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实验四超声波测距
总结
参考书目
实验二十二.差动变压器的标定
一.差动变压器的基本结构:
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。
二.零点残余电压的原因:
1.二个次级线圈在设计和工艺制作上很难保证完全对称。
2.复阻抗不容易达到真正平衡。
3.磁化曲线的非线性产生高次谐波。
4.线圈中存在铜损电阻及导磁材料的铁损。
5.分布电容的影响
三.零残电压中主要包含两种波形成份:
1)基波分量:
这是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造等效电路参数(M、L、R)不同,线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损,线圈中线间电容的存在,都使得激励电流与所产生的磁通不同相。
2、高次谐波:
主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起,由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响,使激励电流与磁通波形不一致,产生了非正弦波(主要是三次谐波)磁通,从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。
四.减少零残电压的办法有:
1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。
磁性材料要经过处理,消除内部的残余应力,使其性能均匀稳定。
2、选用合适的测量电路,如采用相敏整流电路,既可以判别衔铁移动方向又可改善输出特性,减小零点残余电动势。
3、选用补偿电路减小零点残余电动势。
如在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件,当调整这些元件时,可使零点残余电动势减小。
实验一.差动变压器性能检测
一.实验原理:
差动变压器中有衔铁,通过上下移动衔铁改变衔铁的位置可以改变差动变压器的第二通道中的感应电压,当两绕组的同名端连接适当时,根据输出电压的正负可以判断两绕组产生的电压大小。
图2-1差动变压器的输出特性
二.实验目的
1.掌握差动变压器的性能。
2.掌握研究差动变压器性能的方法。
三.实验步骤:
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。
图2-2差动变压器性能检测电路原理图
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.实验结果:
图2-3输入输出同相
图2-4输入输出反相
图2-4输入输出过零翻转时
五.实验结果分析:
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。
若不能过零翻转,则表明二次级线圈是顺串的,此时需要将二次级线圈的同名端调换,使二个次级线圈反向串联,调换之后可以实现过零翻转。
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ΔU。
实验中可以测量到零点残余电压约为136mv。
需要进行零点残余电压补偿。
实验二.差动变压器零残电压的补偿
差动变压器零点补偿时,在补偿电路法中有加串联电阻,加并联电容等,先采用并联电阻法。
通过调整WA和WD的阻值调整,可以达到零点残余电压的补偿。
二.实验步骤:
图3-1差动变压器的零点补偿电路
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。
三.实验结果:
图3-3补偿之前不失真最小的零点残余电压
图3-3补偿之后最小的零点残余电压
四.实验结果分析:
有上图可以看出在进行补偿后,零点残余电压有了很大的改观。
由差分放大器的输出波形可以看出,经过补偿后的零残电压主要是基波分量。
但是由于器件的老化和串联过多等因素使得噪音非常高,再加大分辨率后就不能很好辨认其波形。
原因分析:
1、基波分量是由于差动变压器两个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数(M、L、R)不同,线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损,线圈中线间电容的存在,引起的,这其中的一些参数是无法完全得到补偿的。
在电路调整的过程中可以发现,当调整差分放大器的输出趋近最小的过程中,输出值不但幅值在变化,它与输入信号的相位差也在变化。
可以推测出,两个次级线圈的输出不但幅值有不同,相位也有不同,故基波分量无法完全消除。
2、高次谐波分量主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起,由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响,使激励电流与磁通波形不一致,产生了非正弦波(主要是三次谐波)磁通,从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。
在试验中,激励电压和电流都很小,铁磁材料还未明显饱和,故差分放大器的输出中谐波分量不是很明显。
实验三.差动变压器的标定
差动变压器的灵敏度定义为输出电压与衔铁位移的比值。
灵敏度与二次线圈的匝数成正比,与激励电压的幅值以及频率(低频时)成正比。
研究差动变压器的灵敏度对研究差动变压器的性能有很重要的意义。
图4-1差动变压器的标定电路图
1.掌握差动变压器零点残余电压的补偿操作方法。
2.将已补偿之后的差动变压器进行刻度数值标定。
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。
表一差动变压器的标定
位移mm
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
电压V
0.96
1.97
2.91
3.79
4.58
5.31
5.80
6.25
6.52
6.72
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
-3.5
-4
-4.5
-5
-0.90
-1.77
-2.55
-3.23
-3.85
-4.29
-4.58
-4.79
-4.98
-5.15
0V时,旋动测微仪在7.33mm处
图4-2输入输出波形同向
图4-2电压与位移
灵敏度:
k=Δy/Δx=(4.58+6.52)/10=1.1
线性度:
Ef=ΔLmax/LX100%=Δ=0.8819/(4.58+6.52)=7.9%
由结果可知零点残余电压基本消除,输入特性曲线由原来的V形基本变为直线,可判断位移方向
差动变压器标定实验结果如上图中电压曲线所示,采用理论拟合方式,得到拟合直线为
y=1.394x+0.4229
舍弃实际电压曲线与拟合直线在第一象限交点右侧和第三象限左侧的点,保留中间线性性较好的部分,得到测量范围为-4.58V~+6.52V,量程L=11.1V。
五.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?
标定的主要作用是:
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。
实验四.超声波测距电路设计
一、实验原理
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。
根据振动频率的不同,可分为次声波、声波、超声波和微波等。
1)
次声波:
振动频率低于l6Hz的机械波。
2)
声波:
振动频率在16—20KHz之间的机械波,在这个频率范围内能为人耳所闻。
3)
超声波:
高于20KHz的机械波。
超声波与一般声波比较,它的振动频率高,而且波长短,因而具有束射特性,方向性强,可以定向传播,其能量远远大于振幅相同的一般声波,并且具有很高的穿透能力。
例如,在钢材中甚至可穿透10米以上。
超声波在均匀介质中按直线方向传播,但到达界面或者遇到另一种介质时,也像光波一样产生反射和折射,并且服从几何光学的反射、折射定律。
超声波在反射、折射过程中,其能量及波型都将发生变化。
超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。
取决于两种介质声阻抗特性。
和其他声波一样,两介质的声阻抗特性差愈大,则反射波的强度愈大。
例如,钢与空气的声阻抗特性相差10万倍,故超声波几乎不通过空气与钢的介面,全部反射。
超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,能量的衰减决定于波的扩散、散射
(或漫射)及吸收。
扩散衰减,是超声波随着传播距离的增加,在单位面积内声能的减弱;
散射衰减,是由于介质不均匀性产生的能量损失;
超声波被介质吸收后,将声能直接转换为热能,这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。
以超声波为检测手段,包括有发射超声波和接收超声波,并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。
习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
常用的超声波传感器有两种,即压电式超声波传感器
(或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。
本实验采用的是压电式超声波传感器,
主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成,它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。
利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,产生超声波,以此作为超声波的发射器。
而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号,以此作为超声波的接收器。
6.1压电式超声波传感器的原理
目前,超声波传感器大致可以分为两类:
一类是用电气方式产生的超声波,一类是用机械方式产生的超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
在工程中,目前较为常用的是压电式超声波传感器。
压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号,且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
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,这时即为超声波接收器。
6.2超声波传感器的测距原理:
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:
S=340t
图4-1
超声波传感器结构示意图
为了提高精度,需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系:
v=331.4+0.61T
式中,T为实际温度(℃),v的单位为m/s。
二、实验目的
通过对超声波传感器具体应用,掌握超声波传感器工作原理,掌握超声波测距电路设计思路和方法。
三、实验内容
设计超声波发射器工作多谐振电路和接受其放大电路,测量超声波发射信号和接受信号的时间差,通过测量值计算距离,并与真实值比较。
四、实验步骤
1.震荡电路设计如下图所示:
图4-2
震荡电路设计
利用书上所提到的集成运放LM555所做的震荡电路,其仿真波形如下图。
图4-3
震荡电路仿真波形
2.接收电路设计如下图所示:
在网上查找资料过程中,发现利用仪表放大器制作接收放大器可以有很好的特点:
1)电路具有抗共模干扰,抑制温漂功能。
2)具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点。
3)具有增益100~1000可调,带宽达到100kHz,集成运放改用宽带集成运放可提高接收电路响应带宽。
所以在比较了各种仪用放大器后,我们选择了较为容易得到并且操作的AD620仪表放大器。
AD620仪表放大器引脚图如下图,
图4-4
AD620引脚图
接收电路图如下图所示,
图4-5
接收放大电路电路图
3.按照入图所示安装好电路图,然后打开振荡电路开关观察波形。
获得的压电晶片震荡波形图如下图:
4.打开开关后获得的实验波形如图:
从图中光标可以看出时间差为750us,获得了超声波传输的时间差。
5.当时的室温大概为10℃,由式子:
v=331.4+0.61T有v=337.5m/s
6.由传感器的原理可知s=v*t=0.253m
7.由实验室直尺测量得到两传感器之间距离为24.2cm,进行误差计算有
5、实验结果与分析
实验时,振荡电路输出波形和接收电路放大输出波形都不光滑,有大量噪声。
噪声的干扰严重影响实验操作的效率和数据的精度。
接线较复杂,节点分布较大,使用12v和5v电源分别作为模拟部分电源和数字部分电源,大量的导线间的引线电感和杂散电容,模拟和数字电路之间的影响,所得波形含有较大的噪声,影响实验精度。
另外在实验中我们发现开始时无论怎样调整检查接收电路都无法形成理想的波形图。
后来经过尝试和询问,我们找到了原因。
是示波器出发方式选择上有错误。
应该选择交流触发的方式。
实验总结
检测技术这两个实验,在我们努力之下,终于完成了实验课程的任务和预期目标。
实验后,在对实验结果进行进一步分析与总结的基础上,让我对传感器与检测技术的知识有了更进一步的了解。
其中变压器标定实验,步骤很多,很难调节,但仍然在我们的努力下完成了。
创新实验中关于超声波传感器的发射和接收电路的设计,让我们更加熟悉了检测技术的知识,并且将其运用到了实际之中。
当然,在实验的过程中,我也发现自己有很多不足,对于器材的陌生,原理理解的不透彻,这需要以后学习中的注意和改进,这次实验最终还是培养了我独立思考和分析解决问题的能力。
检测实验的实验原理很清晰但是在操作过程中出现了一下问题:
1,对于实验器具的感性认知不够,在预习中和实践中运用的传感器方法有所不同,例如在超声波测距的过程中书本上的讲解是通过反射测距,而真正实验的时候我们使用两端传感器直接测距;
2,示波器的运用方面的欠缺。
导致调出输出波形耗费大量时间。
当初学习示波器的时候对于功能了解没有和实践中的运用结合起来,对于物理应用很不熟练;
3,电路设计在实验中出现的问题。
检测技术的实验让我更加感性的认识到了各种传感器的应用,实验的同时考验了我们小组在处理理论上不可能出现的问题上的耐性,遇到同组同学之间不能相互埋怨而是应该清醒的分析处理问题,从自己负责的方面来反思遇到的困难。
除了掌握一些检测的知识外,检测技术的实验培养了我们小组在实践中研究问题分析问题和解决问题的能力以及培养了良好的工程素质和科学道德,在同队中收获了交流沟通能力,独立思考和敏锐捕捉问题的能力,在电路的搭建中锻炼了动手的能力,增强了创新意识。
实验时首先要做好实验前准备。
对仪器有一个总体的认识,熟知仪器对实验的作用以及和实验有关的工作原理。
这样可以很容易找出实验中出现各种复杂现象的原因,提高了实验效率。
实验中要有耐心而且要十分细心,这也是做一个研究者的必备素质。
信号的抽样与恢复过程中,抽样信号只在某一固定频率稳定,这就要求我们要有耐心和细心调节到这一频率观察实验结果。
实验是一个很细致的过程,实验中任一微小的变化都可能引起实验结果的巨大变化,要求我们实验者要有严谨的态度和求实的精神。
任何一个方面的锻炼都可以培养我们的能力,塑造我们的品格,这对于我们以后的学习和工作都有重要的意义。
实验也不是例外,它对于我们来说很重要。
参考文献
自动检测技术马西秦主编机械工业出版社
信号与控制综合实验实验指导书第三分册检测技术基本实验
华中科技大学电气与电子工程学院
实验教学中心编著
- 配套讲稿:
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