检测原理实验报告

2011011429 自16 马嘉利

（B）实验一 热电偶测温和标定实验

一、工作原理

         热电偶是一种将温度转换为相应电势的温度传感器，其基本工作原理基于“双金属温差热电势效应”。

         当两种不同的金属 A 和B 组成一个回路，其两端相互连接时，只要两接点处的温度不同，设测温一端温度为T ，称为工作端或热端，另一端温度为0 T ，称为自由端或冷端，回路中将产生电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象称为“热电效应”，热电偶回路中热电动势的大小，只与热电偶的导体材料和两接点的温度有关。

二、实验目的

(1) 了解热电偶的工作原理和测温方法。

(2) 学习热电偶标定的方法和规则。

(3) 学习热电偶冷端处理与补偿的方法。

三、实验设备

(1) 主机：温控电加热部分、提供实验模块电源。

(2) 实验模块：温度传感器模块、温控电加热炉。

(3) K、E 分度热电偶各一支、位数字电压表两个、玻璃杆温度计一个、冰瓶一个。

四、实验内容

(1) 热电偶测温原理及冷端处理

实验方法

1) 用玻璃杆温度计测量当前室温 T1=25.2℃，而后将玻璃杆温度计插入冰瓶测量其冰水溶液的温度T0=0.4℃。

2) 用实验的方法理解热电偶（双金属）的温差热电势效应，用数字万用表直接测量一支E 型热电偶的两个冷端能测出热电势吗？为什么？那么如果将热电偶的冷端温度降低，它的热电势会有变化吗？

答：直接测量两个冷端不能测出电动势，因为热电偶冷热端温度相同。如果将冷端温度降低它的热电势会有变化。

3) 按图 1.4 所示，把一支E 型热电偶的两个冷端分别与两根铜导线连接在一起放入冰瓶。用数字万用表测量两根铜导线的引出端能测出热电势吗？测出的热电势反映的是当前的室温吗？可查E 型热电偶的分度表验证一下。

答：能测出热电势，测出的热点是反映的是室温。数据如下：热电势：1.52mV，查表得到其对应的温度约为25度，与室温相符。

(2) 测量炉温并标定热电偶

实验方法

本实验中 E 分度（镍铬—铜镍）热电偶作为标准热电偶来校准K 分度（镍铬—镍硅）热电偶。

1) 温控器（主机上）：作为热源的温度指示、控制、定温之用。温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。（注意：电加热炉加热开始前，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控。）

2) 把两个热电偶插入电加热炉内，E 分度热电偶为标准热电偶，冷端接主机面板的“温控”端；K 分度热电偶为被校热电偶，冷端接主机面板的“测试”端。（注意：热电偶极性不能接反，而且不能断偶。）把电加热炉电源线插入主机“220v 加热电源出”插座，并将主机面板上的热电偶转换开关拨向“温控”端。

3) 开启主机电源，将加热炉开关置“开”，把“测量－设定”开关置“设定”，调节“设定调节”电位器，将温度设定在50℃，然后把开关拨向“测量”。此时电加热炉温度升高，待炉温加热到设定值时停止加热。

4) 用数字万用表测量“温控”两端（即标准热电偶（E）的热电势）；同时测量“测试”两端（即被校热电偶（K）的热电势），每支热电偶分别测量三次。（注意：温度加热时会产生惯性过冲，需等温度相对稳定时再作测量，即绿灯变成红灯时。）

5) 继续将炉温提高到 70℃、90℃重复上述实验，观察热电偶的测温性能。理解冷端温度相对不变，热端温度升高对热电势的影响。

6) 用玻璃杆温度计测量热电偶冷端的温度（即“温控”端和“测试”端），冷端温度T1=26.4℃，从热电偶分度表查出冷端相对于0℃ 的热电势E ( T1 ,T0)。

7) 将测量结果填入下表，计算其误差。

回路热电势 ＝ 测量所得热电势（平均值）＋ 冷端补偿电势（查表）

E（T,T0）= E ( T,T1 ) + E ( T1 ,T0)

五、实验报告要求

（1）简述热电偶的测温原理。

答：热电偶的测温原理是基于热电效应，将两种不同的导体连成闭合回路，则当两个接点处温度不同时，回路中将产生热电势。当冷端温度T0保持不变的时候，总的热电势只与热端温度T成一定的函数关系，则我们可以通过测量热电势得到待测的温度T。

（2）总结实验中采用了哪几种热电偶冷端处理与补偿的方法。

答：该实验中采用了补偿导线法和参比端温度测量计算法。

（3）对实验数据进行整理分析，计算其误差，分析其产生的原因。

答：数据见前面所列的表格。可见，整体误差还是比较小的。误差产生的原因：冷端温度与0℃有偏差；读数的时刻不一定刚好是热端温度为50（/70/90）℃的时刻，由于数值变化比较快，会有一点误差；查分度表本身存在舍入误差。

（4）总结实验中遇到的问题和实验体会。

答：这次的实验很顺利，没有遇到太大问题。感谢助教的帮助和老师上课的讲解、同组同学的合作。这次实验说明热电偶在工业生产中可以发挥很大作用。

(B) 实验二 差动变压器特性实验

一、工作原理

         电感传感器是一种将位置量的变化转为电感量变化的传感器，它是根据变压器的原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器由衔铁、初级线圈和次级线圈组成。初级线圈作为差动变压器的激励用，相当于变压器原边。次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图2.1。

图 2.1 差动变压器原理及输出特性

         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，此电压经过放大器还会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿使之减小。

         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二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。

         高次谐波：主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起，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出非正弦波的电动势。

         减少零残电压的办法：第一从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。二采用相敏检波电路。三选用补偿电路。

二、实验目的

(1) 了解差动变压器的基本结构及原理。

(2) 通过实验验证差动变压器的基本特性。

三、实验设备

(1) 主机：音频信号源、提供实验模块电源。

(2) 实验模块：电感传感器模块。

(3) 数字示波器。

四、实验内容

(1) 差动变压器的基本特性

实验方法

1) 观察差动变压器线圈、铁芯的结构。按图2.2 接线，差动变压器初级线圈须从主机的音频信号源Lv 功率输出端接入，打开主机电源，调整音频信号源的电压峰峰值Vp-p 为2V，频率为10KHz 左右，用数字示波器第1 通道观察。

2) 次级线圈输出用数字示波器第 2 通道观察。改变变压器铁芯在线圈中位置；观察次级线圈输出波形能否有过零翻转，否则改接次级二个线圈的串接端。

3) 用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动，先寻找铁芯在变压器的中心点（即输出波形为“0”点），然后用螺旋测微仪带动铁芯分别向左、向右移动铁芯，从示波器第2 通道读出次级线圈输出电压Vp-p 值，同时注意初、次级线圈波形相位变化。

4) 将结果填入下表。根据表格所列结果作出 V-X 曲线，指出线性工作范围。

  5) 观察差动变压器输出零点附近的波形，调节测微仪使得次级输出电压趋于最小时（即零点残余电压），提高示波器第2 通道灵敏度，观察残余电压波形。

波形图如下所示

(2) 差动变压器补偿电路的作用

实验方法

1) 按图 2.3 接线，差动放大器增益置最大，调节电桥中WD、WA 电位器，使输出电压更趋于最小，用数字示波器第2 通道观察差动变压器输出零点附近的波形，与前一实验比较，了解差动变压器零残电压的补偿效果。（注意：必须连接主机与实验模块的电源线）

图 2.3 补偿电路

2) 用螺旋测微仪带动铁芯在线圈中移动，先寻找铁芯在变压器的中心点（即输出波形为“0”点），然后用螺旋测微仪带动铁芯分别向左、向右移动铁芯，从示波器第2 通道读出输出电压Vp-p 值，同时注意初、次级线圈波形相位。

3) 将结果填入下表。根据表格所列结果作出 V-X 曲线，并与没有加补偿电路的结果进行比较。

五、实验报告要求

（1）简述差动变压器的原理。

答：差动变压器由可动铁芯与两个次级线圈组成。当铁芯沿着轴向移动的时候，两个线圈之间的互感发生变化，形成差动电压，该电压与位移量之间存在一定的函数映射关系（近似线性关系）。故可通过测量差动电压来得到铁芯的位移。

（2）整理实验数据，并根据实验数据作出相应的曲线，指出线性工作范围。

答：数据见前面表格记录。线性工作范围分别为：-5mm~0mm，0mm~5mm。在正、负方向上仍然具有良好的线性特性；与不加补偿电路的结果相比，灵敏度有了极大的提高。

（3）说明补偿电路对改善差动变压器零点附近不灵敏区的作用。

答：零点附近不灵敏区的存在是由零点残余电压决定的，同时零点残余电压经过放大器的放大作用还会使得放大器末级趋于饱和，影响电路正常工作；而补偿电路起到了减小零点残余电压的作用，从而可以提高差动变压器零点附近的灵敏度。

 

第二篇：热电偶原理及应用