09 级
《信号与控制综合实验》课程
实 验 报 告
(基本实验三:检测技术基本实验)
姓 名 曹杰文 学 号 U200911896 专业班号0905
同组者 杨 欣 学 号 U200911880 专业班号0905
指导教师 陈庆
日 期 20##年5月17日
实验成绩
评 阅 人
实验评分表
目录
实验一 了解相敏检波器工作原理....................... 4
实验二 差动变压器性能检测........................... 6
实验三 差动变压器零残电压的补偿..................... 9
实验四 差动变压器的标定............................ 10
实验五 超声波测距................................. 13
心得与体会........................................ 16
参考文献.......................................... 17
实验二十二 差动变压器的标定
一、实验原理
1.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。
2.零点残余电压的原因:
复阻抗不容易达到真正平衡
磁化曲线的非线性产生高次谐波
各种损耗
分布电容的影响
3.零残电压中主要包含两种波形成份:
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。
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。
4.减少零残电压的办法有:
从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对程;
采用相敏检波电路;
选用补偿电路。
二.实验步骤
实验一了解相敏检波器工作原理
1.实验原理:
相敏检波电路如图所示,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。
2.实验步骤:
(1).调节音频振荡器输出频率为5KHZ,输出幅值为2V,将音频振荡器0端接相敏检波器的输入端1,相敏检波器的输入端连接,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0 , 180 ,使相敏检波器的输入信号和交流参考电压分别同相或者反相,用示波器两通道观察相敏检测器输出端3的波形变化和电压表电压值的变化
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开关信号反相时,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。
(2).用示波器两通道观察相敏检测器插口5 、6 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。
3.实验结果:
负极性的全波整流(180度):
正极性的全波整流(0度):
整流电路5、6输出:
4.实验结果分析:
根据实验所得图形,可以看到通过相敏检波电路,我们得到全波整流波形。相敏检波器的的5,6端输出为得到方波信号,使相敏检波器钟的电子开关能正常工作。
实验二差动变压器性能检测
1.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。
2.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。
(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。
3.实验结果:
输入输出反相时:
用手提变压器磁芯,观察是否过零翻转:
翻转成功,输入输出同相:
4.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,变为同相。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。需要进行零点残余电压补偿。下图为差动变压器的输出特性曲线
实验三差动变压器零残电压的补偿
1.实验原理:
差动变压器零点补偿时,在补偿电路法中有加串联电阻,加并联电容等方法,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。
2.实验步骤:
图1-3-1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,说明经过补偿后的零残电压主要是什么分量?
3.实验结果:
示波器第二通道波形:
零点残余电压:
同相时波形:
4.实验结果分析:
从上面的波形图可以看出在进行补偿后,零点残余电压有了很大的改观,残余电压减小了一半左右,然而实验的结果并不是很理想,理论上在零点残余电压补偿过后其分量应该已三次谐波为主要分量,而实验所得数据中并非三次谐波分量,可见实验结果并非很理想。分析实验的不足,主要在于零点残余电压补偿时的调节过程。
实验四差动变压器的标定
1.实验原理:
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。
下图为差动变压器的标定电路图
2.实验步骤:
(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。
3.实验结果:
差动变压器的标定
0V时,旋动测微仪在7.85mm处
4.实验结果分析:
灵敏度:k=Δy/Δx=(7.85+5.32)/10=1.317
线性度:=Δ=0.46/(7.85+5.32)=3.5%
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?
答: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。
实验二十三 超声波传感器距离测量
一 、实验原理
超声波发生器利用压电晶体谐振工作的,两级加电压脉冲信号,其频率等于压电晶体固有震荡频率时产生超声波。两级未加电压,其共振板接收到超声波信号时,将其转化为信号输出。距离公式为:。
其中:。
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23.1 震荡电路
2接收端放大电路如图所示:
图 23.2 接收端放大电路
3连接电路:
首先,把振荡电路连接在发射器两级,是频率等于压电晶片固有频率时发射超声波,发射器接示波器。
然后,超声波发生器不加两级电压作为接收端,转化为电信号通过放大电路接示波器。
4用示波器观测发射超声波和接受超声波的起始端时间差利用公式计算的距离并与实际距离比较。
五 实验结果:
示波器测量波形如下所示:
图23.3示波器波形
用示波器测得。带入公式:,又已知在通常情况下取值340m/s.。求得s=27.2cm,与真实结果27cm差别不大。
六 误差分析
由于产生正弦信号的电路的误差引起波形失真和放大系数不够致使最后收到的波形起始端测量不够精确引起误差。
实验心得
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
1.信号与控制综合实验教程,雄蕊,武汉,华中科技大学出版社,2010.11。
2.自动检测技术,马西秦,第三版,北京:机械工业出版社,2008.9。
3.电子技术基础—数字部分,康华光,第五版,北京:高等教育出版社,2006.1。
4.电子技术基础—模拟部分,康华光,第五版,北京:高等教育出版社,2006.1。
5.电路理论,颜秋容、谭丹,北京,电子工业出版社,2009
第二篇:现代检测技术实验报告
《现代检测技术》实验报告
院系名称:航天学院控制科学与工程系
学生姓名: 唐艳秋
学 号: 1081900202
同组人 : 廖幻年
实验日期: 2011年10月12日
实验成绩:
教师评语:
教师签字:
年 月 日
实验一 箔式应变片性能——单臂电桥
一 实验目的
1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2 测试应变梁变形的应变输出。
3 比较各桥路间的输出关系。
二 实验原理
应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之放生响应的变化。通过测量电路,转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种,当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等,电桥输出为零,在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中,电阻的相对变化率分别为、,当使用一个应变片时,;当两个应变片组成差动状态工作,则有;用四个应变片组成两个差动对工作,且,。由此可知,单臂,半桥,全桥电路的灵敏度依次增大。
三 实验结果
1箔式应变片特性及单臂桥路工作原理
箔式应变片特性:箔式应变片的敏感栅是采用光刻技术刻成的一种很薄的金属箔栅,当敏感栅受力发生变形时,其电阻值也随之发生相应的变化,根据不同的测量要求,可以制成不同形状的敏感栅,亦可在同一应变片上制成不同数目的敏感栅。箔式应变片具有散热条件好、允许电流大、横向效应小、疲劳寿命长、生产过程简单、适于批量生产等优点。
单臂桥路工作原理:
如上图所示,单臂是指在电桥组成工作时,有一个桥臂(用应变片)阻值都随被测物理量而变化。当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零,电桥处于平衡状态。如果将R4换成贴在试件上的应变片,应变片随试件的受力变形而变形,引起应变片电阻R4的变化,平衡被破坏,输出电压U发生变化。
2实验数据及灵敏度计算
电压变化平均值
位移变化平均值
灵敏度
四 试验曲线
实验十 热敏式温度传感器测温实验
一 实验目的
了解热敏电阻的温度传感器特性及测量方法。
二 实验原理
用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高,可以应用于各领域的优点,热电偶一般测高温时线性较好,热敏电阻用于200℃以下温度较为方便,本实验中所用热敏电阻为负温度系数。温度变化时热敏电阻阻值的变化导致运放组成的压/阻变换电路的输出电压发生相应变化。
实验仪上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51,负温度系数,25℃时阻值为8~10K。
三 实验结果
1 热敏电阻的特点及应用
热敏电阻的主要特点是:①灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,能检测出10-6℃的温度变化;②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃),低温器件适用于-273℃~55℃;③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;④使用方便,电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择;⑤易加工成复杂的形状,可大批量生产;⑥稳定性好、过载能力强。
热敏电阻的应用:热敏电阻可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制,构成RC振荡器稳幅电路,延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关,因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性,制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。
2 求出灵敏度S
实验数据如下表
电压变化平均值
温度变化平均值
灵敏度S=
四 试验曲线
实验十二 光纤位移传感器——位移测量
一 实验目的
了解光纤传感器原理、工作特性、测量方法及用途。
二 实验原理
反射式光线位移传感器的工作原理如下图所示,光纤采用Y型结
构,两束多模光纤一端合并组成光纤探头,在传感系统中,一支为接收光纤,另一支为光源光纤,光纤只起到传输信号的作用。当光发射器发生的红外光,经光源光纤照射至反射体,被反射的光经接收光纤至光电转换器,光电元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离,通过对光强的检测而得到位置量。
三 实验结果
1 简述光导纤维特性及光纤传感器原理。
光导纤维特性:光导纤维是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。主要特性有:①损耗小,容量大;②有一定带宽且色散小;③接线容易;④易于成统;⑤可靠性高;⑥制造比较简单;⑦价廉等。
光纤传感器原理:将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。
2 给出实验测量光纤特性曲线,所测量光纤前坡最大线性距离?
光纤特性曲线
由上图可知,光纤前坡最大线性距离为2mm。
3 根据振动实验,给出振动试验曲线,实验中采样频率?振动频率?
振动试验曲线
由上图可知
采样频率为1/0.002=500Hz
振动频率为1/(0.152-0.058)=10.6Hz
实验十四 霍尔式传感器的直流激励特性
一 实验目的
了解霍尔式传感器的结构、工作原理,学会用霍尔传感器做静态位移测试。
二 实验原理
霍尔式传感器是由工作在两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通以恒定电流时,霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时,输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X,所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。
三 实验结果
1 简述霍尔式传感器工作原理:
霍尔式传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器。它可以直接测量磁场和微位移量,应用于电池测量、压力、加速度、振动等方面的测量领域。
在导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得导线中的电子与电洞受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集,在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场,此一电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子电洞能顺利通过
霍尔效应
不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
方便起见,假设导体为一个长方体,长度分别为a,b,d,磁场垂直ab平面。电流经过ad,电流I = nqv(ad),n为电荷密度。设霍尔电压为VH,导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。设磁场强度为B。
洛仑磁力
f=qE+qvB/c(Gauss 单位制)
电荷在横向受力为零时不在发生横向偏转,结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场
E= - vB/c
由实验可测出 E= UH/W 定义霍尔电阻为
RH= UH/I =EW/jW= E/j
j = q n v
RH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)
UH=RH I= -B I /(q n c)
2 通过实验给出霍尔传感器特性曲线,找出线性区间。
霍尔传感器特性曲线
由上图可知,线性区间:0.26~2.22mm