1、電氣學(xué)科大類 2010 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)三:檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn))姓 名 學(xué) 號(hào) 同組人 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班號(hào) 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)分實(shí)驗(yàn)二十二 差動(dòng)變壓器的標(biāo)定（一）了解相敏檢波器工作原理（二）差動(dòng)變壓器性能檢測(cè)（三）差動(dòng)變壓器零殘電壓的補(bǔ)償設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱PT100 鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)分值評(píng)分教師評(píng)價(jià)意見總分霍爾式傳感器的直流激勵(lì)特性1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饣魻柺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)、工作原理，霍爾元件控制電路和信號(hào)調(diào)理電路的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)用霍爾傳感器做靜態(tài)位移測(cè)試。2. 實(shí)驗(yàn)原理霍爾式傳感器是由兩個(gè)環(huán)形磁鋼組成梯度磁場(chǎng)和位于梯度磁場(chǎng)中的霍爾

2、元件組成。當(dāng)霍爾元件通以恒定電流時(shí)，霍爾元件就有電勢(shì)輸出。霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中上、下移動(dòng)時(shí)，輸出的霍爾電勢(shì)V取決于其在磁場(chǎng)中的位移量X，所以測(cè)得霍爾電勢(shì)的大小便可獲知霍爾元件的靜位移。3. 實(shí)驗(yàn)所需部件直流穩(wěn)壓電源、電橋、霍爾傳感器、差動(dòng)放大器、電壓表、測(cè)微頭4. 實(shí)驗(yàn)步驟 （a）實(shí)驗(yàn)操作臺(tái) (b) 實(shí)驗(yàn)接線圖圖1-1 霍爾式傳感器實(shí)驗(yàn)電路圖4.1 差動(dòng)放大器調(diào)零。差動(dòng)放大器增益置合適位置（增益電位器順時(shí)針方向旋到底為100倍，逆時(shí)間旋到底為1倍），“+、-”輸入端用實(shí)驗(yàn)線對(duì)地短接，輸出端接數(shù)字電壓表2V量程,開啟總電源和副電源開關(guān)。用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零。調(diào)零后 “調(diào)零”

3、電位器的位置不要變化，拔掉實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，關(guān)閉電源。4.2 按圖1-1接線，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂端右側(cè)的振動(dòng)圓盤上、下位置，目測(cè)霍爾元件位于梯度磁場(chǎng)中間位置。開啟電源(注意:直流激勵(lì)電壓須嚴(yán)格限定在2V，絕對(duì)不能任意加大，以免損壞霍爾元件)。調(diào)節(jié)測(cè)微頭和電橋WP，使差放輸出為零。 4.3 旋動(dòng)測(cè)微頭使霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中上、下有一個(gè)較大的位移，用電壓表觀察系統(tǒng)輸出是否正負(fù)對(duì)稱。如不對(duì)稱則需重新調(diào)節(jié)霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中間位置，直到正負(fù)輸出對(duì)稱為止。4.4 上、下移動(dòng)測(cè)微頭各3.5，每變化0.5讀取相應(yīng)的電壓值并記錄下來。做出V-X曲線，求出靈敏度及線性。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)所記錄數(shù)據(jù)如下所示：下移x/mm-0.5

4、-1-1.5-2-2.5-3-3.5V/mV-0.07-0.14-0.207-0.27-0.34-0.36-0.38上移x/mm0.511.522.533.5V/mV0.0690.140.210.280.3320.370.39用曲線表示如下圖所示：由圖可得，在上下移動(dòng)2.5mm時(shí)，具有較好的線性。采用端基擬合法得K=（0.332+0.34）/（2.5+2.5）=0.1344靈敏度S=0.1344mV/mm線性度Ef=m/YFS=0.008/（0.332+0.34）=1.19%思考題5.1 電壓控制型和電流控制型的霍爾元件有何不同？并各給出一種具體的型號(hào)加以說明。為什么本次試驗(yàn)中的霍爾元件直流激

5、勵(lì)電壓不能超過規(guī)定的大小？ 答：電流控制型霍爾元件由電流直接控制，電壓控制型霍爾元件必須在原邊串入一個(gè)電阻，以使原邊得到額定電流；HNV-025A霍爾電壓傳感器，SCB6霍爾電流傳感器。電流過大會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱增加，散熱困難，易損壞霍爾元件，且電阻變化，電流不能保持恒定。5.2 為什么傳感器的信號(hào)調(diào)理電路一般采用差動(dòng)放大電路？答: 因?yàn)椴顒?dòng)放大電路在放大信號(hào)的同時(shí)可以有效抑制零點(diǎn)漂移。5.3 如何利用霍爾傳感器作一電子秤來稱重？試說明基本思路和做法。答：基本原理是霍爾元件在均勻梯度磁場(chǎng)中上、下移動(dòng)時(shí)，輸出的霍爾電勢(shì)V與其在磁場(chǎng)中的位移量X成正比關(guān)系。將霍爾元件與電子秤的托盤和彈簧連接處相連，使霍爾元

6、件能在磁場(chǎng)中沿鉛垂線方向移動(dòng)，且移動(dòng)距離與彈簧的形變量一致，輸出的霍爾電勢(shì)經(jīng)放大電路處理再接到顯示電路。當(dāng)秤上部分物體時(shí)，調(diào)節(jié)霍爾元件使輸出電勢(shì)為0，然后將物體放在托盤上，測(cè)出經(jīng)放大后的輸出輸出電壓，算出電壓與質(zhì)量的關(guān)系，再調(diào)節(jié)放大電路的增益，使顯示的質(zhì)量與物體實(shí)際質(zhì)量一致。5.4 當(dāng)霍爾元件進(jìn)入均勻磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電壓是否仍隨位移量的增加而線性增加？答：不是。由霍爾電壓知，霍爾元件進(jìn)入均勻磁場(chǎng)時(shí)B 不變，而輸入的電流也不變，故霍爾電壓不變。實(shí)驗(yàn)小結(jié) 這次實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是調(diào)節(jié)霍爾元件的位置使正負(fù)輸出對(duì)稱，在這個(gè)過程中十分考驗(yàn)?zāi)托暮图?xì)心，要想把實(shí)驗(yàn)做得精密，就必須把這個(gè)步驟做好。實(shí)驗(yàn)二十二 差動(dòng)變壓器的

7、標(biāo)定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^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1、零點(diǎn)殘電壓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)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

8、）磁通，從而在二次繞組中感應(yīng)處非正弦波的電動(dòng)勢(shì)。2、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。3、相敏檢波器圖表 1 相敏檢波器電路相敏檢波器工作原理：相敏檢波電路如 圖表 1所示，圖為輸入信號(hào)端，為交流參考電壓輸入端，為輸出端。為直流參考電壓輸入端。、為整形電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成的方波信號(hào)，使相敏檢波器中的電子開關(guān)正常工作。當(dāng)、端輸入控制電壓信號(hào)時(shí)，通過差動(dòng)放大器的作用使D 和J 處于開關(guān)狀態(tài)，從而把端輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成半波整流信號(hào)。三、 實(shí)驗(yàn)所需部件差動(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、

9、低通濾波器、電壓表、示波器、測(cè)微儀四、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備CSY10A型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)TDS210數(shù)字示波器一臺(tái)五、 實(shí)驗(yàn)步驟（一）了解相敏檢波器工作原理1、用示波器兩通道觀察相敏檢測(cè)器插口、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關(guān)能正常工作。2、用示波器兩通道觀察相敏檢測(cè)器、端口的波形，適當(dāng)調(diào)節(jié)音頻振蕩器幅值旋鈕和移相器“移相”旋鈕，觀察當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位改變180°時(shí)，示波器中波形變化和電壓表電壓值變化。可以看出，當(dāng)相敏檢波器的輸入信號(hào)和開關(guān)信號(hào)反相時(shí)，輸出為正極性的全波整流信號(hào)，電壓表指示正極性方向最大值，反之，則輸

10、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。（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。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翻轉(zhuǎn)，以判斷兩個(gè)次級(jí)線圈的聯(lián)接方式，如不能過零翻轉(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)。（三）差動(dòng)變壓器零殘電壓的補(bǔ)償1、根據(jù)上圖接線，差動(dòng)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(cè)微儀帶動(dòng)銜鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)，使差動(dòng)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

11、更趨減小。3、提高示波器第二通道靈敏度，將零殘電壓波形與激勵(lì)電壓波形比較，觀察零點(diǎn)殘余電壓的波形，說明經(jīng)過補(bǔ)償后的零殘電壓主要是什么分量？六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（一）了解相敏檢波器工作原理圖表 2 信號(hào)源的波形圖3 0°同相輸入的整流波形圖表 4 180°反相輸入的整流波形圖表 5 輸出端的波形圖表 6 輸出端的波形（二）差動(dòng)變壓器性能檢測(cè)圖表 7 CH1輸入信號(hào)與CH2輸出信號(hào)同相位時(shí)的波形圖表 8 CH1輸入信號(hào)與CH2輸出信號(hào)反相位時(shí)的波形圖表 9 過零翻轉(zhuǎn)時(shí)的波形（三）差動(dòng)變壓器零殘電壓的補(bǔ)償圖表 10 差分放大器補(bǔ)償零殘電壓后的輸出波形由差分放大器的輸出波形可以看出，經(jīng)

12、過補(bǔ)償后的零殘電壓主要是基波分量。原因分析：1、基波分量是由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)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，引起的，這其中的一些參數(shù)是無法完全得到補(bǔ)償?shù)摹Ｔ陔娐氛{(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(hào)的相位差也在變化。可以推測(cè)出，兩個(gè)次級(jí)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(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

13、繞組中感應(yīng)處非正弦波的電動(dòng)勢(shì)。在試驗(yàn)中，激勵(lì)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(shí)驗(yàn)小結(jié)這次實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，按照步驟一步步來，熟悉了試驗(yàn)臺(tái)后入手很快，各種波形很快也很準(zhǔn)確的調(diào)了出來。遇到的主要困難還是對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各種器件使用的生疏，比如如何調(diào)節(jié)銜鐵的位置，如何接入變阻器進(jìn)行調(diào)零，經(jīng)過老師的指點(diǎn)后，這些小問題一一被化解。實(shí)驗(yàn)過程中，和同組人合作十分重要，也是這次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確快速的完成的關(guān)鍵。PT100 鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過自行設(shè)計(jì)熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)方案，加深對(duì)溫度傳感器工作原理的理解。2. 掌握測(cè)量溫度的電路設(shè)計(jì)和誤差分析方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.

14、鉑熱電阻的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的作用下，鉑電阻絲的電阻值隨著溫度的變化而變化。溫度和電阻的變化接近于線性關(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)間短等特點(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)繞制好的鉑熱電阻絲脫胎線圈制成的感溫元件，由于感溫元件可以做的相當(dāng)小，因此它可以制成各種微型溫度傳感器探頭。可用于-200+420范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。2. PT100 設(shè)計(jì)參數(shù)PT100 鉑熱電阻A級(jí)在 0時(shí)的電阻值 R0=100±0.06 ; B級(jí)R0=100±0.

15、12。PT100鉑熱電阻允許通過的最大測(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上通過的電流不能超過5mA。三、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及論證1.測(cè)溫電橋的設(shè)計(jì)PT100 熱電阻在室溫下的電阻值約為 105107之間，PT100 允許通過的最大電流為5mA。故選擇2 k的固定電阻與之串聯(lián)構(gòu)成相鄰的兩個(gè)橋臂。若采用 4V 供電，則 PT100上通過的電流為 4/2105=1.9mA，不超過5mA，滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到可調(diào)電位器的滑片容易發(fā)生微小的滑動(dòng)，造成實(shí)驗(yàn)誤差，故應(yīng)使電路中的可調(diào)電位器的調(diào)節(jié)范圍盡可能大。實(shí)際應(yīng)用中常采用大的固定電阻串聯(lián)小的可調(diào)電位器的方式實(shí)現(xiàn)電阻值的微調(diào)。因此，

16、與 PT100 相對(duì)的橋臂選用100的固定電阻。與 2 k的固定電阻相對(duì)應(yīng)的橋臂選擇 2k的可調(diào)電位器100的固定電阻串聯(lián)組成。2. 電橋供電方案的選擇電橋供電選用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上固定電源4V ，放大器電源選用用可編程基準(zhǔn)源 AD584 產(chǎn)生12V 的基準(zhǔn)電壓。3. 放大器方案選擇采用高性能儀用放大器 INA129 對(duì)電橋輸出電壓進(jìn)行放大。INA129 是低功耗的通用性儀用放大器，具有廣泛的應(yīng)用，共模抑制比高達(dá) 120dB，通過設(shè)置一個(gè)外接電阻可以實(shí)現(xiàn) 1倍到10000倍的放大，是熱電阻、熱電偶測(cè)溫的理想元件。其內(nèi)部采用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)來獲取高的共模抑制比，輸入端帶有過電壓保護(hù)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：圖 1. I

17、NA129 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由芯片資料知，通過配置1腳和8腳之間的外接電阻RG即可調(diào)節(jié)電路的增益。題目要求測(cè)溫范圍為室溫65。此時(shí)，由表24-1可知PT100電阻變化約為20，輸出電壓變化約為V=I*R=1.9*20 mV=38mV。題目要求輸出電壓不超過 4V，故取 RG =510，此時(shí)放大器的放大倍數(shù) G =1+40k/Rg =80倍，此時(shí)，輸出電壓不超過Uo=0.038*80=3.04V，滿足設(shè)計(jì)要求。綜上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路如圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 用萬(wàn)用表測(cè)量室溫，和室溫時(shí)的PT100電阻值。PT100 的阻值預(yù)設(shè)R3 的值。萬(wàn)用表得的室溫為17°C ，室溫時(shí)PT100的電阻值為107.6

18、5 ，查表知該阻值對(duì)應(yīng)的溫度在19°C到20°C之間，與萬(wàn)用表溫度讀數(shù)不同。應(yīng)用時(shí)檢查線性度后需要在PT100 的電阻-溫度讀數(shù)對(duì)應(yīng)表的基礎(chǔ)上做一定的校正。計(jì)算知滑動(dòng)變阻器構(gòu)成的橋臂約為1.876k時(shí)電橋平衡，用萬(wàn)用表量至滑動(dòng)變阻器阻抗為1.876K。2. 按圖連接電路，在室溫下調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器至電壓輸出剛好為0。3. 打開加熱器，逐漸升高溫度，逐點(diǎn)記錄輸出電壓和萬(wàn)用表的溫度示數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄溫度 /17192225283033353840電壓 /V0.160.170.210.240.290.340.380.450.530.59溫度 /42444648505254565860

19、電壓 /V0.60.710.780.850.910.991.071.151.221.3溫度 /62646668707274767880電壓 /V1.381.471.541.61.691.771.851.931.992.07溫度 /82848688909294電壓 /V2.142.222.32.372.452.532.64. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及誤差分析。應(yīng)用Matlab 繪制溫度-電壓曲線如圖：采用端基擬合，擬合曲線方程為y=0.032t-0.379 , 線性度Ef=m/Yfs Ef=0.35/2.6=13.46 % 線性度誤差大。但是在四十?dāng)z氏度之后線性度明顯變好，Ef=0.02/2.6=0.76

20、%。故在實(shí)際應(yīng)用中，此PT100在測(cè)量溫度在40至90時(shí)非線性誤差更小，測(cè)量更加精確。產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差主要原因及改進(jìn)措施如下：（1）萬(wàn)用表測(cè)溫度只能精確到度，而加熱器溫度上升緩慢，在萬(wàn)用表溫度示數(shù)不變時(shí)，臺(tái)表測(cè)試的輸出電壓不斷上升，不同的時(shí)刻讀到的值不同，造成一定誤差。采用更精確的測(cè)溫裝置能減小誤差。（2）PT100 引線電阻隨溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。實(shí)際應(yīng)用中常采用三線制或四線制接線方式，但實(shí)驗(yàn)室提供的PT100 只有兩根引出線，無法減小引線電阻變化的影響。（3）測(cè)溫電路本身的非線性等原因。此項(xiàng)誤差由電路設(shè)計(jì)保證，非常小，可以忽略不計(jì)。產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差主要原因及改進(jìn)措施如下：（1）萬(wàn)用表測(cè)溫度只能精確到度，而加熱器溫度上升緩慢，在萬(wàn)用表溫度示數(shù)不變時(shí)，臺(tái)表測(cè)試的輸出電壓不斷上升，不同的時(shí)刻讀到的值不同