实验十差动变压器的性能实验.docx

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实验十差动变压器的性能实验

实验十差动变压器的性能实验

一、实验目的：

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：

差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：

差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

四、实验步骤：

1、根据图3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3－1差动变压器电容传感器安装示意图

2、在模块上按图3－2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div）。

图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：

设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3－2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中

（1）、

（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

图3－2双踪示波器与差动变压器连结示意图

4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表3－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

表（3－1）差动变压器位移X值与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

五、思考题：

1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHZ的振动幅值，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受什么影响？

2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

3、移相器的电路原理图如图1－7，试分析其工作原理？

4、相敏检波器的电路原理图如图1－8，试分析其工作原理？

实验十一激励频率对差动变压器特性的影响

一、实验目的：

了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。

二、

基本原理：

差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：

表示,式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。

三、需用器件与单元：

与实验十相同。

四、实验步骤：

1、差动变压器安装同实验十。

接线图同实验十。

2、选择音频信号输出频率为1KHZ，Vp-p＝2V。

从LV输出，（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1、Rw2使输出变得更小，

3、用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置2.50mm处，有较大的输出。

将测试结果记入表3－2。

4、分别改变激励频率从1KHZ――9KHZ，幅值不变，将测试结果记入表3－2

表3－2不同激励频率时输出电压的关系。

F（Hz）

1KHz

2KHz

3KHz

4KHz

5KHz

6KHz

7KHz

8KHz

9KHz

V0（v）

5、作出幅频特性曲线。

实验十二差动变压器零点残余电压补偿实验

一、实验目的：

了解差动变压器零点残余电压补偿方法。

二、基本原理：

由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B－H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。

称其为零点残余电压。

三、需用器件与单元：

音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。

四、实验步骤：

1、

按图3－3接线，音频信号源从LV插口输出，实验模板R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。

图3－3零点残余电压补偿电路

2、利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰－峰值。

3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。

4、依次调整RW1、RW2，使输出电压降至最小。

5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。

6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰－峰值）。

（注：

这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压＝V零点p-p／K，K为放大倍数）

五、考题：

1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。

2、本实验也可用图3－4所示线路，请分析原理。

图3－4零点残余电压补偿电路之二

实验十三差动变压器的应用――振动测量实验

一、实验目的：

了解差动变压器测量振动的方法。

二、基本原理：

利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。

三、需用器件与单元：

音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、测微头、数显单元、低频振荡器、振动源单元（台面上）、示波器、直流稳压电源。

四、实验步骤：

1、将差动变压器按图3－5，安装在台面三源板的振动源单元上。

图3-5　差动变压器振动测量安装图

2、按图3－6接线，并调整好有关部分，调整如下：

（1）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV峰－峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=2V

（2）利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。

（3）仔细调节RW1和RW2使示波器（相敏检小波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。

（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。

（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线。

（否则再调节RW1和RW2）激振源接上低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。

用示波器观察放大器Vo相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。

图3－6差动变压器振动测量实验接线图

3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表3－3

表3－3

f（Hz）

Vp-p（V）

4、根据实验结果作出梁的振幅――频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。

5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。

注意事项：

低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。

五、思考题：

1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？

2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？

实验十四电容式传感器的位移实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。

四、实验步骤：

1、按图3－1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。

不然得调换接头。

一般接线：

二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。

2、将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图4－1）。

图4－1电容传感器位移实验接线图

3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表4－1。

表4－1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

5、根据表4－1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

五、思考题：

试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

实验十五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验

一、实验目的：

了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：

根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器按图5－1安装。

霍尔传感器与实验模板的连接按图5－2进行。

1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。

图5图5－1霍尔传感器安装示意图

3、

4、

图5－2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图

3、微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5－1。

表5－1

X（mm）

V（mv）

作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

五、思考题：

本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移实验

一、实验目的：

了解交流激励时霍尔式传感器的特性。

二、基本原理：

交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。

三、需用器件与单元：

在实验十六基础上加相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验十六，实验模板上连线见图5－3。

图5－3交流激励时霍尔传感器位移实验接线图

2、调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv输出，用示波器测量使电压输出频率为1KHz，电压峰－峰值为接上交流电源，激励电压从音频输出端LV输出频率1KHZ，幅值为4V峰－峰值（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。

3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。

4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。

5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表5－2。

表5－2交流激励时输出电压和位移数据

X（mm）

V（mv）

6、根据表5－2作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。

五、思考题：

利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？

实验十七霍尔测速实验

一、实验目的：

了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理：

利用霍尔效应表达式：

UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。

每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

三、需用器件与单元：

霍尔转速传感器、直流源＋5V、转动源2－24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

四、实验步骤：

1、根据图5－4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。

　　　　　　　　　　　　　图5－4　霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图

2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。

3、将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。

4、将转速调节中的＋2V－24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。

5、将数显单元上的开关拨到转速档。

6、调节转速调节电压使转动速度变化。

观察数显表转速显示的变化。

五、思考题：

1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？

实验十八磁电式转速传感器测速实验

一、

实验目的：

了解磁电式测量转速的原理。

二、基本原理：

基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：

发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。

三、需用器件与单元：

磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源2－24V。

四、实验步骤：

1、磁电式转速传感器按图5－4安装传感器端面离转动盘面2mm左右。

将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。

（磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）

2、将显示开关选择转速测量档。

3、将转速电源2－24V用引线引入到台面板上24V插孔，合上主控箱电开关。

使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。

五、思考题：

为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？

实验十九用磁电式原理测量地震＊

磁电式传感器是绝对测量原理的传感器，因此它可以直接放在地面上测量地震，用而不用找其它相对静止点。

请设计一个简易的地震仪用来测量车床、床身振动。

实验二十压电式传感器测振动实验

一、实验目的：

了解压电传感器的测量振动的原理和方法。

二、基本原理：

压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。

（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。

三、需用器件与单元：

振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。

双踪示波器。

四、实验步骤：

1、压电传感器已装在振动台面上。

2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。

图7－1压电式传感器性能实验接线图

3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图7－1，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。

将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。

将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。

4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。

5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。

6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。

实验二十一电涡流传感器位移实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：

通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：

1、根据图8－1安装电涡流传感器。

图8－1电涡流传感器安装示意图

图8-1电涡流传感器安装示意图

图8－2电涡流传感器位移实验接线图

2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选择电压20V档。

。

6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表8－1。

表8－1电涡流传感器位移X与输出电压数据

X（mm）

V（v）

8、根据表8－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

五、思考题：

1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

实验二十二被测体材质对电涡流传感器特性影响

一、实验目的：

了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、基本原理：

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

三、需用器件与单元：

除与实验二十五相同外，另加铜和铝的被测体圆盘。

四、实验步骤：

1、传感器安装与实验二十五相同。

2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。

3、重复实验二十五步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表8－2和表8－3。

表8－2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据

X（mm）

V（v）

表8－3被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据

X（mm）

V（v）

4、根据表8－2和表8－3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

5、分别比较实验二十五和本实验所得结果进行小结。

五、思考题：

当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？

实验二十三　被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。

二、基本原理：

电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。

三、需用器件与单元：

直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同形状铝被测体二个、数显单元。

四、实验步骤：

1、传感器安装见图8－1，与前面静态特性实验相同。

2、按照测静态特性实验要求连接好测量线路。

3、在测微头上分别用三种不同的被测铝圆盘进行电涡位移特性测定，分别记入表8－5。

表8－5不同尺寸时的被测体特性数据

X（mm）

被测体1

被测体2

4、根据表8－5数据计算目前范围内三种被测体1号、2号的灵敏度、并说明理由。

五、思考题：

目前现有一个直径为10mm的电涡流传感器，需对一个轴直径为8mm的振动进行测量？

试说明具体的测试方法与操作步骤。

实验二十四电涡流传感器测量振动实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。

二、基本原理：

根据电涡流传感器动态特性和位移特性，选择合适的工作点即可测量振幅。

三、需用器件与单元：

电涡流传感实验模板、电涡流传感器、低频振荡器、振动台、直流电源、检波、滤波模块、数显单元、测微头、示波器。

四、实验步骤：

1、根据图3－5安装电涡流传感器。

注意传感器端面与被测体振动台面（铝材料）之间的安装距离即为线形区域（可利用实验二十五中铝材料的特性曲线）。

将电涡流传感器两端插入实验模板标有L的两端插孔中，实验模板输出端接示波器一个通道，接入15V电源。

2、将低频振荡信号接入振动台激励源插孔，一般应避开梁的自振频率,将振荡频率设置在6－10HZ之间。

3、低频振荡器幅度旋钮初始为零，慢慢增大幅度，但振动台面与传感器端面不碰撞。

4、用示波器观察电涡流实验模板输出端Vo波形，调节传感器安装支架高度，读取正弦波形失真最小时的电压峰－峰值。

5、保持振动台的振动频率不变，改变振动幅度可测出相应的传感器输出电压峰－峰值。

六、思考题：

1、电涡流传感器动态响应好可以测高频振动的物体，电涡流传感器的可测高频上限受什么限制？

2、有一个振动频率为10K的被测体需要测其振动参数，你是选用压电式传感器还是电涡流传感器或认为两者均可？

3、能否用本系统数显表头，显示振动？

还需要添加什么单元，如何实行？

实验二十五电涡流转速传感器＊

一、实验目的：

了解电涡流传感器测转速的原理与组成。

二、基本原理：

利用电涡流的位移传感器及其位移特性，当被测转轴的端面或径向有明显的位移变化（齿轮，凸台）时，就可以得到相应的电压变化量，再配上相应电路测量转轴转速。

本实验请实验人员自己利用电涡流传感器和转动源、数显单元组建。

实验二十六光纤传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、基本原理：

本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。

两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

三、需用器件与单元：

光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。

四、实验步骤：

1、根据图9－1安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。

其内部已和发光管D及光电转

换管T相接。

图9－1光纤传感器安装示意图

2、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图9－2。

图9－2光纤传感器位移实验接线图

3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。

4、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调RW、使数显表显示为零。

5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表9－1。

表9－1光