检测技术实验.docx
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检测技术实验
10级
《信号与控制综合实验》课程
实验报告
(基本实验一:
检测技术基本实验)
姓名学号专业班号
同组者1学号专业班号
指导教师日期2013年5月27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(此列由学生自己填写)
实验分值
评分
实验二十二:
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
超声波传感器距离测量
设计性实验
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1
一、实验目的1
二、实验原理1
三、实验设备1
四、实验步骤2
五、实验数据及结果分析3
六、思考题6
超声波距离传感器测量7
一、设计目的7
二、设计目标7
三、设计方案综述7
四、方案实现步骤11
五、结果分析12
六、方案总结13
实验二十二、差动变压器的标定
一、实验目的
1.了解相敏检波电路及其工作原理;
2.掌握差动变压器的零点残余电压及其补偿方法;
3.掌握差动变压器的组成和标定的方法。
二、实验原理
1.差动变压器
差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
一、二次绕组间的耦合电感能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化,使用时两个次级绕组反向串接,以差动方式输出。
2.零残电压
由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等原因,会使差动变压器有零残电压,主要包含基波分量和高次谐波。
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。
可采用以下方式减小零残电压:
(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。
3.相敏检波电路
相敏检波器工作原理:
相敏检波电路如图22-1所示,图
为输入信号端,
为交流参考电压输入端,
为输出端。
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
、
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
端输入的正弦信号转换成半波整流信号。
图22-1相敏检波器原理图
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
(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2V。
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,用示波器观察并记录相敏检波器输出端③的波形变化和电压表电压值变化。
2.用示波器观察并记录相敏检测器⑤⑥的波形并记录下观察到的波形。
(二)差动变压器性能检测
1.按下图22-2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22-2差动变压器性能测试接线图
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。
(三)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接线图
1.根据上图22.3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,观察并记录零点残余电压的波形。
(四)差动变压器的标定
图22-4差动变压器标定接线图
1.按上图22-4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。
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。
2.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。
3.旋动测微仪,带动衔铁向上5mm,向下5mm位移,每旋一周(0.5mm)记录电压值。
五、实验数据及结果分析
1.相敏检波工作原理
当相敏检波器的输入信号和交流参考信号同相及反相时输出端
的波形如下图22-5a、22-5b所示。
a.输入信号和交流参考信号同相b.输入信号和交流参考信号反相
图22-5相敏检波器输出的端
波形
示波器CH1通道接相敏检测器
、示波器CH2接相敏检测器
的波形如下图22-6所示。
图22-6CH1接相敏检测器
、CH2接相敏检测器
的波形
结果分析:
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,反之,则输出负极性的全波整流波形。
但实际波形并非如此,这是因为从交流参考电压输入端
的正弦波经过了一个RC滤波电路以及一个运放,这就会引入一定的相移,而且电阻RP电阻值与R4的大小不同,于是输出端
的波形并不是严格的半波整流信号,而且相邻半波的幅值不等。
由于
与
为开关信号,故其波形为方波。
2.差动变压器性能检测
手提变压器磁芯时,CH2的输出波形如下图22-7所示。
a.磁芯向下压时b.磁芯向上拉时
图22-7示波器CH2输出波形
结果分析:
由上图22-5可以看出磁性向下压和向上拉时CH2的输出波形正好是过零翻转,这说明两个次级线圈的接线方式是正确的。
如果一个次级线圈的同名端与另外一个线圈的非同名端串接在一起,则输出为两个线圈的电势和,而不是“差动”,输出始终接近于零。
于是可以通过输出是否过零翻转来判断两个次级线圈的接线方式是否正确。
3.差动变压器零残电压的补偿
a.补偿前的不失真波形b.补偿后的零残电压波形
图22-7示波器CH2输出波形
结果分析:
由上图22-7可以看出,差动变压器经过补偿后零残电压组要是基波分量。
这是因为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的。
而本实验采用的补偿方法是通过引入原方线圈的电压进行补偿,而原方的电压的补偿量是无法做到与待补偿量的基波幅值相同且相位相反,于是基波分量经补偿后仍会存在。
而高次谐波分量主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起,由于在试验中,激励电压和电流都很小,铁磁材料还未明显饱和,由导磁材料引起的高次谐波很小,故差分放大器的输出中谐波分量不是很明显,主要为基波分量。
4.差动变压器的标定
位移与电压的对应关系如下表格22-1所示,对应曲线关系如下图22-8所示。
表格22-1位移与电压对应关系表
位移/mm
4.355
4.855
5.355
5.855
6.355
6.855
7.355
电压/V
-6.41
-6.23
-6.02
-5.74
-5.33
-4.83
-3.99
位移/mm
7.855
8.355
8.855
9.355
9.855
10.355
10.855
电压/V
-3.01
-1.96
-0.81
0.37/0
1.10
2.29
3.41
位移/mm
11.355
11.855
12.355
12.855
13.355
13.855
14.355
电压/V
4.44
5.41
6.10
6.65
6.99
7.27
7.44
图22-8位移与电压对应曲线
实验分析:
通过matlab的线性拟合可以得到线性度
。
拟合曲线为
,于是可以计算得到
而线性度为
。
由实验数据及相应曲线可以看出差动变压器的位移与输出电压近似成线性关系。
所测曲线并没有过参考零点9.355,这是因为一方面当所测距离从最大减小到参考零点时,因铁芯有剩磁故此时输出电压不为零;另一方面是零点残余电压造成的。
此外曲线的另外一个特点是曲线两头都趋于平缓,明显不在层线性关系。
这是因为输出电压越高,铁芯饱和程度越高,因而输出电压与相应距离的非线性失真越大。
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:
加入移相器是为了得到一个与输入波形相位差180O,从而供给相敏检波电路,使输出做到正负对称。
2、差动变压器标定的含义,为什么要进行标定?
答:
差动变压器的标定含义是得到衔铁的位移与差动变压器的输出特性关系或曲线。
进行标定可以让使用者知道差动变压器的线性工作区以及根据输出电压得到需要测量额位移。
超声波距离传感器测量
摘要
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。
超声波测距仪,可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
本项设计的内容就是设计一套超声波距离测量电路,包括超声波发射电路和接收电路。
本项设计依据实验室的现有设备提出了相应目标,并通过示波器稳定的显示所测时间差,从而获得所测距离。
关键词:
超声波距离传感器,方波产生,选频电路
Abstract
一、设计目的
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LM555芯片的使用方法以及选频放大电路的设计方法;
3.掌握超声测距的电路设计和计算方法。
二、设计目标
1.完成超声波发射电路与接收电路的设计;
2.调试超声波测距电路,找出实际谐振频率;
3.实现3m以内准确测距;
三、设计方案综述
(一)超声波测距原理
超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器发射40kHz超声波,当遇到障碍物时反射,超声波接受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。
计算公式为
(23-1)
式(0.1)中C为超声波波速,∆t为接收器接收到的时间差。
其声速C与温度有关,声波传输速率为
(23-2)
式(0.2)中T为绝对温度,C0=331.4m/s。
(二)设计方案的构思及细化
按照设计原理,设计方案有以下几大模块组成,见下图23-1所示。
图23-1设计方案的组成
1.设计方案构思
(1)方波产生电路
方案一:
由迟滞比较器产生方波
迟滞比较器产生方波的原理图如下图23-2所示。
图23-2迟滞比较器产生方波的原理图
由该电路的原理易推出该方波发生器的频率f和占空比D,分别如下公式(23-3)和(23-4)所示。
(23-3)
(23-4)
方案二:
由LM555产生方波
LM555产生方波的原理图如下图23-3所示。
图23-3LM555产生方波的原理图
电源接通后,V2通过电阻R1,R2向电容C充电。
电容上的电压按指数规律上升,当VC上升至2V2/3时,因VC与阈值输入端6相连,有VC=V6,,使内置比较器C1翻转,输出电压Vo为低电平电压,同时,内置放电管T导通,电容C通过R2放电。
电容C放电所需时间为
(23-5)
当电容上电压VC下降至V2/3时,内置比较器C2工作,输出电压Vo变为高电平电压,C放电终止。
又开始充电过程,以此循环。
电容C充电所需时间为:
(23-6)
由上面的推导可以得知,LM555产生方波的频率与占空比分别如下公式(23-7)和(23-8)所示。
(23-7)
(23-8)
由((23-8))可以知道,D>0.5,且当R2≫R1时,D≈0.5。
(2).放大电路的设计
在设计该部分电路时,如果只是将输出信号进行放大,则有以下三个方案可供选择。
方案一:
采用比较器;当超声波接受器R40-16输出大于0则比较器输出为正电源幅值,当超声波接受器R40-16输出小于0则比较器输出为负电源幅值。
方案二:
直接设计放大电路,对输出直接放大。
方案三:
设计选频放大,对输出信号的某部分频率成分进行放大,而衰减其他频率成分。
其原理电路图如下图23-4所示。
图23-4选频放大电路的原理图
图23-4所示的选频放大电路分为两级,前级为选频电路,即带通滤波器;第二级为反相放大器;由原理电路图易推得该选频放大电路参数如下:
传递函数
(23-9)
中心角频率
(23-9)
中心角频率处的放大倍数
(23-11)
(三)设计方案细化
1.超声波发射电路
产生40kHz的方波既可用方案一也可用方案2;但是仅产生40kHz的连续方波是不行的,因为我们选用的时间测量方案是将输入T40-16的方波信号与接收电路的输出信号通入双踪示波器,通过示波器读出时间差。
又本实验设定的距离测量范围为0-3m,此段时间内超声波所走过的时间约为20ms,远大于输入40kHz的方波信号的周期,所以我们无法用示波器区分两信号的起点时间,更谈不上读出时间差。
但是LM555芯片可以很好的解决这一问题,其芯片引脚4的复位端可以控制芯片的输出。
若在引脚4通入50Hz的方波,则在正电平时,输出40kHz的方波,在负电平时,输出为0;因此可以得到断续的40kHz方波,断续周期为20ms,既可用示波器显示又能方便分辨起点时刻,便于读出时间差。
又考虑到方案一的输出为正负方波,无法直接供给引脚4,因此选择方案二。
参数设计:
对于50Hz的方波产生电路,首先选定电容C=100n,根据公式(0.7),可以求出R1+2R2,令R1=1kΩ,则R2=147kΩ。
同理可以设计出40kHz的方波产生电路。
将50Hz方波产生电路输出端接到40kHz的方波产生电路的引脚4(如图23-5a所示),此时将产生断续的40kHz的方波(见图23-5b)。
电源电压为9V,这样输出的方波可直接给T40-16供电。
超声波发射电路图以及仿真结果见下图23-5。
a.发射电路原理图b.电路仿真结果
图23-5超声波发射电路原理图及仿真结果
2.超声波接受电路
查阅超声波传感器的资料可知,在测距范围内,R40-16的输出在测距范围内的最大衰减为-74dB,及直接输出为输入的0.00016倍,因此,需要对输出进行放大。
由于周围噪声的影响,虽然R40-16因谐振会使40kHz以外的频率成分大为减小,但是后一级的放大会使已衰减的频率成分不容忽略。
因此需设计选频放大电路,因此选择方案三。
放大倍数的值不能太大,也不能过小。
由于本实验选择的测距范围为0-3m,R40-16的输出衰减不会太大,放大倍数过大,会使输出直接达到正负电源,无法抑制噪声,这样就失去了选频放大的意义。
放大倍数的值也不能过小,过小会使示波器的显示模糊,无法准确得到时间差值,从而给测距带来过大的误差。
经综合考虑,本实验选择的放大倍数为200。
可以在第二级放大电路的桥上串一变阻器,根据需要改变放大倍数。
参数设计:
首先设计第二级的反相放大器,令R6=100kΩ,R5=10kΩ,则第二级放大了10倍。
则第一级只需放大20倍。
由于中心频率fO=40kHz,令C1=C1=1n,考虑到只能用实验室实际有的电阻,根据公式(23-10)和(23-11)即可得到相应的各电阻的阻值。
电路原理图及仿真图见下图23-6。
a.接收电路原理图b.接收仿真结果
图23-6超声波接收电路原理图及仿真结果
3.最终方案
本实验最终方案图如下图23-7所示。
图23-7最终方案图
四、方案实现步骤
(1)按照图23-5和图23-6,超声波发射电路只接40kHz的方波(去掉50Hz的方波发生电路,并将其相应引脚4接正电源),超声波接收电路仅仅接反向放大电路(去掉了选频电路),调整好两者之间的位置后,保持该位置关系,经检查无误后接通电源。
示波器CH1接40kHz方波,CH2接接反向放大电路,调整反向放大电路的电阻R8,使CH2的波形不失真。
然后调节超声波发射电路的R13,找到使输出波形幅值最大的频率,即为谐振频率。
(2)找到超声波传感器的谐振频率后,保持可变电阻R13阻值不变。
按照图23-5和图23-6重接实验设备。
经检查无误后,接通电源。
(3)示波器CH1接40kHz方波产生电路的输出,CH2接接选频放大电路的输出。
改变超声波发射装置与接收装置之间的距离,记录距离从20cm到80cm、距离梯度为20cm时示波器的输出波形数据。
(4)依据实验结果分析实验数据。
五、结果分析
1.找到谐振频率
a.谐振频率时T40-16输入与输R40-16出波形b.断续的40kHz方波脉冲
图23-8谐振频率和断续脉冲方波的波形
结果分析:
由上图23-8a可以知道谐振频率为40.31kHz,与给定的谐振频率比较接近。
由于本方波发生器的产生的方波频率较高而且没有缓冲电路,因此在方波从低电平跃变到高电平时,会有较大的尖峰出现。
此外由图23-8a还可得到R40-16的输出波形接近于正弦波,这是因为R40-16本身有选频作用,它会将40kHz以外的信号衰减。
本实验实际通入T40-16的为上图23-8b所示的断续的40kHz的脉冲方波。
2.超声波测距
超生波测距结果的波形及实验数据分别见下图23-9和表格23-1.
a.距离为20cmb.距离为40cm
c.距离为60cmd.距离为80cm
图23-9直接发送-接收时超声波测距波形
表格23-1超声波测距实验数据
实际距离/cm
20
40
60
80
实验温度
对应声速
所测时间差△t/ms
0.74
1.28
1.80
2.48
20C
344m/s
所测距离/cm
25.46
44.03
61.92
85.31
测量误差/%
27.30
10.08
3.20
6.64
结果分析:
由图23-9可以得到所测波形的畸变较大,即输出结果受到了较大的干扰。
这是因为前面手提到过的尖峰电压造成的,由于尖峰电压的频率也为40kHz,因而无法被R40-16衰减,且后面的选频放大电路也无法消除干扰。
此外,还要特别说明一点,在设计选频放大电路时,是将R40-16当做理想的电压源设计的,而忽略了其内阻效应,而实际的R40-16是由电压源、内电阻及内电容组成的,而实际的内电阻与内电容会对后面选频电路造成较大的影响。
这一点却被忽略了,直到实验过程中问题才浮出水面。
当然,也有解决办法,根据相应datasheet可以查出,内电容大小为2.4nF左右,由
可知,可以在R40-16两侧并联一个2kΩ的电阻。
总而言之,本方案的测距误差还是比较小的,完成了设计所提出的目标。
六、方案总结
1.方案的自我评价
本次设计基本上完成了自己所提的目标和要求,完成了发射电路与接收电路的设计,而且最终能由此超声波距离测量传感器比较准确的测量距离。
但是设计中依旧存在一些问题。
其中一个问题是没有设计缓冲电路;由于在仿真过程中并未出现电压尖峰,因而忽略了缓冲电路的设计,从而给后面距离测量的接收电路带来了较大的干扰。
第二个问题就是设计选频放大电路时未考虑R40-16的内电阻还和内电容;这就给后面的选频放大电路的工作带来了较大的影响,但是在实验过程中经过分析成功解决了这一问题。
总而言之,本次设计是比较成功的。
2.设计感想和收获
(1)这次设计让我近距离地感受到传感器在生活中的应用,让我对传感器及其设计有了更深刻地了解。
(2)这次设计让我对设计理念有了更深刻的了解。
是从“设计”的角度来设计电路,而不是从“经验”的角度来设计电路。
每个参数的由来都是经由理论分析和工程估算而来,而不是靠平时所积累的经验拍脑袋而来。
(3)提高了自主分析问题和解决问题的能。
例如发射电路的设计,为了让示波器能稳定显示,输入信号必须是周期性的,若直接用40kHz连续方波则又存在无法区分起点的问题。
为此我想到了间歇性发射脉冲方波的方法,经过验证,该方法行之有效。
参考文献
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高等教育出版社,1985
【2】时德钢、刘哗、汪锋,超声测距仪的研究,计算机测量与控制,2002,10(7):
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15-17
【4】李瑞麟.高稳定性的RC振荡电路.电测与仪表,1992(9):
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