检测技术实验报告.docx

1、 电气学科大类2010级信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验三: 检测技术基本实验)姓 名 学 号 专业班号 班 同组者1 学 号 专业班号 班 指导教师 陈庆 日 期 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分实验二十二 差动变压器22-1 相敏检波器2022-2 差动变压器的性能检测1022-3 差动变压器零残电压的补偿2022-4 差动变压器的标定30设计性实验实验名称/内容实验分值评分实验二十四 PT100铂热电阻测温实验40创新性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分目录实验二十二、差动变压器1实验二十二相敏检波器2实验二十二差动变压器的

2、性能测试5实验二十二差动变压器零残电压的补偿7实验二十二差动变压器的标定10实验二十四、PT100铂热电阻测温实验14实验感想18参考文献19实验二十二 差动变压器一、 实验目的1. 通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。2. 掌握实验结果的处理方法和问题分析思想。二、 实验背景通过对检测技术课程的学习，我们了解到差动变压器零残电压的存在会造成差动变压器在零点附近的不灵敏区，影响电路的正常运行，因此必须采用适当的方法进行补偿，从而提高差动变压器的测量精度。1. 零点残压的原因：差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺小不可能完全对称。传感器具有铁损，且由于铁芯磁路饱和，也会造成磁芯

3、磁化曲线的非线性。电源电压中含有高次谐波。线圈具有寄生电容，线圈与外壳铁心间有分布电容。2. 零残电压主要包含两种波形成份：基波分量：这是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。高次谐波：主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。3. 减少零残电压的方法：从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。采用相敏检波电路。选用补偿电路。三、 实验

4、内容了解相敏检波器的工作原理；差动变压器的性能检测；差动变压器的零残电压补偿；差动变压器的标定。四、 实验设备差动变压器，音频振荡器，电桥，差动放大器，移相器，相敏检波器，LPF，电压表，示波器，测微仪等。21实验(一)相敏检波器一、 实验原理图1 相敏检波实验原理图相敏检波电路如图1所示，图中为输入信号端，为交流参考电压输入端，为输出端。为直流参考电压输入端。、为整形电路将正弦信号转换成的方波信号，使相敏检波器中的电子开关正常工作。当、端输入控制电压信号时，通过差动放大器的作用使D和J处于开关状态从而把端输入的正弦信号转换成半波整流信号。二、 实验步骤1 调节音频振荡器输出频率为5KHZ，输

5、出幅值2V，将音频振荡器0端接相敏检波器的输入端，相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端接数字电压表20V。相敏检波器的交流参考电压输入端分别接0、180，使相敏检波器的输入信号和交流参考电压分别同相或反相，用示波器观察相敏检波器输出端的波形变化和电压表电压值变化。注意：此时差动放大器的增益要比较小，稍有增益即可，示波器的“触发”方式要选择正确。可以看出，当相敏检波器的输入信号和交流参考信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表只是正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。记录下观察到的各种情况波形及电压值。2 用示波器两通道观察

6、相敏检测器的波形并记录下观察到的波形。可以看出，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。三、 实验结果1. 相敏检波器的交流参考电压输入端接0时，输入与输出的波形：图2 正极性的全波整流2. 相敏检波器的交流参考电压输入端接180时，输入与输出的输出波形：图3 负极性的全波整流3. 整流输出端的波形如图3所示：图4 整形电路5端(上)6端(下)的输出波形四、结果分析由实验波形图2、图3可以看出，当相敏检波器的输入信号和交流参考电压信号同相时（即交流参考电压输入端接0），输出正极性的全波整流信号，此时电压表数值也为正(1.20V)；当输入信号与交

7、流参考电压信号反相时（即交流参考电压输入端接180），输出负极性的全波整流信号，此时电压表数值也为负(-1.20V)。图4为相敏检波输出端的波形。可以看出，该相敏检波器将输入的正弦波转换成方波，从而使利用相敏检波器驱动的电子开关正常工作。实验(二)差动变压器的性能检测一、实验原理通过上下移动衔铁改变衔铁的位置可以改变差动变压器的第二通道中的感应电压，根据输出电压的正负以判断两个次级线圈的联接方式，当同名端串接合适时，移动衔铁的位置，输出电压会正负变化。性能检测原理图，如下图所示：图5 差动变压器性能检测原理图二、实验步骤1.按图5所示线路接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器端功率输出。2.

8、音频振荡器输出频率5KHz，输出值VP-P值2V。3.用手提变压器磁芯，观察示波器第二通道的波形是否能过零翻转，以判断两个次级线圈的联接方式，如不能过零翻转，则需改变两个次级线圈的串接端，使两个次级线圈反向串联。三、实验结果1.差动变压器副方线圈反相串联时，输入与输出波形：图6 反相串联时的输入输出波形2.过零翻转后，输入与输出波形：图7 过零翻转后的输入输出波形四、结果分析根据图中得到的结果可知，用手提变压器磁芯后，示波器第二通道的波形能过零翻转，这表明两次级线圈的连接方式正确。经调节，使得衔铁与二次绕组的相对位置发生改变时，输出相位差发生改变，变为正相反相。观察第二通道过零时的波形，此时存

9、在零点残余电压，幅值不为零，只是幅值很小。零点残余电压表现在电桥无法实现平衡，最后总要存在某个输出值误差值U，这需要进行补偿。实验(三)差动变压器零残电压的补偿一、实验原理对于差动变压器零残电压的补偿措施，可以在在电路上进行补偿。其中，线路补偿的方法主要有：加串联电阻、加并联电容、加反馈电阻、加反馈电容等。常见的补偿原理简化电路图，如图8所示：图8 差动变压器补偿电路其中：串联电阻，可以消除两次绕组基波分量幅值上的差异。并联电阻电容，可以消除基波分量相差，减小谐波分量。本实验采用并联电阻法，其实验原理图，如图9所示：图9 差动变压器零残电压补偿实验接线图通过调整的阻值，从而实现对零点残余电压的

10、补偿。二、实验步骤1.按照图9所示实验接线图接线，使差动放大器增益达到最大，音频端输出值为2V，调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。2.调节测微仪带动衔铁在线圈中运动，使差动放大器输出电压最小，调整电桥网络WDWA电位器，使输出更趋减小。3.提高示波器第二通道灵敏度，将零残电压波形与激励电压波形比较，观察零点残余电压的波形，说明经过补偿后的零残电压主要是什么分量。三、实验结果1.没有进行零点残余电压补偿时，激励电压与零残电压的波形：图10 激励电压与未补偿零残电压的波形2.进行零点残余电压补偿后，激励电压与零残电压的波形：图11 激励电压与补偿后零残电压的波形四、结果分析由激励电压波

11、形与零残电压波形比较，零点残余电压主要为与激励存在一定的相角差且频率为5KHz的基波分量。未补偿时，零残电压幅值约为2V，经过并联电阻补偿，补偿后零残电压大大减小，残余电压幅值约为100mV。但是理论上并联电阻对基波正交分量会有明显的补偿效果，对高次谐波没有补偿作用，但实验结果显示零残电压的波形在补偿后，所得的波形却为基波分量，可见实验结果并非很理想。对于采用并联电阻进行零点残余电压补偿的不足，我们可以采取在原补偿电路上再并联一个电容C（如图8所示），就可有效的补偿高次谐波分量。实验(四)差动变压器的标定一、实验原理差动变压器的工作原理与变压器类似，一、二次绕组间的耦合能力能随衔铁的移动而变化

12、，即绕组间的互感随被测位移改变而变化，使用时采用两个二次侧绕组反向串联，以差动方式输出，因此称为差动变压器试电感传感器。对于差动变压器的标定检测电路图，如图12所示：图12 差动变压器的标定实验接线图二、实验步骤1.按照上图所示实验原理图接线，将差动放大器增益调至适度，音频振荡器Lv端输出5KHZ，VP-P值2V。2.调节电桥WD、WA 电位器，移相器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。3.旋动测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称。如不对称则需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。注意：示波器CH1、CH2 通道

13、分别接入相敏检波器1、2 端口，用手将衔铁位置压到最低，调节电桥、移相器，当CH1、CH2所观察到的波形正好同相或反相时，则系统输出可做到正负对称。4.旋动测微仪，带动衔铁向上5mm，向下5mm 位移，每旋一周（0.5mm）记录下相应的电压值，并将实验所得数据记录下来，做出VX曲线，分析差动变压器的灵敏度和测量结果的线性度。三、实验结果1.敏检波器端口的波形正好同相时的波形：图13 相敏检波器端口同相时的输出波形2.差动变压器的标定测定，衔铁上移、下移时位移与输出电压的关系如下：表1 衔铁上移时位移/mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压/V1.222.293.2

14、54.154.945.586.076.506.917.39表2 衔铁下移时位移/mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压/V-1.02-1.98-3.02-3.86-4.66-5.35-5.79-6.28-6.70-7.11四、结果分析根据实验所得的数据并采用最小二乘法进行曲线拟合，Uo为输出电压，X为衔铁位移，则拟合曲线方程为：Uo=1.6311X+0.1265可得各点的拟合电压值为：表3 各点的拟合电压值与偏差值位移/mm-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0拟合电压值/V-8.029-7.21345-6.3979-5.58235-4.7668

15、-3.95125-3.1357拟合偏差值/V-0.919-0.51345-0.11790.207650.58320.708750.7243位移/mm-1.5-1.0-0.50.51.01.52.0拟合电压值/V-2.32015-1.5046-0.689050.942051.75762.573153.3887拟合偏差值/V0.699850.47540.33095-0.27795-0.5324-0.67685-0.7613位移/mm2.53.03.54.04.55.0拟合电压值/V4.204255.01985.835356.65097.466458.282拟合偏差值/V-0.73575-0.560

16、2-0.234650.15090.556450.892因此，可绘出拟合曲线如图14所示。且该拟合曲线灵敏度为：s=UoX=1.6311由表中数据可看出，最大拟合偏差值出现在位移为-5.0mm处，偏差值为-0.919V，因此非线性度为：Ef=mYFS100%=0.9198.282-(-8.029)100%=5.63%图14 输出电压与位移的拟合曲线由以上分析结果可知，该差动变压器具有一定的线性度、灵敏性较好，可以用作精度要求不高的测量仪器。五、思考题1.为什么在差动变压器的标定中电路中要加移相器？作用是什么？答：根据相敏检波器的原理，当两个输入端的相位刚好相同或者相反（即相位差为180）时，输出

17、为正极性（或者负极性）全波整流信号，电压表才会是正极性最大值（或者负极性最大值）。所以在差动变压器的标定电路中加入移相器，作用是保证端输入的参考交流电压与端输入的电压同相或反相，从而使系统输出可以做到正负对称。2.差动变压器标定的含义，为什么要进行标定？答：（1）差动变压器的标定即为给该仪器的表盘标刻度，使差动的位移与刻度盘上的标值一一对应，从而能通过读值来确定测量量。（2）对差动变压器进行标定，主要的原因是：确定仪器或测量系统的输入和输出关系，明确仪器或测量系统的分度值，本实验中通过标定可计算出差动变压器的灵敏度和标称量；确定仪器或测量系统的静态特性指标；尽量消除系统误差，提高仪器或系统测量

18、的精确度。实验二十四 PT100铂热电阻测温实验一、实验目的1.通过实验，加深对PT100铂热电阻特性的理解。2.学习利用热电阻设计简单的温度测量方案，了解测量电路的补偿原理。3.掌握对实验数据的处理和误差分析的方法。二、实验原理1.铂热电阻元件作为一种温度传感器，它是将0.050.07mm的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成的。在0到650摄氏度以内，PT的电阻值Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中：Ro系温度为0度时的电阻值(本实验的铂电阻Ro100)。A3.9684103、B5.847107，其中B很小，故可以近似认为Rt=Ro(1+At)。因此，铂

19、热电阻的温度和阻值的关系接近于线性关系，偏差极小且随着时间的增长，偏差可以忽略，可作为一种温度传感器。其工作原理是在温度作用下，铂电阻丝的电阻值随着温度的变化而变化，具有可靠性好、热响应时间短等优点，且电气性能稳定。铂热电阻是一种精确、灵敏、稳定的温度传感器。在本次实验方案的设计中，为了提高测量的精确性，同时为了消除温度产生的误差，以及零点漂移，我们采用电桥的四线连接法，并使电桥的输出经过差分运放的两级放大，提高测量结果的准确度。实验原理图如下所示：图1 PT100铂热电阻测温实验接线图其中，电阻RT为PT100铂热电阻，而运放LM324的引脚图如下所示，运放可用正负5V的电源。图2 运放LM

20、324引脚图2.实验开始时先调节电位器使电桥平衡，假设室温为18，则查表可知此温度下铂热电阻阻值为107.02，通过铂热电阻的电流为I=55102+107.022A=0.0041A=4.1mA，而温度升高后，通过铂热电阻的电流会减小，因此不会超过5mA的最大允许电流。3.设电路中1、2节点处的电压为V1与V2，最终输出电压为Vo，调节后的电位器阻值为Rd则由运放的“虚短”、“虚断”可知，电路的增益为VoV1-V2=-R14R121+2R9R8=-110当温度为64时，铂热电阻阻值Rt=124.78，此时输出电压为Vo=-110R2R1+R2-R4+RtR3+R4+Rt+RdVD=3.9V因此，

21、实验中输出电压的测量范围大概为0到4V。4.温度变化后，可知有：Vo=-110R2R1+R2-R4+RtR3+R4+Rt+RdVD=550510+Rd+R1020+2Rd+R-0.5=275R1024+2Rd+R275R1024+2Rd=275R0At1020+2Rd因此，输出电压与温度变化t的关系近似线性关系。三、实验设备检测技术实验板，直流稳压电源，PT100铂电阻，其他各种阻值的电阻，运放LM324，万用表。四、实验步骤1.搭建实验电路，用万用表测量室温。2.打开面板上的电源开关，调节电位器，使放大电路的输出为0。3.将PT100电阻放在加热器上，升高温度，并用万用表测量其温度的变化。4

22、.打开加热器的电源开关，每升高2读取一次温度值和输出电压值，记录下来，直到温度升高到64。5.整理数据，拟合成电压温度曲线，进行误差分析。五、实验结果及分析整理实验数据，可得下表：表1 实验数据温度/输出电压/V理论拟合值/V非线性偏差Y/V2000.03160.0316220.1910.20160.0106240.3620.37160.0096260.5380.54160.0036280.7210.7116-0.0094300.8970.8816-0.0154321.0671.0516-0.0154341.2291.2216-0.0074361.4021.3916-0.0104381.564

23、1.5616-0.0024401.7351.7316-0.0034421.9011.9016-0.0006442.0682.07160.0036462.2502.2416-0.0084482.4142.4116-0.0024502.5852.5816-0.0034522.7502.7516-0.0016542.9262.9216-0.0044563.0943.0916-0.0024583.2513.26160.0106603.4243.43160.0076623.5923.60160.0096643.7613.77160.0106用最小二乘法拟合直线，可得拟合曲线方程为：Vo=0.08520+

24、t-1.6684=0.085t+0.0316因此，可以画出拟合曲线如下：图3 输出电压与温度值的拟合曲线可得灵敏度为：s=Uot=0.085可以看到最大的拟合偏差值出现在温度为20处，拟合偏差值为0.0316V，因此可知非线性度为：Ef=mYFS100%=0.03163.7716-0.0316100%=0.845%分析：在实验中，一开始做实验时发现加热器温度上升速度过快，不利于准确读数，而且PT100对温度的反应需要一定的时间，所以发现测得的数据线性度不够理想。为解决这个问题，我们将铂热电阻固定在了离加热器一定距离的地方，使得温度上升速度大有减小，虽然这样实验花的时间变长了，但是最终得到的数据线性度很理想！同时，采用三个运算放大器可以使得电路的差分放大效果理想，但是铂热电阻导线电阻随温度的变化而改变会对实验的结果有一定的影响。实验感想参考文献1.自动检测技术.马西秦.机械工业出版社2.信号与系统综合实验教程.熊蕊.华中科技大学出版社3.电子技术基础(模拟部分).康华光.高等教育出版社.忽略此处.