2010 级

《信号与控制综合实验》课程

实 验 报 告

             

               基本实验三:检测技术基本实验

                

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实验成绩            

评 阅 人             

实验评分表

目录

实验一  差动变压器的标定................................................................. 4

实验二  PT100 铂热电阻测温实验..................................................... 8

心得与体会........................................................................................... 12

参考书目............................................................................................... 13

          实验22-4  差动变压器的标定

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。

图1-1差动变压器的标定电路图

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。

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。

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。

表格一差动变压器的标定

实验结果分析：

灵敏度：k=Δy/Δx=(6.02+5.26)/10=1.128

线性度：=Δ=0.52/(6.02+5.26)=4.6%

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。

实验二十四 PT100 铂热电阻测温实验

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。可用于-200～+420℃范围内的温度。

2． PT100 设计参数

    PT100 铂电阻A 级在0℃时的电阻值 R0=100± 0.06 Ω；B 级R0=100±0.12 Ω，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。

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。

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≤4V，输出以电压V方式记录。

3．通过测量值进行误差分析。

系统方案设计；

实验方案初步设定为如下：

      

                  图2-1   实验方案电路图

电阻阻值计算：

考虑图中电路，当铂电阻变化ΔR时，电桥电压：

，

只有当R3取很大时才能保持线性。

故取R3为350欧姆，R1和R2以及电位器选用仪器上的变阻器，通过调整使节点1和节点2对应的电压差为零，这样当铂电阻受温度的影响发生变化时就会引起节点间的电压差。通过调零以及放大倍数的调整，使得实验的数据满足本实验的要求，温度变化一度时电压变化约在0.08v左右。

由于实验要求铂电阻的电流不超过5mA，考虑电源电压不应该超过5*（350+100）=2250mV=2.5V，实验时为保证电流不致太大，考虑将电源电压取为幅值为2V的直流电。

实验步骤：

I.根据电路图连接电路，电路图见图2-1

II.将电路差动放大器的增益调至最大，调节变阻器，到显示接近为零，进行调零操作。

III.升高温度，观察在各温度下的输出电压值，并记录电压值。

实验结果分析：

测取PT100 温度传感器的有关数据（电压、温度变化量）结果如下：

计算灵敏度：k=Δy/Δx=（3.42-0.44）/（65-20）=0.066

计算线性度：=Δ=0.05/(65-20)=0.11%

有实验得到的图形可以看到，实验所得的数据基本上符合实验要求,满足线性关系，而且幅值在0-4v内变化。

                      心得与自我评价

做过这么多次实验，实验前的预习依旧是要强调的重点。通过预习，要对实验目的、实验任务以及实验仪器有一个总体的认识，这样才能更有效率更有帮助地完成实验。再者，实验时一定要有耐心，元件和仪器的调节以及等待的过程都要很细致，否则实验结果就会不准确。

检测技术的这两次实验，可以说实验步骤不复杂，数据也少，但很考验检测技术这门课的知识，实验过程中也运用了不少，对课堂上的知识有了很好的巩固。

不足之处就是自己运用计算机处理数据和作图还不够熟练，总是在有的地方卡住了，还要请教其他的同学或者在网上查找方法。不过通过这一次次的实验，自己的能力在一步步提升。

参考文献

自动检测技术

马西秦 主编

机械工业出版社

信号与控制综合实验 实验指导书第三分册 检测技术基本实验

华中科技大学电气与电子工程学院

实验教学中心 编著

 

第二篇：现代检测技术实验报告

《现代检测技术》实验报告

院系名称：航天学院控制科学与工程系

学生姓名：        唐艳秋

学    号：      1081900202

同组人  ：        廖幻年

实验日期：   2011年10月12日

实验成绩：

教师评语：

                                                        教师签字：

                                           年   月   日

实验一  箔式应变片性能——单臂电桥

一  实验目的

1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。

   2 测试应变梁变形的应变输出。

   3 比较各桥路间的输出关系。

二  实验原理

    应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之放生响应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。

    电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R₁、R₂、R₃、R₄中，电阻的相对变化率分别为、，当使用一个应变片时，；当两个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成两个差动对工作，且，。由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。

三  实验结果

1箔式应变片特性及单臂桥路工作原理

箔式应变片特性：箔式应变片的敏感栅是采用光刻技术刻成的一种很薄的金属箔栅，当敏感栅受力发生变形时，其电阻值也随之发生相应的变化，根据不同的测量要求，可以制成不同形状的敏感栅，亦可在同一应变片上制成不同数目的敏感栅。箔式应变片具有散热条件好、允许电流大、横向效应小、疲劳寿命长、生产过程简单、适于批量生产等优点。

单臂桥路工作原理：

如上图所示，单臂是指在电桥组成工作时，有一个桥臂（用应变片）阻值都随被测物理量而变化。当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零，电桥处于平衡状态。如果将R4换成贴在试件上的应变片，应变片随试件的受力变形而变形，引起应变片电阻R4的变化，平衡被破坏，输出电压U发生变化。

2实验数据及灵敏度计算

电压变化平均值

位移变化平均值

灵敏度

四  试验曲线

实验十  热敏式温度传感器测温实验

一  实验目的

了解热敏电阻的温度传感器特性及测量方法。

二  实验原理

用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高，可以应用于各领域的优点，热电偶一般测高温时线性较好，热敏电阻用于200℃以下温度较为方便，本实验中所用热敏电阻为负温度系数。温度变化时热敏电阻阻值的变化导致运放组成的压/阻变换电路的输出电压发生相应变化。

实验仪上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25℃时阻值为8～10K。

三  实验结果

1  热敏电阻的特点及应用

热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。

热敏电阻的应用：热敏电阻可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制,构成RC振荡器稳幅电路,延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性,制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。

2 求出灵敏度S

实验数据如下表

电压变化平均值

温度变化平均值

灵敏度S=

四  试验曲线

实验十二  光纤位移传感器——位移测量

一  实验目的

    了解光纤传感器原理、工作特性、测量方法及用途。

二  实验原理

反射式光线位移传感器的工作原理如下图所示，光纤采用Y型结

构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起到传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位置量。

三  实验结果

1 简述光导纤维特性及光纤传感器原理。

光导纤维特性：光导纤维是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。主要特性有：①损耗小，容量大；②有一定带宽且色散小；③接线容易；④易于成统；⑤可靠性高；⑥制造比较简单；⑦价廉等。

光纤传感器原理：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

2 给出实验测量光纤特性曲线，所测量光纤前坡最大线性距离？

光纤特性曲线

由上图可知，光纤前坡最大线性距离为2mm。

3 根据振动实验，给出振动试验曲线，实验中采样频率？振动频率？

振动试验曲线

由上图可知

采样频率为1/0.002=500Hz

振动频率为1/(0.152-0.058)=10.6Hz

实验十四  霍尔式传感器的直流激励特性

一  实验目的

    了解霍尔式传感器的结构、工作原理，学会用霍尔传感器做静态位移测试。

二  实验原理

    霍尔式传感器是由工作在两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中的霍尔元件组成。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。

三  实验结果

1 简述霍尔式传感器工作原理：

霍尔式传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器。它可以直接测量磁场和微位移量，应用于电池测量、压力、加速度、振动等方面的测量领域。

在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与电洞受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过

  

霍尔效应

不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

　　方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a,b,d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。设磁场强度为B。

　　洛仑磁力

　　f=qE+qvB/c(Gauss 单位制)

　　电荷在横向受力为零时不在发生横向偏转，结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场

　　E= - vB/c

　　由实验可测出 E= UH/W 定义霍尔电阻为

　　RH= UH/I =EW/jW= E/j

　　j = q n v

　　RH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)

　　UH=RH I= -B I /(q n c)

2 通过实验给出霍尔传感器特性曲线，找出线性区间。

霍尔传感器特性曲线

由上图可知，线性区间：0.26～2.22mm