检测技术实验报告张丰伟U11871电气1004.docx
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检测技术实验报告张丰伟U11871电气1004
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）
姓名张丰伟学号U201011871专业班号电气1004班
同组者彭永晶学号U201011868专业班号电气1004班
指导教师
日期2013.5.30
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的标定
（一）了解相敏检波器工作原理
（二）差动变压器性能检测
（三）差动变压器零残电压的补偿
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
实验二十三超声波传感器距离测量
教师评价意见
总分
目录
实验评分表-1-
实验二十二差动变压器的标定-3-
一、任务和目标-3-
二、总体方案设计-3-
三、方案实现和具体设计-4-
1．了解相敏检波器工作原理-4-
2．差动变压器性能检测-4-
3．差动变压器零残电压的补偿-5-
4．差动变压器的标定-5-
四、实验设计与实验结果-5-
1．了解相敏检波器工作原理-5-
2．差动变压器性能检测-7-
3．差动变压器零残电压的补偿-8-
4．差动变压器的标定-9-
五、结果分析与讨论-11-
六、实验思考题-11-
实验二十三超声波传感器距离测量-12-
一、任务和目标-12-
二、总体方案设计-12-
三、方案实现和具体设计-12-
四、实验设计与实验结果-14-
五、结果分析与讨论-17-
实验心得-18-
参考文献-18-
实验二十二差动变压器的标定
1、任务和目标
通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。
2、总体方案设计
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的激励，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线圈反向串接而成，相当于变压器的副边。
差动变压器是开磁路，工作建立在互感基础上。
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：
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。
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。
相敏检波电路如图所示，图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。
3、方案实现和具体设计
1．了解相敏检波器工作原理
1 调节音频振荡器输出频率为5kHz，幅值为2V，将音频振荡器0o端接相敏检波器的输入端①，相敏检波器输出端与LPF的输入端连接，LPF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0o、180o，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，用示波器两通道观察相敏检测器输出端的波形变化和电压表电压值的变化。
可以看出，当相敏检波器的输入信号和开关信号同相时，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。
2 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
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。
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
1 根据图接线，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
、
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。
4．差动变压器的标定
1 按图接线，差动放大器增益适度，音频振荡器输出频率5KHz，输出值VP-P值2V。
2 调节电桥
、
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分别接入相敏检波器⑤、⑥端口，用手将衔铁位置压到最低，调节电桥、移相器，当CH1、CH2波形正好同相或反相时，则系统输出可做到正负对称。
旋动测微仪，带动衔铁向上5mm、向下5mm，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并记录。
4、实验设计与实验结果
1．了解相敏检波器工作原理
音频震荡器输出波形：
相敏检波器的输入信号与交流参考电压同相时，相敏检波器输出波形：
相敏检波器的输入信号与交流参考电压反相时，相敏检波器输出波形：
相敏检波器的输入信号与交流参考电压同相时，相敏检波器⑤、⑥的波形：
相敏检波器的输入信号与交流参考电压反相时，相敏检波器⑤、⑥的波形：
2．差动变压器性能检测
用手提变压器磁芯，示波器第二通道的波形过零翻转:
3．差动变压器零残电压的补偿
补偿后的零残电压波形:
补偿后的零残电压波形（取平均128次）:
对补偿后的零残电压进行频谱分析：
补偿后的零残电压频谱波形
由差分放大器的输出波形可以看出，经过补偿后的零残电压主要是基波分量
原因分析：
1、基波分量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。
两个次级线圈的输出不但幅值有不同，相位也有不同，故基波分量无法完全消除。
2、高次谐波分量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。
在实验中，激励电压和电流都很小，铁磁材料还未明显饱和，故差分放大器的输出中谐波分量不是很明显。
4．差动变压器的标定
位移/mm
电压/V
位移/mm
电压/V
5
7.83
9.5
-3.06
5.5
7.69
10
-4.03
6
7.45
10.5
-4.96
6.5
7.13
11
-5.28
7
6.59
11.5
-5.62
7.5
5.64
12
-6.07
8
3.34
12.5
-6.5
8.7248
0.22
13
-6.6
13.5
-6.69
14
-6.77
位移与电压对应关系表
位移与电压对应关系曲线
位移与电压对应关系曲线（校正零点）
灵敏度：
K=-2.0247（V/mm）
非线性度：
γL=±7.04/（7.83-（-6.77））*100%=±48.2192%
5、结果分析与讨论
这次实验很不顺利。
一开始，了解相敏检波器工作原理实验，音频振荡器输出波形中含有一个很大的直流分量，向老师询问，原来是装置老化，内部的调节电位器偏移。
音频振荡器输出的信号不规则，脉动峰值大小不一，还存在反相电压。
变压器性能检测实验时，还算顺利。
连接时接错同名端，调整后继续实验。
零残电压补偿实验，差动放大器输出电压最小时，输出波形频率与激励电压几乎相同，但波形不是正弦波，对其进行傅立叶变换（DTFT），可看出经过补偿后的零残电压主要是基波分量但含有其他谐波。
差动变压器的标定实验，调节衔铁有几乎不变的输出，调节电位器等使输出接近零，将衔铁压到最低，调节移相器使相敏检波器端同相或反相，但调回零点时，电压表示数又跳回3V左右，甚至7V。
后来，换实验台，在这个实验台将衔铁调零，并调同相即输出正负对称，但位移与电压关系并非线性，远离零点时接近线性，但靠近零点时存在较大非线性。
6、实验思考题
1．为什么在差动变压器的标定电路中要加移相器？
其作用是什么？
移相器对音频震荡器产生的震荡波做相位变换的操作，使参考信号的相位能和经过差动变压器与差动放大器的电压信号相符合，实质上是为了抵消差动变压器与差动放大器的相移，使得相敏检波器能工作在0°或者180°相差的条件下
2．差动变压器标定的含义是什么？
为什么要进行标定？
对差动变压器进行标定，是为了建立位移测量系统的输入输出的函数关系，有利于我们了解差动变压器的性能，有助于在需要使用差动变压器的场合选择合适的差动变压器。
实验二十三超声波传感器距离测量
1、任务和目标
通过对超声波传感器具体应用，掌握超声波传感器工作原理，掌握超声波测距电路设计思路和方法。
2、总体方案设计
超声波发生器利用压电晶体谐振工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两级外加电压脉冲信号，其频率等于压电晶体固有震荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板震动，产生超声波；反之，如果两级未加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作震动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波探测器常见的发射频率为35—40kHz，常取40kHz。
常用的超声波传感器有UCM-40T/R系列、T/R40-XX系列等。
谐振频率变高，则检测距离变短，分辨率也变高。
超声波不断发出40kHZ超声波，当遇到障碍物时反射，超声波接收器接收到反射的信号，通过发射和接收信号的时间差可以求出距离。
计算距离公式为：
式中，c为超声波波速，
为接收器接收到信号的时间差。
由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，声波传输速率为
（m/s）
式中，T为绝对温度；C0=331.4m/s。
如果温度不大，则可认为声速是基本不变的，一般认为声速c=340m/s。
3、方案实现和具体设计
设计超声波发射器工作多谐振电路和接受其放大电路，测量超声波发射信号和接受信号的时间差，通过测量值计算距离，并与真实值比较。
1．振荡及超声波发送电路设计如下图所示：
震荡电路
2．接收端放大电路如图所示：
接收端放大电路
3．超声波发送接收电路
超声波发送接收电路
4、实验设计与实验结果
1．连接电路，把超声波发送电路连接在发射器两级，调节频率等于压电晶片固有频率（40kHz）时发射超声波，发射器接示波器。
超声波接收端转化为电信号通过放大电路接示波器。
用示波器CH1，CH2分别观测发射超声波和接收超声波放大后的信号波形。
放大后的波形：
实验室温度T=18oC，此时声速
=342.2m/s
距离
=342.2*（960.0*10^-6）=0.328512m=32.8512cm
使用两块实验板，延长发射、接受距离后
距离
=342.2*（3.600*10^-3）=1.23192m
2．超声波发送接收电路：
按照超声波发送接收电路连接电路，示波器CH1、CH2分别接观测发射超声波波形和接收超声波放大后的信号波形
距离
=0.5*342.2*（5.200*10^-3）=0.88972m
5、结果分析与讨论
实验时，振荡电路输出波形和接收电路放大输出波形都不光滑，有大量噪声。
噪声的干扰严重影响实验操作的效率和数据的精度。
由于接收电路用的运算放大器LM324通频带较低，输出波形类似三角波而不是方波，增大了数据处理的难度，降低了精度。
接线较复杂，节点分布较大，使用12v和5v电源分别作为模拟部分电源和数字部分电源，大量的导线间的引线电感和杂散电容，模拟和数字电路之间的影响，所得波形含有较大的噪声，影响实验精度。
实验任务分配
实验设计讨论
张丰伟、彭永晶
实验元器件购买
彭永晶
实验接线
张丰伟
实验检查与截图
彭永晶
实验资料搜集
张丰伟
实验处理与分析
彭永晶、张丰伟
实验思考题讨论
张丰伟、彭永晶
实验报告编排
彭永晶、张丰伟
实验心得
检测技术包含了很多实用的知识，是一门非常灵活，动手能力很强的学科。
虽然在课堂上学习了很多传感器的知识，但是还是缺乏比较感性的认知，直到做检测实验时才得到了比较深刻的认识。
虽然这次检测技术实验只有两个，但是还是在实验中遇到了不少问题，也学到了不少经验，提升了分析问题和解决问题的能力。
第一个实验室差动变压器的标定，这次对实验装置还是不很熟悉，遇到了不少问题。
如振荡器输出一直有一个很大的直流分量，衔铁调零，调同相后，唯一与电压的关系并非线性，在靠近零点的时候表现出了较大非线性。
一开始试图解决，但是过去一段时间后，并没有有所收获。
于是请老师来指点，才发现原来是装置老化的原因。
第二次是超声波实验，虽然上课讲过，但还是有点陌生，不过原理不是很难。
由于实验中测量距离较短，于是在测量一块实验板的长度后又加了另外一块实验板以便加长长度，也采取了同端发送接收来增加测量长度。
振荡电路输出波形和接收电路放大输出波形有毛刺，干扰影响实验操作的效率和数据的精度是这次实验中遇到的主要问题。
回头再看整个实验阶段，自己的动手能力的确提高不少，与他人协作能力也有提升，最重要的是每一次都认真的去思考，去参与，而不是参考别人数据。
可能实验不成功，不理想，但这就是真实的实验，我们需要的是去寻找原因，去吸取教训。
最后，感谢老师的指导和帮助和同组成员的鼓励与支持，谢谢！
参考文献
【1】《信号与控制综合实验教程》.熊蕊编著.华中科技大学出版，2010年11月第一版.
【2】《传感器与检测技术》.陈杰、黄鸿编著.高等教育出版社，2007年12月
【3】《自动检测技术》.马西秦主编.机械工业出版社，2008年9月
【4】《电力电子应用技术》.叶斌主编.清华大学出版社，2006年5月第一版
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