华中科技大学电气12级检测技术实验报告.docx
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华中科技大学电气12级检测技术实验报告
2012级
《信号与控制综合实验》课程
实验报告
（基本实验三:
检测技术基本实验）
姓名学号专业班号
同组者学号专业班号
指导教师肖霞
日期2015年5月16日
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
（1）相敏检波器工作原理
20
实验二十二
（2）差动变压器性能检测
10
实验二十二（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
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的标定4
实验二十四PT100铂热电阻测温实验14
心得与自我评价20
参考文献21
实验二十二差动变压器的标定
一、实验目的
理解相敏检波工作原理，掌握差动变压器的性能检测及零残电压补偿的方法和原理，学习差动变压测试系统的组成和标定方法。
二、实验原理
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。
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。
造成零点残余电压的主要原因是：
1、一组两个传感器不完全对称，例如几何尺寸不对称、电气参数不对称及磁路参数不对称；
2、供电电源中有高次谐波分量，而电桥只能对基波分量较好的平衡；
3、供电电源很好但磁路本身存在非线性，如导磁材料磁化曲线的非线性使B中产生三次谐波分量。
减少零点残余电压的办法有：
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。
相敏检波器工作原理：
图22-1相敏检波器原理图
相敏检波电路如图22.1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、低通滤波器、
电压表、示波器、测微仪。
四、实验步骤
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，输出幅值2V，将音频振荡器00端接相敏检波器的输入端①，相敏检波器的输出端③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②分别接00、1800，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③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相敏检测器⑤⑥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。
2、差动变压器性能检测：
图22-2差动变压器性能检测电路原理图
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、差动变压器的标定：
图22-3差动变压器的标定电路图
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，
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）记录一电压值并填入表格。
五、实验数据和分析
1、相敏检波器：
1）交流参考输入端②接0°时，波形为：
图22-4差动变压器的标定电路图
分析：
0°时，相敏检波器的输入信号和交流参考信号同相，输出为正极性的全波整流信号，波形不规则的原因：
不是从原点开始整波。
2）交流参考输入端②接180°时，波形为：
图22-5差动变压器的标定电路图
分析：
180°时，相敏检波器的输入信号和交流参考信号反相，输出为负极性的全波整流信号，波形不规则的原因：
不是从原点开始整波。
3）⑤、⑥端的波形为：
图22-6差动变压器的标定电路图
分析：
信号经相敏检波器中整形电路作用后，输入的正弦波被转换成方波（5端输出）。
又经二极管整流后变成负方波。
2、差动变压器性能检测：
1）实验初没有调节时，两波形为同向：
图22-7几乎重合的同向波形图
2）刚好过零时波形：
图22-8过零波形图
3）过零翻转后的反向波形：
图22-9过零翻转后的反向波形
注意：
做过零翻转的实验时要注意差动变压器铁芯的初始位置，当无论如何位移输出电压不能过零翻转时，不一定是由变压器两线圈同名端接反造成，可能是由铁芯初始位置太高或太低造成，实验前要注意调整。
3、差动变压器的标定
1）CH1、CH2波形同相：
图22-10正好同向的波形图
分析：
这是下一步测量前的准备阶段，令CH1、CH2波形正好同相时，系统输出可做到正负对称。
2）旋动测微仪，记录电压值：
初始电压：
Vo=0.00v，初始位置：
9.325mm
表22-1差动变压器上下位移与输出电压记录表
位移/mm
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
电压/V
6.56
6.41
6.20
5.85
4.95
4.57
3.79
2.91
1.91
0.875
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
-4.5
-5.0
-1.06
-2.21
-3.13
-3.96
-4.67
-5.34
-5.81
-6.14
-6.34
-6.47
以位置为X轴，输出电压为Y轴，得到直线：
图22-11差动变压器位移与输出电压关系曲线
（1）采用端基直线法进行拟合：
拟合直线斜率:
K=（6.56+6.47）/（14.325-4.325）=1.303
灵敏度K=1.303V/mm
端基直线方程y=1.303x-12.105；
（2）计算非线性度：
非线性最大偏差ΔL=1.476V
满量程和输出yFS=6.56+6.47=13.03V
非线性度YL=ΔL*100%/YFS=1.476*100%/13.03=11.33%；
分析：
在误差允许范围内，该实验结果与理论值基本一致，比较接近理想的线性关系。
其偏差可能是由仪器本身的误差和操作时上下位移调整不够精确造成。
六、实验思考题
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：
零点残余电压除了影响输入电压的大小，也会改变相位。
而相敏检波器在两输入端相位刚好相同或相反时，输出为正极性或者负极性全波整流信号，电压表才能指示正极性或负极性最大值。
因此需要在差动变压器的标定电路中加入移相器，保证输入参考交流电压与输入电压同相或反相，使系统输出正负对称。
2、差动变压器标定的含义，为什么要进行标定？
答：
差动变压器的标定主要是指确定其输入—输出关系以及静态特性指标。
本实验主要是为仪器表盘确定刻度，使差动变压器衔铁的位移与刻度盘标值一一对应，从而可以通过表盘读出位移；另外也通过数据的处理获得差动变压器的灵敏度等静态特性指标，以了解该仪器的测量效果等，用于指导测量的进行。
实验二十四PT100铂热电阻测温实验
一、任务和目标
通过自行设计热电阻测温实验电路方案，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。
二、总体方案设计（引用实验教材P115）
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℃范围内的温度测量。
2、 PT100 设计参数
PT100铂热电阻A级在0℃时的电阻值R0=（100±0.06）Ω，B级在0℃时的电阻值R0=（100±0.12）Ω，PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表3-1。
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24-1PT100铂电阻分度表
温度
℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
电阻值（Ω）
-40
-30
-20
-10
-0
84.27
88.22
92.16
96.09
100.00
83.87
87.83
91.77
95.69
99.61
83.48
87.43
91.37
95.30
99.22
83.08
87.04
90.98
94.91
98.83
82.69
86.64
90.59
94.52
98.44
82.29
86.25
90.19
94.12
98.04
81.89
85.85
89.80
93.73
97.65
81.50
85.46
89.40
93.34
97.26
81.10
85.06
89.01
92.95
96.87
80.70
84.67
88.62
92.55
96.48
0
10
20
30
40
100.00
103.90
107.79
111.67
115.54
100.39
104.29
108.18
112.06
115.93
100.78
104.68
108.57
112.45
116.31
101.17
105.07
108.96
112.83
116.70
101.56
105.46
109.35
113.22
117.08
101.95
105.85
109.73
113.61
117.47
102.34
106.24
110.12
114.00
117.86
102.73
106.63
110.51
114.38
118.24
103.12
107.02
110.90
114.77
118.63
103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90
119.40
123.24
127.08
130.90
134.71
119.78
123.63
127.46
131.28
135.09
120.17
124.01
127.84
131.66
135.47
120.55
124.39
128.22
132.04
135.85
120.94
124.78
128.61
132.42
136.23
121.32
125.16
128.99
132.80
136.61
121.71
125.54
129.37
133.18
136.99
122.09
125.93
129.75
133.57
137.37
122.47
126.31
130.13
133.95
137.75
122.86
126.69
130.52
134.33
138.13
三、方案实现和具体设计
利用PT100铂热电阻阻值随温度变化的特性，将热电阻阻值的变化通过直流电桥转换为输出电压的变化，从而建立输出电压与温度的关系，用输出电压的大小反映温度的变化。
1、实验电路设计
实验电路设计如图3-1所示。
图24-1PT100铂热电阻测温实验电路设计图
设计说明：
（1）为将热电阻阻值随温度的变化转化为电信号，采用直流电桥结构，将电阻的变化转为直流电桥输出电压的变化；
（2）由于电桥输出电压很小，故采用三个通用运算放大器组成仪用放大器，将电桥输出电压放大后输出，便于观察和记录；
（3）运放的输入电流约为0，输入电阻约为无穷大，之所以采用仪用放大器就是为了使放大电路的输入电阻很大，使其不会对电桥的输出电压造成影响。
（4）热电阻的两根引线被分配给两个相邻桥臂，可将因环境温度变化引起的引线电阻值变化产生的误差互相抵消。
2、电路参数设计
直流电源采用+5V，为使PT100热电阻的电流不超过5mA，可令R1=R2=1kΩ；在室温（设为20℃）下，Rt0=107.79Ω，调节R4使电桥输出平衡，即
。
保持R4不变，在65℃时Rt=125.16Ω，此时电桥输出电压
满足以下关系式：
其中，
，可以看出
，故
。
为使输出电压在65℃时接近4V，仪用放大器的放大倍数Av=4/0.077≈52。
选取仪用放大器放大倍数为50倍，由电路结构可知，
，若要使Av=50，则可令R5=R7=10kΩ，R6=20kΩ，R8=100kΩ，按此参数可以达到要求。
根据上述过程可以推出输出电压与输入电压的关系如下：
其中，Rt0=107.79Ω，∆Rt=Rt-Rt0，由于∆Rt与温度T近似成线性关系，故输出电压Uo与温度T也近似满足线性关系。
3、电路元器件选择
根据实验设计，本实验需要选择LM324芯片一块（通以±12V直流电压运行），1kΩ电阻两个，10kΩ电阻3个，20kΩ电阻2个，100kΩ电阻2个，1kΩ电位器一个，PT100铂热电阻一个，5V直流电源以及实验电路板。
四、实验设计与实验结果
按照设计电路和各元件参数搭建实验电路，在室温下调节R4使直流电桥达到平衡，记录此时的温度。
保持R4不变，打开实验台上的加热开关，在室温至65℃的范围内逐渐提高温度值，每2℃一次记录正向实验在不同温度下的输出电压。
正向完成后停止加热，让温度从65℃逐步降至室温，同样记录反向实验在不同温度下的输出电压。
记录实际测量数据并计算理论实验值，得到数据如表3-2中所示。
表3-2实验数据与理论数据记录表
T/℃
R（理论）/Ω
U/V
22
108.57
0.01
24
109.35
0.1
26
110.12
0.18
28
110.9
0.3
30
111.67
0.43
32
112.45
0.56
34
113.22
0.68
36
114
0.81
38
114.77
0.95
40
115.54
1.23
42
116.31
1.36
44
117.08
1.54
46
117.86
1.73
48
118.63
1.95
50
119.4
2.1
52
120.17
2.24
54
120.94
2.37
56
121.71
2.53
58
122.47
2.66
60
123.24
2.78
62
124.01
2.92
64
124.78
3.04
65
125.16
3.16
根据实验得到的数据绘制输出电压与温度的关系曲线，得到如图24-2所示的实验曲线。
对实验的关系曲线做线性拟合可得到其拟合直线如图中所示。
图3-2PT100铂热电阻测温实验输出电压与温度关系曲线
五、结果分析与讨论
1、根据实验数据和波形可以看出，设计电路的输出电压与铂热电阻的温度基本呈现一个线性关系，实验结果与理论结果基本符合，实验验证了理论的结果。
2、正向实验所得特性曲线的非线性误差通过实验结果可以得到，线性度
，根据实验曲线可以知道
，满量程输出
，故可得线性度为
；
3、反向实验所得特性曲线的非线性误差通过实验结果可以得到，线性度
，根据实验曲线可以知道
，满量程输出
，故可得线性度为
；
4、由实验数据可以看出，正反向实验得到的实验波形有差异，故存在迟滞现象，根据实验结果可以计算其迟滞误差，
，根据实验曲线可以知道
，满量程输出
，故可得迟滞误差为
；
5、由上述分析可知，实验所得到的非线性误差和迟滞误差较大，降温过程的实验曲线与理论更接近，而升温过程误差较大。
分析原因可能是温度上升速度过快，PT100铂热电阻来不及反应，在温度上升的时候电阻的反应不够快，从而出现了较大的误差；同时还有可能是因为温度对引线的影响在设计中没有完全消除，从而引起误差。
当然线路中的阻抗以及元器件标称值与实际值有差距等都会造成误差。
为了减小误差，可以选用更加精确的元器件；使用阻值更大的电阻来削弱线路阻抗的影响；在设计中将温度对引线的影响降到最小；同时通过调整加热电阻的大小和铂热电阻的位置来控制温度上升的速度，从而减小误差。
心得与自我评价
本次实验主要运用的是自动检测技术以及模拟电子技术的知识，通过此次实验，我对所学过的知识有了更进一步的认识和理解。
实验中，我也有不少收获。
实验二十二是差动变压器的标定的研究。
通过实验，我对相敏检波器的工作原理及作用有了更深的认识，对差动变压器性能检测的方法有了更深的了解，对差动变压器零点残余电压的成分和补偿方法及结果有了更多认识。
实验二十四是PT100铂热电阻测温实验。
通过实验，我自己动手做了设计，在实践中我对相关理论知识有了更深的理解，认识到铂热电阻的电阻值与环境温度的线性关系。
通过设计，我也对直流电桥的使用和分析有了更深的理解和更多的经验，对于仪用放大器的设计能力和分析能力也有了进一步的提高。
实验中我和同伴也遇到了一些困难，例如波形不正确、电路连接出错等等，不过经过冷静的思考和不懈的探究，最后问题都得到了解决。
通过实验，自己的设计能力和分析能力得到了提高，我也更加明白认真细心并且充分的预习对于实验的重要性，同时也认识到坚强的理论知识储备在实验中也是不可或缺的。
此外，在实验报告的整理过程中，通过数据处理、画图、求非线性度等要求，我提高了分析数据和图形的能力，也对检测课本上非线性度等的概念有了进一步的认识。
最后，感谢老师在实验过程中对我们指导，谢谢老师一直以来耐心的讲解，我们才终于有了最后的收获。
参考文献
[1]《信号与系统综合实验指导书》.华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心.2009年7月.
[2]《传感器与检测技术》陈杰,黄鸿著高等教育出版社.2002年8月.
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