5到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。此时，D4和D6由于反偏置⽽截⽌。在t1充电时间内，由a到c点的电荷量为：
Q1＝CX2(E2-E1) （11—1）
当⾼频激励电压由⾼电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电。CX1经b点、D4、c点、C5、a点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c 点到a点的电荷量为：
Q2＝CX1(E2-E1) （11—2）
当然，（11—1）式和（11—2）式是在C5电容值远远⼤于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。电容C5的充放电回路由图11—3中实线、虚线箭头所⽰。
在⼀个充放电周期内（T＝t1＋t2），由c点到aQ2＝CX1(E2-E1)点的电荷量为：
Q＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （11—3）
式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。
设激励电压频率f＝1/T，则流过ac⽀路输出的平均电流i为：
i＝fQ＝f△CX △E （11—4）
式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。
由（11—4）式可看出：f、△E⼀定时，输出平均电流i与△CX成正⽐，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C6滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝I Rw。由传感器原理已知?C与?X位移成正⽐，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知?X位移。
1、电容式位移传感器实验原理⽅块图如图11—4
图11—4电容式位移传感器实验⽅块图
⼆、实验结果
表11电容传感器测位移实验数据
三、实验分析
实验⼗⼆差动变压器的性能实验
⼀、实验原理
差动变压器的⼯作原理类似变压器的作⽤原理。差动变压器的结构如图
12—1所⽰，由⼀个⼀次绕组1和⼆个⼆次绕组2、3及⼀个衔铁4组成。差动变压器⼀、⼆次绕组间的耦合能随衔铁的移动⽽变化，即绕组间的互感随被测位移改变⽽变化。由于把⼆个⼆次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
当差动变压器⼯作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图12—2所⽰。图中U1为⼀次绕组激励电压；M1、M2分别为⼀次绕组与两个⼆次绕组间的互感：L1、R1分别为⼀次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个⼆次绕组的电感；R21、R22分别为两个⼆次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，
图12—1差动变压器的结构⽰意图图12—2差动变压器的等效电路图
两个⼆次绕组互感相同，因⽽由⼀次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个⼆次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向⼆次绕组L21，这时互感M1⼤，M2⼩，因⽽⼆次绕组L21内感应电动势⼤于⼆次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越⼤，差动输出电动势就越⼤。同样道理，当衔铁向⼆次绕组L22⼀边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动⽅向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的⼤⼩和相位可以知道衔铁位移量的⼤⼩和⽅向。
由图12—2可以看出⼀次绕组的电流为：
⼆次绕组的感应动势为：

由于⼆次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
其有效值为：
差动变压器的输出特性曲线如图12—3所⽰.图中E21、E22分别为两个⼆次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表⽰衔铁偏离中⼼位置的距离。其中E2的实线表⽰理想的输出特性，⽽虚线部分表⽰实际的输出特性。Eo为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁⼼位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的⼤⼩是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减⼩零点残余电动势可采取以下⽅法：
图12—3 差动变压器输出特性
1、尽可能保证传感器⼏何尺⼨、线圈电⽓参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，
消除内部的残余应⼒，使其性能均匀稳定。
2、选⽤合适的测量电路，如采⽤相敏整流电路。既可判别衔铁移动⽅向⼜可改善输出特性，减⼩零点残余电动势。
3、采⽤补偿线路减⼩零点残余电动势。图12—4是其中典型的⼏种减⼩零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减⼩。
(a) (b) (c)
图12—4 减⼩零点残余电动势电路
⼆、实验结果
表12 差动变压器性能实验数据
三、实验分析
四、思考题：
1.试分析差动变压器与⼀般电源变压器的异同？
差动变压器的⼯作原理类似⼀般电源变压器的作⽤原理，差动变压器在使⽤时采⽤了两个⼆次绕组反向串接，以差动⽅式输出，当衔铁处于中间位置时，两个⼆次绕组互感相同，因⽽由⼀次侧激励引起的感应电动势相同，由于两个⼆次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。 2.⽤直流电压激励会损坏传感器。为什么？因为是差动变压器的输出电压可正可负。
3.如何理解差动变压器的零点残余电压？⽤什么⽅法可以减⼩零点残余电压？
这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁⼼位置等因素所造成的。减⼩零点残余电压可以：1、尽可能保证传感器⼏何尺⼨、线圈电⽓参数及磁路的对称。2、选⽤合适的测量电路，如采⽤相敏整流电路。3、采⽤补偿线路减⼩零点残余电动势。
实验⼗三激励频率对差动变压器特性的影响
⼀、实验原理
差动变压器的输出电压的有效值可以近似⽤关系式： o U =
22
2
21)(p
p
i
L
R U M M ωω+- 表⽰，式中Lp 、Rp
为初级线圈电感和损耗电阻，i U 、ω为激励电压和频率，M 1、M 2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若R P 2＞ω2L P 2，则输出电压Uo 受频率变动影响较⼤，且灵敏度较低，只有当ω2L P 2＞＞R P 2时输出Uo 与ω⽆关，当然ω过⾼会使线圈寄⽣电容增⼤，对性能稳定不利。⼆、实验结果
表13差动变压器幅频特性实验数据
三、实验分析
实验⼗四差动变压器零点残余电压补偿实验
⼀、实验原理
由于差动变压器次级⼆线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，铁芯B－H 特性的⾮线性等，造成铁芯(衔铁) ⽆论处于线圈的什么位置其输出电压并不为零，其最⼩输出值称为零点残余电压。在实验四(差动变压器的性能实验)中已经得到了零点残余电压，⽤差动变压器测量位移应⽤时⼀般要对其零点残余电压进⾏补偿。补偿⽅法阅读实验四（⼆、基本原理），本实验采⽤（c）补偿线路减⼩零点残余电压。
实验⼗五差动变压器测位移实验
⼀、实验原理
差动变压器的⼯作原理参阅实验四（差动变压器性能实验）。差动变压器在应⽤时要想法消除零点残余电动势和死区，选⽤合适的测量电路，如采⽤相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）⽅向⼜可改善输出特性，消除测量范围内的死区。图15—1是差动变压器测位移原理框图。
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传感器实验报告
传感器实验报告
实验⼀、⼆、三应变⽚单臂、半桥、全桥特性实验
⼀、实验原理
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定⼯艺粘贴电阻应变⽚来组成。⼀种利⽤电阻材料的应变效应将⼯程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过⼀定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变⽚将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。可⽤于能转化成变形的各种⾮电物理量的检测，如⼒、压⼒、加速度、⼒矩、重量等，在机械加⼯、计量、建筑测量等⾏业应⽤⼗分⼴泛。
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根据表中数据画出实验曲线后，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和⾮线性误差δ(⽤最⼩⼆乘法)，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最⼤偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。
四、思考题
1、ΔR转换成ΔV输出⽤什么⽅法?
由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。
实验完毕关闭所有电源开关。 从实验结果来看没有消除零点残余电压和死区。但应该是实验的误差所致
传感器实验报告
实验⼀、⼆、三应变⽚单臂、半桥、全桥特性实验
⼀、实验原理
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定⼯艺粘贴电阻应变⽚来组成。⼀种利⽤电阻材料的应变效应将⼯程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过⼀定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变⽚将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。可⽤于能转化成变形的各种⾮电物理量的检测，如⼒、压⼒、加速度、⼒矩、重量等，在机械加⼯、计量、建筑测量等⾏业应⽤⼗分⼴泛。
根据表中数据画出实验曲线后，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和⾮线性误差δ(⽤最⼩⼆乘法)，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最⼤偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。
四、思考题
1、ΔR转换成ΔV输出⽤什么⽅法?
通过电阻的分压，将电阻两端的电压测量出来经过差动放⼤器。从⽽将ΔR转换成ΔV。
2、根据图4机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁⽚中应变⽚的应变⽅向(是拉?还是压?+压变⼤)。
所连接的应变⽚电阻中，带有符号↑是拉伸，电阻会变⼤；带有符号↓的是压缩，电阻会减⼩。
3、半桥测量时两⽚不同受⼒状态的电阻应变⽚接⼊电桥时，应接在：（1）对边?（2）邻边?为
什么?
应该接在邻边，这样能保证测量的灵敏度，同时能使⼀些去除⼲扰因素的影响。
4、应变⽚组桥时应注意什么问题?
要注意应变⽚的受⼒状态和接⼊电路时的位置。
实验五应变直流全桥的应⽤—电⼦秤实验
⼀、实验原理
常⽤的称重传感器就是应⽤了箔式应变⽚及其全桥测量电路。数字电⼦秤实验原理如图5—1。本实验只做放⼤器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为⼀台原始电⼦秤。
图5—1 数字电⼦称原理框图
⼆、实验结果
表5电⼦称实验数据
⼆、实验分析
实验⼋移相器、相敏检波器实验
⼀、实验原理
1、移相器⼯作原理：
图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的⾯板图。图中，IC-1、R1、R2、R3、C1
图8—1 移相器原理图与⾯板图
构成⼀阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表⽰为： KF1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)
KF1(ω)=1
ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1
其中：ω=2лf,f为输⼊信号频率。同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另⼀个⼀阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：
KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωRwC3)/(1+jωRwC3)
KF2(ω)=1
ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωRwC3
由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。根据相频特性公式，相移⾓度的⼤⼩和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所⽰的⼆阶移相器的初始移相⾓：
即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1
若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3
已知R3=10KΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022µF，如果输⼊信号频率f⼀旦确定，即
可计算出图8—1所⽰⼆阶移相器的初始移相⾓和移相范围。
2、相敏检波器⼯作原理：
图8—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验箱主板上的⾯板图。图中，AC为交流参考电压输⼊端，DC为直流参考电压输⼊端，Vi端为检波信号输⼊端，Vo端为检波输出端。
图8—2 相敏检波器原理图与⾯板图
原理图中各元器件的作⽤：C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零⽐较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V ～ -14V）；D5-1⼆极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0 ～ -
14V）；Q5-1是结型场效应管，⼯作在开、关状态；IC5-2⼯作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作⽤。
关键点：Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。当V7＝0V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输⼊5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截⽌（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。下图8—3为相敏检波器的⼯作时序图。
图8—3相敏检波器⼯作时序图
三、实验结果及数据分析
相敏检波器的输出波形随着移相电位器的改变⽽改变。
四、思考题
移相器能够改变系统的相频响应，⽽相敏检波器能够同时鉴别幅度特性和相位特性。
实验九应变⽚交流全桥的应⽤(应变仪)—振动测量实验
⼀、实验原理
图9—1是应变⽚测振动的实验原理⽅块图。当应变梁的振动台受到F(t)作⽤⽽振动，使粘贴在应变梁上的应变⽚产⽣应变信号dR/R，应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波，再经差动放⼤器放⼤为u1(t)，u1(t)经相敏检波器检波解调为u2(t)，u2(t)经低通滤波器滤除⾼频载波成分后输出应变⽚检测到的振动信号u3(t)(调幅波的包络线)，u3(t)可⽤⽰波器显⽰。图中，交流电桥就是⼀个调制电路，W1、r、W2、C是交流电桥的平衡调节⽹络，移相器为相敏检波器提供同步检波的参考电压。这也是实际应⽤中的动态应变仪原理。
图9—1 应变仪实验原理⽅块图
⼆、实验结果
表9应变交流全桥振动测量实验数据
三、实验分析
实验⼗压阻式压⼒传感器的压⼒测量实验
⼀、实验原理
扩散硅压阻式压⼒传感器的⼯作机理是半导体应变⽚的压阻效应，在半导体受⼒变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因⽽改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发⽣变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。⼀般半导体应变采⽤N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上⾯直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）组成电桥。在压⼒（压强）作⽤下弹性元件产⽣应⼒，半导体电阻应变薄膜的电阻率产⽣很⼤变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压⼒变化。图10—1为压阻式压⼒传感器压⼒测量实验原理图。
图10—1 压阻式压⼒传感器压⼒测量实验原理
⼆、实验结果
表10 压阻式压⼒传感器测压实验数据
三、实验分析
实验⼗⼀电容式传感器的位移实验
⼀、实验原理
1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利⽤电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持⼆个参数不变，⽽只改变其中⼀个参数，则可以有测⼲燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球⾯形和锯齿形等其它的形状，但⼀般很少⽤。本实验采⽤的传感器为圆筒式变⾯积差动结构的电容式位移传感器，差动式⼀般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度⾼、线性范围宽、稳定性⾼。如图11—1所⽰：它是有⼆个圆筒和⼀个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πx／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产⽣?X位移时，电容量的变化量为?C =C1－C2=ε2π2?X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明?C与?X位移成正⽐，配上配套测量电路就能测量位移。
图11-1 实验电容传感器结构
1、测量电路(电容变换器)：如图11—2所⽰，测量电路的核⼼部分是图11—3的电路
图11—2 电容测量电路
图11—3 ⼆极管环形充放电电路
在图11—3
中，环形充放电
电路由D3、D4、
D5、D6⼆极管、C5电容、L1电感和CX1、CX2实验差动电容位移传感器组成。
当⾼频激励电压(f>100kHz)输⼊到a点，由低电平E1跃到⾼电平E2时，电容CX1和
CX2两端电压均由E1充到E2。充电电荷⼀路由a点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地)；另⼀路由由a点经C5到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。此时，D4和D6由于反偏置⽽截⽌。在t1充电时间内，由a到c点的电荷量为：
Q1＝CX2(E2-E1) （11—1）
当⾼频激励电压由⾼电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电。CX1经b点、D4、c点、C5、a点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c 点到a点的电荷量为：
Q2＝CX1(E2-E1) （11—2）
当然，（11—1）式和（11—2）式是在C5电容值远远⼤于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。电容C5的充放电回路由图11—3中实线、虚线箭头所⽰。
在⼀个充放电周期内（T＝t1＋t2），由c点到aQ2＝CX1(E2-E1)点的电荷量为：
Q＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （11—3）
式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。
设激励电压频率f＝1/T，则流过ac⽀路输出的平均电流i为：
i＝fQ＝f△CX △E （11—4）
式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。
由（11—4）式可看出：f、△E⼀定时，输出平均电流i与△CX成正⽐，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C6滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝I Rw。由传感器原理已知?C与?X位移成正⽐，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知?X位移。
1、电容式位移传感器实验原理⽅块图如图11—4
图11—4电容式位移传感器实验⽅块图
⼆、实验结果
表11电容传感器测位移实验数据
三、实验分析
实验⼗⼆差动变压器的性能实验
⼀、实验原理
差动变压器的⼯作原理类似变压器的作⽤原理。差动变压器的结构如图
12—1所⽰，由⼀个⼀次绕组1和⼆个⼆次绕组2、3及⼀个衔铁4组成。差动变压器⼀、⼆次绕组间的耦合能随衔铁的移动⽽变化，即绕组间的互感随被测位移改变⽽变化。由于把⼆个⼆次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
当差动变压器⼯作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图12—2所⽰。图中U1为⼀次绕组激励电压；M1、M2分别为⼀次绕组与两个⼆次绕组间的互感：L1、R1分别为⼀次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个⼆次绕组的电感；R21、R22分别为两个⼆次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，
图12—1差动变压器的结构⽰意图图12—2差动变压器的等效电路图
两个⼆次绕组互感相同，因⽽由⼀次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个⼆次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向⼆次绕组L21，这时互感M1⼤，M2⼩，因⽽⼆次绕组L21内感应电动势⼤于⼆次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越⼤，差动输出电动势就越⼤。同样道理，当衔铁向⼆次绕组L22⼀边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动⽅向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的⼤⼩和相位可以知道衔铁位移量的⼤⼩和⽅向。
由图12—2可以看出⼀次绕组的电流为：
⼆次绕组的感应动势为：

由于⼆次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
其有效值为：
差动变压器的输出特性曲线如图12—3所⽰.图中E21、E22分别为两个⼆次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表⽰衔铁偏离中⼼位置的距离。其中E2的实线表⽰理想的输出特性，⽽虚线部分表⽰实际的输出特性。Eo为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁⼼位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的⼤⼩是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减⼩零点残余电动势可采取以下⽅法：
图12—3 差动变压器输出特性
1、尽可能保证传感器⼏何尺⼨、线圈电⽓参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，
消除内部的残余应⼒，使其性能均匀稳定。
2、选⽤合适的测量电路，如采⽤相敏整流电路。既可判别衔铁移动⽅向⼜可改善输出特性，减⼩零点残余电动势。
3、采⽤补偿线路减⼩零点残余电动势。图12—4是其中典型的⼏种减⼩零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减⼩。
(a) (b) (c)
图12—4 减⼩零点残余电动势电路
⼆、实验结果
表12 差动变压器性能实验数据
三、实验分析
四、思考题：
1.试分析差动变压器与⼀般电源变压器的异同？
差动变压器的⼯作原理类似⼀般电源变压器的作⽤原理，差动变压器在使⽤时采⽤了两个⼆次绕组反向串接，以差动⽅式输出，当衔铁处于中间位置时，两个⼆次绕组互感相同，因⽽由⼀次侧激励引起的感应电动势相同，由于两个⼆次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。 2.⽤直流电压激励会损坏传感器。为什么？因为是差动变压器的输出电压可正可负。
3.如何理解差动变压器的零点残余电压？⽤什么⽅法可以减⼩零点残余电压？
这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁⼼位置等因素所造成的。减⼩零点残余电压可以：1、尽可能保证传感器⼏何尺⼨、线圈电⽓参数及磁路的对称。2、选⽤合适的测量电路，如采⽤相敏整流电路。3、采⽤补偿线路减⼩零点残余电动势。
实验⼗三激励频率对差动变压器特性的影响
⼀、实验原理
差动变压器的输出电压的有效值可以近似⽤关系式： o U =
22
2
21)(p
p
i
L
R U M M ωω+- 表⽰，式中Lp 、Rp
为初级线圈电感和损耗电阻，i U 、ω为激励电压和频率，M 1、M 2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若R P 2＞ω2L P 2，则输出电压Uo 受频率变动影响较⼤，且灵敏度较低，只有当ω2L P 2＞＞R P 2时输出Uo 与ω⽆关，当然ω过⾼会使线圈寄⽣电容增⼤，对性能稳定不利。⼆、实验结果
表13差动变压器幅频特性实验数据
三、实验分析
实验⼗四差动变压器零点残余电压补偿实验
⼀、实验原理
由于差动变压器次级⼆线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，铁芯B－H 特性的⾮线性等，造成铁芯(衔铁) ⽆论处于线圈的什么位置其输出电压并不为零，其最⼩输出值称为零点残余电压。在实验四(差动变压器的性能实验)中已经得到了零点残余电压，⽤差动变压器测量位移应⽤时⼀般要对其零点残余电压进⾏补偿。补偿⽅法阅读实验四（⼆、基本原理），本实验采⽤（c）补偿线路减⼩零点残余电压。
实验⼗五差动变压器测位移实验
⼀、实验原理
差动变压器的⼯作原理参阅实验四（差动变压器性能实验）。差动变压器在应⽤时要想法消除零点残余电动势和死区，选⽤合适的测量电路，如采⽤相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）⽅向⼜可改善输出特性，消除测量范围内的死区。图15—1是差动变压器测位移原理框图。
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传感器实验报告
传感器实验报告
实验⼀、⼆、三应变⽚单臂、半桥、全桥特性实验
⼀、实验原理
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定⼯艺粘贴电阻应变⽚来组成。⼀种利⽤电阻材料的应变效应将⼯程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过⼀定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变⽚将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。可⽤于能转化成变形的各种⾮电物理量的检测，如⼒、压⼒、加速度、⼒矩、重量等，在机械加⼯、计量、建筑测量等⾏业应⽤⼗分⼴泛。
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根据表中数据画出实验曲线后，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和⾮线性误差δ(⽤最⼩⼆乘法)，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最⼤偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。
四、思考题
1、ΔR转换成ΔV输出⽤什么⽅法?
19528263424：从实验曲线上能理解相敏检波器的鉴相特性吗?
荣咬研
：答：由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。
19528263424：什么是相敏检波器的鉴相特性
荣咬研
：答：输出信号随相位差的余弦而变化。根据查询51电子网显示，相敏检波器在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，所以相敏检波器的鉴相特性是输出信号随相位差的余弦而变化。
19528263424：谁能告诉我相敏检波器的工作原理,不胜感激
荣咬研
：答：9、适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察示波器中波形变化和电压表电压值变化，然后将相敏检波器的输入端①改接至音频振荡器1800输出端口，观察示波器和电压表的变化。由上可以看出，当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反...
19528263424：什么是相敏,什么是鉴幅
荣咬研
：答：相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路 相敏检波器中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。通俗的说法是指利用交流电有波峰值特性，输出信号，这个信号再转换成所需的直流信号，在特定时间输出间断模拟信号出来 鉴幅 通俗的讲；1具有极佳的鉴相...
19528263424：相敏检波器同时具有鉴幅,鉴相特性吗?
荣咬研
：答：同时具有。相敏检波器是一种电子设备，用于检测输入信号的相位差，并将相位差转换为可测量的电信号，相敏检波器同时具有鉴幅鉴相特性，这样才能将调频信号转换成其对应的调幅信号，使得原始信息能够以模拟的形式进行提取和处理。
19528263424：相敏检波器是什么意思?有什么用呢?
荣咬研
：答：简述相敏检波器的作用及用法的回答如下：相敏检波器是一种电子设备，用于检测输入信号的相位差，并将相位差转换为可测量的电信号。它常用于雷达、通信、电力系统等领域的信号处理中。相敏检波器的主要作用是将输入信号的相位差转换为可测量的电信号，以便进一步处理或使用。它通过将两个输入信号进行差分比较...
19528263424：相敏检波电路的原理?
荣咬研
：答：原理：相敏检波电路(与滤波器配合)可以将调幅波还原成原信号波形，起解调作用；并具有鉴别信号相位的能力。下面给出典型的二极管相敏检波电路及其输入输出关系图。由四个 特性相同的二极管D1～D4沿同一方向串联成一个桥式回路，桥臂上有附加电阻，用于桥路衡四个端点分别接在变压器A和B的次级线圈上，...
19528263424：什么是相敏检波器?
荣咬研
：答：相敏检波器(以下简称PSD),顾名思义,就是对两个信号之间的相位进行检波。在实际应用中,这两个信号往往是同频的,或者是互为倍数。检波以后的输出以同相信号(相位差叩=0。)为最大,相位差叩=90。为零,在这之间则与COS甲成比例。
19528263424：相敏检波器的作用是什么?
荣咬研
：答：相敏检波器（synchronous detector）是一种用于提取特定频率信号的模拟电路。它的作用是将输入信号与一个特定频率的参考信号进行同步（相位匹配）然后进行乘法运算，最终输出信号中只包含目标频率信号的成分。相敏检波器通常用于调频（FM）信号的解调，尤其是在无线通信和广播接收器中。通过使用相敏检波器，我们...
19528263424：...特性实验时激励源为交流,电信号也是交变时,需采用相敏检波器的...
荣咬研
：答：为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。3、很明显，霍尔式传感器实验中用来辨别方向的。 若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映...
（编辑：苍亚士）
