华中科技大学电气2013级检测技术实验报告.doc

电气学科大类

2013 级

《信号与控制综合实验》课程
实 验 报 告
(检测技术实验)
姓 名 学号
专业班号
同 组 者 学号
专业班号
指导教师
日 期 2016.5
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
了解相敏检波器工作原理
20

差动变压器性能检测
10

差动变压器零残电压的补偿
20

差动变压器的标定
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
实验一 了解相敏检波器工作原理 1

实验二 差动变压器性能检测 5

实验三 差动变压器零残电压的补偿 7

实验四 差动变压器的标定 9

实验五 PT100 铂热电阻测温实验 12

心得与自我评价 18

参考文献 18

17 / 21
实验二十二.差动变压器的标定
一．差动变压器的基本结构：
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。
二．零点残余电压的原因：
1. 二个次级线圈在设计和工艺制作上很难保证完全对称。
2. 复阻抗不容易达到真正平衡。
3. 磁化曲线的非线性产生高次谐波。
4. 线圈中存在铜损电阻及导磁材料的铁损。
5. 分布电容的影响
三．零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。
四．减少零残电压的办法有：
1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路，既可以判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。
3、选用补偿电路减小零点残余电动势。如在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。

实验一 了解相敏检波器工作原理
一．实验原理：
相敏检波电路如图所示，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。

图1-1相敏检波器的工作原理
二．实验目的
1.用示波器二通道观察相敏检测器5、6的波形并记录下观察到的波形。
2.了解相敏检波器整形电路的作用。
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；相敏器；相敏检波器；LPF；电压表；示波器；测微仪。
四．实验步骤：
1． 调节音频振荡器输出频率为5kHz，输出幅值为2V，将音频振荡器0端接相敏检波器的输入端1，相敏检波器的输入端连接，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0 ， 180 ，使相敏检波器的输入信号和交流参考电压分别同相或者反相，用示波器两通道观察相敏检测器输出端3的波形变化和电压表电压值的变化
2． 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开关信号反相时，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。
3． 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。
五．实验结果：

图1-2同相输入的整流波形

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。

图1-3反相输入的整流波形

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。

图1-4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。又经二极管整流后变成负方波。

六．实验结果分析：
根据实验所得图形，可以看到通过相敏检波电路，我们得到全波整流波形。相敏检波器的的5，6端整形电路的作用是将输入的正弦波转换为方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。

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。

图2-1差动变压器的输出特性
二．实验目的
1.掌握差动变压器的性能。
2.掌握研究差动变压器性能的方法。
三．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2-2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。

四．实验结果：

图2-3输入输出同向

图2-4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。

五．实验结果分析：
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，变为反相。若不能过零翻转，则表明二次级线圈是顺串的，此时需要将二次级线圈的同名端调换，使二个次级线圈反向串联，调换之后可以实现过零翻转。

实验三.差动变压器零残电压的补偿
一．实验原理：
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。
三．实验结果：

图3-2补偿之后最小的零点残余电压
四．实验结果分析：
有上图可以看出在进行补偿后，零点残余电压有了很大的改观。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，但存在较大的三次谐波分量。
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。
实验四.差动变压器的标定
一．实验原理：
差动变压器的灵敏度定义为输出电压与衔铁位移的比值。灵敏度与二次线圈的匝数成正比，与激励电压的幅值以及频率（低频时）成正比。研究差动变压器的灵敏度对研究差动变压器的性能有很重要的意义。

图4-1差动变压器的标定电路图
二．实验目的
1.掌握差动变压器零点残余电压的补偿操作方法。
2.将已补偿之后的差动变压器进行刻度数值标定。
三．实验步骤：
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，VP-P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。

表一 差动变压器的标定
位移mm
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
电压V
5.84
5.58
4.99
4.45
3.79
3.14
2.56
1.91
1.26
0.6
位移mm
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
电压V
-5.52
-4.79
-4.4
-3.91
-3.45
-2.91
-2.4
-1.82
-1.23
-0.64
0V时，旋动测微仪在7.83mm处
四．实验结果分析：

图4-2 电压与位移
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=1.136x +0.032 通过计算Δ＝0.29 于位移为－4.5mm取到。
灵敏度：k=Δy/Δx=(5.84+5.52)/10=1.136
线性度：=Δ=0.29/(5.84+5.52)=2.553%
由结果可知零点残余电压基本消除，输入特性曲线由原来的V形基本变为直线，可判断位移方向。实验误差小。

五．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.差动变压器的标定的含义，为什么要标定？
答：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。在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。故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。

实验二十四 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± 0.06 Ω；B 级R0=100±0.12 Ω，PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表24-1。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5-1 PT100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

二．实验目的
1.自行设计PT100热电阻测量温度，验证温度与电阻之间的关系。
2.掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。
3.掌握实验中各种减小误差的常用方法和技巧。
4.培养自身独立思考和动手实践能力，激发求知探索的欲望。
5.深化对温度传感器工作原理的理解。
三．实验内容
1.设计PT100测温实验电路方案。测量PT100的温度与电压的关系。
2.要求测量范围为室温~65，温度测量精度为2以内，输出电压为0~4V
3.记录各温度下对应的电压，并绘制温度与电压的关系图。
四．实验设计
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

图5-1 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，在室温（设为24℃）下，，调节使电桥输出平衡，则
（24.1）
（24.2）
为了减少误差，接入电阻值占总电阻百分比不能太小，故可取为的可变电阻。设温度变化后，，则
（24.3）
将（24.1）代入（24.3），得

由于65℃时的，所以，可以看出，故 （24.4）
计算可得，为使输出电压在65℃时接近4V，设计仪用放大器的放大倍数。设计时各电阻参数上下对称，即，有电路结构可知，所以取，按此参数可以达到要求。则

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1个，51kΩ电阻1个，10 kΩ电阻3个，20 kΩ电阻2个，100 kΩ电阻2个，10 kΩ电位器一个，PT100铂热电阻一个，5V直流电源以及实验电路板。

五．实验步骤
1：完成系统方案设计，计算电阻值和选择电源电压大小；
2：按照设计图接线，搭建实验电路；
3：调节变阻器使电桥平衡，测取室温；
4：加热电阻，测取PT100 温度传感器在每上升2度是的数据；
5：对数据结果进行处理分析。

六．实验结果
测取结果如表5-2所示，根据数据绘出的关系曲线如图5-2所示。

表5-2 实测输出电压与温度对应表

温度t/℃
正行程/V
反行程/V
总平均/V
线性拟合值/V
△L/V
迟滞△H/V
24
0.02
0.07
0.045
0.045
0.000
0.05
26
0.22
0.17
0.195
0.222
0.027
-0.05
28
0.38
0.33
0.355
0.399
0.043
-0.05
30
0.52
0.49
0.505
0.575
0.070
-0.03
32
0.72
0.66
0.69
0.752
0.062
-0.06
34
0.87
0.84
0.855
0.929
0.074
-0.03
36
1.12
1.01
1.065
1.106
0.040
-0.11
38
1.32
1.18
1.25
1.282
0.032
-0.14
40
1.47
1.35
1.41
1.459
0.049
-0.12
42
1.64
1.52
1.58
1.636
0.056
-0.12
44
1.72
1.7
1.71
1.813
0.103
-0.02
46
1.87
1.88
1.875
1.989
0.114
0.01
48
1.93
2.05
1.99
2.166
0.176
0.12
50
2.25
2.39
2.32
2.343
0.023
0.14
52
2.52
2.56
2.54
2.520
-0.021
0.04
54
2.7
2.73
2.715
2.696
-0.019
0.03
56
2.9
2.91
2.905
2.873
-0.032
0.01
58
3.14
3.08
3.11
3.050
-0.060
-0.06
60
3.31
3.2
3.255
3.227
-0.029
-0.11
62
3.47
3.36
3.415
3.403
-0.012
-0.11
64
3.58
3.58
3.58
3.580
0.000
0

图5-2 实测输出电压与温度关系曲线

七．实验结果分析：
1.由实验得到的图形可以看到，实验所得的数据基本上符合实验要求,满足线性关系，而且幅值在0-4v内变化。

2.计算灵敏度：k=Δy/Δx=（3.58-0.045）/（64-24）=0.088375
拟合直线：y-0.045=0.088375（x-24），即：y=0.088375x-2.076
3.计算线性度：
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：

心得与自我评价
检测技术实验主要包括两个部分，其一是对差动变压器的标定，另一个是PT100的创新实验。学习了检测技术这门功课后，我了解到差动变压器在传感器领域的使用是很广的。
关于零点残余电压的补偿，需要对电路进行阻抗的调节，尽量使电路的电气特性做到对称，实验中反复调节，但仍然存在一点误差，只能使它减小，而不能消除。其中的原因可能是调节过程仍然存在问题，或者接触电阻的不确定引入了误差。最后是进行差动变压器的标定。我按照实验步骤操作，但是关于波形对称等细节仍然依赖眼睛判断，难免会引入误差。所以实验结果在理论上是符合实验要求的，但误差仍然存在。本次实验对于操作的要求很高，也让我认识到，消除误差对于实验结果的重要性。
PT100 铂热电阻测温实验，这次实验的电阻测温实验方案是我们自行设计的，这对我们来说是一个挑战，因为参数的选择和放大电路的计算都需要自行根据实验室环境和要求设计。加热过程中温度上升速度非常快，基本上快到了难以记录的地步，但是降温相对比较缓慢，因此温度上升和下降都需要记录数据，个人觉得要以温度下降数据为准，为了降低实验误差，我们将PT100和测温计用餐巾纸包在成一块夹在加热板中，一来可以保证PT100和测温计温度一致，二来可以稍微减缓加热时温度上升的速度。
检测技术这两个实验，总体来说完成的比较成功。因为实验前认真阅读了书上的实验步骤以及学长学姐之前的实验报告，实验时比较顺利，速度比较快。实验后，在对实验结果进行进一步分析与总结的基础上，让我对传感器与检测技术的知识有了更进一步的了解。尤其在制作报告过程中，发现测的数据误差很小。PT100的设计让我们对书上的内容掌握的更加透彻，参数的计算也让我熟练地掌握了信号放大电路的设计方法。
当然，在实验的过程中，我也发现自己有很多不足，对于器材的陌生会有种紧张感。尤其是PT100的实验，一开始都不知道把铂电阻放在哪加热，琢磨半天都毫无头绪。后来询问老师才得知结果。这需要以后学习中的注意和改进，这次实验培养了我独立思考和分析解决问题的能力。

参考文献
自动检测技术 马西秦 主编 机械工业出版社
传感器与检测技术 陈杰 黄鸿 主编 高等教育出版社
信号与控制综合实验 实验教程 华中科技大学出版社