检测技术实验报告

2012级《信号与控制综合实验》课程实验报告(基本实验一:信号与系统基本实验)姓名李鹏飞学号U201211783专业班号电气1204同组者1毛春翔学号U201211804专业班号电气1204同组者2学号专业班号指导教师日期2015-5-17实验成绩评阅人电气学科大类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）实验分值评分差动变压器性能检测差动变压器零残电压的补偿差动变压器的标定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一、差动变压器性能检测································1二、差动变压器零残电压的补偿··························1三、差动变压器的标定··································3四、PT100铂热电阻测温实验····························5五、实验结论··········································9六、心得与自我评价···································9七、参考文献·········································10U201211783李鹏飞检测技术实验报告11一、差动变压器性能检测一、实验步骤（1）、按图1-1所示接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器Lv端功率输出。图1-1、差动变压器接线示意图（2）、音频振荡器输出频率5kHz，输出Vp-p值为2V。（3）、用手提变压器铁芯，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连接方式。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。、二、实验现象与结论当提起和放下变压器磁芯时，输入输出波形如图1-2所示。图1-2、提起和放下变压器磁芯时输出波形由图1-2可以看出，用手提变压器铁芯，差动变压器输出波形可以过零反转，可以反映出位移的方向。二、差动变压器零残电压的补偿一、实验步骤（1）、按图2-1所示接线，差动放大器增益跳到最大，音频Lv端输出Vp-p值为2V，调节音频振荡器频率，使示波器二通道波形不失真。U201211783李鹏飞检测技术实验报告22图2-1、差动变压器零残电压补偿实验接线（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Rp1、Rp2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。二、实验现象与结论补偿后的零残电压及其放大后波形如图2-2所示。图2-2(a)、零残电压波形图2-2(b)、放大后的零残电压由图2-2可以看出，补偿后的零残电压主要是直流分量和高次谐波分量（主要U201211783李鹏飞检测技术实验报告33是三次谐波）。其中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出非正弦波的电动势。三、差动变压器的标定一、实验步骤（1）、按图3-1所示接线，差动放大器增益适度，音频振荡器Lv端输出频率为5kHz，Vp-p值为2V。图3-1、差动变压器标定实验接线（2）、调节电桥Rp1、Rp2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政府对称。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。（4）、旋动测微仪。带动衔铁向上5mm、向下5mm位移，每旋一周（0.5mm）记录一次电压值。二、实验结果与分析实验测得位移与电压对应关系表如表3-1所示。表3-1、位移与电压对应关系表位移/mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压/V0.30.60.91.191.461.732.012.272.52.75位移/mm-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0电压/mm-0.25-0.57-0.86-1.15-1.43-1.7-1.95-2.19-2.43-2.65将表中数据绘成曲线，并进行过零线性拟合，如图3-2所示。U201211783李鹏飞检测技术实验报告44图3-2、差动变压器的输入输出特性曲线传感器的灵敏度就是过零拟合直线的斜率，计算如下：mmVxyK/556.0拟合直线的方程如上图所示：026.0556.0xU将实验测得各位移点的电压输出值与拟合直线上的电压值比较如表3-2所示。表3-2、输入输出曲线与拟合直线输出电压比较位移/mm-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0电压/V-0.25-0.57-0.86-1.15-1.43-1.7-1.95-2.19-2.43-2.65拟合直线/V-0.252-0.53-0.808-1.086-1.364-1.642-1.92-2.198-2.476-2.754△L/V0.002-0.04-0.052-0.064-0.066-0.058-0.030.0080.0460.104位移/mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0电压/mm0.30.60.91.191.461.732.012.272.52.75拟合直线/V0.3040.5820.861.1381.4161.6941.9722.252.5282.806△L/V-0.0040.0180.040.0520.0440.0360.0380.02-0.028-0.056由表3-2可知，差动变压器输入输出曲线与其拟合直线的最大误差出现在位移为-5mm时，maxL=0.104，故非线性度为：U201211783李鹏飞检测技术实验报告55%15.3%10075.265.217.0maxFSLyLY通过实验可知，差动变压器可以作为位移传感器使用，其输出电压的相位反映了位移的正负，输出电压的大小与位移大小成正比。三、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、差动变压器标定的含义是什么？为什么要进行标定？答：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。标定的主要作用是：（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。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±0.06Ω；B级R0=100±0.12Ω，PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表4-1。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。U201211783李鹏飞检测技术实验报告66表4-1、PT100铂电阻分度表二、实验目的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。掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。三、实验内容设计PT100测温实验电路方案。测量PT100的温度与电压的关系，要求测量范围为室温～65℃，温度测量精度为±2℃，输出电压为0～4V，输出以电压方式记录。通过测量值进行误差分析。四、实验步骤（1）、完成系统方案设计（信号输入及放大）。（2）、测量PT100温度传感器的有关数据（电压、温度变化量等），计算非线性误差。（3）、根据实验内容要求，拟定设计实验步骤。五、实验设计单臂电桥测温电路如图4-1所示。U201211783李鹏飞检测技术实验报告77图4-1、单臂电桥测温电路图中Rpt为铂热电阻，取R1=R2=350Ω，Rp为电位器，其阻值调节至与Rpt在室温（20℃）下的阻值相等，使得电桥在室温下处于平衡状态，输出Uo1=0。由实验要求，PT100上通过的电流不能大于5mA，则电桥输入电压U应满足：ARptUm50R)20(℃解得U≤2.25V。取电源电压E=2V。当温度升高时，Rpt阻值升高，设电阻的变化值为△R，则此时电桥的输出：)21()℃20(RptR）)℃20(RptR（K)℃20(RptRU11234200RRRRUo设差动放大器的增益为K。根据实验内容要求，测温范围为室温（20℃）～65℃，输出电压为0～4V，查分度表可知，65℃时，Rpt（65℃）=125.16Ω。由V4KV79.10779.10716.125）79.1071000（79.10710002)℃20(RptR）)℃20(RptR（K)℃20(RptRU1UoKUo2200解得K≤141。已知差动放大器的增益表达式)RR21(RRK1234，故取R3=10kΩ,R4=100kΩ,R1=10kΩ，R2=50kΩ。按实验电路图连接电路，首先在室温下调节Rp使Uo=Uo1=0，然后开始加热铂热电阻，记录输出电压Uo。U201211783李鹏飞检测技术实验报告88六、实验结果与分析实验时，室温为22℃，升温过程记录输出电压Uo，如表4-2所示。表4-2、温度变化时测温电路的输出电压温度/℃2225283134374043Uo/V0.01650.1260.2960.4240.5880.70.8631.004温度/℃4649525558616467Uo/V1.2091.4331.61.8091.992．1882.3862.624由表4-2数据绘得温度-电压曲线及其端基线性拟合直线如图4-2所示。图4-2、温度-电压曲线及其拟合直线PT100测温电路的灵敏度即为图中拟合直线的斜率，故℃/05794.0℃/22676075.2VVxyK则拟合直线的方程为：)715.21(05794.0tUo将各温度点对应的输入输出曲线中的Uo与拟合直线上的Uo比较如表4-3所示：表4-3、输入输出曲线Uo与拟合直线Uo比较温度/℃2225283134374043Uo/V0.01650.1260.2940.4240.5880．70.8631.004拟合直线/V0.0165130.190330.3641530.5379730.7117930.8856131.0594331.233253△L/V0.000130.06433290.07015290.11397290.12379290.18561290.19643290.2292529温度/℃4649525558616467Uo/V1.2091.4331.61.8091.992.1882.3862.624拟合直线/V1.4070731.5808931.7547131.9285332.10