檢測技術(shù)實驗報告電氣 華中科技大學(xué)

1、電氣學(xué)科大類 2010 級信號與控制綜合實驗課程實 驗 報 告(檢測技術(shù)實驗)指導(dǎo)教師 日 期 實驗成績 實驗評分表基本實驗實驗編號名稱/內(nèi)容（此列由學(xué)生自己填寫）實驗分值評分差動變壓器性能檢測10差動變壓器零殘電壓的補償20差動變壓器的標(biāo)定40設(shè)計性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分超聲波測距40創(chuàng)新性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分教師評價意見總分目錄實驗一 差動變壓器性能檢測實驗二 差動變壓器零殘電壓的補償實驗三 差動變壓器的標(biāo)定實驗四 超聲波測距總結(jié)參考書目實驗二十二.差動變壓器的標(biāo)定一差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)：差動變壓器由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵用，

2、相當(dāng)于變壓器的原邊；次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的相同線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎(chǔ)上。由于零殘電壓的存在會造成差動變壓器零點附近的不靈敏區(qū)，電壓經(jīng)過放大器會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常關(guān)系，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行補償。二零點殘余電壓的原因：1. 二個次級線圈在設(shè)計和工藝制作上很難保證完全對稱。2. 復(fù)阻抗不容易達到真正平衡。3. 磁化曲線的非線性產(chǎn)生高次諧波。4. 線圈中存在銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損。5. 分布電容的影響三零殘電壓中主要包含兩種波形成份：1）基波分量：這是由于差動變壓器兩個次級繞組因材料或工藝差異造等效電路參數(shù)（M

3、、L、R）不同，線圈中的銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損，線圈中線間電容的存在，都使得激勵電流與所產(chǎn)生的磁通不同相。2、高次諧波：主要是由導(dǎo)磁材料磁化曲線非線性引起，由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使激勵電流與磁通波形不一致，產(chǎn)生了非正弦波（主要是三次諧波）磁通，從而在二次繞組中感應(yīng)處非正弦波的電動勢。四減少零殘電壓的辦法有：1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路，既可以判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。3、選用補償電路減小零點殘余電動勢。如在差動變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)

4、適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。實驗一.差動變壓器性能檢測一實驗原理：差動變壓器中有銜鐵，通過上下移動銜鐵改變銜鐵的位置可以改變差動變壓器的第二通道中的感應(yīng)電壓，當(dāng)兩繞組的同名端連接適當(dāng)時，根據(jù)輸出電壓的正負(fù)可以判斷兩繞組產(chǎn)生的電壓大小。圖2-1差動變壓器的輸出特性二實驗?zāi)康?.掌握差動變壓器的性能。2.掌握研究差動變壓器性能的方法。三實驗步驟：1. 按下圖接線，差動變壓器初級線圈必須從音頻振蕩器LV端功率輸出。圖2-2差動變壓器性能檢測電路原理圖2. 音頻振蕩器輸出頻率5KHz，輸出值VP-P值2V。3. 用手提變壓器磁芯，觀察示波器第二通道的波形是否能過零

5、翻轉(zhuǎn)，以判斷兩個次級線圈的聯(lián)接方式，如不能過零翻轉(zhuǎn)，則需改變兩個次級線圈的串接端，使兩個次級線圈反向串聯(lián)。四實驗結(jié)果：圖2-3輸入輸出同相圖2-4輸入輸出反相圖2-4輸入輸出過零翻轉(zhuǎn)時五實驗結(jié)果分析：根據(jù)圖中得到的結(jié)果，可以看到在調(diào)節(jié)銜鐵與二次繞組的相對位置發(fā)生改變時，輸入輸出相位差發(fā)生改變，變?yōu)榉聪?。若不能過零翻轉(zhuǎn)，則表明二次級線圈是順串的，此時需要將二次級線圈的同名端調(diào)換，使二個次級線圈反向串聯(lián)，調(diào)換之后可以實現(xiàn)過零翻轉(zhuǎn)。根據(jù)圖中得到的結(jié)果，可以看到在調(diào)節(jié)銜鐵與二次繞組的相對位置發(fā)生改變時，輸入輸出相位差發(fā)生改變，變?yōu)榉聪?。第二通道過零時的波形，此時有零點殘余電壓，幅值不為零，只是幅值很小

6、。零點殘余電壓表現(xiàn)在電橋預(yù)平衡時，無法實現(xiàn)平衡，最后總要存在某個輸出值U。實驗中可以測量到零點殘余電壓約為136mv。需要進行零點殘余電壓補償。實驗二.差動變壓器零殘電壓的補償一實驗原理：差動變壓器零點補償時，在補償電路法中有加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容等，先采用并聯(lián)電阻法。通過調(diào)整WA和WD的阻值調(diào)整，可以達到零點殘余電壓的補償。二實驗步驟：圖3-1差動變壓器的零點補償電路1. 根據(jù)上圖接線，差動放大器增益調(diào)到最大，音頻LV端輸出VP-P值2V，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率，使示波器二通道波形不失真。2. 調(diào)節(jié)測微儀帶動銜鐵在線圈中運動，使差動放大器輸出電壓最小，調(diào)整電橋網(wǎng)絡(luò)WDWA電位器，使輸出更趨減小。

7、3. 提高示波器第二通道靈敏度，將零殘電壓波形與激勵電壓波形比較，觀察零點殘余電壓的波形。三實驗結(jié)果： 圖3-3補償之前不失真最小的零點殘余電壓圖3-3補償之后最小的零點殘余電壓四實驗結(jié)果分析：有上圖可以看出在進行補償后，零點殘余電壓有了很大的改觀。由差分放大器的輸出波形可以看出，經(jīng)過補償后的零殘電壓主要是基波分量。但是由于器件的老化和串聯(lián)過多等因素使得噪音非常高，再加大分辨率后就不能很好辨認(rèn)其波形。原因分析：1、基波分量是由于差動變壓器兩個次級繞組因材料或工藝差異造成等效電路參數(shù)（M、L、R）不同，線圈中的銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損，線圈中線間電容的存在，引起的，這其中的一些參數(shù)是無法完全得到

8、補償?shù)?。在電路調(diào)整的過程中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)整差分放大器的輸出趨近最小的過程中，輸出值不但幅值在變化，它與輸入信號的相位差也在變化?？梢酝茰y出，兩個次級線圈的輸出不但幅值有不同，相位也有不同，故基波分量無法完全消除。2、高次諧波分量主要是由導(dǎo)磁材料磁化曲線非線性引起，由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使激勵電流與磁通波形不一致，產(chǎn)生了非正弦波（主要是三次諧波）磁通，從而在二次繞組中感應(yīng)處非正弦波的電動勢。在試驗中，激勵電壓和電流都很小，鐵磁材料還未明顯飽和，故差分放大器的輸出中諧波分量不是很明顯。實驗三.差動變壓器的標(biāo)定一實驗原理：差動變壓器的靈敏度定義為輸出電壓與銜鐵位移的比值。靈敏度與二次線圈的匝

9、數(shù)成正比，與激勵電壓的幅值以及頻率（低頻時）成正比。研究差動變壓器的靈敏度對研究差動變壓器的性能有很重要的意義。圖4-1差動變壓器的標(biāo)定電路圖二實驗?zāi)康?.掌握差動變壓器零點殘余電壓的補償操作方法。2.將已補償之后的差動變壓器進行刻度數(shù)值標(biāo)定。三實驗步驟：1. 按上圖接線，差動放大器增益適度，音頻振蕩器Lv端輸出5KHZ，VP-P值2V。2. 調(diào)節(jié)電橋WD、WA 電位器，移相器，調(diào)節(jié)測微頭帶動銜鐵改變其在線圈中的位置，使系統(tǒng)輸出為零。3. 旋動測微頭使銜鐵在線圈中上、下有一個較大的位移，用電壓表和示波器觀察系統(tǒng)輸出是否正負(fù)對稱。如不對稱則需反復(fù)調(diào)節(jié)銜鐵位置和電橋、移相器，做到正負(fù)輸出對稱。注意

10、：示波器CH1、CH2 通道分別接入相敏檢波器1、2 端口，用手將銜鐵位置壓到最低，調(diào)節(jié)電橋、移相器，當(dāng)CH1、CH2所觀察到的波形正好同相或反相時，則系統(tǒng)輸出可做到正負(fù)對稱。4. 旋動測微儀，帶動銜鐵向上5mm，向下5mm 位移，每旋一周（0.5mm）記錄一電壓值并填入表格。表一 差動變壓器的標(biāo)定位移mm0.511.522.533544.55電壓V0.961.972.913.794.585.315.806.256.526.72位移mm-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5電壓V-0.90-1.77-2.55-3.23-3.85-4.29-4.58-4.79-4.98-5

11、.150V時，旋動測微儀在7.33mm處 圖4-2 輸入輸出波形同向四實驗結(jié)果分析：圖4-2 電壓與位移靈敏度：k=y/x=(4.58+6.52)/10=1.1線性度：Ef=Lmax/L X 100%=0.8819/(4.58+6.52)=7.9%由結(jié)果可知零點殘余電壓基本消除，輸入特性曲線由原來的V形基本變?yōu)橹本€，可判斷位移方向差動變壓器標(biāo)定實驗結(jié)果如上圖中電壓曲線所示，采用理論擬合方式，得到擬合直線為y=1.394x+0.4229舍棄實際電壓曲線與擬合直線在第一象限交點右側(cè)和第三象限左側(cè)的點，保留中間線性性較好的部分，得到測量范圍為-4.58V+6.52V，量程L=11.1V。五思考題1.

12、為什么在差動變壓器的標(biāo)定中電路中要加移相器？作用是什么？  答：根據(jù)相敏檢波器的原理，當(dāng)兩個輸入端的相位剛好相同或者相反（即相差180°）時，輸出為正極性（或者負(fù)極性）全波整流信號，電壓表才能只是正極性最大值（或者負(fù)極性最大值）。所以在差動變壓器的標(biāo)定電路中加入移相器，作用是保證2端輸入的參考交流電壓與1端輸入的電壓同相或反相，從而使系統(tǒng)輸出可以做到正負(fù)對稱。2.差動變壓器的標(biāo)定的含義，為什么要標(biāo)定？答：標(biāo)定的主要作用是：1） 確定儀器或測量系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，賦予儀器或測量系統(tǒng)分度值，本實驗中標(biāo)定為差動變壓器的靈敏度；2） 確定儀器或測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)；3）

13、 消除系統(tǒng)誤差，改善儀器或系統(tǒng)的正確度。4） 在科學(xué)測量中，標(biāo)定是一個不容忽視的重要步驟。故差動變壓器的標(biāo)定即為給該儀器的表盤標(biāo)刻度，使差動的位移與刻度盤上的標(biāo)值一一對應(yīng)，從而能通過讀值來確定測量量。實驗四.超聲波測距電路設(shè)計一、實驗原理  聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)振動頻率的不同，可分為次聲波、聲波、超聲波和微波等。 1) 次聲波：振動頻率低于l6Hz的機械波。 2) 聲波：振動頻率在1620KHz之間的機械波，在這個頻率范圍內(nèi)能為人耳所聞。 3) 超聲波：高于20KHz的機械波。 超聲波

14、與一般聲波比較，它的振動頻率高，而且波長短，因而具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。例如，在鋼材中甚至可穿透10米以上。   超聲波在均勻介質(zhì)中按直線方向傳播，但到達界面或者遇到另一種介質(zhì)時，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，并且服從幾何光學(xué)的反射、折射定律。超聲波在反射、折射過程中，其能量及波型都將發(fā)生變化。  超聲波在界面上的反射能量與透射能量的變化。取決于兩種介質(zhì)聲阻抗特性。和其他聲波一樣，兩介質(zhì)的聲阻抗特性差愈大，則反射波的強度愈大。例如，鋼與空氣的聲阻抗特性相差10萬倍，故超聲波幾

15、乎不通過空氣與鋼的介面，全部反射。  超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，能量的衰減決定于波的擴散、散射 (或漫射)及吸收。擴散衰減，是超聲波隨著傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)聲能的減弱；散射衰減，是由于介質(zhì)不均勻性產(chǎn)生的能量損失；超聲波被介質(zhì)吸收后，將聲能直接轉(zhuǎn)換為熱能，這是由于介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性造成的。   以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式

16、超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。本實驗采用的是壓電式超聲波傳感器, 主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，以此作為超聲波的接收器。 6.1壓電式超聲波傳感器的原理 目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛

17、等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。  壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時即為超聲波接收器。 6.2超聲波傳感器的測距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣

18、中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S，即：S=340t   圖4-1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系： v=331.4+0.61T   式中，T為實際溫度()，v的單位為m/s。二、實驗?zāi)康?#160; 通過對超聲波傳感器具體應(yīng)用，掌握超聲波傳感器工作原理，掌握超聲波測距電路設(shè)計思路和方法。  三、

19、實驗內(nèi)容   設(shè)計超聲波發(fā)射器工作多諧振電路和接受其放大電路，測量超聲波發(fā)射信號和接受信號的時間差，通過測量值計算距離，并與真實值比較。  四、實驗步驟 1.震蕩電路設(shè)計如下圖所示： 圖4-2 震蕩電路設(shè)計利用書上所提到的集成運放LM555所做的震蕩電路，其仿真波形如下圖。 圖4-3 震蕩電路仿真波形2.接收電路設(shè)計如下圖所示： 在網(wǎng)上查找資料過程中，發(fā)現(xiàn)利用儀表放大器制作接收放大器可以有很好的特點：1）電路具有抗共模干擾，抑制溫漂功能。2）具有低噪聲、高輸入阻抗、低線性誤差、高共模抑制比、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等

20、特點。3）具有增益1001 000可調(diào)，帶寬達到100 kHz，集成運放改用寬帶集成運放可提高接收電路響應(yīng)帶寬。所以在比較了各種儀用放大器后，我們選擇了較為容易得到并且操作的AD620儀表放大器。AD620儀表放大器引腳圖如下圖， 圖4-4 AD620引腳圖接收電路圖如下圖所示， 圖4-5 接收放大電路電路圖3. 按照入圖所示安裝好電路圖，然后打開振蕩電路開關(guān)觀察波形。獲得的壓電晶片震蕩波形圖如下圖：4. 打開開關(guān)后獲得的實驗波形如圖：從圖中光標(biāo)可以看出時間差為750us，獲得了超聲波傳輸?shù)臅r間差。5. 當(dāng)時的室溫大概為10，由式子：v=331.4+0.61T有 v=337

21、.5m/s6. 由傳感器的原理可知s=v*t=0.253m7. 由實驗室直尺測量得到兩傳感器之間距離為24.2cm，進行誤差計算有5、 實驗結(jié)果與分析 實驗時，振蕩電路輸出波形和接收電路放大輸出波形都不光滑，有大量噪聲。噪聲的干擾嚴(yán)重影響實驗操作的效率和數(shù)據(jù)的精度。接 線 較 復(fù) 雜 ，節(jié)點分布較大，使用12v和5v電源分別作為模擬部分電源和數(shù)字部分電源，大量的導(dǎo)線間的引線電感和雜散電容，模擬和數(shù)字電路之間的影響，所得波形含有較大的噪聲，影響實驗精度。 另外在實驗中我們發(fā)現(xiàn)開始時無論怎樣調(diào)整檢查接收電路都無法形成理想的波形圖。后來經(jīng)過嘗試和詢問，我們找到了原因。是示波器出發(fā)方式選擇上有錯誤。應(yīng)

22、該選擇交流觸發(fā)的方式。實驗總結(jié) 檢測技術(shù)這兩個實驗，在我們努力之下，終于完成了實驗課程的任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)。實驗后，在對實驗結(jié)果進行進一步分析與總結(jié)的基礎(chǔ)上，讓我對傳感器與檢測技術(shù)的知識有了更進一步的了解。其中變壓器標(biāo)定實驗，步驟很多，很難調(diào)節(jié)，但仍然在我們的努力下完成了。創(chuàng)新實驗中關(guān)于超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路的設(shè)計，讓我們更加熟悉了檢測技術(shù)的知識，并且將其運用到了實際之中。 當(dāng)然，在實驗的過程中，我也發(fā)現(xiàn)自己有很多不足，對于器材的陌生，原理理解的不透徹，這需要以后學(xué)習(xí)中的注意和改進，這次實驗最終還是培養(yǎng)了我獨立思考和分析解決問題的能力。 檢測實驗的實驗原理很清晰但是在操作過程中出現(xiàn)了一下問題：1，對于實驗器具的感性認(rèn)知不夠，在預(yù)習(xí)中和實踐中運用的傳感器方法有所不同，例如在超聲波測距的過程中書本上的講解是通過反射測距，而真正實驗的時