华中科技大学-检测技术实验报告(共15页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上电气学科大类 2007 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 徐浩泽 学号 U 专业班号 07提高班 指导教师 李 红 斌 日 期 2010年1月13日实验成绩 评 阅 人 专心-专注-专业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/内容实验分值评分位置传感器的设计(基于光电器件的角度位置检测装置)教师评价意见总分目 录实验报告实验二十二 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。3、相敏检波器图表 1 相敏检波器电路相敏检波器工作原理：相敏检波电路如 图表 1所示，图为输入信号端，为交流参考电压输入端，为输出端。为直流参考电压输入端。、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、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，从而把端输入的正弦信号转换成半波整流信号。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（一）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、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、用示波器两通道观察相敏检测器、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。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。（二）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。（三）差动变压器零残电压的补偿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？六、实验结果分析（一）了解相敏检波器工作原理图表 2 信号源的波形图表 3 0°同相输入的整流波形图表 4 180°反相输入的整流波形图表 5 输出端的波形图表 6 输出端的波形（二）差动变压器性能检测图表 7 CH1输入信号与CH2输出信号同相位时的波形图表 8 CH1输入信号与CH2输出信号反相位时的波形图表 9 过零翻转时的波形（三）差动变压器零残电压的补偿图表 10 差分放大器输入端的波形图表 11 差分放大器输入经128次平均后的波形图表 12 差分放大器的输出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，引起的，这其中的一些参数是无法完全得到补偿的。在电路调整的过程中可以发现，当调整差分放大器的输出趋近最小的过程中，输出值不但幅值在变化，它与输入信号的相位差也在变化。可以推测出，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。在试验中，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。位置传感器的设计基于光电器件的角度、位置检测装置一、设计目的设计一个检测装置，能检测出被测对象的几种位置状态或者角度状态。设计要求：1、至少能检测出被测对象的四种位置状态。精度要在1cm以内。2、能直观的显示出几种不同的位置状态。并使测量结果是可以被处理器处理的。3、系统的成本要在￥20元以内。4、检测装置不能影响到被测对象的正常工作运动情况。二、设计方案1、传感器设计能检测物体位置的传感器有很多种。如电阻式传感器、霍尔传感器、差动变压器、光电传感器等等。其中：电阻传感器：最经济，但是需要有机械结构与被测对象相连接，会影响被测对象的运动。机械结构设计较复杂。霍尔传感器：需要随被测对象移动，并且需要建立线性变化的磁场，使用不方便。差动变压器：与电阻式传感器类似，缺点也类似。光电传感器：不一定要给被测对象添加额外的负载。种类较多，能适应各种设计的要求。综上，本次设计将采用光电传感器。考虑到设计精度要求不是很高，一般的红外对管器件就能满足设计要求。红外对管有很多种，如反射式、对射式等。其中：反射式：要求物体与对管之间的距离不能太大，而且要有较好的反光性。对射式：要求物体能通过对管之间的较狭小的空间。对物体反光性的要求较容易满足。简单的办法可以在被测对象 上面图反光漆或贴反光纸，而且反光性并不要求完全的镜面反射，白色能较好的漫反射，也可以符合要求。而对射式需要保证被测对象的运动为单一方向的，适应性不如反射式好。本次试验将使用反射式红外对管ST168作为传感器。2、转换器设计图表 13 红外对管转换电路的设计转换电路如 图表 13 所示其中红外发光二极管串接的精密可调电阻作用是调节LED的发光强度，使传感器适应对不同距离的被测对象的感知。100定值电阻作用为保护电阻，防止可调电阻被调至0时LED两端电压过大，烧坏器件。红外三极管串接的10k电阻作用是保证三极管导通时能有较高的输出电压。100电阻同样为保护电阻，防止在调试时输出端接到异常电压上烧坏器件。电路工作原理：LED发出红外光线，如果有被测对象在前方，则被测对象能将红外线反射被红外三极管接受，三极管导通，out端输出高电平，如果没有物体反射红外线，则out端输出低电压。3、处理器设计处理器可以选择各种控制器。MCU、FPGA、DSP等。由于该系统的输入输出关系较为简单，无需使用中控制器。只需使用简单的逻辑们电路即可满足要求。具体的设计电路见 图表 14 的电路图。4、显示器设计显示器可以使用液晶屏、数码管、LED发光二极管等各种输出、显示设备。其中：液晶屏：能显示各种字母、数字、符号等复杂信息，但是需要驱动电路，并且需要控制器件。数码管：能显示数字和部分字母，需要一定的驱动电路，不一定需要控制器件。发光二极管:只能显示两种状态，需要一定的驱动电路。由于处理器使用了简单的逻辑门电路，且显示器部分需要显示的结果比较简单，可以使用简单的一位七段译码器74HC48来驱动一位数码管作为显示器。具体的设计电路见图表 14 的电路图。图表 14 处理器及显示器电路电路的工作原理传感器转换电路输出的高低电压被74HC14施密特触发器转化为数字电路高低电平。其中端口11接位置一的传感器，6接位置二的传感器，13与3并联接位置三的传感器，1接位置4的传感器。当各传感器检测到被测对象时，施密特触发器输出低电平。其中位置一或位置三的传感器的高电压输入可以使74HC00与非门的输出端口3（即译码器最低位输入）输出高电平。位置二或位置三的传感器的高电压输入可以使6输出高电平。位置四的传感器的高电压输入可以使74HC14施密特触发器的输出端8输出高电平。故数码管可以显示出检测到被测对象的传感器的位置号。三、实验所需仪器设备反射式红外对管ST168 四个102精密可调电阻 四个施密特触发器74HC14 一片二输入与非门74HC00 一片数码管译码器74HC48 一片一位八段共阴极数码管 一个五环电阻10k 4个；1k 7个；100 8个5V电源一个四、实验步骤1、按照设计的实验电路图在面包板上搭建实际的测试用的电路。2、检查接线无误后通电。3、分别将物体移近各个红外对管，看数码管的显示是否正确。五、实验结果