《信号与控制综合实验》.docx

《信号与控制综合实验》.docx

《《信号与控制综合实验》.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《信号与控制综合实验》.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

《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

实验评分表

基本实验

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

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

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①，相敏检波器的输出端③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②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③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⑤⑥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

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⑤的波形

（4）相敏检测器⑥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。

（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

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ΔL=0.1315V

满量程和输出yFS=2.066+2.329=4.395

非线性度YL=ΔL*100%/YFS=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0~4V，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±0.06Ω；B级R0=100±0.12Ω，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。

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；

3．CSY10A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19ºC，RPt100=107.4Ω，Vo1=0

当温度为65ºC，RPt100=125.16Ω，Vo2=31.7mv*100=3.17V<4.0V

Pt100上最大电流Imax=4/（2000+107.4）=1.9mv<5mv，

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65ºC后，停止加热，Pt100每降低2ºC，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

ΔL

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

ΔLmax=0.2279

γ=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pt100只有两接头）。

2.万用表上的温度计误差太大，不同温度计测得温度相差太大，我们所用温度计测室温为19度，其他人有的16度，17度„„，相差太大，且最小分度为1度，精确度低。

3.pt100的冷端延长线与pt100连接不稳固，是用手扭上去的，接触电阻可能比较大。

实验心得

检测技术的实验算是告一段落了，可以说这次的实验虽然不多，但对于检测技术这门课程来说，两个实验都是比较典型的，特别是其中的差动电路原理及应用。

当然，由于示波器等工具的使用已经比较熟悉，这次检测实验完成地比较轻松。

但在实验过程当中，难免会遇到一些困难与问题，譬如测铂热电阻输出电压与温度关系时，一开始示数始终无法测出，经过多次调整后，终于看到了我们需要的结果，可以说，克服困难、想办法解决问题并有所收获的时候，还是比较有成就感的。

通过这次实验，我对各种传感器使用的原理、温度补偿、差动电路等方面也有了进一步的理解。

此外，在实验报告的整理过程中，我熟悉了数据处理、画图、求非线性度的技巧，也提高了分析数据和图形的能力。

可以说这次试验让我对课本知识有了更深理解的同时，也让我学会了更多试验的技巧与方法，特别是实验过程中解决问题的方法，这将对我以后的试验有着很积极的意义。

参考文献

《信号与控制综合实验——检测技术基本实验》指导书

《传感器与检测技术》—————————陈杰黄鸿编著高等教育出版社

《自动检测技术》———————————马西秦主编机械工业出版社