华中科技大学电气12级检测技术实验报告

1、电气学科大类2012 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 学 号 专业班号 同组者 学 号 专业班号 指导教师 肖霞 日 期 2015年5月16日 实验成绩 评 阅 人 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二十二（1）相敏检波器工作原理20实验二十二（2）差动变压器性能检测10实验二十二（4）差动变压器的标定30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14心得与自我评价20参考文献21实

2、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

3、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换成方波信号，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

4、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 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

5、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。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

6、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、差动变压器的标定：图22-3 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

7、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、相敏检波器：1）交流参考输入端接0°时，波形为：图22-4 差动变压器的标定电路图分析：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）交流参考输入端接180°时，波形为：图22-5 差动变压器的标定电路图 分析：180°

8、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）、端的波形为：图22-6 差动变压器的标定电路图分析：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）实验初没有调节时，两波形为同向：图22-7 几乎重合的同向波形图2）刚好过零时波形：图22-8 过零波形图3）过零翻转后的反向波形：图22-9 过零翻转后的反向波形注意：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

9、铁芯初始位置太高或太低造成，实验前要注意调整。3、差动变压器的标定1)CH1、CH2波形同相：图22-10 正好同向的波形图分析：这是下一步测量前的准备阶段，令CH1、CH2波形正好同相时，系统输出可做到正负对称。2）旋动测微仪，记录电压值：初始电压：Vo=0.00v，初始位置：9.325mm 表22-1差动变压器上下位移与输出电压记录表位移/mm5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.5电压/V6.566.416.205.854.954.573.792.911.910.875-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0-1.06-2.21

10、-3.13-3.96-4.67-5.34-5.81-6.14-6.34-6.47 以位置为X轴，输出电压为Y轴，得到直线：图22-11 差动变压器位移与输出电压关系曲线（1）采用端基直线法进行拟合：拟合直线斜率:K=（6.56+6.47）/(14.325-4.325)=1.303灵敏度K=1.303V/mm端基直线方程y=1.303x-12.105；（2）计算非线性度：非线性最大偏差L=1.476V满量程和输出yFS=6.56+6.47=13.03V非线性度YL=L*100%/YFS=1.476*100%/13.03=11.33%；分析：在误差允许范围内，该实验结果与理论值基本一致，比较接近理

11、想的线性关系。其偏差可能是由仪器本身的误差和操作时上下位移调整不够精确造成。六、实验思考题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：零点残余电压除了影响输入电压的大小，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

12、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铂热电阻测温实验一、任务和目标通过自行设计热电阻测温实验电路方案，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。二、总体方案设计（引用实验教材P115）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

13、、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范围内的温度测量。2、 PT100 设计参数PT100铂热电阻A级在0时的电阻值R0=（100±0.06），B级在0时的电阻值R0=（100±0.12），PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表3-1。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。表24-1 PT100铂电阻分度表温度 0123456

14、789电阻值()-40-30-20-10-0 84.2788.2292.1696.09100.00 83.8787.8391.7795.6999.61 83.4887.4391.3795.3099.22 83.0887.0490.9894.9198.83 82.6986.6490.5994.5298.44 82.2986.2590.1994.1298.04 81.8985.8589.8093.7397.65 81.5085.4689.4093.3497.26 81.1085.0689.0192.9596.87 80.7084.6788.6292.5596.48 010203040100.001

15、03.90107.79111.67115.54 100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.57112.45116.31 101.17105.07108.96112.83116.70 101.56105.46109.35113.22117.08 101.95105.85109.73113.61117.47 102.34106.24110.12114.00117.86 102.73106.63110.51114.38118.24 103.12107.02110.90114.77118.63 103.51107.40111.29115.15119.0

16、1 5060708090 119.40123.24127.08130.90134.71 119.78123.63127.46131.28135.09 120.17124.01127.84131.66135.47 120.55124.39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23 121.32125.16128.99132.80136.61 121.71125.54129.37133.18136.99 122.09125.93129.75133.57137.37 122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.

17、69130.52134.33138.13 三、方案实现和具体设计利用PT100铂热电阻阻值随温度变化的特性，将热电阻阻值的变化通过直流电桥转换为输出电压的变化，从而建立输出电压与温度的关系，用输出电压的大小反映温度的变化。 1、实验电路设计实验电路设计如图3-1所示。图24-1 PT100铂热电阻测温实验电路设计图设计说明：（1）为将热电阻阻值随温度的变化转化为电信号，采用直流电桥结构，将电阻的变化转为直流电桥输出电压的变化；（2）由于电桥输出电压很小，故采用三个通用运算放大器组成仪用放大器，将电桥输出电压放大后输出，便于观察和记录；（3）运放的输入电流约为0，输入电阻约为无穷大，之所以采用仪

18、用放大器就是为了使放大电路的输入电阻很大，使其不会对电桥的输出电压造成影响。（4）热电阻的两根引线被分配给两个相邻桥臂，可将因环境温度变化引起的引线电阻值变化产生的误差互相抵消。 2、电路参数设计直流电源采用+5V，为使PT100热电阻的电流不超过5mA，可令R1=R2=1k；在室温（设为20）下，Rt0=107.79，调节R4使电桥输出平衡，即R2R4=R1Rt0。保持R4不变，在65时Rt=125.16，此时电桥输出电压Uo'满足以下关系式：Uo'=Rt0+RtR2+Rt0+Rt-R4R1+R4Ui=Rt0+RtR2+Rt0+Rt-Rt0R2+Rt0Ui其中，Rt=Rt-R

19、t0=17.37，可以看出R2+Rt0Rt，故Uo'RtR2+Rt0Ui=77mV。为使输出电压在65时接近4V，仪用放大器的放大倍数Av=4/0.07752。选取仪用放大器放大倍数为50倍，由电路结构可知，Av=UoV1-V2=-R8R71+2R6R5，若要使Av=50，则可令R5=R7=10k，R6=20k，R8=100k，按此参数可以达到要求。根据上述过程可以推出输出电压与输入电压的关系如下：Uo=AvUo'=AvRt0+RtR2+Rt0+Rt-Rt0R2+Rt0UiAvRtR2+Rt0Ui=-50RtR2+Rt0Ui其中，Rt0=107.79，Rt=Rt-Rt0，由于R

20、t与温度T近似成线性关系，故输出电压Uo与温度T也近似满足线性关系。 3、电路元器件选择根据实验设计，本实验需要选择LM324芯片一块（通以±12V直流电压运行），1k电阻两个，10 k电阻3个，20 k电阻2个，100 k电阻2个，1 k电位器一个，PT100铂热电阻一个，5V直流电源以及实验电路板。 四、实验设计与实验结果按照设计电路和各元件参数搭建实验电路，在室温下调节R4使直流电桥达到平衡，记录此时的温度。保持R4不变，打开实验台上的加热开关，在室温至65的范围内逐渐提高温度值，每2一次记录正向实验在不同温度下的输出电压。正向完成后停止加热，让温度从65逐步降至室温，同样记录

21、反向实验在不同温度下的输出电压。记录实际测量数据并计算理论实验值，得到数据如表3-2中所示。表3-2 实验数据与理论数据记录表T/R(理论)/U/V22108.570.0124109.350.126110.120.1828110.90.330111.670.4332112.450.5634113.220.68361140.8138114.770.9540115.541.2342116.311.3644117.081.5446117.861.7348118.631.9550119.42.152120.172.2454120.942.3756121.712.5358122.472.6660123.

22、242.7862124.012.9264124.783.0465125.163.16 根据实验得到的数据绘制输出电压与温度的关系曲线，得到如图24-2所示的实验曲线。对实验的关系曲线做线性拟合可得到其拟合直线如图中所示。图3-2 PT100铂热电阻测温实验输出电压与温度关系曲线五、结果分析与讨论1、根据实验数据和波形可以看出，设计电路的输出电压与铂热电阻的温度基本呈现一个线性关系，实验结果与理论结果基本符合，实验验证了理论的结果。2、正向实验所得特性曲线的非线性误差通过实验结果可以得到，线性度L=±LmaxyFS×100%，根据实验曲线可以知道Lmax=-0.1562，满量

23、程输出yFS=3.16-0.01=3.15，故可得线性度为±4.96%；3、反向实验所得特性曲线的非线性误差通过实验结果可以得到，线性度L=±LmaxyFS×100%，根据实验曲线可以知道Lmax=0.114，满量程输出yFS=3.26-0.02=3.24，故可得线性度为±3.52%；4、由实验数据可以看出，正反向实验得到的实验波形有差异，故存在迟滞现象，根据实验结果可以计算其迟滞误差，H=±Hmax2yFS×100%，根据实验曲线可以知道Hmax=0.35，满量程输出yFS=3.26-0.01=3.25，故可得迟滞误差为±10.77%；5、由上述分析可知，实验所得到的非线性误差和迟滞误差较大，降温过程的实验曲线与理论更接近，而升温过程误差较大。分析原因可能是温度上升速度过快，PT100铂热电阻来不及反应，在温度上升的时候电阻的反应不够快，从而出现了较大的误差；同时还有可能是因为温度对引线的影响在设计中没有完全消除，