信号与控制综合实验-检测设计

1、电气学科大类 2010 级信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验三:检测技术设计实验)姓 名 学 号 同组人 学 号 专业班号 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分实验二十二 差动变压器的标定（一）了解相敏检波器工作原理（二）差动变压器性能检测（三）差动变压器零残电压的补偿设计性实验实验名称PT100 铂热电阻测温实验实验分值评分教师评价意见总分霍尔式传感器的直流激励特性1. 实验目的了解霍尔式传感器的结构、工作原理，霍尔元件控制电路和信号调理电路的特点，学会用霍尔传感器做静态位移测试。2. 实验原理霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔

2、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。3. 实验所需部件直流稳压电源、电桥、霍尔传感器、差动放大器、电压表、测微头4. 实验步骤 （a）实验操作台 (b) 实验接线图图1-1 霍尔式传感器实验电路图4.1 差动放大器调零。差动放大器增益置合适位置（增益电位器顺时针方向旋到底为100倍，逆时间旋到底为1倍），“+、-”输入端用实验线对地短接，输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。调零后 “调零”

3、电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭电源。4.2 按图1-1接线，调节实验台顶端右侧的振动圆盘上、下位置，目测霍尔元件位于梯度磁场中间位置。开启电源(注意:直流激励电压须严格限定在2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件)。调节测微头和电桥WP，使差放输出为零。 4.3 旋动测微头使霍尔元件在梯度磁场中上、下有一个较大的位移，用电压表观察系统输出是否正负对称。如不对称则需重新调节霍尔元件在梯度磁场中间位置，直到正负输出对称为止。4.4 上、下移动测微头各3.5，每变化0.5读取相应的电压值并记录下来。做出V-X曲线，求出灵敏度及线性。5 实验数据实验所记录数据如下所示：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用曲线表示如下图所示：由图可得，在上下移动2.5mm时，具有较好的线性。采用端基拟合法得K=（0.332+0.34）/（2.5+2.5）=0.1344灵敏度S=0.1344mV/mm线性度Ef=m/YFS=0.008/（0.332+0.34）=1.19%思考题5.1 电压控制型和电流控制型的霍尔元件有何不同？并各给出一种具体的型号加以说明。为什么本次试验中的霍尔元件直流激

5、励电压不能超过规定的大小？ 答：电流控制型霍尔元件由电流直接控制，电压控制型霍尔元件必须在原边串入一个电阻，以使原边得到额定电流；HNV-025A霍尔电压传感器，SCB6霍尔电流传感器。电流过大会导致发热增加，散热困难，易损坏霍尔元件，且电阻变化，电流不能保持恒定。5.2 为什么传感器的信号调理电路一般采用差动放大电路？答: 因为差动放大电路在放大信号的同时可以有效抑制零点漂移。5.3 如何利用霍尔传感器作一电子秤来称重？试说明基本思路和做法。答：基本原理是霍尔元件在均匀梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V与其在磁场中的位移量X成正比关系。将霍尔元件与电子秤的托盘和弹簧连接处相连，使霍尔元

6、件能在磁场中沿铅垂线方向移动，且移动距离与弹簧的形变量一致，输出的霍尔电势经放大电路处理再接到显示电路。当秤上部分物体时，调节霍尔元件使输出电势为0，然后将物体放在托盘上，测出经放大后的输出输出电压，算出电压与质量的关系，再调节放大电路的增益，使显示的质量与物体实际质量一致。5.4 当霍尔元件进入均匀磁场时，霍尔电压是否仍随位移量的增加而线性增加？答：不是。由霍尔电压知，霍尔元件进入均匀磁场时B 不变，而输入的电流也不变，故霍尔电压不变。实验小结 这次实验的难点是调节霍尔元件的位置使正负输出对称，在这个过程中十分考验耐心和细心，要想把实验做得精密，就必须把这个步骤做好。实验二十二 差动变压器的

7、标定一、 实验目的通过实验学习差动变压测试系统的组成和标定方法。二、 实验原理1、零点残电压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。零残电压中主要包含两种波形成份：（1）、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成等效电路参数（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。（2）、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

8、）磁通，从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。2、减少零残电压的办法有：（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、相敏检波器图表 1 相敏检波器电路相敏检波器工作原理：相敏检波电路如 图表 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。、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。三、 实验所需部件差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、

9、低通滤波器、电压表、示波器、测微仪四、实验仪器设备CSY10A型传感器系统实验仪一台TDS210数字示波器一台五、 实验步骤（一）了解相敏检波器工作原理1、用示波器两通道观察相敏检测器插口、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。2、用示波器两通道观察相敏检测器、端口的波形，适当调节音频振荡器幅值旋钮和移相器“移相”旋钮，观察当输入信号与参考信号的相位改变180°时，示波器中波形变化和电压表电压值变化。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，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输

10、出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。（二）差动变压器性能检测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。（三）差动变压器零残电压的补偿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

11、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？六、实验结果分析（一）了解相敏检波器工作原理图表 2 信号源的波形图3 0°同相输入的整流波形图表 4 180°反相输入的整流波形图表 5 输出端的波形图表 6 输出端的波形（二）差动变压器性能检测图表 7 CH1输入信号与CH2输出信号同相位时的波形图表 8 CH1输入信号与CH2输出信号反相位时的波形图表 9 过零翻转时的波形（三）差动变压器零残电压的补偿图表 10 差分放大器补偿零残电压后的输出波形由差分放大器的输出波形可以看出，经

12、过补偿后的零残电压主要是基波分量。原因分析：1、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，引起的，这其中的一些参数是无法完全得到补偿的。在电路调整的过程中可以发现，当调整差分放大器的输出趋近最小的过程中，输出值不但幅值在变化，它与输入信号的相位差也在变化。可以推测出，两个次级线圈的输出不但幅值有不同，相位也有不同，故基波分量无法完全消除。2、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

13、绕组中感应处非正弦波的电动势。在试验中，激励电压和电流都很小，铁磁材料还未明显饱和，故差分放大器的输出中谐波分量不是很明显。实验小结这次实验比较简单，按照步骤一步步来，熟悉了试验台后入手很快，各种波形很快也很准确的调了出来。遇到的主要困难还是对实验台的各种器件使用的生疏，比如如何调节衔铁的位置，如何接入变阻器进行调零，经过老师的指点后，这些小问题一一被化解。实验过程中，和同组人合作十分重要，也是这次实验准确快速的完成的关键。PT100 铂热电阻测温实验一、实验目的1. 通过自行设计热电阻测温实验方案，加深对温度传感器工作原理的理解。2. 掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。二、实验原理1.

14、铂热电阻的工作原理铂热电阻元件作为一种温度传感器，其工作原理是在温度的作用下，铂电阻丝的电阻值随着温度的变化而变化。温度和电阻的变化接近于线性关系，偏差极小且随着时间的增长，偏差可以忽略，具有可靠性好、热响应时间短等特点，且电气性能稳定。铂热电阻是一种精确、灵敏、稳定的温度传感器。铂热电阻元件是用微型陶瓷管、孔内绕制好的铂热电阻丝脱胎线圈制成的感温元件，由于感温元件可以做的相当小，因此它可以制成各种微型温度传感器探头。可用于-200+420范围内的温度测量。2. PT100 设计参数PT100 铂热电阻A级在 0时的电阻值 R0=100±0.06 ; B级R0=100±0.

15、12。PT100铂热电阻允许通过的最大测量电流为5mA，由此产生的温升不大于 0.3 。设计时PT100上通过的电流不能超过5mA。三、实验方案设计及论证1.测温电桥的设计PT100 热电阻在室温下的电阻值约为 105107之间，PT100 允许通过的最大电流为5mA。故选择2 k的固定电阻与之串联构成相邻的两个桥臂。若采用 4V 供电，则 PT100上通过的电流为 4/2105=1.9mA，不超过5mA，满足设计要求。考虑到可调电位器的滑片容易发生微小的滑动，造成实验误差，故应使电路中的可调电位器的调节范围尽可能大。实际应用中常采用大的固定电阻串联小的可调电位器的方式实现电阻值的微调。因此，

16、与 PT100 相对的桥臂选用100的固定电阻。与 2 k的固定电阻相对应的桥臂选择 2k的可调电位器100的固定电阻串联组成。2. 电桥供电方案的选择电桥供电选用实验台上固定电源4V ，放大器电源选用用可编程基准源 AD584 产生12V 的基准电压。3. 放大器方案选择采用高性能仪用放大器 INA129 对电桥输出电压进行放大。INA129 是低功耗的通用性仪用放大器，具有广泛的应用，共模抑制比高达 120dB，通过设置一个外接电阻可以实现 1倍到10000倍的放大，是热电阻、热电偶测温的理想元件。其内部采用三运放结构来获取高的共模抑制比，输入端带有过电压保护。内部结构图如下：图 1. I

17、NA129 内部结构图由芯片资料知，通过配置1脚和8脚之间的外接电阻RG即可调节电路的增益。题目要求测温范围为室温65。此时，由表24-1可知PT100电阻变化约为20，输出电压变化约为V=I*R=1.9*20 mV=38mV。题目要求输出电压不超过 4V，故取 RG =510，此时放大器的放大倍数 G =1+40k/Rg =80倍，此时，输出电压不超过Uo=0.038*80=3.04V，满足设计要求。综上，设计实验电路如图四、实验步骤1. 用万用表测量室温，和室温时的PT100电阻值。PT100 的阻值预设R3 的值。万用表得的室温为17°C ，室温时PT100的电阻值为107.6

18、5 ，查表知该阻值对应的温度在19°C到20°C之间，与万用表温度读数不同。应用时检查线性度后需要在PT100 的电阻-温度读数对应表的基础上做一定的校正。计算知滑动变阻器构成的桥臂约为1.876k时电桥平衡，用万用表量至滑动变阻器阻抗为1.876K。2. 按图连接电路，在室温下调节滑动变阻器至电压输出刚好为0。3. 打开加热器，逐渐升高温度，逐点记录输出电压和万用表的温度示数。实验数据记录温度 /17192225283033353840电压 /V0.160.170.210.240.290.340.380.450.530.59温度 /42444648505254565860

19、电压 /V0.60.710.780.850.910.991.071.151.221.3温度 /62646668707274767880电压 /V1.381.471.541.61.691.771.851.931.992.07温度 /82848688909294电压 /V2.142.222.32.372.452.532.64. 实验数据处理及误差分析。应用Matlab 绘制温度-电压曲线如图：采用端基拟合，拟合曲线方程为y=0.032t-0.379 , 线性度Ef=m/Yfs Ef=0.35/2.6=13.46 % 线性度误差大。但是在四十摄氏度之后线性度明显变好，Ef=0.02/2.6=0.76

20、%。故在实际应用中，此PT100在测量温度在40至90时非线性误差更小，测量更加精确。产生实验误差主要原因及改进措施如下：（1）万用表测温度只能精确到度，而加热器温度上升缓慢，在万用表温度示数不变时，台表测试的输出电压不断上升，不同的时刻读到的值不同，造成一定误差。采用更精确的测温装置能减小误差。（2）PT100 引线电阻随温度变化对实验结果造成影响。实际应用中常采用三线制或四线制接线方式，但实验室提供的PT100 只有两根引出线，无法减小引线电阻变化的影响。（3）测温电路本身的非线性等原因。此项误差由电路设计保证，非常小，可以忽略不计。产生实验误差主要原因及改进措施如下：（1）万用表测温度只能精确到度，而加热器温度上升缓慢，在万用表温度示数不变时，台表测试的输出电压不断上升，不同的时刻读到的值不同