华中科技大学电气学院检测技术实验报告.docx
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华中科技大学电气学院检测技术实验报告
2011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：
电气1103
指导教师
日期2014/5/2
实验成绩
评阅人
实验评分表
基本实验
实验编号名称/内容（此列由学生自己填写）
实验分值
评分
22.差动变压器
80
22-1相敏检波器
20
22-2差动变压器的性能检测
10
22-3差动变压器零残电压的补偿
20
22-4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
24PT100铂热电阻测温实验
0～40
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
实验一了解相敏检波器工作原理4
实验二差动变压器性能检测6
实验三差动变压器零残电压的补偿8
实验四差动变压器的标定9
实验五PT100铂热电阻测温实验11
实验结论14
心得与体会14
参考书目15
实验二十二差动变压器的标定
一、实验目的
通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。
二、实验原理
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。
（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：
（1）、从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对程；
（2）、采用相敏检波电路；
（3）、选用补偿电路。
图1相敏检波器电路
三、实验所需部件
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、低通滤波器、电压表、示波器、测微仪
四、实验仪器设备
CSY10A型传感器系统实验仪一台
TDS210数字示波器一台
五、实验步骤
1.了解相敏检波器工作原理
（1）、用示波器两通道观察相敏检测器插口⑤、⑥的波形。
（2）、用示波器两通道观察相敏检测器①、②端口的波形，适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察当输入信号与参考信号的相位改变180°时，示波器中波形变化和电压表电压值变化。
实验结果：
1）0°同相输入的整流波形
图2.10°同相输入的整流波形
2）180°反相输入的整流波形
图2.2180°反相输入的整流波形
3）输出端⑤、⑥的波形
图2.3输出端⑤、⑥的波形
实验结果分析：
根据实验所得图形，可以看到通过相敏检波电路，我们得到全波整流波形。
相敏检波器的5，6端输出得到方波信号。
2.差动变压器性能检测
（1）按下图接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出。
图3.1差动变压器性能检测电路原理图
（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。
实验结果:
图3.2输入输出反相时
图3.3输入输出同相时
实验结果分析：
根据图中得到的结果，可以看到在调节衔铁与二次绕组的相对位置发生改变时，输入输出相位差发生改变，变为反相。
第二通道波形可以实现过零翻转，两个次级线圈反向串联。
但此时有零点残余电压，幅值不为零，只是幅值很小。
3.差动变压器零残电压的补偿
图4.1差动变压器的零点补偿电路
（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。
（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？
实验结果：
图4.2零残电压波形
实验结果分析：
从实验波形图中可以看出在进行补偿后，零点残余电压有了改观，残余电压减小了一半左右，波形主要是基波分量，但存在较大的三次谐波分量。
主要是由于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，产生了非正弦波磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
4.差动变压器的标定
（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值为2V。
图5.1差动变压器的标定电路图
（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。
实验结果：
（位移中“-”表示下移，）
表1差动变压器的标定
位移/mm
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3．5
4
4.5
5
电压/V
0.83
1.7
2.5
3.25
3.95
4.65
5.11
5.56
5.94
6.2
位移/mm
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
-3.5
-4
-4.5
-5
电压/V
-0.68
-1.20
-1.80
-2.38
-2.90
-3.41
-3.89
-4.35
-4.82
-5.52
0V时，旋动测微仪在23mm处
图5.2位移与电压对应关系
灵敏度：
k=Δy/Δx=（6.2+5.52）/10=1.172
线性度：
=Δ
=0.48/（6.2+5.32）=4.10%
实验二十四PT100铂热电阻测温实验
一、实验原理
1.铂热电阻工作原理
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。
2.PT100设计参数
PT100铂电阻A级在0℃时的电阻值R0=100±0.06Ω；B级R0=100±0.12Ω，PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表23-1。
PT100R允许通过的最大测量电流为5mA，由此产生的温升不大于0.3℃。
设计时PT100上通过电流不能大于5mA。
设计参数参考PT100铂电阻分度表。
二、实验目的
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。
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0~4V，输出以电压方式记录。
3．通过测量值进行误差分析。
四、实验设备
PT100铂热电阻；检测技术通用实验板或面包板；CSY10A型传感器系统实验（带有加热器可供使用））；双路直流稳压电源；数字万用表。
五、实验步骤
1.完成系统方案设计（信号输入及放大）；
实验方案电路图设计：
图6.1PT100铂热电阻测温实验电路图
元件参数标注在电路图中。
选用实验室提供标准之流电源4V。
具体方案设计，及参数选取以及放大倍数设定见纸质档实验设计报告。
2.测取PT100温度传感器的有关数据（电压、温度变化量等），计算非线性误差。
测取结果如下：
表2PT100铂热电阻温度-电压特性关系
T/℃
第一组：
U/V
第二组：
U/V
第三组：
U/V
平均值：
U/V
22
0.01
0.01
0.01
0.01
24
0.01
0.01
0.01
0.01
26
0.01
0.01
0.01
0.01
28
0.19
0.18
0.22
0.20
30
0.41
0.39
0.43
0.41
32
0.62
0.6
0.64
0.62
34
0.83
0.8
0.84
0.82
36
1.05
1.01
1.04
1.03
38
1.24
1.22
1.24
1.23
40
1.44
1.43
1.45
1.44
42
1.65
1.64
1.66
1.65
44
1.84
1.84
1.86
1.85
46
2.03
2.02
2.05
2.03
48
2.23
2.2
2.24
2.22
T/℃
第一组：
U/V
第二组：
U/V
第三组：
U/V
平均值：
U/V
50
2.42
2.38
2.43
2.41
52
2.58
2.55
2.61
2.58
54
2.73
2.72
2.76
2.74
56
2.86
2.88
2.89
2.88
58
3.02
3.02
3.08
3.04
60
3.14
3.14
3.19
3.16
62
3.28
3.26
3.33
3.29
64
3.4
3.35
3.43
3.39
65
3.5
3.48
3.5
3.49
图6.2PT100热电阻温度-电压曲线
计算灵敏度：
k=Δy/Δx=（3.49-0.01）/（65-22）=0.081
计算线性度：
=Δ
=0.15/（3.49-0.01）=4.31%
由实验得到的图形可以看到，实验所得的数据基本上符合实验要求,满足线性关系，而且幅值在0-4V内变化。
但由于在室温时差动变压器的校零调整存在一定的误差，因此在室温周围的几个测量点处始终为0.01V。
实验结论
1.差动变压器是一种互感式的变压器传感器，在差动变压器的特性曲线中，零点残余电压是差动放大器的一个特性，零点残余电压的补偿对灵敏度的提高以及线性化有着很大的影响，通过零点电压的补偿，可以的得到较为理想的特性曲线，得到很好的灵敏度。
2.铂电阻实验中，铂电阻的电阻变化与温度变化呈线性关系，这样就为传感器的线性化奠定了基础，而线性化就给计算等带来了方便。
3.由于PT100铂热电阻温度变化相对于温度传感器有一定的滞后，（铂电阻吸热到变化要慢于温度传感器的触端），因此，测量结果与理想结果有一定的误差。
心得与自我评价
在这两次检测实验中，第一次验证性实验是差动变压器的相关实验，包括相敏检波，差动变压器性能检测，零残电压以及标定。
实验较为容易，但需要事先理解差动变压器的工作原理，了解相敏检波器的工作原理。
在差动变压器的特性曲线中，零点残余电压是差动放大器的一个特性，零点残余电压的补偿对灵敏度的提高以及线性化有着很大的影响，通过零点电压的补偿，可以得到较为理想的特性曲线，得到很好的灵敏度。
在差动变压器的标定实验中，衔铁在边界处移动时存在较大的误差。
因为离电感线圈距离变化也会对测量精度产生影响。
设计性实验中，首先是设计桥式电路，选择差动运放，实现信号输入与输出。
然后根据PT100铂电阻分度表，选择其他桥臂的电阻和电位器的阻值大小。
保证PT100上通过电流不能大于5mA，以及输出电压为0-4V，选择差放的放大倍数。
在实验过程中，主要遇到了三大问题。
第一是线路中有根线断路了，通过逐一排查检测了出来。
第二个问题是电位器调零时，很难确定具体的大小，相对于本实验的高精确度，存在较大误差，这也是室温附近测量值均为0.01V的原因。
第三个问题就是差放的选择，第一次实验时，选用的是实验台上的差放，并调零，调节了增益，但始终得不出相应的实验结果，最终发现在其增益调为80的时候，正负极的放大倍数不同，导致输出始终显示-10.17V。
第二次实验时选用了自己的LM324，根据实验图连接很快得到了相应的实验结果，同时根据实验中的误差，适量减小了放大增益，最终保持了输出电压在0-4V范围之内。
总结两次实验，第一次验证性实验要了解实验原理可以很快地做出来；第二次设计性实验则要细心地设计实验参数，耐心地解决实验中遇到的问题。
在这两次实验中也锻炼了自己的实验动手能力，更加深刻的理解了书上对应的理论知识，也暴露出自己在自主设计实验方面的不足，需要不断实践，积累相关经验。
参考文献
1.马西秦自动检测技术（第三版）北京：
机械工业出版社，2008.9
2.熊蕊信号与控制综合实验教程武汉：
华中科技大学出版社，2010.11
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