《信号与控制综合实验》

2011 级 信号与控制综合实验课程 实 验 报 告 检测技术基本实验 姓名 学号专业班号 同组者_ 学号专业班号 指导教师 任志坚 日 期 2014 年 5 月 4 日 实验成绩 评 阅 人 电气学科大类 实验评分表 实验编号名称/内容 实验分值 评分 差动变压器的标定 60 (1)了解相敏检波器工作原理 (2)差动变压器性能测试 (4)差动变压器的标定基本实验 实验名称/内容 实验分值 评分 PT100铂热电阻测温实验 40 设计性实验 实验名称/内容 实验分值 评分 创新性实验 教师评价意见 总分 检测技术基本实验报告 3 目录 实验二十二差动变压器的标定-4 实验二十四 PT100 铂热电阻测温实验-12 实验心得-16 参考文献-16 实验二十二差动变压器的标定 一、实验目的 理解相敏检波工作原理，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，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。 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。 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、选用补偿电路。 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 22.1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 检测技术基本实验报告 5 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、实验所需部件 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 四实验步骤 （一）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，相敏检波器的输出端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 20V。相敏检波器的交流参考电压输入端 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的波形变化和 电压表电压值变化。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交流参考信号同相时，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。记录下观察到的各种情况波形及 电压值。 2用示波器两通道观察相敏检测器的波形并记录下观察到的波形。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。 （二）差动变压器性能检测 图 1-2-1差动变压器性能检测电路原理图 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。 （四）差动变压器的标定 图 1-4-1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、实验结果及分析 1了解相敏检波器工作原理 （1）0同相输入整流波形 检测技术基本实验报告 7 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。 （2）180反相输入整流波形 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。 (3) 相敏检测器的波形 (4) 相敏检测器的波形 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。 检测技术基本实验报告 9 (5) 相敏标准输入波形 分析：由以上示波器输出波形可以看到，相敏检波电路的工作原理与理论分析 相一致，从而验证了相敏检波器的工作原理。 2差动变压器性能检测 (1) CH1与 CH2同相位时的波形图 (2) CH1与 CH2反相位时的波形图 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。 分析：由上图可以看出，差动变压器衔铁往不同方向移动时，其输出电压的相 位互差 180，这也构成了差动变压器测量位移方向的原理，以上实验验证了 差动变压器的差动放大理论。 4差动变压器的标定 1.数据记录如下 位移 （向上） mm 0.5 1 1.5 2 2.5 3 电压 V 0.227 0.463 0.697 0.926 1.144 1.350 位移 mm 3.5 4 4.5 5 电压 V 1.556 1.746 1.939 2.066 位移 （向下） mm -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 检测技术基本实验报告 11 电压 V -0.217 -0.464 -0.705 -0.947 -1.184 -1.416 位移 mm -3.5 -4 -4.5 -5 电压 V -1.464 -1.876 -2.101 -2.329 2.以位移为 X轴，输出电压为 Y轴，得到直线： （1）.采用端基直线法进行拟合： 拟合直线斜率:K=（2.066+2.329）/(5+5)=-0.4395 灵敏度 K=0.4395V/mm 端基直线方程 y=0.4395x （2）.计算非线性度： 非线性最大偏差 L=0.1315V 满量程和输出 yFS=2.066+2.329=4.395 非线性度 YL=L*100%/Y FS=0.1315*100%/4.395=2.99% 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：零残电压除了改变输入电压的大小，也会改变相位。而相敏检波器在两输 入端相位刚好相同或相反时，输出为正极性或者负极性全波整流信号，电压表 才能指示正极性或负极性最大值。因此需要在差动变压器的标定电路中加入移 相器，保证输入参考交流电压与输入电压同相或反相，使系统输出正负对称。 2.差动变压器标定的含义，为什么要进行标定？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。 本实验主要是为仪器表盘确定刻度，使差动变压器衔铁的位移与刻度盘标值一 一对应，从而可以通过表盘读出位移；另外也通过数据的处理获得差动变压器 的灵敏度等静态特性指标，以了解该仪器的测量效果等，用于指导测量的进行。 实验二十四 PT100 铂热电阻测温实验 1、实验目的 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。 2、实验内容与实验原理 （一） 、实验内容 1设计 PT100铂热电阻测温实验电路方案； 2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 04V，输出以电压 V方式记录。 3通过测量值进行误差分析。 （2） 、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 ；B 级 R0=1000.12 ，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。 检测技术基本实验报告 13 3、实验设备 1、PT100 铂热电阻； 2检测技术通用实验板或面包板； 3CSY10A 型传感器系统实验仪（带有加热器可供使用） ； 4双路直流稳压电 源； 5数字万用表。 4、实验方案与原理图 如上图，Rt 阻值调为与 Pt100室温时相同（即电桥输出电压为 0） ，当 Pt100 温度升高时，阻值变化，和 Rt电阻值不等，电桥输出一个 mv级压差信号，经 LM324放大后，可用数字万用表测出。 其中 LM324 放大倍数 a=100/1=100 Vo=4V*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) *100 当室温为 19C，RPt100=107.4，Vo1=0 当温度为 65C，RPt100=125.16，Vo2=31.7mv*100=3.17V4.0V Pt100上最大电流 Imax=4/（2000+107.4）=1.9mv5mv， 符合设计要求 5、 实验步骤 1按图 24.1连接实验电路图。 2读取当前室温，查表得 Pt100室温电阻值。 3调节 VR2，使电路输出为 0。 4将 Pt100升温至 65C后，停止加热，Pt100 每降低 2C，记录输出电压值。 5绘出 Vo-t图，计算非线性误差。 6通过测量结果进行误差分析，并提出改进方案。 7对本次的设计性实验进行总结。 六、 实验数据处理 T/ V0/V 拟合值 L 65 3.253 3.4809 0.2279 63 3.149 3.3341 0.1851 61 3.1 3.1873 0.0873 58 2.97 2.9671 -0.0029 56 2.833 2.8203 -0.0127 53 2.678 2.6001 -0.0779 51 2.535 2.4533 -0.0817 49 2.409 2.3065 -0.1025 47 2.257 2.1597 -0.0973 45 2.108 2.0129 -0.0951 43 1.965 1.8661 -0.0989 41 1.819 1.7193 -0.0997 39 1.647 1.5725 -0.0745 37 1.49 1.4257 -0.0643 35 1.321 1.2789 -0.0421 33 1.17 1.1321 -0.0379 31 1.012 0.9853 -0.0267 29 0.849 0.8385 -0.0105 27 0.678 0.6917 0.0137 25 0.519 0.5449 0.0259 23 0.354 0.3981 0.0441 22 0.214 0.3247 0.1107 21 0.193 0.2513 0.0583 20 0.099 0.1779 0.0789 19 0 0.1045 0.1045 检测技术基本实验报告 15 Lmax=0.2279 =0.2279/3.253=7.006% 分析：相比实验 22，本实验的非线性误差是比较小的，线性度很好；另外，实验的时 候若从室温升温来测量，因为升温速度很快，仪器测量时波动大，会使测出的数据误差很 大，所以一般选择先升温到 65度左右，再慢慢降温来测量，测得的结果会比较准确，误差 较小。 七、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（实验室