检测技术实验报告.docx

电气学科大类 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 29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。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）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、的波形图22-7 0度同相时相敏检波器、的波形（4） 180度同相时相敏检波器、的波形图22-8 180度同相时相敏检波器、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。2. 差动变压器性能检测（1） 过零翻转前，输入输出同相位图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U。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/V0.00120.007750.01430.020850.02740.033950.04050.047050.05360.060150.0667/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-0.00535-0.0119-0.01845-0.025-0.03155-0.0381-0.04465-0.0512-0.05775-0.0643/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：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=y/x=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。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。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=Ct2式中，C为超声波波速；t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=C021+T273(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)3133193253233383443493862. 超声波发射电路和接收电路设计实验提供的T/R40系列超声波传感器是利用压电效应工作的传感器，通常又称为换能器。T/R40系列超声波传感器的工作过程：从两个引脚输入40kHz的脉冲信号，通过其内部的陶瓷片激励器和谐振片转换成机械振动能量，经锥形辐射口将振动信号向外发射。接收端收到40kHz的反射信号，使谐振片产生谐振，通过内部转换输出一组信号。超声波发射器 T40-16 的电路工作电压为9V，工作电流为4050mA，发射超声波信号大于8m。40kHz 多谐振荡电路可由LM555 时基电路及外围元件构成，通过调节电阻器阻值，可以改变振荡频率。超声波接收器R40-16 谐振频率40kHz，经R40-16 选频后，将40kHz以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHz 的有用信号被接收。通过设计放大电路将超声波接收器R40-16 端信号放大并进行距离测量。3. T/R40-16 器件参数T/R40-16 器件参数由表可知，T/R40-16 的中心频率为40kHz1.0Hz，这要求振荡电路产生的频率稳定度较高。接收敏感度-74dB，即R40-16 接收信号最小为R40-16 发射信号的0.0002 倍，这对接收电路的增益提出要求。若发射电路采用9V 供电，接收电路的增益应大致在100 倍到1000倍之间。三、 实验设备1. 超声波传感器（T为发射器，R为接收器）；2. 检测技术通用实验板；3. 示波器；4. 双路直流稳压电源。四、 实验方案1. 40kHz多谐振荡电路按图23-1搭建40kHz多谐振荡电路，输出端接超声波传感器发射器T，其中各元件参数图中已标明，设计过程另作说明。图23-1 多谐振荡电路原理图（1） 5端悬空，通过10nF电容接地，抑制旁路高频干扰；（2） 三极管截止，7为高电位时，Vcc通过R1、R2给C充电，2、6点电位大于23Vcc后，u0=0；（3） u0=0，T导通，7为地位，电容C通过R2放电，2、6点电位将至13Vcc后，u0=1；（4） 参数设计：充电过程，u0=1，T1=0.7(R1+R2)C；放电过程，u0=0，T2=0.7R2C；要求f=40kHz，T1+T2=140k=0.7R1+2R2C=2.5*10-5s；取R1=400，C=10nF，则R2=3.371k，R2取10k电位器以便准确得到40kHz的震荡波形。2. 放大电路按图23-2搭建放大电路原理图，输入端接超声波传感器接收器R，其中各元件参数图中已标明，设计过程另作说明。图23-2 放大电路图查阅资料知R40-16的接收灵敏度-70dB，设衰减倍数为K，则20lgK=-70K=0.000316需放大的信号ui=9*0.000316=0.00285V取放大倍数400倍时，有uo=0.00285*400=1.138V放大倍数(-R2R1)*(-R4R3)=400取R1=R3=1k，R2=20k ，R4为40k电位器。3. 实验步骤（1） 按图23-1、图23-2搭建多谐振荡电路和放大电路；（2） 观察振荡方波波形输出是否正确，调节多谐振荡电路的电位器使其输出方波的频率为40kHz；（3） 将接收器与发射器相对放置并有适当的间距，观察经放大电路放大后的输出信号，调节放大电路的电位器使输出信号具有合适的幅值；（4） 固定发射器不动，缓慢移动接收器使其远离发射器1cm，观察输出信号，记录输出信号相对发射信号移动的时间t，重复10次；（5） 固定发射器不动，缓慢移动接收器使其靠近发射器1cm，观察输出信号，记录输出信号相对发射信号移动的时间t，重复10次；（6） 对数据进行分析，x=v*t。五、 实验数据和分析1. 实验过程现场接线图受到现场实验设备的限制，我们小组没有选择传统的超声测距的方式（反射式s=0.5vt），而是选择在两块实验班的两端装设超声传感器，通过移动实验板的距离实现改变两超声传感器之间的距离，在通过增量计算法，逐步增加两块板子实验的距离，步进长度为1cm，通过观察实验波形的基准点移动的时基，计算出增加的距离，通过累计增加的距离得到实际距离。表23-1 声速与温度关系表温度/-30-20-100102030100声速/(m/s)3133193253233383443493862. 振荡方波产生图23-3 多谐振荡电路产生方波3. 接收信号与发射信号以初始位置为坐标原点，记x=0。（1） x=0图23-4 x=0位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-4 x=0位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（2） x=1图23-5 x=1位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-5 x=1位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（3） x=2图23-6 x=2位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-6 x=2位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（4） x=3图23-7 x=3位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-7 x=3位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（5） x=4图23-8 x=4位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-8 x=4位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（6） x=5图23-9 x=5位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-9 x=5位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（7） x=6图23-10 x=6位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-10 x=6位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（8） x=7图23-11 x=7位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-11 x=7位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（9） x=8图23-12 x=8位置接收信号与发射信号相对位置（正行程）图23-12 x=8位置接收信号与发射信号相对位置（反行程）（10） x=9图23-13 x=9位置接收信号与发射信号相对位置4. 数据表23-2 数据记录表格X差值分布表x/cm1 2 3 4 5 6 7 8 9 t1/s31.60 32.00 24.40 29.20 31.20 29.20 28.40 28.80 28.40 t2/s29.20 28.00 26.00 30.40 27.60 30.80 28.40 28.80 28.40 x测正1.0871.1000.8391.0041.07321.00440.97690.99070.9769x测反1.0040.9630.8941.0450.94941.05950.97690.99070.9769正向x/cm1.0872.1873.0274.0315.10496.10947.08648.07719.0540反向x/cm1.0872.1743.1374.0315.07746.02687.08648.06339.0540平均值/cm1.0451.0320.8661.0251.011361.0320.976960.990720.97696迟滞/cm0.0820.137-0.05-0.040.1238-0.055000实际拟合值/cm1.0452.0772.9443.9694.981126.013126.990087.98088.95776理论x=1cm，测量x=t*v。作出x分布曲线如下：图23-14 x测量值分布曲线图分析：最大绝对误差m=1.1932-1=0.1932，最大相对误差m(cm)1cm*100=19.32。实验中由于发射波形无法稳定，接受波形的移动过程无法准确观察到，因此我组采用了观察接受波形和发射波形相对变化的方法得出移动1cm对应的t，受距离测量不准、t读数不准等影响，实验误差较大。但由图23-14可以看出，实验达到了超声波测距的目的，并能在一定