华中科技大学测控技术与系统实验报告Word格式.docx
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实验内容:
取一直流电压(如CSY-3000应变电桥实验模块的输出),接入CKXT-I实验仪的主模拟输入通道,编程实现该直流电压的测量,获得测量数据并进行分析。
实验设备:
CSY-3000实验仪;
CKXT-I型综合实验仪;
信号源;
万用表。
四、实验步骤
1、在CSY-3000实验仪上找出电压输出接口,用导线分别将其接入CKXT-I型综合实验仪的电压采集端口AD0和AGND端口。
2、在本次试验中,为了获得较高精度,采用电压采集输入端口AD0采集模拟电压信号。
3、在CSY-3000实验仪上找出电压表测量输入接口,将CSY-3000实验仪上测得的电压值作为参考标准电压,将CKXT-I型综合实验仪作为待标定的电压。
分压网络与接线图
说明:
1、CKXT-I型综合实验仪按要求接线,其中AD0端口用于采集模拟电压信号。
2、分压网络a端接CSY-3000实验仪上2V标准输出电压,所有接地端接到一起。
3、编程,采集并记录测量得到的电压值
4、改变滑动变阻器的阻值,得到不同电压值用于标定CKXT-I型综合实验仪上的电压关系。
实验中通过采集模拟1V和电压,通过拟合线性关系得出电压值并通过数码管显示。
5、标定之后比较实际电压值与单片机显示电压值进行比较观察误差。
五、实验现象和结论
通过按照实验电路图进行接线,并通过keil软件与CKXT-I型综合实验仪进行调试后,CKXT-I型综合实验仪在电压校准后数码管上显示的电压值与实际电压值的误差为0mm或者1mm,说明测量误差控制在很小的范围内,达到电压测量的目的。
六、核心程序注释
0欧姆铂热电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成,耐温性能明显优于100欧姆的铂热电阻,只要用于650℃以上的温区:
100欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区,虽也可用于650℃以上温区,但在650℃以上温区不允许有A级误差。
100欧姆铂热电阻的的分辨率比10欧姆铂热电阻的分辨率大10倍,对二次仪表的要求相应地一个数量级,因此在650℃以下温区测温应尽量选用100欧姆铂热电阻。
5、将电阻值的测量转换为电阻两端电压的测量
温度传感器实验模板及连线图(图1):
》
电阻是三线连接,其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。
将Vo接综合实验仪的模拟通道电压输入端,以实现电压测量。
具体电压测量电路如下:
电阻箱电阻与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥,是一种单臂电桥工作形式。
调Rw1使电桥平衡,即桥路输出端b和中心活动点之间输出为零。
调Rw3使V02=0,接上数显单元,拨2V电压显示档,使数显为零,去除放大器零漂电压。
适当的调节Rw2获得合适的增益,以便于电压值的测量显示。
通过改变电阻箱阻值,Vo端将得到对应的电压值。
实验思路:
我们小组从以上实验原理中分析得知,本次实验根据不同温度设定电阻箱的阻值(对应不同温度下Pt100的阻值),通过测定电阻值两端电压得到电压值与电阻值(对应温度)的关系,从而得到电压值与温度的关系。
经过电压校正后,可以实现到高精度的电压值测量。
根据拟合得到的电压与温度的关系可由测得的电压值计算出对应的温度值。
并与实际温度进行参照,分析误差。
三、实验内容:
利用综合实验仪设计热电阻温度计:
1、利用标准电阻箱作为热电阻测温代替PT100电路实验
2、设计一种三线制测温电路,分析其原理和误差;
3、用实验仪设计实现温度仪;
【
4、利用标准电阻箱对电阻测量进行标定;
5、根据分度表进行线性校正。
四、实验设备:
标准电阻箱(Pt100热电阻),CSY-3000实验仪,CKXT-I型综合实验仪,万用表。
五、实验步骤:
1、用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线(同种颜色的线)设为1、2,另一根设为3,并测出它在室温时的大致电阻值(实际测得欧姆)。
2、在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下,再根据图1示意图接线,温度传感器实验模板中a、b(Rt)两端接传感器,这样传感器(Rt)与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥,是一种单臂电桥工作形式。
3、放大器调零、调增益:
将图1中的温度传感器实验模板的放大器的两输入端引线(一根传感器引线、另一根桥路输出即Rw1活动触点输出)暂时不要引入,而用导线直接将放大器的两输入端相连(短接);
将主机箱上的电压表量程(显示选择)切换开关打到2V档,合上主机箱电源开关,调节温度传感器实验模板中的RW2(逆时针转到底)增益电位器,使放大器增益最小;
再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为0。
4、关闭主机箱电源开关,将电阻箱接入电路,并将实验模板中放大器的输入端引线按图1连接,检查接线无误后,合上主机箱电源开关。
5、参照pt100热电阻的分度表得出0—150℃对应的电阻箱的阻值,并通过实验模板的电路将不同温度对应的电压在实验仪上显示出来。
为减小误差在每一温度点可测取多组电压值,求平均值后填入下表中
6、使用Matlab来处理实验得到的数据。
先把测量得到的数据利用最小二乘法进行线性拟合。
并将拟合求得的公式写入CKXT-I的程序中,实现将采集到的电压值转换为温度值并将测量结果显示在LED上。
将测量的温度填入表中。
7、将测量温度和给定温度进行比较,并分析温度测量过程中存在的误差。
六、数据记录与分析:
1.未考虑电阻箱电阻,对电压求2次平均(正反)后得出的实验数据:
温度(℃)
电阻箱电阻(Ω)
电压(V)
单片机显示温度(℃)
1
5
6
10
12
15
.
17
20
22
25
27
30
32
35
37
40
42
45
;
47
50
52
55
57
)
60
62
65
67
70
{
72
75
77
80
82
85
87
90
92
95
97
100
,
102
105
107
110
112
`
115
117
120
122
125
127
130
132
135
137
140
}
142
145
147
150
152
$
实验数据处理(散点和拟合曲线图见下页图2):
T—U特性关系的拟合曲线为:
T=多数温度的测量值与给定值之间的差值为2摄氏度。
绝对误差△=2℃非线性误差δ=2/150x100%=%
2.去除电阻箱电阻(欧姆),对电压求4次平均(2次正反)后得出的实验数据:
!
11
16
21
26
31
36
41
46
51
—
56
61
66
71
76
81
]
86
91
96
¥
101
106
>
111
116
121
126
131
136
*
实验数据处理(散点和拟合曲线图见下页图3):
T=多数温度(0-135℃)的测量值与给定值之间的差值为1摄氏度,仅140-145℃的误差为1℃,测量的准确性得到很大的改善。
绝对误差△=2℃非线性误差δ=1/150x100%=%(0-150℃)
附图:
图2未考虑电阻箱阻值使得拟合曲线
图3去除电阻箱阻值使得拟合曲线
实验分析:
1)从以上两组实验的参照中,可以得出,热电阻的电阻箱自身的阻值对误差的测量存在一定的影响。
应该校准电阻箱的阻值进行电压的测量。
2)—
3)温度较高处(140℃以上)的测量误差比温度较低处的测量误差大。
观察Pt100的分度表后发现阻值的变化也并非完全线性变化,如0℃—10℃之间的电阻差为Ω,而到了140℃—150℃之间的电阻差为Ω,发现等温差时的电阻差随着温度的升高在减小,而我们在实验数据拟合时采用最小二乘法拟合,因此这是高温处的误差会比较大的原因。
而我也在考虑,对于测得的实验数据要不要使用高次拟合以提高测量精度(如2次拟合)。
4)对电压值进行重复多次测量很有必要,能在一定程度上消除重复性带来的误差。
能够提高测量精度。
5)本次实验中,我们小组有一个不足的地方是仅在数码管上显示温度的个位数以上的位数,未能显示小数点以后的位数,导致测量精度降低,主要是程序的实现问题。
实验后我们积极总结,又重新更改了程序,将在接下来程序注释中对这部分功能进行修正。
实验误差总结:
实验过程中,一旦一些细节不注意,就会给实验带来较大的误差,下面我对本次实验中可能会带来误差的地方进行归纳和总结,我们在实验过程中的误差可能产生的原因带下划线:
自行总结~
七、核心程序注释
//CKXT-I型综合实验仪上4个按键的控制功能配置的程序
while
(1)
{
//对采集到的温度值进行标定
】
if(KEY0==LEFT_KEY)//在电压为1V时按左键采集记录
{
KEY0&
=0;
disp_flag=0;
AD_INL=GetADCResult(0);
}
if(KEY0==RIGHT_KEY)//在电压为时按子右键采集记录
AD_INH=GetADCResult(0);
:
voltL=AD_INL*4096;
//将电压为1V时的AD值转化为电压值
voltH=AD_INH*4096;
//将电压为时的AD值转化为电压值
for(i=0;
i<
100;
i++)//进行100次采样
AD_IN=GetADCResult(0);
//采集实时电压输入点
voltM=AD_IN*4096;
//将AD值转化为电压值
volt+=(voltM-voltL)*500/(voltH-voltL)+1000;
//对采集到的电压值进行修正
volt=volt/100;
//求取100次采样的平均值
if(KEY0==MID_L_KEY)//按中左键显示采集的电压值
DisIntNum(volt);
volt=0;
if(KEY0==MID_R_KEY)//按中右键显示温度值,配置参量disp_flag
…
disp_flag=1;
if(disp_flag)
/*将拟合公式计算求得的浮点型温度值乘以10,通过整数的数码管显示出含1个小数点位的温度*/
TEMPERATURE=(*volt+)*10;
DisIntNum(TEMPERATURE);
CH452_Write(CH452_SET_BIT+0x002b);
//显示小数点
else
{
CH452_Write(CH452_SET_BIT+0x003b);
//显示小数点
}
//CKXT-I型综合实验仪上数码管显示程序
voidDisIntNum(intnum)
intquotient,remainder;
remainder=num%10;
quotient=num/10;
CH452_Write(0x0800+remainder);
remainder=quotient%10;
quotient=quotient/10;
CH452_Write(0x0900+remainder);
CH452_Write(0x0a00+remainder);
CH452_Write(0x0b00+remainder);
八、思考题
请分析、推导和说明三线制、四线制接法是如何消除导线电阻的影响的
答:
如上图所示:
由于热电阻本身的阻值较小,随温度变化而引起的电阻变化值更小,例如,铂电阻在零度时的阻值R0=100Ω,铜电阻在零度时R0=100Ω。
因此,在传感器与测量仪器之间的过长的引线的电阻R11、R12会引起较大的测量误差。
在实际应用时,通常采用所谓的三线或四线制的方式,上图电路中公式推导如下:
而三线制的电路如下图所示。
这是热电阻最实用的接入电路,可得到较高的测量精度。
图中的两个R是固定电阻。
Rr是为保持电桥平衡的电位器。
三线制的接入电路由于考虑了引线电阻和接触电阻带来的影响。
Rl1、Rl2和Rl3分别是传感器和驱动电源的引线电阻,一般说来,Rl1和Rl2基本上相等,而Rl3不引入误差。
所以这种接线方式可取得较高的精度。
(计算公式:
Rt=R3R1/R2+R1r/R2-r)。
在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,两个导线分别接在电桥的两个桥背上,另一根线接在电桥的电源上,消除了引线电阻的误差。
可以较好的消除引线电阻的影响,是工业过程控制中的最常用的引线电阻。
而四线制的电路如下图所示。
这是热电阻最高精度的接入电路。
图中Rl1、Rl2、Rl3和Rl4都是引线电阻和接触电阻。
Rl1和Rl2在恒流源回路,不会引入误差。
Rl3和Rl4则在高输入阻抗的仪器放大器的回路中,也不会带来误差。
在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。
Rt=V0/I)
九、实验总结
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- 关 键 词:
- 华中科技大学 测控 技术 系统 实验 报告