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东莞华中科技大学制造工程研究院(简称工研院)创建于2007年,是由东莞市人民政府、广东省科学技术厅和华中科技大学合作共建的一个科技创新、技术服务和产业孵...

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 学 名 号 专业班号 指导教师 日 期 实验成绩 评 阅 人 1 2 实验评分表 实验编号名称/内容(此列由学生自己填 实验分值 写) 22.1 22.2 22.3 基本实验 22.4 了解相敏检波器工作原理 差动变压器性能检测 差动变压器零残电压的补偿 差动变压器的标定 20 10 20 30 评分 实验名称/内容 24. 设计性实验 PT100 铂热电阻测温实验 实验分值 评分 实验名称/内容 创新性实验 实验分值 评分 教师评价意见 总分 2 3 目录 实验二十二 差动变压器的标定? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4 实验二十四 PT100 铂热电阻测温实验? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?16 实验总结与体会? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?20 参考文献? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?20 3 4 实验二十二 一 .实验目的 1. 2. 3. 差动变压器的标定 了解由施密特开关电路及运放组成的相敏检波电路的原理。

了解差动变压器的基本结构和原理,通过实验验证差动变压器的基本特性 差动变压测试系统的组成和标定方法。 二. 实验原理 1.差动变压器原理及输出特性 图 22-1 差动变压器原理图及输出特性 差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动 变压器激励用, 相当于变压器的原边;次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的相 同线圈反相串接而成,相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路,工作是建立 在互感基础上。 2.差动变压器零点残余电压 (1)零点残电压 由于零残电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区, 电压经过放大器 会使放大器末级趋向饱和,影响电路正常关系,因此必须采用适当的方法进行 补偿。

零残电压中主要包含两种波形成份:

1)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。 4 5 2)高次谐波:主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起,由于磁滞损耗和铁磁 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。

(2)减少零残电压的办法有:

从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对程; 采用相敏检波电路; 选用补偿电路。 3.相敏检波器工作原理 图 22-2 相敏检波器原理图 相敏检波电路如图所示,图中 1 为输入信号端,2 为交流参考电压输入端,3 为 输出端。4 为直流参考电压输入端。5、6 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2 、 4 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 1 端输入的正弦信号转 换成半波整流信号。 三.实验步骤 1.了解相敏检波器的工作原理 1:

调节音频振荡器输出频率为 5KHZ, 输出幅值为 2V, 将音频振荡器 0 端接相 敏 检波器的输入端 1,相敏检波器的输入端连接,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 2 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者反相, 用示波器两通道观察相敏检测器输出 端 3 的波形变化和电压表电压值的变化 2: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开关信号反相时,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。 5 6 3:用示波器两通道观察相敏检测器插口 5,6 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。 2.差动变压器性能检测 Lv 5KHz 示波器 第一通道 图 22-3 差动变压器接线示意图 第二通道 (1)按上图接线,差动变压器初级线圈必须从音频振荡器 LV 端功率输出。

(2)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。 3.差动变压器零残电压的补偿 Lv 5KH Vp-p 2V 差放 WD WA + 第二通道 第一通道 图 22-4 差动变压器零残电压补偿实验接线 1、根据上图接线,差动放大器增益调到最大,音频 LV 端输出 VP-P 值 2V,调 节音频振荡器频率,使示波器二通道波形不失真。 6 7 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 4.差动变压器的标定 图 22-5 差动变压器标定实验接线 1. 按上图接线, 差动放大器增益适度, 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。 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 一电压值 7 8 四.实验结果 1.相敏检波器 首先将音频震荡器的输出直接接到示波器上,旋动频率调节和幅值调节旋钮,使 音频振荡器输出频率为 5kHz,幅值为 2V 的信号,波形如下图所示: 图 22-6 音频振荡器输出波形 f ? 5kHz VPP ? 2V 接着将音频振荡器的输出接到相敏检波器上, 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,如下图: 图 22-7 相敏检波器输出正极性全波整流信号 8 9 当相敏检波器的输入信号和交流参考信号反相时,输出负极性的全波整流信号, 如下图: 图 22-8 相敏检波器输出负极性全波整流信号 相敏检波器的 5、6 端用于生成开关管的驱动信号,波形如下: 图 22-9 相敏检波器 5 端的波形 9 10 图 22-10 相敏检波器 6 端的波形 2.差动变压器性能检测 将音频振荡器的输出接至差动变压器的初级线圈,旋动测微仪,分别记录输出与 输入同相、反相以及过零翻转时的波形: 图 22-11 差动变压器输出与输入同相时的波形 10 11 图 22-12 差动变压器输出与输入反相时的波形 图 22-13 过零翻转时的波形 11 12 3.差动变压器零残电压的补偿 将音频振荡器的输出接至差动变压器,旋动测微仪使输出电压最小,波形如下: 图 22-14 未调电阻时差动变压器最小输出电压 调节电桥网络 RP1,RP2 电位器,使输出更趋减小,此时波形如下: 图 22-15 调节电阻后差动变压器输出电压 12 13 提高第二通道灵敏度,将零残电压波形与激励电压波形进行比较,如下: 图 22-16 零残电压与激励电压比较 由比较可知,补偿后零残电压主要是基波分量。 4.差动变压器的标定 实验中所测位移与电压的关系如下:

位 移 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 /mm 电 压 -2.79 -2.53 -2.25 -2.00 -1.72 /V -2.5 -1.43 -2.0 -1.14 -1.5 -0.87 -1.0 -0.58 -0.5 -0.29 0 0 0.5 1.0 1.5 0.87 2.0 1.16 2.5 1.44 3.0 1.71 3.5 1.98 4.0 2.24 4.5 2.51 5.0 2.76 0.30 0.59 表 22-1 差动变压器位移与电压对应关系 13 14 用 MATLAB 所得拟合曲线如下: 拟合方程如下: 14 15 由图可知拟合方程为: y ? 0.56343x ? 0.0019048 故灵敏度为 0.56343mm/V 线性度为 ? ? 0.02 ? 0.2% 10 五.实验分析与总结 本实验主要研究差动变压器的系统组成与标定方法,着重研究了相敏检波器、零 残电压的补偿以及差动变压器的标定。

零残电压补偿实验中,补偿前零残电压含有大量的谐波分量,主要是三次谐波, 而补偿后三次谐波分量大大衰减,零残电压主要表现为基波分量,与预期结果基 本一致。但我们也可以看到,无论如何补偿,都无法将零残电压降为零,这主要 是因为零残电压的基波分量主要是由差动变压器此路的非线性引起的, 仅通过简 单的电阻补偿是无法将其完全消除的。

差动变压器的标定时,关键是要调节衔铁、移相器、电桥使输出做到正负对称, 弄好了这一步,后面测数据的过程其实很简单。由实验数据我们也可以看到,位 移与电压的关系呈现很高的线性,正负位移时输出基本对称。 六.思考题 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(即相差 180°)时,输出为正极性(或者负极性)全波整流信号,电压表才能只是正极 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 2 端输入的参考交流电压与 1 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.差动变压器的标定的含义,为什么要标定? 答:标定的主要作用是:确定仪器或测量系统的输入—输出关系,赋予仪器或测 量系统分度值, 本实验中标定为差动变压器的灵敏度;确定仪器或测量系统的静 态特性指标;消除系统误差,改善仪器或系统的正确度。在科学测量中,标定是 一个不容忽视的重要步骤。

故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。 15 16 实验二十四 一.实验目的 PT100 铂热电阻测温实验 1.通过自行设计热电阻测温实验方案,加深对温度传感器工作原理的理解。

2.掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。 二.实验原理 铂热电阻元件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。

温度和电阻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,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。铂热电阻元件是用微 型陶瓷管、 孔内装绕制好的铂热电阻丝脱胎线圈制成感温元件,由于感温元件可 以做得相当小, 因此它可以制成各种微型温度传感器探头。可用于-200~+420℃ 范围内的温度。 三.实验内容 1.设计 PT100 铂热电阻测温实验电路方案; 2.测量 PT100 的温度与电压关系,要求测温范围为:室温~65℃;温度测量精 度:±2℃;输出电压≤4V,输出以电压 V 方式记录。

3.通过测量值进行误差分析。 四.实验设计 实验主电路如下图 16 17 图中电源为 4V,桥壁电阻选为 1k, 故每个桥壁的电流为: I? 4 ? 4mA ? 5mA 1000 ? 100 流过 PT100 的电流没有超过 5mA,满足要求。 图中差动放大器的增益为: A ? 33 当温度为 0 度时,PT100 为 100? ,当温度为 65 度时,电阻为 125.16? 故最大输出电压为: 125.16 100 VO ? ( ? ) ? 4 ? 33 ? 2.67V 1125.16 1100 在 4V 范围内,满足要求。 五.实验结果 实验时室温为 24C,调节电位器使此时的输出为 0. 以下是所测数据: 温度 C 电压 V 温度 C 电压 V 温度 C 电压 V 温度 C 电压 V 24 0 36 0.58 48 1.65 60 2.43 26 0.10 38 0.67 50 1.72 62 2.57 28 0.21 40 0.77 52 1.87 64 2.72 17 30 0.31 42 1.01 54 2.03 66 2.86 32 0.38 44 1.24 56 2.19 34 0.50 46 1.37 58 2.32 表 24-1 铂热电阻温度与电压的关系 18 采用 MATLAB 拟合的输入输出特性如下: :

图 24-2 PT100 输出电压与温度的关系 图中直线为利用 MATLAB 拟合所得:

(拟合所得直线方程如下) 18 19 由此可知,拟合方程为: y ? 0.07166 x ? 1.8838 故灵敏度为 下面计算非线性度: ? ? 0.07166V / C 26 0.10 -0.021 -0.121 38 0.67 0.839 0.169 50 1.72 1.699 -0.021 62 2.57 2.559 -0.011 28 0.21 0.123 -0.087 40 0.77 0.983 0.213 52 1.87 1.843 -0.027 64 2.72 2.702 -0.018 30 0.31 0.266 -0.044 42 1.01 1.126 0.116 54 2.03 1.986 -0.044 66 2.86 2.846 -0.014 32 0.38 0.409 0.029 44 1.24 1.269 0.029 56 2.19 2.129 -0.061 34 0.50 0.553 0.053 46 1.37 1.413 0.043 58 2.32 2.272 -0.048 温度 C 电压 V 拟合值 偏差 温度 C 电压 V 拟合值 偏差 温度 C 电压 V 拟合值 偏差 温度 C 电压 V 拟合值 偏差 24 0 -0.164 -0.164 36 0.58 0.696 0.116 48 1.65 1.556 -0.094 60 2.43 2.416 -0.014 最大偏差为 0.213 故非线性度为 ? ? 0.213 ? 7.2% 2.96 19 20 实验总结与体会 此次检测技术实验主要包括两个部分,其一是对差动变压器的标定,另一个是 PT100铂热电阻的测温实验。

首先是差动变压器的标定这个实验,这个实验包含四个独立的小部分。关 于相敏检波器的原理,觉得很复杂,通过课本预习,在实验前有了一定的了解。

通过实验对输出波形的观察, 对于相敏检波器的工作原理总算是搞清楚了。接下 来, 通过示波器的两个通道分别观察差动变压器两端波形,进行了差动变压器的 性能检测。

实验中还观测到差动变压器的零残电压。零残电压包括基频分量和高 频分量,经补偿后主要含有基频分量。这是由于变压器磁路不对称导致的,故是 制作差动变压器时要求尽量保持此路对称。最后是进行差动变压器的标定。差动 变压器的标定时,关键是要调节衔铁、移相器、电桥使输出做到正负对称,弄好 了这一步,后面测数据的过程其实很简单。由实验数据我们也可以看到,位移与 电压的关系呈现很高的线性,正负位移时输出基本对称。

最后一个设计实验———PT100 铂热电阻测温实验, 实验电路原理比较简单, 即一个电桥的输出接一个差动放大器。但在实际测量数据时,发现输出电压有很 大的波动, 这可能是外界的干扰所导致的,在一定程度上给我们的读数带来了很 大的误差,这是值得我们组改进的地方。 参考文献 自动检测技术 马西秦 主编 机械工业出版社 信号与控制综合实验 实验指导书第三分册 检测技术基本实验 华中科技大学电气与电子工程学院 实验教学中心 编著 20

电气学科大类 2007 级 《信号与控制综合实验》课程 信号与控制综合实验》 综合实验 实 验 报 告 基本实验三 检测技术 检测技术基本实验 基本实验三:检测技术基本实验 姓名 徐浩...

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