检测技术实验报告.docx
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检测技术实验报告
2012级
《信号与控制综合实验》课程
实验报告
（基本实验一:
信号与系统基本实验）
姓名李鹏飞学号U201211783专业班号电气1204
同组者1毛春翔学号U201211804专业班号电气1204
同组者2学号专业班号
指导教师
日期2015-5-17
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
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
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
PT100铂热电阻测温实验
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
一、差动变压器性能检测································1
二、差动变压器零残电压的补偿··························1
三、差动变压器的标定··································3
四、PT100铂热电阻测温实验····························5
五、实验结论··········································9
六、心得与自我评价···································9
七、参考文献·········································10
一、差动变压器性能检测
一、实验步骤
（1）、按图1-1所示接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器Lv端功率输出。
图1-1、差动变压器接线示意图
（2）、音频振荡器输出频率5kHz，输出Vp-p值为2V。
（3）、用手提变压器铁芯，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连接方式。
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。
、
二、实验现象与结论
当提起和放下变压器磁芯时，输入输出波形如图1-2所示。
图1-2、提起和放下变压器磁芯时输出波形
由图1-2可以看出，用手提变压器铁芯，差动变压器输出波形可以过零反转，可以反映出位移的方向。
二、差动变压器零残电压的补偿
一、实验步骤
（1）、按图2-1所示接线，差动放大器增益跳到最大，音频Lv端输出Vp-p值为2V，调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。
图2-1、差动变压器零残电压补偿实验接线
（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Rp1、Rp2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。
二、实验现象与结论
补偿后的零残电压及其放大后波形如图2-2所示。
图2-2（a）、零残电压波形
图2-2（b）、放大后的零残电压
由图2-2可以看出，补偿后的零残电压主要是直流分量和高次谐波分量（主要是三次谐波）。
其中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出非正弦波的电动势。
三、差动变压器的标定
一、实验步骤
（1）、按图3-1所示接线，差动放大器增益适度，音频振荡器Lv端输出频率为5kHz，Vp-p值为2V。
图3-1、差动变压器标定实验接线
（2）、调节电桥Rp1、Rp2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政府对称。
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）记录一次电压值。
二、实验结果与分析
实验测得位移与电压对应关系表如表3-1所示。
表3-1、位移与电压对应关系表
位移/mm
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压/V
0.3
0.6
0.9
1.19
1.46
1.73
2.01
2.27
2.5
2.75
位移/mm
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
-4.5
-5.0
电压/mm
-0.25
-0.57
-0.86
-1.15
-1.43
-1.7
-1.95
-2.19
-2.43
-2.65
将表中数据绘成曲线，并进行过零线性拟合，如图3-2所示。
图3-2、差动变压器的输入输出特性曲线
传感器的灵敏度就是过零拟合直线的斜率，计算如下：
拟合直线的方程如上图所示：
将实验测得各位移点的电压输出值与拟合直线上的电压值比较如表3-2所示。
表3-2、输入输出曲线与拟合直线输出电压比较
位移/mm
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
-4.5
-5.0
电压/V
-0.25
-0.57
-0.86
-1.15
-1.43
-1.7
-1.95
-2.19
-2.43
-2.65
拟合直线/V
-0.252
-0.53
-0.808
-1.086
-1.364
-1.642
-1.92
-2.198
-2.476
-2.754
△L/V
0.002
-0.04
-0.052
-0.064
-0.066
-0.058
-0.03
0.008
0.046
0.104
位移/mm
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压/mm
0.3
0.6
0.9
1.19
1.46
1.73
2.01
2.27
2.5
2.75
拟合直线/V
0.304
0.582
0.86
1.138
1.416
1.694
1.972
2.25
2.528
2.806
△L/V
-0.004
0.018
0.04
0.052
0.044
0.036
0.038
0.02
-0.028
-0.056
由表3-2可知，差动变压器输入输出曲线与其拟合直线的最大误差出现在位移为-5mm时，
=0.104，故非线性度为：
通过实验可知，差动变压器可以作为位移传感器使用，其输出电压的相位反映了位移的正负，输出电压的大小与位移大小成正比。
三、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、差动变压器标定的含义是什么？
为什么要进行标定？
答：
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。
标定的主要作用是：
（1）、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；
（2）、确定仪器或测量系统的静态特性指标；
（3）、消除系统误差，改善仪器或系统的正确度；
（4）、在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。
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4-1。
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。
表4-1、PT100铂电阻分度表
二、实验目的
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。
掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。
三、实验内容
设计PT100测温实验电路方案。
测量PT100的温度与电压的关系，要求测量范围为室温～65℃，温度测量精度为±2℃，输出电压为0～4V，输出以电压方式记录。
通过测量值进行误差分析。
四、实验步骤
（1）、完成系统方案设计（信号输入及放大）。
（2）、测量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。
（3）、根据实验内容要求，拟定设计实验步骤。
五、实验设计
单臂电桥测温电路如图4-1所示。
图4-1、单臂电桥测温电路
图中Rpt为铂热电阻，取R1=R2=350Ω，Rp为电位器，其阻值调节至与Rpt在室温（20℃）下的阻值相等，使得电桥在室温下处于平衡状态，输出Uo1=0。
由实验要求，PT100上通过的电流不能大于5mA，则电桥输入电压U应满足：
解得U≤2.25V。
取电源电压E=2V。
当温度升高时，Rpt阻值升高，设电阻的变化值为△R，则此时电桥的输出：
设差动放大器的增益为K。
根据实验内容要求，测温范围为室温（20℃）～65℃，输出电压为0～4V，查分度表可知，65℃时，Rpt（65℃）=125.16Ω。
由
解得K≤141。
已知差动放大器的增益表达式
，
故取R3=10kΩ,R4=100kΩ,R1=10kΩ，R2=50kΩ。
按实验电路图连接电路，首先在室温下调节Rp使Uo=Uo1=0，然后开始加热铂热电阻，记录输出电压Uo。
六、实验结果与分析
实验时，室温为22℃，升温过程记录输出电压Uo，如表4-2所示。
表4-2、温度变化时测温电路的输出电压
温度/℃
22
25
28
31
34
37
40
43
Uo/V
0.0165
0.126
0.296
0.424
0.588
0.7
0.863
1.004
温度/℃
46
49
52
55
58
61
64
67
Uo/V
1.209
1.433
1.6
1.809
1.99
2．188
2.386
2.624
由表4-2数据绘得温度-电压曲线及其端基线性拟合直线如图4-2所示。
图4-2、温度-电压曲线及其拟合直线
PT100测温电路的灵敏度即为图中拟合直线的斜率，故
则拟合直线的方程为：
将各温度点对应的输入输出曲线中的Uo与拟合直线上的Uo比较如表4-3所示：
表4-3、输入输出曲线Uo与拟合直线Uo比较
温度/℃
22
25
28
31
34
37
40
43
Uo/V
0.0165
0.126
0.294
0.424
0.588
0．7
0.863
1.004
拟合直线/V
0.016513
0.19033
0.364153
0.537973
0.711793
0.885613
1.059433
1.233253
△L/V
0.00013
0.0643329
0.0701529
0.1139729
0.1237929
0.1856129
0.1964329
0.2292529
温度/℃
46
49
52
55
58
61
64
67
Uo/V
1.209
1.433
1.6
1.809
1.99
2.188
2.386
2.624
拟合直线/V
1.407073
1.580893
1.754713
1.928533
2.102353
2.276173
2.449993
2.623813
△L/V
0.1980729
0.1478929
0.1547129
0.1195329
0.1123529
0.0881729
0.0639929
0.0001871
温度-电压曲线与其拟合直线的最大误差出现在t=43℃时，故非线性误差：
七、误差分析与改进方案
实验中造成输入输出非线性误差的原因有：
（1）、由于在计算电桥输出表达式
时，忽略了分母中的△R/R，而当温度较高时，铂热电阻的阻值变化△R相对于Rpt（20℃）以及R1、R2已不能忽略，使得电桥的输入与输出不再满足线性关系；
（2）、放大器的零点漂移及和输出的非线性。
对于以上亮点造成误差的原因，提出如下改进方案：
（1）、选用精密度更高、线性度更好的仪用放大器代替差动放大器。
五、实验结论
在“差动变压器性能检测”实验中，合理地选择两个次级线圈同名端的接法，可以使差动的变压器输出电压的相位正确的反映位移的正负；
在“差动变压器零残电压的补偿”实验中，我们发现零残电压主要是直流分量和高次谐波分量（主要是三次谐波），其中高次谐波分量是由于导磁材料磁化曲线非线性引起的；
在“差动变压器的标定”实验中，通过测量衔铁不同位移时差动变压器的输出电压，以及对输入输出曲线进行线性拟合，我们发现差动变压器的输出电压与位移有着良好的线性关系，输出电压的相位反映了位移的正负，输出电压的大小反映了位移的大小。
在“PT100铂热电阻测温实验”中，我们自行设计测温电路，通过电桥将铂热电阻的阻值变化转换成电压变化，并通过参数的配合保证了输入输出之间的线性关系。
根据实验数据绘出的温度-电压曲线，说明了铂热电阻的阻值变化与温度变化呈线性关系。
六、心得与自我评价
前三个验证性实验相对比较简单，由于事先做好了预习工作，对差动变压器的原理进行了复习与巩固，实验过程较为顺利，数据也具有良好的线性度。
在设计性实验中，过多的设计要求使得整个电路设计无从下手，既要考虑铂电阻的限流问题，又要满足输出电压0～4V的要求，尝试着画了几个简单的电路图，却总能分析出这样那样的问题。
与同组同学的讨论也进行的非常激烈，从电阻参数的计算到放大器型号的选择，甚至在实验之前就到实验室测试现有的器材。
直到所有的设计要求都满足之后，我们才完成了预习报告。
正是事先充分的准备设计和周密的分析考虑，正式实验时不到一个小时便完成了任务。
在实验报告的撰写过程中，我对拟合直线、灵敏度、线性度误差等知识进行了复习，尤其是在计算线性度误差时，需要对每个数据点都计算出输入输出曲线与拟合直线之间的误差，以便找出其中的最大偏差。
这更让我体会到，一次完整的实验，从预习设计、到动手实验、再到最后的处理分析，每一步都必须严谨细心，才能保证实验的成功，得到正确的结论。
七、参考文献
【1】信号与控制综合实验教程.熊蕊.华中科技大学出版社.2005
【2】自动检测技术.马西秦.机械工业出版社.2000
【3】电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社.2006
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