華中科技大學(xué)-檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電氣學(xué)科大類 2012 級(jí)信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告(基本實(shí)驗(yàn)二:檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn))姓 名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班號(hào) 同組者1 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班號(hào) 同組者2 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班號(hào) 指導(dǎo)教師 徐 雁 日 期 實(shí)驗(yàn)成績(jī) 評(píng) 閱 人 實(shí)驗(yàn)評(píng)分表基本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)編號(hào)名稱/內(nèi)容實(shí)驗(yàn)分值評(píng)分22.差動(dòng)變壓器22-1.相敏檢波器2022-2.差動(dòng)變壓器的性能檢測(cè)1022-3.差動(dòng)變壓器的標(biāo)定30設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱/內(nèi)容實(shí)驗(yàn)分值評(píng)分24.PT100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)40創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱/內(nèi)容實(shí)驗(yàn)分值評(píng)分教師評(píng)價(jià)意見(jiàn)總分目 錄正 文3實(shí)驗(yàn)一 差動(dòng)變壓器3（一）了解相敏檢波器工作原理4（二）差動(dòng)變壓器性能檢測(cè)6（四）差動(dòng)變壓

2、器性能檢測(cè)8實(shí)驗(yàn)二 PT100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)10小 結(jié)15參考文獻(xiàn)15正 文實(shí)驗(yàn)一 差動(dòng)變壓器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)差動(dòng)變壓測(cè)試系統(tǒng)的組成和標(biāo)定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理差動(dòng)變壓器由銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈骨架等組成。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊；次級(jí)線圈由兩個(gè)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(dòng)變壓器是開(kāi)磁路，工作是建立在互感基礎(chǔ)上。由于零殘電壓的存在會(huì)造成差動(dòng)變壓器零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)，電壓經(jīng)過(guò)放大器會(huì)使放大器末級(jí)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(jìn)行補(bǔ)償。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(dòng)變壓器兩個(gè)

3、次級(jí)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，都使得激勵(lì)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(lì)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(dòng)勢(shì)。減少零殘電壓的辦法有：1、從設(shè)計(jì)和工藝制作上盡量保證線路和磁路的對(duì)程；2、采用相敏檢波電路；3、選用補(bǔ)償電路。相敏檢波器工作原理：相敏檢波電路如圖所示，圖1為輸入信號(hào)端，2為交流參考電壓輸入端，3為輸出端。4為直流參考電壓輸入端。、為整形電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成的方

4、波信號(hào)，使相敏檢波器中的電子開(kāi)關(guān)正常工作。當(dāng)2、4端輸入控制電壓信號(hào)時(shí)，通過(guò)差動(dòng)放大器的作用使D和J處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而把1端輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成半波整流信號(hào)。圖1-1相敏檢波器原理圖三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備差動(dòng)變壓器、音頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、示波器、測(cè)微儀。四、實(shí)驗(yàn)步驟（一）了解相敏檢波器工作原理1 調(diào)節(jié)音頻振蕩器輸出頻率為5kHz，輸出幅值為2V，將音頻振蕩器0端接相敏檢波器的輸入端1，相敏檢波器的輸入端連接，低通濾波器的輸出端接數(shù)字電壓表20V。相敏檢波器的交流參考電壓輸入端2分別接0 ， 180 ，使相敏檢波器的輸入信號(hào)和交流參考電壓分別同相或者反相，用

5、示波器兩通道觀察相敏檢測(cè)器輸出端3的波形變化和電壓表電壓值的變化。注意：此時(shí)差動(dòng)放大器的增益要比較小，稍有增益即可，示波器的“觸發(fā)”方式要選擇正確?？梢钥闯觯?dāng)相敏檢波器的輸入信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)反相時(shí)，輸出為正極性的全波整流信號(hào)，電壓表只是正極性方向最大值，反之，則輸出負(fù)極性的全波整流波形，電壓表指示負(fù)極性的最大值。2 用示波器兩通道觀察相敏檢測(cè)器插口5 、6 的波形。可以看出，相敏檢波器中整形電路的作用是將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換成方波，使相敏檢波器中的電子開(kāi)關(guān)能正常工作。3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析圖1-2同相輸入的整流波形圖1-3反相輸入的整流波形圖1-4整形電路5、6端的輸出根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得圖形，可以看到

6、通過(guò)相敏檢波電路，我們得到全波整流波形。相敏檢波器的的5，6端整形電路的作用是將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換為方波，使相敏檢波器中的電子開(kāi)關(guān)能正常工作。（二）差動(dòng)變壓器性能檢測(cè)1. 按下圖接線，差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈必須從音頻振蕩器LV端功率輸出。圖2-1差動(dòng)變壓器性能檢測(cè)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(guò)零翻轉(zhuǎn)，以判斷兩個(gè)次級(jí)線圈的聯(lián)接方式，如不能過(guò)零翻轉(zhuǎn)，則需改變兩個(gè)次級(jí)線圈的串接端，使兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)。4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析圖2-2輸入輸出同相圖2-3輸入輸出臨界相位圖2-4輸入輸出反相根據(jù)圖中得到的結(jié)果，可以

7、看到在調(diào)節(jié)銜鐵與二次繞組的相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，輸入輸出相位差發(fā)生改變，由正相變?yōu)榉聪?。若不能過(guò)零翻轉(zhuǎn)，則表明二次級(jí)線圈是順串的，此時(shí)需要將二次級(jí)線圈的同名端調(diào)換，使二個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，調(diào)換之后可以實(shí)現(xiàn)過(guò)零翻轉(zhuǎn)。（四）差動(dòng)變壓器性能檢測(cè)圖4-1差動(dòng)變壓器的標(biāo)定電路圖1. 按上圖接線，差動(dòng)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(cè)微頭帶動(dòng)銜鐵改變其在線圈中的位置，使系統(tǒng)輸出為零。3. 旋動(dòng)測(cè)微頭使銜鐵在線圈中上、下有一個(gè)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(duì)稱。如不對(duì)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

8、對(duì)稱。注意：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(shí)，則系統(tǒng)輸出可做到正負(fù)對(duì)稱。4. 旋動(dòng)測(cè)微儀，帶動(dòng)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22-1中。表22-1 位移與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系位移/mm12.9212.4211.9211.4210.9210.429.929.428.928.427.92電壓/V6.386.145.835.424.914.283.612.751.910位移/mm7.426.926.425.925.424.924.423.923.4

9、22.92電壓/V-0.87-1.78-2.63-3.41-4.11-4.75-5.22-5.64-5.90-6.08根據(jù)上表做出如下圖4-2：圖4-2 位移與電壓曲線圖由圖可知，采用端點(diǎn)擬合的方法，進(jìn)而可以計(jì)算如下：靈敏度：k=y/x=(6.38+6.08)/10=1.246線性度：L=Lmax/yFS=0.46/(6.38+6.08)=3.69%由結(jié)果可知零點(diǎn)殘余電壓基本消除，輸入特性曲線由原來(lái)的V形基本變?yōu)橹本€，可判斷位移方向五、實(shí)驗(yàn)思考題1、為什么在差動(dòng)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(gè)輸入端的相位剛好相同或者相反（即相差180）時(shí)，輸出為正極

10、性（或者負(fù)極性）全波整流信號(hào)，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(dòng)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(duì)稱。2、差動(dòng)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：確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，賦予儀器或測(cè)量系統(tǒng)分度值，本實(shí)驗(yàn)中標(biāo)定為差動(dòng)變壓器的靈敏度；確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)；消除系統(tǒng)誤差，改善儀器或系統(tǒng)的正確度。在科學(xué)測(cè)量中，標(biāo)定是一個(gè)不容忽視的重要步驟。故差動(dòng)變壓器的標(biāo)定即為給該儀器的表盤標(biāo)刻度，使差動(dòng)的位移與刻度盤上的標(biāo)值一一對(duì)應(yīng)，從而能通過(guò)讀值來(lái)確定測(cè)量量。實(shí)驗(yàn)二

11、 PT100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.自行設(shè)計(jì)PT100熱電阻測(cè)量溫度，驗(yàn)證溫度與電阻之間的關(guān)系。2.掌握測(cè)量溫度的電路設(shè)計(jì)和誤差分析方法。3.掌握實(shí)驗(yàn)中各種減小誤差的常用方法和技巧。4.培養(yǎng)自身獨(dú)立思考和動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)求知探索的欲望。二、實(shí)驗(yàn)原理 1、鉑熱電阻工作原理鉑熱電阻元件作為一種溫度傳感器，其工作原理是在溫度作用下，鉑電阻絲的電阻值隨著溫度的變化而變化。溫度和電阻的關(guān)系接近于線性關(guān)系，偏差極小且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，偏差可以忽略，具有可靠性好、熱響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，且電氣性能穩(wěn)定。鉑熱電阻是一種精確、靈敏、穩(wěn)定的溫度傳感器。鉑熱電阻元件是用微型陶瓷管、孔內(nèi)裝繞制好的鉑熱電阻絲脫胎線

12、圈制成感溫元件，由于感溫元件可以做得相當(dāng)小，因此它可以制成各種微型溫度傳感器探頭。2、PT100 設(shè)計(jì)參數(shù)PT100 鉑電阻A 級(jí)在0時(shí)的電阻值 R0=100 0.06 ；B 級(jí)R0=1000.12 ，PT100鉑熱電阻各種溫度對(duì)應(yīng)阻值見(jiàn)分度表23-1。PT100R 允許通過(guò)的最大測(cè)量電流為5mA，由此產(chǎn)生的溫升不大于0.3。設(shè)計(jì)時(shí)PT100上通過(guò)電流不能大于5mA。表2-PT100鉑電阻分度表溫度 0123456789電阻值（）-40-30-20-10084.2788.2292.1696.09100.0083.8787.8391.7795.6999.6183.4887.4391.3795.3

13、099.2283.0887.0490.9894.9198.8382.6986.6490.5994.5298.4482.2986.2590.1994.1298.0481.8985.8589.8093.7397.6581.5085.4689.4093.3497.2681.1085.0689.0192.9596.8780.7084.6788.6292.5596.48010203040100.00103.90107.79111.67115.54100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.57112.45116.31101.17105.07108.9611

14、2.83116.70101.56105.46109.35113.22117.08101.95105.85109.73113.61117.47102.34106.24110.12114.00117.86102.73106.63110.51114.38118.24103.12107.02110.90114.77118.63103.51107.40111.29115.15119.015060708090119.40123.24127.08130.90134.71119.78123.63127.46131.28135.09120.17124.01127.84131.66135.47120.55124.

15、39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23121.32125.16128.99132.80136.61121.71125.54129.37133.18136.99122.09125.93129.75133.57137.37122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.69130.52134.33138.13三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、 PT100鉑熱電阻；2、檢測(cè)技術(shù)通用實(shí)驗(yàn)板或面包板；3、CSY10A型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀（帶有加熱器可供使用）；4、雙路直流穩(wěn)壓電源；5、數(shù)字萬(wàn)用表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)PT100鉑熱

16、電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)電路方案；2、測(cè)量PT100的溫度與電壓關(guān)系，要求測(cè)溫范圍為：室溫65；溫度測(cè)量精度：2；輸出電壓04V，輸出以電壓V方式記錄。3、通過(guò)測(cè)量值進(jìn)行誤差分析。五、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路如圖5-1所示。圖5-1 測(cè)量電路設(shè)計(jì)1、電橋的設(shè)計(jì)需要確定電橋的電源電壓和各橋臂電阻。在室溫下調(diào)平衡電橋后，UA=UB,R1/R2=(Rpt+Rpx)/R3，當(dāng)溫度上升T后，PT100電阻增加R，則有：U=UA-UB=Rpt+R+RpxRpt+R+Rpx+R3E-R1R1+R2E令R2=R3，則R1= Rpt+Rpx，簡(jiǎn)化后，U=R1+RR1+R+R2E-R1R1+R2E近似有 U=RR1+R2E當(dāng)溫度

17、變化每2，R約為0.8，要使得U與R近似線性，即使得U=RR1+R2E，則需要R1+R2R,由此可讓R1+R2的阻值之和達(dá)到千歐級(jí)。PT100上允許通過(guò)的電流值不超過(guò)5mA，可配合設(shè)計(jì)電源電壓與橋臂電阻值。具體為：取E=10V，由恒壓電源提供，取R2=R3=2k,取R1=510，電位器Rp=1k,如此一來(lái)，流過(guò)PT100的最大電流Im=E/(R1+R2)=10/(510+2000)=4mA5mA,滿足。2、 放大電路的設(shè)計(jì)根據(jù)電橋設(shè)計(jì)的參數(shù)，可以計(jì)算出每升高2，U=0.810/2510=3.18mV. U太小不易測(cè)量，需增加固定增益的放大電路對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；由于測(cè)溫電路采用了直流電橋電路，會(huì)產(chǎn)生

18、零點(diǎn)漂移，為消除零點(diǎn)漂移，可采用差分放大電路。由于輸出電壓為0-4V，若室溫為15（事實(shí)應(yīng)更高），要測(cè)至65，則有50的溫差，每2測(cè)一次，則有25次測(cè)量，即反映在輸出電壓上U4/25=160mV.則差放的放大系數(shù)約為160/3.18=50參數(shù)確定為：R4=2k,R5=100 k,則放大倍數(shù)為50倍，滿足要求。3、 關(guān)于芯片LM324其管腳連接圖如圖5-1所示。圖5-2 管腳連接圖本實(shí)驗(yàn)僅用到一個(gè)運(yùn)算放大器，故可以僅用1、2、3構(gòu)成的運(yùn)放1,4引腳接VCC=12V，11引腳接VEE=-12V，雙極操作，便于調(diào)零。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、按照設(shè)計(jì)圖接線，搭建實(shí)驗(yàn)電路；2、調(diào)節(jié)變阻器使電橋平衡，測(cè)取室溫；3

19、、加熱電阻，測(cè)取PT100 溫度傳感器在每上升2度是的數(shù)據(jù)；4、對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理分析。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 室溫25，數(shù)據(jù)記錄溫升。表5-1 PT100鉑熱電阻溫度特性測(cè)量溫度02468101214161820正行程1電壓00.120.260.440.620.780.941.081.21.441.58反行程1電壓00.140.340.520.821.041.261.461.641.822溫度22242628303234363840正行程1電壓1.741.8822.182.342.52.682.8433.18反行程1電壓2.162.322.442.562.682.782.882.983.13.18

20、溫度02468101214161820正行程2電壓00.140.280.480.660.8211.141.31.561.72反行程2電壓00.160.360.560.881.141.361.581.761.942.12溫度22242628303234363840正行程2電壓1.8822.12.262.422.582.742.883.043.22反行程2電壓2.282.422.542.642.742.822.943.023.143.22八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析 將兩組數(shù)據(jù)求取平均值后，作圖如下。圖5-3 測(cè)量數(shù)據(jù)遲滯特性曲線由圖可以看到，端點(diǎn)擬合直線與正行程曲線十分相近，而與反行程曲線相距較遠(yuǎn)。主要原因在于加熱電阻發(fā)熱太快，導(dǎo)致升溫較快，實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們控制加熱時(shí)間不斷開(kāi)合開(kāi)關(guān)，控制溫度上升速度，從