华科检测技术实验报告.docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上电气学科大类 2011 级信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验四: 检测技术基本实验)姓 名 学 号专业班号 同组者1 学 号专业班号 同组者2 学 号 专业班号 指导教师 日 期 年月日 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分差动变压器的性能检测10差动变压器零残电压的补偿20差动变压器的标定1020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专心-专注-专业目录实验二十二 差动变压器的标定一. 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

2、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。二. 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。三. 实验仪器：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、测微仪实验二 差动变压器性能检测一. 实验原理：差动变压器中有衔铁，通过上下移动衔铁改变衔铁的位置可以改变差动变

3、压器的第二通道中的感应电压，当两绕组的同名端连接适当时，根据输出电压的正负可以判断两绕组产生的电压大小。二. 实验步骤：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1-2-1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。三. 数据记录及数据处理1. 输入输出同相时：图1-2-1 测量距离为15.2320mm时输入输出同相时波形2. 输入输出反向时：图1-2-2 测量距离

4、为0.3752mm时输入输出反相时波形3. 输出过零时：图1-2-3 测量距离为10.5297mm时输出过零时波形四. 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，由同相变为反相。第二通道过零时的波形，此时有零点残余电压，幅值不为零，只是幅值很小。零点残余电压表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在某个输出值U。实验中可以测量到零点残余电压约为200mv。需要进行零点残余电压补偿。下图为差动变压器的输出特性曲线：图1-2-2 差动变压器输出特性实验三 差动变压器零残电压的补偿一. 实验原理：1. 零残电压中主要包含两种波形成份：（

5、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. 零点残余电压的原因：（1）复阻抗不容易达到真正平衡（2）磁化曲线的非线性产生高次谐波（3）各种损耗

6、（4）分布电容的影响差动变压器零点补偿时，在补偿电路法中有加串联电阻，加并联电容等，先采用并联电阻法。通过调整WA和WD的阻值调整，可以达到零点残余电压的补偿。二. 实验步骤：图1-3-1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？三. 实验数据及数据处理1.

7、实验得到的输出过零波形图如下：图1-3-2 测量距离为10.0857mm时输出过零波形2. 输出放大图像为：图1-3-2 输出过零放大波形四. 结果分析通过图像图可以看出，零点残余电压是很大的，在进行补偿后，零点残余电压反而比未补偿时更大了，可能是由于差动放大器的灵敏度过高，导致零点漂移程度随温度、时间变化。而且理论上在零点残余电压补偿过后其分量应该已三次谐波为主要分量，而实验所得数据中并非三次谐波分量，可见实验结果并非很理想。分析实验的不足，主要在于零点残余电压补偿时的调节过程。实验四 差动变压器的标定一. 实验原理：传感器的标定分为静态标定和动态标定。静态标定是确定传感器静态特性指标，动态

8、标定是确定传感器的动态特性参数，根据需要也对温度响应、环境影响等进行标定。本实验采用绝对标定法进行标定。二. 实验步骤（1）按图22- 7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。图1-4-1 差动变压器标定实验接线（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、端口，用手将衔铁位置压到最低，调节电桥、移相器，当CH1、

9、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。三. 实验数据及数据处理表22-1 差动变压器的标定实验数据表位移/mm-50.000 -45 .000-40.000 -35.000 -30.000 -25.000 -20.000 测量电压/V-5.15 -4.68 -4.36 -4.13 -3.69 -3.25 -2.79 端基拟合结果/V-5.11 -4.52 -3.93 -3.34 -2.75 -2.16 -1.57 线性偏差/V-0.05 -0.16 -0.43 -0.79 -0.94 -1.0

10、9 -1.22 位移/mm-15.000 -10.000 -5.000 0.000 5.000 10.000 15.000 测量电压/V-2.33 -1.77 -0.90 0.14 0.98 1.87 2.56 端基拟合结果/V-0.98 -0.39 0.20 0.79 1.37 1.96 2.55 线性偏差/V-1.35 -1.38 -1.10 -0.65 -0.39 -0.09 0.01 位移/mm20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 测量电压/V3.41 4.19 4.69 5.41 5.92 6.35 6.72 端基拟合结果/

11、V3.14 3.73 4.32 4.91 5.50 6.09 6.68 图1-4-2 差动变压器的标定试验曲线差动变压器标定实验结果如上图中电压曲线所示，采用端基拟合方式，得到拟合直线为y=0.785+0.1178x，测量范围为-5.15V+6.68V，量程L=11.83V。灵敏度k=0.1178。最大偏差Lm=-1.38V，则线性度。四. 结果分析从分析出的线性度来看，所得数据不是很理想，线性误差较大，而且从端基拟合直线方面看，直线存在较大的零点偏差，分析误差原因为：1. 线圈中通过电流较大，铁心饱和程度高。2. 电源电压中的三次谐波以及放大器调零时残存的基波分量，导致零点残余电压较大。3.

12、 差动线圈中铁心磁化强度高，剩磁较大，迟滞效明显。五. 试验思考题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？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：标定的含义是：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；确定仪器或测

13、量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或系统的正确度。标定的主要作用是：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；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或系统的正确度。实验二十四 PT100 铂热电阻测温实验一. 实验目的1通过自行设计PT100铂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。二. 实验原理1. 铂热电阻测温机理：在金属导体两端加电压后，自由电子形成有规律的定向运动，使导体导电。当温度升高时由于自由电子获得较多的能量，能从定向运动中挣脱出来，从而定向运动被削

14、弱，导电率降低，电阻率增大。2. 铂热电阻结构：由一定材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制法，由于通过两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消。图2-1-1 PT100温度传感器内部无感绕线结构3.铂热电阻温度特性阻值与温度的关系成近似直线，在-259.34-630.74度范围内可作温度标准仪器。特性关系：-2000 +0650 式中R0Rt为温度0和t时的电阻值。温度0时，R0的公称值是100。其中，。表2-2-1 PT100温度传感器分度表 4. 百度电阻比：铂电阻的性质与铂的纯度有关 纯度越高，电阻值越准；三

15、. 设计要求1. PT100铂热电阻参数要求：允许最大电流Imax=5mA（在此工作状态下醉大电流温升为0.3）2.输出要求：测量温度范围是常温65，对应输出电压范围为04V四. 试验方案设计与分析1. 测温电桥的设计方案一：采用输出对称型电桥图2-4-1 输出对称型电桥在常温下，。其中R1为PT100铂热电阻，R2为可变电阻，目的是为在常温下调解R2，使邻臂电桥上的变化得以抵消，使得测量结果从零开始。由于允许最大电流Imax=5mA，考虑到一定的安全裕度，计算时取Im=4.5mA。假设实验时室温为20，对应PT100分度表可知为107.79，则取其在0下的电阻值计算参数，既可以保证测量准确裕

16、度，而且计算方便。设计输入电压大小计算电桥输出灵敏度：方案二：采用电源对称型电桥图2-4-2 电源对称型电桥在常温下，。其中R1为PT100铂热电阻，R3为可变电阻，目的是为在常温下调解R3，使邻臂电桥上的变化得以抵消，使得测量结果从零开始。取输入电压E=4V由于允许最大电流Imax=5mA，考虑到一定的安全裕度，计算时取Im=4.5mA。假设实验时室温为20，对应PT100分度表可知为107.79，则取其在0下的电阻值计算参数，既可以保证测量准确裕度，而且计算方便。设计固定电阻阻值大小所以取R2=900-100=800，则计算电桥输出灵敏度：故通过对比可知，采用电源对称型电桥，其灵敏度较大，

17、反应输入量变化更敏感，抗干扰能力更强。2. 输出放大路的设计本设计采用仪用放大电路，其优点有：（1）输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；（2）一定的放大倍数和稳定的增益；非常适宜工作在小信号的放大测量中，但缺点是其工作条件是上下电路参数对称，如果想改变某一个电阻的参数必须同时变化对称的两个电阻。方案一：采用简单仪用放大电路图2-4-3 简单仪用放大电路其放大系数优点： 使用到的电阻元件少，电路相对简单电路放大系数分析非常简单缺点： 电路增益不易改变（同时改变两个对称的电阻值）第一级放大器的放大效果没有体现。方案二：采用增益可变仪用放大电路图2-4-4 增益可变仪用放大电路其中R7为可变电阻，用于

18、调解输入温度为65时，输出电压达到4V.放大系数优点： 电路增益易于改变，只要调解R7阻值即可第一级放大器的放大效果体现。缺点： 电路设计复杂，计算分析也不方便。综合实验要求，故选择方案二作为输出放大电路。具体参数涉及如下。根据PT100分度表，假设室温为20，P1=107.79，当测量温度达到65时，得出此时P1=125.16。则电桥的输出为：理想放大系数取放大系数为A =50设计（减小R7可以增大放大系数）取R5=20k，R1=10k，R2=100k，R7max=10k计算得放大系数为：五. 实验器材1. PT100铂热电阻2. 双路直流稳压器3. 数字万用表4. 面包板及若干导线5. 可

19、变电阻：100和10k各一个6. 固定电阻：1001,8002,10k2,20k2,100k27. 芯片：LM324六. 实验步骤1. 按照下图在面包板上连接电路-+图 2-6-1 PT100测温装置电路图 2-6-2 LM324芯片引脚图2. 在测试电路前，先调节两个可变电阻R3， R16为最大值3. 接通电源，将铂热电阻至于室温下，记录室温大小，并调节调零电阻R2使输出端输出0V；4. 加热铂热电阻，使铂热电阻温度达到65，此时调解调满电阻R16，时输出端电压为4V。5. 在极值温度下满足条件，对电阻进行细微调节，使铂热电阻从室温到65，以2为一级，正反行程分别测量三组，记录实验台上的温度

20、，以及测量电路输出值。七. 实验数据及数据处理表 2-7-1 PT100测温装置的输出结果（室温t=19）温度/正行程1/V反行程1/V正行程2/V反行程2/V正行程3/V反行程3/V190.165 0.193 0.170 0.199 0.174 0.207 210.316 0.295 0.321 0.301 0.319 0.317 230.448 0.447 0.452 0.454 0.446 0.475 250.567 0.594 0.568 0.606 0.562 0.626 270.726 0.765 0.719 0.775 0.711 0.799 290.901 0.962 0.90

21、8 0.971 0.885 1.004 311.029 1.115 1.022 1.133 1.014 1.153 331.229 1.288 1.222 1.306 1.208 1.334 351.387 1.459 1.379 1.478 1.361 1.511 371.559 1.598 1.544 1.616 1.526 1.656 391.708 1.767 1.695 1.793 1.672 1.821 411.893 1.942 1.881 1.965 1.853 2.010 432.069 2.108 2.052 2.136 2.034 2.166 452.281 2.270

22、2.263 2.294 2.248 2.328 472.452 2.4362.438 2.446 2.418 2.491 492.622 2.591 2.613 2.611 2.597 2.641 512.805 2.749 2.791 2.766 2.781 2.793 532.982 2.921 2.980 2.934 2.962 2.969 553.163 3.113 3.159 3.126 3.153 3.147 573.363 3.282 3.358 3.290 3.352 3.326 593.502 3.471 3.504 3.480 3.496 3.503 613.657 3.6

23、46 3.654 3.652 3.648 3.666 633.812 3.811 3.809 3.817 3.809 3.823 653.983 3.987 4.000 图 2-7-1 PT100测温装置的输出结果（室温t=19）1. 确定测量范围和量程测量下限，测量上限，则测量范围是0.165V4.000V，量程2. 计算灵敏度对所有行程数据求平均值表 2-7-2 所有数据求平均值后分析端基拟合直线温度/192123252729313335373941平均值0.185 0.312 0.453 0.588 0.749 0.937 1.078 1.264 1.429 1.584 1.743 1.

24、924 温度/434547495153555759616365平均值2.094 2.281 2.447 2.612 2.780 2.958 3.144 3.327 3.492 3.654 3.814 3.985 得到灵敏度为得出端基拟合直线为3. 计算线性误差表 2-7-3 所有数据求平均值后分析线性误差温度/19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 平均值/V0.185 0.312 0.453 0.588 0.749 0.937 1.078 1.264 1.429 1.584 1.743 1.924 端机拟合值/V0.185 0.350 0.515 0.681

25、0.846 1.011 1.176 1.341 1.507 1.672 1.837 2.002 线性误差L/V0.000 -0.038 -0.062 -0.093 -0.096 -0.074 -0.099 -0.077 -0.078 -0.088 -0.094 -0.078 温度/43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 平均值/V2.094 2.281 2.447 2.612 2.780 2.958 3.144 3.327 3.492 3.654 3.814 3.985 端机拟合值/V2.167 2.333 2.498 2.663 2.828 2.993 3.1

26、59 3.324 3.489 3.654 3.819 3.985 线性误差L/V-0.074 -0.051 -0.051 -0.051 -0.048 -0.035 -0.015 0.003 0.003 0.000 -0.006 0.000 得到最大线性误差4. 计算迟滞误差表 2-7-4 各个行程方向求平均值后分析迟滞误差温度/19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 正行程/V0.170 0.319 0.448 0.566 0.720 0.896 1.021 1.219 1.375 1.543 1.692 1.876 反行程/V0.200 0.305 0.458

27、 0.609 0.779 0.978 1.134 1.309 1.483 1.624 1.793 迟滞误差0.030 -0.014 0.010 0.044 0.060 0.083 0.113 0.090 0.107 0.080 0.101 温度/43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 正行程/V2.051 2.266 2.436 2.610 2.791 2.975 3.158 3.357 3.500 3.653 3.810 3.983 反行程/V2.136 2.297 2.457 2.614 2.770 2.942 3.129 3.297 3.484 3.655

28、 3.817 迟滞误差0.085 0.032 0.021 0.004 -0.021 -0.033 -0.029 -0.060 -0.016 0.001 0.007 得到最大迟滞误差5. 计算重复误差表 2-7-5 一正一反为一回测量求平均值后分析重复误差温度/第一回测量/V第二回测量/V第三回测量/V一二回间重复误差/V二三回间重复误差/V一三回间重复误差/V190.183 0.185 0.191 -0.002 -0.006 -0.014 210.306 0.311 0.318 -0.006 -0.007 -0.013 230.449 0.453 0.460 -0.004 -0.008 -0.

29、011 250.582 0.587 0.594 -0.005 -0.007 -0.013 270.742 0.747 0.757 -0.004 -0.010 -0.015 290.930 0.936 0.944 -0.006 -0.008 -0.014 311.066 1.077 1.083 -0.011 -0.006 -0.017 331.258 1.264 1.271 -0.005 -0.007 -0.013 351.424 1.428 1.436 -0.004 -0.007 -0.012 371.574 1.580 1.591 -0.006 -0.011 -0.017 391.737 1

30、.743 1.749 -0.007 -0.006 -0.011 411.918 1.923 1.932 -0.006 -0.008 -0.014 432.092 2.094 2.100 -0.001 -0.006 -0.007 452.275 2.281 2.288 -0.003 -0.007 -0.012 472.442 2.443 2.455 -0.001 -0.012 -0.013 492.606 2.612 2.619 -0.005 -0.007 -0.012 512.770 2.780 2.786 -0.010 -0.006 -0.016 532.952 2.957 2.966 -0

31、.005 -0.009 -0.014 553.138 3.144 3.150 -0.008 -0.006 -0.011 573.321 3.324 3.335 -0.003 -0.011 -0.014 593.486 3.492 3.499 -0.005 -0.008 -0.013 613.652 3.653 3.657 -0.001 -0.004 -0.006 633.812 3.813 3.816 -0.002 -0.003 -0.005 653.983 3.987 4.000 -0.004 -0.003 -0.007 得到最大迟滞误差6. 综合上述误差，求出相对误差八. 结果分析1. 对

32、传感器的标定由于本实验的目的是对PT100测量电路测量性能的标定，得到相对误差，故可以得出结论：本设计装置测量误差较小，符合实际测量的应用，标定为合格传感器。2. 误差分析：（1）由于采用的是两线制法，连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响。（2）采用直流电桥时输入电源如果有扰动，则会在最后的输出结果中被放大。（3）万用表测温热电偶会产生一定误差。（4）随着实验进行，室温会产生一定变化，对接做造成影响。（5）随着热电阻工作时间的增加，热电阻表面焦耳热会影响实验结果。（6）固定电阻或可变电阻随工作时间增加，其阻值也会出现变化。九. 实验心得在本次试验中，我不仅通过文献的

33、查阅了解到更多书本外的知识，还利用了方案的设计比较，设计出了一套温度检测装置，并且自己去元件店买了需要的元件，并组装在了面包板上，实现可调零可调满的测温电路。并且在最后通过自己完成了整个装置各个方面的标定。这整个过程，就像是亲手抚养自己的孩子一样，不但因看到最后的结果而感到骄傲，更是因为这整个过程中，都融入了自己的精力。在实验开始之前我查阅了一些关于PT100的论文以及信号放大方面的论文，虽然像一些低通滤波放大电路可能会达到更好的效果，但是对比了很多电路决定采用稳定性较高的仪用放大器。在设计过程中，为了让自己所有的方案更系统化，我就把自己对电路设计的理解全都罗列了出来，然后针对每一个方案进行比

34、较，这个过程是非常考验人的耐心的。罗列方案更可以让别人了解到自己的设计思路。在实验过程中就不是那么顺利了。一开始，我拿着自己搭好的电路板去测量，首先遇到的困难就是接口不匹配，由于尽量不让漆包线和接头产生较多的接触电阻，我尽量在面包板上接好互相连接的地方。其次，我遇到的困难时电桥调平问题，由于我是接后面仪用放大器进行的调平，导致只要电桥输出有一些偏差，通过仪用放大器一下就将输出饱和，所以后来我先把仪用放大器去掉，再单独测量电桥的输出使之平衡。但是当我重新接上仪用放大器后发现电路输出仍然后很大的残余电压，然后我再次调解调零电阻才保证输出接近0V。后来经过我的分析，是因为LM324自身的零漂，以及仪

35、用放大电路使用的固定电阻之间有一定的偏差导致输出不对称。然后经过对PT100的加热后进行调满处理。我认为这是整个实验中最难的一步，因为要让PT100保持在65不变的情况下调满的结果一定是不准确的，因为加热装置与PT100之间的热传递需要时间，所以我们在温度上升到65的时候快速调节调满电阻使输出达到4V左右。自此，实验中遇到的难点就都解决了。最后是对实验装置的标定过程中，我了解到标定一个装置的重要性。因为只有标定过的装置才可以被使用，才可以定位合格或是不合格的装置。所以在整个标定过程中，我计算了各种误差，以保证装置在各个性能方面都可以发挥出色。完成这个实验的是我和李昊晔同学，在此我非常感谢他在设

36、计中和我一起讨论，在试验中和我一起配合，共同完成了这个对于我们来说非常有成就的实验。还要感谢实验室的老师和学长，在试验中指导我度过各种难关。参考文献1谭建军.一款基于LM324集成运放廉价高性能仪用放大器J.电讯技术,2004,44(3):160-162.DOI:10.3969/j.issn.1001-893X.2004.03.038.2才智,范长胜,杨冬霞等.PT100铂热电阻温度测量系统的设计J.现代电子技术,2008,31(20):172-174,177.DOI:10.3969/j.issn.1004-373X.2008.20.056.3马西秦.自动检测技术. M北京.机械工业出版社.2009 4熊蕊.信号与控制综合实验. M 武汉.华中科技大学出版社.2010