检测技术实验报告

2013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)姓名刘洋学号U201312013专业班号1308姓名汪显康学号U201312012专业班号1308姓名熊永新学号U201312008专业班号1308指导教师徐雁日期2016年4月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22-1相敏检波器1022-2差动变压器的性能检测1022-3差动变压器零残电压的补偿2022-4差动变压器的标定40设计性实验实验名称/内容实验分值评分23超声波传感器距离测量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3实验二十二差动变压器的标定一、实验目的1.理解相敏检波工作原理；2.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；3.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。1.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。2.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)用补偿电路。3.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。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。4四、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）按上图接线，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.差动变压器零残电压的补偿图22-3差动变压器零残电压补偿实验接线（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5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（直流、三次谐波）。4.差动变压器的标定图22-4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，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。五、实验数据和分析1.了解相敏检波器工作原理（1）0度同相时相敏检波器输出电压波形（Vpp=4.20）6图22-5正极性全波整流信号分析：0°时，相敏检波器的输入信号和交流参考信号同相，CH2为3端口输出，输出为正极性的全波整流信号。可见在这种情况下，输出是一个全波整流的图形。（2）180度反相时相敏检波器输出电压波形（Vpp=-1.74V）图22-6负极性全波整流信号分析：180°时，相敏检波器的输入信号和交流参考信号反相，CH2为3端口输出，输出为负极性的全波整流信号，波形不规则的原因：可能是MOS管导通带来的脉冲冲击。（3）0度同相时相敏检波器⑤、⑥的波形7图22-70度同相时相敏检波器⑤、⑥的波形（4）180度同相时相敏检波器⑤、⑥的波形图22-8180度同相时相敏检波器⑤、⑥的波形分析：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）过零翻转前，输入输出同相位8图22-9过零翻转前波形（2）过零翻转时，输入输出即将反相位图22-10过零翻转时波形（3）过零翻转后，输入输出反相位图22-11过零翻转后波形分析：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。下图为差动变压器的输出特性曲线3.差动变压器零残电压的补偿9图22-12补偿后零点残余电压波形分析：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。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ΔU。实验中可以测量到零点残余电压约为26mv。需要进行零点残余电压补偿。4.差动变压器的标定表22-1位移与电压对应关系表位移/mm00.511.522.533.544.55电压测量值/V0.0010.0070.0140.0210.0270.0340.0410.0470.0540.060.067电压理论值/V0.00120.007750.01430.020850.02740.033950.04050.047050.05360.060150.0667Δ/V0.00020.000750.00030.000150.0004-5E-050.00055E-050.00040.000150.0003位移/mm-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5电压测量值/V-0.005-0.012-0.019-0.025-0.032-0.038-0.045-0.05-0.057-0.064电压理论值/V-0.00535-0.0119-0.01845-0.025-0.03155-0.0381-0.04465-0.0512-0.05775-0.0643Δ/V0.000351E-040.0005500.000450.00010.000350.00120.000750.0003位移为0mm时，旋动测微仪在15mm处。分析：作差动变压器的标定的U-X曲线：10图22-13差动变压器的标定的U-X曲线线性拟合直线方程：y=0.0131x+0.0012.灵敏度：k=Δy/Δx=0.0131.非线性度：=∆𝑚𝑌𝐹𝑆=0.000750.067−（−0.064）∗100%=0.57%差动变压器是一种互感式的变压器传感器，在差动变压器的特性曲线中，零点残余电压是差动放大器的一个特性，零点残余电压的补偿对灵敏度的提高以及线性化有着很大的影响，通过零点电压的补偿，可以的得到较为理想的特性曲线，得到很好的灵敏度。六、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：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。具体的作用如下：1）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；2）确定仪器或测量系统的静态特性指标；3）消除系统误差，改善仪器或系统的正确度。4）在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。y=0.0131x+0.0012-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08-6-4-20246U/VX/mm差动变压器的标定的U-X曲线11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。七、实验小结实验二十二相对而言属于比较基础的实验操作，其具体内容也简单易懂，于是我们小组也是十分迅速的完成了实验。但很快我们发现，在做标定实验时，我们小组的数据并不呈现线性相关，反而在距离调节较大时出现了电压值相差不大的现象。经过分析和检查，最后确定是我们没有注意增益过大从而导致饱和的问题，当增益过大是，调节距离到较大值，此时系统已不在线性区。自然没办法使电压大小随距离线性变化。将增益调小之后，就可以保证在位移范围内系统输入输出保持线性。这样小小的细节就会造成我们实验结果上的大大不同，我也从这次的差错找错中学会了要耐心细心。12实验二十三超声波传感器距离测量一、实验目的1.通过对超声波传感器的具体运用，掌握超声波传感器测距的工作原理；2.掌握超声测距的电路设计和计算方法。二、实验原理1.超声波测距工作原理超声波发生器是利用压电晶体的谐振工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶体的固有振荡频率时，压电晶体将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波发生器不断地发射出40kHz超声波，当遇到障碍物时反射，超声波接收器接收到反射的信号，通过发射和接收信号的时间差可求出距离。计算距离公式为S=𝐶∆𝑡2式中，C为超声波波速；Δt为接收器接收到信号的时间差。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，声波传输速率为C=𝐶0√1+𝑇2732(𝑚𝑠⁄)式中，T为绝对温度；𝐶0=331.4𝑚/𝑠。表23-1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，一般认为C为常数340m/s。如果测距精度要13求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波发射和接收到信号的时间差，即可求得距离。这就是超声波测距仪的原理。表23-1声速与温度关系表温度/℃-30-20-100102030100声速/(m/s)