检测技术试验报告.doc

电气学科大类2007 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) 实验成绩： 评阅人： 指导教师 ： 日 期 ：2009.1.8 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分实验十九：霍尔传感器的直流激励特性实验二十：应变式传感器的研究实验二十二：差动变压器的标定设计性实验实验分值评分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 录本实验报告的主要内容有：（一）正文部分一、 实验十九：霍尔传感器的直流激励特性二、 实验二十：应变式传感器的研究三、 实验二十二：差动变压器的标定四、 实验具体实验任务、要完成的实验目标、实验结果处理与分析及实验结论（二）实验结论与心得部分五、 实验心得与自我评价（三）参考文献部分六、 参考文献（一） 正文部分实验十九：霍尔传感器的直流激励特性一、 实验目的：了解霍尔式传感器的结构、工作原理，霍尔元件控制电路和信号调理电路的特点，学会用霍尔传感器做静态位移测试。二、 实验原理：霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V 取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。三、 实验器材：直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头四、实验步骤：实验操作台实验接线图霍尔式传感器实验电图1 差动放大器调零。差动放大器增益置合适位置（增益电位器顺时针方向旋到底为100倍，逆时间旋到底为1 倍），“+、-”输入端用实验线对地短接，输出端接数字电压表2V 量程,开启总电源和副电源开关。用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。调零后 “调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。2 按图接线，装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，目测霍尔元件位于梯度磁场中间位置。开启电源调节测微头和电桥WP，使差放输出为零。3 旋动测微头使霍尔元件在梯度磁场中上、下有一个较大的位移，用电压表观察系统输出是否正负对称。如不对称则需重新调节霍尔元件在梯度磁场中间位置，直到正负输出对称为止。4 上、下移动测微头各3.5 ，每变化0.5 读取相应的电压值并记录下来。做出V-X曲线，求出灵敏度及线性。五、实验数据及数据处理：1.实验数据：位移4.555.566.577.5电压-3.28-2.88-2.46-2.1-1.55-1.09-0.6188.599.51010.51111.500.631.11.542.122.472.883.32.V-X试验曲线：V-X实验曲线的灵敏度为：S=dy/dx=0.94V/mmV-X实验曲线的线性度为：R =Lmax/YFS =0.14/(3.3+3.28)=2.12%六、 思考题： 1电压控制型和电流控制型的霍尔元件有何不同？为什么本次试验中的霍尔元件直流激励电压不能超过规定的大小？答：霍尔元件是测定一次回路中待测信号，并把从一次回路中得到的信号以电压形式或者电流形式输出反馈给其他元件。二者的不同之处就是输出控制量的不同而已 ；之所以直流激励电压不能超过规定电压是为了防止霍尔电流过大导致霍尔元件被烧毁，并且会给实验带来大的实验误差；2为什么传感器的信号调理电路一般采用差动放大电路？答：差动放大的优点就在于能够平衡干扰，提高实验电路的抵抗外界干扰的能力，同时由于差动电路一般存在着平衡点（即零点）调节，这样会在实验前尽量减小外界因素的干扰排出温漂对实验的干扰，且可以提高实验测量结果的灵敏度。3如何利用霍尔传感器作一电子秤来称重？试说明基本思路和做法。答：设计思路为：可以将重量的测量转化为位移的测量；可以仍然采用差动结构，是霍尔元件处在一均匀梯度场中，测重时让待测物品的重量使霍尔元件在磁场中有一个较大位移，将此位移转化为电压输出，此电压与被测物体重量存在线性关系，对电压表进行适当标度即可获得霍尔传感器工作下的电子秤。4当霍尔元件进入均匀磁场时，霍尔电压是否仍随位移量的增加而线性增加？答:不会；因为霍尔输出电压是与磁场强度成正比的，只有在均匀梯度场中，此时磁场才随位移均匀变化，而输出电压才会与霍尔位移成正比；而均匀场中，磁场不随位移变化，输出的霍尔电压是一个恒定值，不会随位移量的增加而线性增加，此时不可能得到理想的实验结果。实验二十 应变式传感器的研究一、实验目的：1、 了解金属薄式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式；2、 测试应变梁形变的应变输出；3、 比较金属薄式应变片单臂、半桥及全桥的性能。二、实验原理：见检测测实验指导书第五六页三、 实验任务：1、观察应变片的结构及粘贴方式；2、差动放大器的调零：差动放大器增益置100 倍（增益电位器顺时针方向旋到底）“+、-”输入端用实验线对地短接。输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。调零后 “调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。3、 单臂工作情况测试：（1）按图 1-3 所示电路连接实验线路，电路中 R1、R2、R3 和 WD 为电桥中固定电阻和直流平衡电位器，R1=R2=R3=350,电桥电压为4V，R 为应变片（可选上、下梁中的一片工作片）R1 RWDR2 R3实验操作台 图 1-3 单臂工作测试实路（2）测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢，用以调节使应变梁处于基本水平状态。（3）确认接线无误后，开启总电源，调节电桥直流平衡电位器 WD，使测试系统输出为 零（用数字电压表监视）（4） 转动测微头，记录应变梁向上位移及数字电压显示的电压值。每移位0.5 记录一对应电压值，共上移5 。并记录数据。4、 半桥和全桥工作性能测试。（1） 在完成实验任务3 的基础上，不改变差动放大器的增益和调零电位器，依次将图中的R1、R2、R3换成金属薄式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统；（2） 重复实验任务3 中（2）-（4）步骤，测出半桥和全桥输出电压数据并记录列表，计算灵敏度。四、实验数据及数据处理：1.单桥情况：1）实验数据：位移0.511.522.5电压1.065.4967.45512.67615.25533.544.5518.49623.3929.54734.88338.5052）V-X试验曲线：2.半桥情况：1）实验数据：位移0.511.522.5电压8.11314.86120.74328.73335.07433.544.5543.52150.48458.77365.20573.7542）V-X试验曲线：3全桥情况：1）实验数据：位移0.511.522.5电压15.31329.07149.22257.97372.11833.544.5588.324102.594118.941133.3149.462）V-X试验曲线：计算系统灵敏度S和电桥电压灵敏度KU及非线性误差R：单桥：灵敏度S=dU/dX=8.32mV/mm电桥电压灵敏度KU=Ui/4=2V单桥非线性误差：R=Lmax/YFS=8.9%半桥：灵敏度S=dU/dX =14.6 mV/mm 电桥电压灵敏度KU=Ui/2=4V半桥非线性误差：R=Lmax/YFS=2.1%全桥：灵敏度S=dU/dX=29.8 mV/mm半桥非线性误差：R=Lmax/YFS=3.4%电桥电压灵敏度KU=Ui=8V五、 思考题：1、 金属电阻应变片和半导体应变片工作原理上有哪些不同？答：金属电阻应变片是根据金属导体电阻因导体变形而发生变化为原理的，而半导体应变片却是利用了半导体电阻率变化引起电阻的变化而构成的。金属应变片的灵敏系数主要由材料几何尺寸决定，线性度较好。而半导体应变片有很高的应变系数，但其缺点是温度敏度高，非线性度大且安装困难。2、 什么是传感器差动结构？传感器采用差动结构有什么优点？答：差动放大的优点就在于能够平衡外界干扰（例如温度的影响），提高实验电路的抵抗外界干扰的能力。同时由于差动电路一般存在着平衡点（即零点）调节，这样会在实验前平衡调节会尽量减小外界因素的干扰，排出温漂对实验的干扰，且可以提高实验测量的灵敏度。六、 实验仪器：CSY10A型传感器系统实验仪 一台数字万用表 一个实验二十二差动变压器的标定一、实验目的：通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。二、实验原理：见检测实验指导书第十四页。三、实验器材：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.用示波器两通道观察相敏检测器插口5.6 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。2用示波器两通道观察相敏检测器 1、2 端口的波形，适当调节音频振荡器幅值旋钮和移 相器“移相”旋钮，观察当输入信号与参考信号的相位改变 1800 时，示波器中波形变化和 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。（二）差动变压器性能检测（实验接线图见检测实验参考书十六页）1.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。（三）差动变压器零残电压的补偿（接线原理图见检测实验指导书十六页）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？（主要是基波分量）（四）差动变压器的标定（接线原理图见检测实验指导书十七页）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、实验波形及数据处理：（一）了解相敏检波器工作原理：1）相敏检波输出波形：1. 相敏检波器的输入信号和交流参考电压同相时的输出波形：2. 相敏检波器的输入信号和交流参考电压反相时的输出波形：2）相敏检波整形电路输出波形：1.相敏检波电路端口5输出波形：2.相敏检波电路端口6输出波形：（二） 差动变压器性能检测：检测波形：原波形：翻转波形：（三） 差动变压器零残电压的补偿残压补偿波形：（通道ch2为残压波形）（四）差动变压器的标定：1）实验数据：位移0.40.91.41.92.42.93.4电压-3.21-2.89-2.49-1.99-1.63-1.21-0.873.94.44.95.45.96.46.97.4-0.742-0.528-0.2670.10.270.5360.750.8737.98.48.99.49.910.41.251.642.082.522.913.232）V-X试验曲线：差动变压器实验曲线灵敏度计算：S=dU/dX=0.644V/mm差动变压器实验曲线非线性度计算：R =Lmax/YFS=6.33%六、实验思考题： 1.为什么在差动变压器的标定中电路中要用加移相器？作用是什么?答：因为在实验过程中，会出现一些误差因素的影响，导致参考交流电压信号的相位与相敏检波电路的输入信号不同相，即存在相位偏差，而实验过程中若想获得良好的且正确的检波信号前提必须保证相敏检波电路的输入信号与参考交流电压信号同相位。移相器的作用就是用来调节参考电压信号的相位，使之与相敏检波电路的输入信号同相位。2.差动变压器标定的含义，为什么要进行标定？答：标定的意义在于通过相敏检波电路的输出电压直接读出待测的位移量；即通过标定，可以使各个输出电压值与待测位移量一一对应起来，这样我们在运用差动变压器进行位移量（或者可以转化成位移的待测量）测量时，便可以直接由电压读数得到通过标定表格，直接得到待测量，获得实验结果；这样便免去了实验过程中反复的转换和换算，节约了时间，提高了实验效率。实验的具体实验任务、要完成的实验目标、实验结果处理与分析及实验结论已经在各个实验部分进行了详细的阐述，这里不再赘述，主要讲述一下在上述实验过程中一些实验收获和心得体会。（二）实验结论与心得部分心得与自我评价通过检测技术这一些基本实验的实践和练习，我对一些基本检测技术和手段，例如霍尔元件、应变式传感元件和差动变压器，有了进一步的理解；通过亲手操作对小位移的测量对霍尔传感器、应变式传感器及差动变压器的测量方法和测量原理有了更进一步的了解和认识，由此推广开来进一步明确了各类传感器的工作原理和工作方法有了更深的理解，尽管对各类传感器我们只进行了小位移测量这样的试探性的小实验，但我们却可以以小见大，对这些传感器对各类基本量的测量方法有了比较清晰的认识；通过自己的亲手操作对检测技术课程中的各类测量方法和测量方式有了较为明确的认识，收获颇多。总之，理论性的知识被实验的真实性进行了完美的诠释，尽管实验过程中存在着一些不可消除的系统误差和一些人为因素造成的偶然误差，但实验结果还是比较可信的，最终验证了知识的可信度。当然实验中也存在着许多问题。一个最明显的问题就是自己动手能力不足，实验过程中将电路图转化为实际电路时经常会出现连线上的错误，给实验过程带来了一些不必要的麻烦。例如由于动手不足，在各类传感器的零点