华中科技大学-检测技术实验报告

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30
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
24.PT100铂热电阻测温实验
40
创新性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
教师评价意见
总分

实验一
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
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。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)磁通,从而在二次绕组中感应处非正弦波的电动势。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。
参数确定为:R4=2kΩ,R5=100kΩ,则放大倍数为50倍,满足要求。
123.24
127.08
130.90
134.71
119.78
123.63
127.46
131.28
135.09
120.17
124.01
127.84
131.66
135.47
120.55
124.39
128.22
132.04
135.85
120.94
124.78
128.61
132.42
136.23
121.32
PT100上允许通过的电流值不超过5mA,可配合设计电源电压与桥臂电阻值。具体为:取E=10V,由恒压电源提供,取R2=R3=2kΩ,取R1=510Ω,电位器Rp=1kΩ,如此一来,流过PT100的最大电流Im=E/(R1+R2)=10/(510+2000)=4mA<5mA,满足。
2、放大电路的设计
实验
一、实验目的
1.自行设计PT100热电阻测量温度,验证温度与电阻之间的关系。
2.掌握测量温度的电路设计和误差分析方法。
3.掌握实验中各种减小误差的常用方法和技巧。
4.培养自身独立思考和动手实践能力,激发求知探索的欲望。
二、实验原理
1、铂热电阻工作原理
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。温度和电阻的关系接近于线性关系,偏差极小且随着时间的增长,偏差可以忽略,具有可靠性好、热响应时间短等优点,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、孔内装绕制好的铂热电阻丝脱胎线圈制成感温元件,由于感温元件可以做得相当小,因此它可以制成各种微型温度传感器探头。
(四
图4-1差动变压器的标定电路图
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。
由结果可知零点残余电压基本消除,输入特性曲线由原来的V形基本变为直线,可判断位移方向
五、实验思考题
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。
温度

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
电阻值(Ω)
-40
-30
-20
-10
0
84.27
88.22
92.16
96.09
100.00
83.87
87.83
91.77
95.69
99.61
83.48
87.43
91.37
95.30
99.22
83.08
87.04
90.98
94.91
98.83
82.69
86.64
90.59
94.52
位移/mm
12.92
12.42
11.92
11.42
10.92
10.42
9.92
9.42
8.92
8.42
7.92
电压/V
6.38
6.14
5.83
5.42
4.91
4.28
3.61
2.75
1.9
1
0
位移/mm
7.42
6.92
6.42
5.92
5.42
4.92
4.42
3.92
3.42
2.92
电压/V
-0.87
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: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;确定仪器或测量系统的静态特性指标;消除系统误差,改善仪器或系统的正确度。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。
1、PT100铂热电阻;
2、检测技术通用实验板或面包板;
3、CSY10A型传感器系统实验仪(带有加热器可供使用);
4、双路直流稳压电源;
5、数字万用表。
四、实验内容
1、设计PT100铂热电阻测温实验电路方案;
2、测量PT100的温度与电压关系,要求测温范围为:室温~65℃;温度测量精度:±2℃;输出电压0~4V,输出以电压V方式记录。
125.16
128.99
132.80
136.61
121.71
125.54
129.37
133.18
136.99
122.09
125.93
129.75
133.57
137.37
122.47
126.31
130.13
133.95
137.75
122.86
126.69
130.52
134.33
138.13
三、实验设备
3、通过测量值进行误差分析。
五、实验方案设计
设计电路如图5-1所示。
图5-1测量电路设计
1、电桥的设计
需要确定电桥的电源电压和各桥臂电阻。在室温下调平衡电桥后,UA=UB,R1/R2=(Rpt+Rpx)/R3,当温度上升ΔT后,PT100电阻增加ΔR,则有:
令R2=R3,则R1= ,简化后,
近似有
当温度变化每2℃,ΔR约为0.8Ω,要使得ΔU与ΔR近似线性,即使得 ,则需要R1+R2>>ΔR,由此可让R1+R2的阻值之和达到千欧级。
相敏检波器工作原理:相敏检波电路如图所示,图○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。
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22-1中。
表22-1位移与电压对应关系
98.44
82.29
86.25
90.19
94.12
98.04
81.89
85.85
89.80
93.73
97.65
81.50
85.46
89.40
93.34
97.26
81.10
85.06
89.01
92.95
96.87
80.70
84.67
88.62
92.55
96.48
0
10
20
30
40
100.00
103.90
图1-1相敏检波器原理图
三、实验设备
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、低通滤波器、电压表、示波器、测微仪。
四、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。
109.73
113.61
117.47
102.34
106.24
110.12
114.00
117.86
102.73
106.63
110.51
114.38
118.24
103.12
107.02
110.90
114.77
118.63
103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90
119.40
-1.78
-2.63
-3.41
-4.11
-4.75
-5.22
-5.64
-5.90
-6.08
根据上表做出如下图4-2:
图4-2位移与电压曲线图
由图可知,采用端点拟合的方法,进而可以计算如下:
灵敏度:k=Δy/Δx=(6.38+6.08)/10=1.246
线性度: =Δ =0.46/(6.38+6.08)=3.69%
根据电桥设计的参数,可以计算出每升高2℃,ΔU=0.8×10/2510=3.18mV.ΔU太小不易测量,需增加固定增益的放大电路对其进行测量;由于测温电路采用了直流电桥电路,会产生零点漂移,为消除零点漂移,可采用差分放大电路。
由于输出电压为0-4V,若室温为15℃(事实应更高),要测至65℃,则有50℃的温差,每2℃测一次,则有25次测量,即反映在输出电压上ΔU 4/25=160mV.则差放的放大系数约为160/3.18=50
(二
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。
图2-1差动变压器性能检测电路原理图
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。
2012级
《信号与控制综合实验》课程
实验报告
(基本实验二:检测技术实验)
姓名学号专业班号
同组者1学号专业班号
同组者2学号专业班号
指导教师徐雁
日期
实验成绩
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
22.差动变压器
22-1.相敏检波器
20
22-2.差动变压器的性能检测
10
22-3.差动变压器的标定
107.79
111.67
115.54
100.39
104.29
108.18wk.baidu.com
112.06
115.93
100.78
104.68
108.57
112.45
116.31
101.17
105.07
108.96
112.83
116.70
101.56
105.46
109.35
113.22
117.08
101.95
105.85
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.实验数据记录与分析
图1-2同相输入的整流波形
图1-3反相输入的整流波形
图1-4整形电路5、6端的输出
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端整形电路的作用是将输入的正弦波转换为方波,使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
2、PT100设计参数
PT100铂电阻A级在0℃时的电阻值R0=100±0.06Ω;B级R0=100±0.12Ω,PT100铂热电阻各种温度对应阻值见分度表23-1。PT100R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上通过电流不能大于5mA。
表2-PT100铂电阻分度表
4.实验数据记录与分析
图2-2输入输出同相
图2-3输入输出临界相位
图2-4输入输出反相
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,由正相变为反相。若不能过零翻转,则表明二次级线圈是顺串的,此时需要将二次级线圈的同名端调换,使二个次级线圈反向串联,调换之后可以实现过零翻转。
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