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12011级《信号与控制综合实验》课程实验报告(基本实验一:检测技术基本实验)姓名学号专业班号1106班同组者1学号专业班号1106班指导教师日期2014年5月2日实验成绩评阅人电气学科大类2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）实验分值评分相敏检波器20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3目录正文41实验二十二差动变压器42实验二十四PT100铂热电阻测温实验10结论、心得与自我评价12参考文献124正文实验二十二差动变压器一、任务和目标1、通过实验学习差动变压器测试系统的各个组成部分；2、了解相敏检波器的工作原理；3、学会差动变压器性能检测的方法并掌握灵残电压补偿的步骤；4、掌握差动变压器的标定方法。二、实验原理差动变压器基本结构：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。零点残余电压1、主要波形成分为基波分量和高次谐波（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、零点残余电压产生原因：(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(4)分布电容的影响3、减少零残电压的办法：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。这些方法包括：（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对程；（2）采用相敏检波电路及选用补偿电路。三、方案实现和具体设计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2V。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：示波器的“触发”方式要选择正确。5（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2、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。Lv5KHz示波器第一通道第二通道3、差动变压器零残电压的补偿图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。64、差动变压器的标定-+WAWDLv音频振荡器差放R低通V电压表移相器Φ1Φ2相敏检波器213(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、下产生位移，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。四、实验设计与实验结果1、了解相敏检波器工作原理图1-1参考电压接0°时，输出端③波形为正的全波整流波形7图1-2参考电压接180°时，输出端③波形为负的全波整流波形图1-3输出端⑤（黄线）⑥（蓝线）的波形通过相敏检波电路，我们得到全波整流波形。可以看出，相敏检波器中整形电路将输入的正弦波转换成方波。2、差动变压器性能检测8图1-4差动变压器过零翻转前第二通道波形图1-5差动变压器过零翻转后第二通道波形根据上图，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。从过零翻转时的波形图可看出，存在幅值很小的零点残余电压。3、差动变压器零残电压的补偿图1-5调节衔铁后使第二通道输出最小9图1-6调节电桥网络后使第二通道输出更小根据波形可知，零点残余电压仍然以基波分量为主，说明因材料或工艺差异对等效电路参数的影响很难彻底消除。4、差动变压器的标定位移mm0.511.522.533．544.55电压V0.841.662.483.34.134.815.496.026.416.65位移mm-0.5-1-1.5-3.3-2.5-3-3.5-4-4.5-5电压V-0.84-1.61-2.32-2.88-3.64-4.23-4.63-4.92-5.19-5.43表1-1差动变压器的标定10灵敏度：k=Δy/Δx=1.361拟合直线方程：y=1.361x+0.305非线性度：=Δ=0.583/(6.65+5.43)=4.83%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。四、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：因为变压器高低压两侧电压相位不一定不同，运行时电流的相位也不一定不同，所以要加移相器把相位校正一致，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是什么？为什么要标定？答：差动变压器的标定作用：确定仪器或测量系统的输入—输出关系——即确定衔铁的位移与输出电压之间的数值对应关系，并根据此对应关系确定表盘刻度。为什么要标定：差动变压器的标定可使差动的位移与刻度盘上的标值一一对应，从而能通过表盘上的指示值来确定测量量。实验二十四PT100铂热电阻测温实验一、任务和目标1、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。2、掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。3、目标：测量PT100的温度与电压关系，要求测温范围为：室温～65℃；温度测量精度：±2℃；输出电压≤4V，输出以电压V方式记录。二、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23-1。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。三、方案实现和具体设计测量电路按书上所示的三线法连接，电路设计如下：11图2-1测量电路图参数说明：1、两个36千欧姆的电阻保证电桥输入对称，由于PT100在室温到65°间变化为107.79~125.16Ω，故为了让电桥一开始就对称，选择510Ω与其串联，可调电阻选择600多欧姆；2、算出电压输出最大为43mV，则电路需要放大100倍；3、由仪用放大器的放大倍数：知，可选择：R1=1kΩ，R2=100kΩ，R3=10kΩ，R4=200kΩ，可调变阻器调至50kΩ，即可放大100倍。四、实验设计与实验结果表1-1温度与电压关系对应表12图2-2温度与电压关系对应图计算灵敏度：k=Δy/Δx=（3.59-0）/（65-25）=0.08975计算非线性度：=Δ=（4-3.59）/(65-25)=1.025%计算迟滞：=±×100%=0.5*（3.66-3.52）/(65-25)=0.175%存在误差的原因可能是温度上升较快，来不及读数，导致数据不够准确。结论、心得与自我评价检测实验为我们提供一个将检测技术理论知识与实际结合的平台。实验中我和同组同学一起构建实验方案，搭接电路，并用仪器观测各个物理量。在熟悉实验原理的基础上做实验，做到心中有数，能让我们快速地设计好实验方案，并能对实验中出现的问题进行分析，找出错误的地方并纠正。与单纯的理论知识相比，实验显得更生动形象。实验二十二让我对相敏检波电路、差动变压器的零残电压有了更多认识；实验二十四中我们自己设计温度传感器，熟悉了三线制以及放大电路。同时我也发现自己对所学的检测技术知识掌握不够深，一些知识已经遗忘，只能通过翻书查找。实验起到了对理论知识强化的作用。参考文献[1]马西秦.自动检测技术:机械工业出版社，2008[2]熊蕊.信号与控制综合实验指导书:华中科技大学出版社，2010