检测技术实验报告.docx
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检测技术实验报告
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2012年5月17日
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
了解相敏检波器工作原理
10
差动变压器性能检测
10
差动变压器零残电压的补偿
20
差动变压器的标定
40
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
超声波测距
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
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
位移mm
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
-2.50
-3.00
-3.50
-4.00
-4.50
-5.00
电压V
0.00
-0.72
-1.38
-2.03
-2.61
-3.12
-3.57
-3.94
-4.24
-4.46
位移mm
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
电压V
0.66
1.35
1.92
2.52
2.99
3.41
3.75
4.01
4.23
4.38
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
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