現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-熱電阻型測(cè)溫系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)--與pt100熱電阻傳感器配用

1、<p>　　現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告</p><p>　　熱電阻型測(cè)溫系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　——與Pt100熱電阻傳感器配用</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)總體要求2</b></p><p>&

2、lt;b>　　理論準(zhǔn)備4</b></p><p>　　練習(xí)一 Pt100熱電阻的初步認(rèn)知與檢驗(yàn)12</p><p>　　練習(xí)二 調(diào)理電路的建立12</p><p>　　練習(xí)三 虛擬儀器基本技術(shù)的訓(xùn)練15</p><p>　　練習(xí)四 測(cè)溫儀硬件（調(diào)理電路、數(shù)采卡、計(jì)算機(jī)）與軟件模塊集成設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)20</p&

3、gt;<p>　　練習(xí)五 測(cè)溫系統(tǒng)硬件（Pt100熱電阻＋測(cè)溫儀）與軟件模塊集成設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)24</p><p>　　練習(xí)六 一階系統(tǒng)頻帶擴(kuò)展用校正環(huán)節(jié)軟件模塊設(shè)計(jì)31</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)總體要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)熱電阻型測(cè)溫系統(tǒng)(包括2部分：Pt100熱電阻和測(cè)溫儀)</p><

4、;p><b>　　設(shè)計(jì)測(cè)溫儀：</b></p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　與Pt100熱電阻配用（用電阻箱模擬熱電阻的輸出值）；</p><p>　　測(cè)溫儀的測(cè)溫范圍不小于0～200℃，有效分辨力為0.2℃</p><p>　　具有虛擬面板，其功能如下：</

5、p><p>　　輸出顯示類(lèi)控件 </p><p>　　主顯參量：被測(cè)溫度值，最低有效位數(shù)為0.1℃ </p><p>　　副顯參量：熱電阻的電阻值、熱電阻兩端的電壓值 </p><p><b>　　輸入控制類(lèi)控件</b></p><

6、p>　　按鈕控件：信號(hào)采集停止</p><p><b>　　組建測(cè)溫系統(tǒng)： </b></p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　硬件設(shè)計(jì)：連接Pt100熱電阻和測(cè)溫儀構(gòu)成測(cè)溫系統(tǒng)</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)：計(jì)算該測(cè)溫系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ值</p><p

7、>　　具有虛擬面板，其功能如下：（在測(cè)溫儀面板的基礎(chǔ)上） </p><p>　　輸出顯示類(lèi)控件 </p><p>　　測(cè)溫系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ值； </p><p>　　波形顯示該測(cè)溫系統(tǒng)（一階系統(tǒng)）的階躍響應(yīng)曲線 。</p><p><b>　　輸入控制類(lèi)控件

8、</b></p><p>　　按鈕控件：按下此鍵，儀器開(kāi)始對(duì)Pt100熱電阻傳感器RT兩端信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　數(shù)字控件1：采樣間隔設(shè)置</p><p>　　數(shù)字控件2：“初始點(diǎn)數(shù)”，觀察采樣波形，輸入波形正常后（即去掉畸形采樣點(diǎn)）的起始點(diǎn)序數(shù)</p><p><b>　　理論準(zhǔn)備</b>&

9、lt;/p><p><b>　　1.預(yù)習(xí)問(wèn)題 </b></p><p>　　（1）根據(jù)Pt100熱電阻傳感器的分度表，計(jì)算Pt100熱電阻傳感器的靈敏度S熱 </p><p><b>　　答：</b></p><p>　　（2）用Pt100熱電阻傳感器組成測(cè)溫系統(tǒng)，A/D為12位，輸入電壓范圍±

10、;5V，試求： </p><p>　　1)寫(xiě)出由各環(huán)節(jié)靈敏度表達(dá)式組成的K的表達(dá)式 </p><p>　　①熱電阻的靈敏度S熱=； </p><p>　?、贏/D轉(zhuǎn)換器的量化值Q=，靈敏度SA/D=； </p><p>　?、鄯糯笃鞯撵`敏度K=； </p><p>　?、苋到y(tǒng)的總靈敏度S總=； </p>

11、<p>　　⑤由各環(huán)節(jié)靈敏度表達(dá)的放大倍數(shù)的表達(dá)式K=； </p><p>　　⑥計(jì)算測(cè)溫系統(tǒng)分辨力為1℃時(shí)，需加的最小放大倍數(shù)K，此時(shí)ΔD=1，ΔT=1℃ </p><p>　　答： 假設(shè)衡流源電流為3mA，則 </p><p>　　2)若放大倍數(shù)為1，該測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫范圍是多少？</p><p>　　答：由，設(shè)電流為3mA

12、可得。</p><p>　　(3)鉑熱電阻傳感器特性為： 其中，t為被測(cè)溫度（℃）, R0=100Ω（t=0℃），3mA恒流源調(diào)理電路如右圖所示。數(shù)采卡的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為12位，輸入電壓范圍-5～+5V。試求： </p><p>　　1）A/D轉(zhuǎn)換器的量化值；</p><p><b>　　答：</b></p><p>

13、　　2）若不加放大器該測(cè)溫系統(tǒng)能否達(dá)到測(cè)溫范圍不小于0～200℃，有效分辨力為0.1℃的要求。</p><p>　　答：對(duì)于分辨力為0.1℃時(shí)，，達(dá)不到A/D的量化值。</p><p>　　對(duì)于測(cè)溫范圍0～200℃，因?yàn)槭菃魏懔髟垂╇姡栽?℃時(shí)RT就為100Ω，UT=0.3V，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，必須在測(cè)溫軟件中加入去除0.3V零點(diǎn)漂移電壓的處理部分，否則達(dá)不到測(cè)溫系統(tǒng)下限0℃。200℃時(shí)

14、的UT=0.531V。 </p><p>　　3）與雙恒流源供電相比，該測(cè)溫系統(tǒng)的單恒流源供電會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？ </p><p>　　答：?jiǎn)魏懔髟粗焕昧薃/D轉(zhuǎn)換器的一部分，如2)中所述在0℃時(shí)RT就為100Ω，UT=0.3V，相當(dāng)于抬高了測(cè)量電壓。而雙恒流源則可以去除這部分電壓的影響，使A/D得到充分利用。</p><p>　?。?）寫(xiě)出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻率補(bǔ)償時(shí)采用

15、的模擬濾波器H(s)的等效數(shù)字濾波器（后向差分法）的離散時(shí)間序列的表達(dá)式。</p><p><b>　　答：令 </b></p><p><b>　　整理得：，，</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)等式交叉相乘并求z反變換得差分方程如下</p><p><b>　　式中，；；;<

16、/b></p><p>　　為擴(kuò)展頻帶前傳感器原有得轉(zhuǎn)折頻率；為擴(kuò)展頻帶后傳感器系統(tǒng)得轉(zhuǎn)折頻率，；k為采樣時(shí)序序號(hào)；T為采樣間隔。</p><p><b>　　2．網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)：</b></p><p><b>　　任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)</b></p><p><b>　　圖1</b>

17、</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b>　　取b=10</b></p><p>　　（2）方案一：令b=10， =5V，K=?</p><p>　　參數(shù)設(shè)置方案一：b=10，=

18、5V，K=10</p><p>　　(3)方案二：令b=10， =10V，K=?</p><p>　　參數(shù)設(shè)置方案二：b=10，=10V，K=18</p><p>　　由于按照預(yù)先設(shè)置，放大器輸入模式：?jiǎn)味溯斎?，雙端輸入</p><p>　　放大倍數(shù)K：6，10，18</p><p>　　AD電源電壓(V)：5，10&

19、lt;/p><p>　　AD轉(zhuǎn)換位數(shù)：8，10</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求得出可用的兩種組合： </p><p>　　說(shuō)明：為了便于對(duì)比，組合一和組合二的兩幅圖均用WinXP自帶的畫(huà)圖軟件做了修改</p><p>　　下圖是組合一時(shí)輸入溫度和測(cè)量結(jié)果的情況，左邊的數(shù)據(jù)是測(cè)量系統(tǒng)在輸入分別為0℃，50℃，100℃，150℃，200℃時(shí)的測(cè)

20、量結(jié)果。在100.2℃時(shí)輸入溫度與測(cè)量結(jié)果無(wú)偏差。右邊是為了檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的分辨力所采集的數(shù)據(jù)，初步估計(jì)系統(tǒng)分辨力在0.4℃～0.5℃左右。</p><p>　　下圖是組合二時(shí)輸入溫度和測(cè)量結(jié)果的情況，左邊的數(shù)據(jù)是測(cè)量系統(tǒng)在輸入分別為0℃，50℃，100℃，150℃，200℃時(shí)的測(cè)量結(jié)果。右邊是為了檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的分辨力所采集的數(shù)據(jù)，初步估計(jì)系統(tǒng)分辨力在0.4℃～0.5℃左右。</p><p>

21、;　　結(jié)論：當(dāng)熱電阻熱端溫度改變了時(shí)，測(cè)溫系統(tǒng)顯示值有改變，測(cè)溫范圍可達(dá)到0～200℃。</p><p>　　組合一： 查熱電阻分度表可知：</p><p>　　組合二： 查熱電阻分度表可知：</p><p>　　所組建的兩個(gè)系統(tǒng)分辨力都在0.4～0.5℃。</p><p>　　測(cè)溫系統(tǒng)顯示的測(cè)量結(jié)果與被測(cè)值有所偏差，可能是由于單恒流源

22、的原因，這一點(diǎn)對(duì)量程影響尤為明顯，還有就是采用的數(shù)據(jù)處理辦法，如擬合法或者曲線法，在計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。</p><p>　　練習(xí)一 Pt100熱電阻的初步認(rèn)知與檢驗(yàn)</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?lt;/b></p><p><b>　　練習(xí)辨識(shí)熱電阻</b></p><p>　　練

23、習(xí)判斷熱電阻狀態(tài)是否正常</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：</b></p><p>　　辨識(shí)測(cè)溫傳感器是熱電偶還是熱電阻。</p><p>　　若測(cè)溫傳感器為熱電阻，試判斷其狀態(tài)：正常、斷路？</p><p><b>　　辨識(shí)方法</b></p><p>　　辨識(shí)測(cè)溫傳

24、感器是熱電偶還是熱電阻。</p><p>　　熱電阻是電阻輸出型的傳感器，熱電偶是電壓輸出型傳感器，，也就是說(shuō)不對(duì)兩種傳感器加外加的激勵(lì)源，熱電阻沒(méi)有電壓輸出，而熱電偶會(huì)有電壓輸出。所以判斷的方法是直接在它們后端接一個(gè)放大倍數(shù)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量放大器，用電壓表測(cè)量測(cè)量放大器的輸出值，其中有輸出電壓的就是熱電偶，而沒(méi)有輸出電壓的就是熱電阻.</p><p>　　2.若測(cè)溫傳感器為熱電阻，試判斷其狀態(tài)

25、：正常、斷路？ </p><p>　　先測(cè)量熱電阻兩端的電壓；加熱熱電阻，使溫度升高20℃；測(cè)量熱電阻兩端的電壓。如果電壓升高，說(shuō)明熱電阻正常；如果電壓不變，說(shuō)明熱電阻斷路</p><p>　　練習(xí)二 調(diào)理電路的建立</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?</b></p><p>　　建立測(cè)溫儀的調(diào)理電路 <

26、;/p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： </b></p><p>　　1.工作原理：采用雙恒流源供電測(cè)量電壓降法。用恒流源I0給熱電阻RT供電時(shí)，熱電阻RT的阻值將隨被測(cè)溫度T而變化。只要測(cè)得熱電阻兩端的電壓降UT，則RT可由式求得。</p><p><b>　　2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：</b></p><p>

27、　　MOTECH LPS－305直流電壓源；</p><p>　　調(diào)理電路板：包括雙恒流源和放大器兩部分；</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)電路板上的電位器104來(lái)控制恒流源電流大小，為了防止熱電阻的自熱效應(yīng)，通過(guò)熱電阻的工作電流應(yīng)小于5mA。本實(shí)驗(yàn)恒流源電流為1mA；</p><p>　　（2）調(diào)節(jié)電路板上的電位器106來(lái)控制放大倍數(shù)，本實(shí)驗(yàn)放大倍數(shù)為50倍。 &l

28、t;/p><p>　　可調(diào)電阻箱 (0.1Ω～99999.9Ω，步進(jìn)0.1Ω)，模擬Pt100熱電阻的輸出值。 </p><p><b>　　3.調(diào)理電路 </b></p><p>　　測(cè)量放大器的差分輸入電壓為： </p><p>　　4.調(diào)理電路板使用說(shuō)明 </p><p><b>　　

29、（1）示意框圖 </b></p><p><b>　　（2）器件及布局 </b></p><p>　　電位器：流過(guò)PT100的電流可由電位器104調(diào)整，電流I=Ui/2000；</p><p>　　放大倍數(shù)K可由電位器106調(diào)整，k=Ut/Ut’ </p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中放大倍數(shù)為50倍，恒流源輸出電流

30、為1mA </p><p>　　輸出信號(hào)：Ut（調(diào)理電路輸出電壓），Ui（電流基準(zhǔn)電壓），地（數(shù)采卡接地端） </p><p><b>　　（3）使用步驟： </b></p><p>　　?電路板使用±15V直流電壓供電； </p><p>　　?根據(jù)所測(cè)量程計(jì)算，并選擇適當(dāng)?shù)碾娏骱头糯蟊稊?shù)； </p&g

31、t;<p>　　?根據(jù)需要調(diào)整電位器104，通過(guò)檢測(cè)Ui，計(jì)算電流是否滿足需求；</p><p>　　?根據(jù)需要調(diào)整電位器106，通過(guò)檢測(cè)Ut 和Ut’計(jì)算放大倍數(shù)是否滿足需求； </p><p><b>　　（4）注意事項(xiàng)：</b></p><p>　　在上電之前請(qǐng)檢查PT100是否已經(jīng)接上。若PT100接頭兩端斷路（即什么都不

32、接）時(shí)，相當(dāng)于熱電阻為無(wú)窮大。這時(shí)Ut’將會(huì)被拉高到電源電壓，Ut極大，可能會(huì)造成放大電路的損壞！ </p><p>　　思考題：若電流源的誤差為0.5%，在最大測(cè)量點(diǎn)T=200℃時(shí)，熱電阻的測(cè)量誤差； </p><p>　　答：在最大測(cè)量點(diǎn)T=200℃時(shí)，Rt=175.86Ω, </p><p>　　熱電阻的測(cè)量誤差為：</p><p>　

33、　練習(xí)三 虛擬儀器基本技術(shù)的訓(xùn)練 </p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?</b></p><p>　　1、熟悉LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)虛擬儀器的一般過(guò)程和方法； </p><p>　　2、掌握非線性校正的2種方法：查表法和曲線擬合法； </p><p>　　3、學(xué)會(huì)用LabVIEW驅(qū)動(dòng)Lab-PCI-6024E數(shù)據(jù)采

34、集卡。 </p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： </b></p><p>　　1.學(xué)習(xí)刻度轉(zhuǎn)換軟件編程——按照Pt100熱電阻的分度表進(jìn)行電阻與溫度(0～200℃)的相互轉(zhuǎn)換，使用查表法或者擬合法。本實(shí)驗(yàn)選用LabVIEW7.0作為軟件平臺(tái)。 </p><p>　　2.使用LabVIEW驅(qū)動(dòng)Lab-PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡 </p&

35、gt;<p>　　PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡通道號(hào)與CB-68LP轉(zhuǎn)接板接口號(hào)相對(duì)應(yīng)，如下表所示： </p><p>　　模擬地的通道號(hào)：32 67 29 64 27 59 24 56； </p><p>　　輸入模擬信號(hào)：選擇一個(gè)模擬輸入通道和一個(gè)模擬地通道，分別接模擬信號(hào)和地。 </p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中用到的2路模擬輸入信號(hào)： <

36、/p><p>　　電流基準(zhǔn)輸出電壓：接調(diào)理電路板連數(shù)采卡部分的黃端； </p><p>　　調(diào)理電路輸出電壓：接調(diào)理電路板連數(shù)采卡部分的紅端。 </p><p>　　注意：PCI－6024E數(shù)據(jù)采集卡要插入計(jì)算機(jī)主機(jī)插槽中，在采集數(shù)據(jù)時(shí)需要用轉(zhuǎn)接板與外界信號(hào)線連接，本實(shí)驗(yàn)使用PCI－6024E數(shù)據(jù)采集卡與CB-68LP轉(zhuǎn)接板相連。</p><p&

37、gt;　　3.學(xué)習(xí)刻度轉(zhuǎn)換軟件編程 </p><p>　　(1)進(jìn)入網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室練習(xí)壓力值顯示器、鎳鉻—鎳鋁熱電偶非線性校正儀(曲線擬合法)和鎳鉻—鎳鋁熱電偶非線性校正儀(查表法)，了解轉(zhuǎn)換原理和擬合原理。 </p><p>　　(2)使用查表法或者擬合法按照Pt100熱電阻的分度表進(jìn)行電阻與溫度(0～200℃)的相互轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　

38、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：</b></p><p>　　1．給出完成示例的面板圖以及程序代碼或者流程圖</p><p><b>　　圖1 前面板 </b></p><p><b>　　圖2 后面板</b></p><p>　　2．記錄網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)的畫(huà)面</p><p>　　3．給

39、出電阻溫度轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì)流程，以及面板圖、程序代碼或者流程圖</p><p>　　電阻溫度轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì)流程如下所示：</p><p>　　根據(jù)調(diào)理電路板的使用說(shuō)明可得，恒流源I0=Ui/2000；而熱電阻的計(jì)算公式為Rt=U0/(k*I0)+R0,而根據(jù)pt100熱電阻分度表可得溫度范圍在0℃-850℃時(shí)，Rt=R0(1+At+Bt2).三式聯(lián)立，即可求得電阻和溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在實(shí)際電路

40、的測(cè)量中間，只需要把調(diào)理電路輸出的放大電壓U0和調(diào)理電路中間端口輸出電壓Ui，即可最后推出熱電阻當(dāng)前的溫度值！</p><p><b>　　圖三</b></p><p><b>　　圖四</b></p><p>　　練習(xí)四 測(cè)溫儀硬件（調(diào)理電路、數(shù)采卡、計(jì)算機(jī)）與軟件模塊集成設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)</p><p&g

41、t;<b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?</b></p><p>　　1.練習(xí)將調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組建測(cè)溫儀的硬件平臺(tái)； </p><p>　　2.用虛擬儀器軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫儀的軟件集成設(shè)計(jì)； </p><p>　　3.練習(xí)對(duì)該測(cè)溫儀測(cè)溫功能的檢驗(yàn)方法。 </p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： </b&g

42、t;</p><p>　　1.建立一個(gè)模擬的Pt100熱電阻 </p><p>　　功能：能按照Pt100熱電阻的分度表(0～200℃)輸出電阻值 </p><p>　　作用：代替真實(shí)Pt100熱電阻，作為測(cè)溫儀的檢驗(yàn)信號(hào) </p><p>　　2.硬件模塊的設(shè)計(jì) </p><p>　　(1) Pt100熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)

43、結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(2)測(cè)溫儀各個(gè)組成環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 </p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用NI公司的NI6024E數(shù)據(jù)采集卡，其所用A/D轉(zhuǎn)換器為12位（b=12），輸入電壓為±5V。 </p><p>　?、?用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱模擬Pt100熱電阻RT的輸出。 </p><p>　?、?計(jì)算數(shù)采卡A/D轉(zhuǎn)換器的量化值Q=與靈敏度

44、SA/D=； </p><p>　　③ 調(diào)理電路（即放大器）的靈敏度K=；</p><p>　　④ 全系統(tǒng)的總靈敏度S總＝；</p><p>　　⑤ 由各環(huán)節(jié)靈敏度表達(dá)的放大倍數(shù)的表達(dá)式K=；</p><p>　?、?計(jì)算測(cè)溫系統(tǒng)分辨力為0.2℃時(shí)，需加的最小放大倍數(shù)K，此時(shí)ΔD=1，ΔT=0.2℃</p><p>　

45、　答：設(shè)衡流源電流為3mA，則 </p><p>　　3.軟件模塊的設(shè)計(jì) </p><p>　　(1) 設(shè)計(jì)儀器面板 </p><p>　　(2) 程序設(shè)計(jì)，包括電壓信號(hào)的采集、電阻與溫度的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)部分已在上一練習(xí)中完全給出，其前面板、后面板圖可參看上一練習(xí)中的圖三和圖四。</p><p&g

46、t;　　4.測(cè)溫儀的功能檢驗(yàn) </p><p>　　(1) 檢驗(yàn)并記錄測(cè)溫儀中顯示的電阻值與模擬Pt100熱電阻的輸出電阻的偏差</p><p>　　(2) 檢驗(yàn)并記錄測(cè)溫儀的輸出溫度值與根據(jù)分度表計(jì)算得出的溫度值的偏差 </p><p>　　測(cè)得數(shù)據(jù)如下表所示：</p><p>　　表1 電阻箱模擬熱電阻測(cè)量表</p><

47、;p><b>　　表2 數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　表中使用了熱電阻分度表中的一部分阻值，由于電阻箱的分辨率是0.1Ω，所以在測(cè)量時(shí)采取了四舍五入。</p><p>　　數(shù)據(jù)分析如表2所示?？梢钥闯觯?53.58Ω后數(shù)據(jù)的偏差較大，在其它測(cè)量點(diǎn)上測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏差很小。這樣在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)近似的最大誤差不是非常大，基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。&l

48、t;/p><p>　　練習(xí)五 測(cè)溫系統(tǒng)硬件（Pt100熱電阻＋測(cè)溫儀）與軟件模塊集成設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?</b></p><p>　　1.學(xué)習(xí)用Pt100熱電阻和測(cè)溫儀組建測(cè)溫系統(tǒng)的硬件平臺(tái)； </p><p>　　2.采用虛擬儀器軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)。 </p>&

49、lt;p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： </b></p><p>　　1.硬件模塊的集成設(shè)計(jì) </p><p>　　(1)預(yù)估調(diào)理電路的放大倍數(shù)，熱電阻為Pt100、數(shù)采卡為L(zhǎng)ab-PCI-6024E，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，預(yù)估當(dāng)測(cè)溫系統(tǒng)的有效分辨力為0.2℃時(shí)，調(diào)理電路的放大倍數(shù)最小應(yīng)為多少？ </p><p><b>　　答：時(shí),

50、由,，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　則： </b></p><p>　　(2)連接測(cè)溫儀和Pt100熱電阻 </p><p>　　2.軟件模塊的設(shè)計(jì) </p><p>　　(1)按任務(wù)書(shū)要求設(shè)計(jì)儀器面板 </

51、p><p><b>　　(2)程序設(shè)計(jì) </b></p><p>　　① Pt100熱電阻一階階躍響應(yīng)特性的數(shù)據(jù)采集與顯示軟件子模塊設(shè)計(jì) </p><p>　　采集、顯示、存儲(chǔ)Pt100熱電阻從室溫環(huán)境快速伸入90℃左右的熱水中（相當(dāng)于對(duì)該溫度傳感器輸入階躍信號(hào)）的兩端的電壓值。 </p><p>　　② 求取一階系統(tǒng)時(shí)間常

52、數(shù)τ的流程圖見(jiàn)下圖。</p><p><b>　　思考題：</b></p><p>　　1．設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng)，采用鉑熱電阻RT做測(cè)溫傳感器，已知若電阻的R－T關(guān)系式為:</p><p>　　RT(T)=R0(1+AT+BT2)，</p><p>　　其中：R0＝100 A＝3.9×10-3℃-1 B＝-

53、5.8×10-7℃-2，要求測(cè)量溫度范圍為0-200℃，分辨率為1℃，要求</p><p>　　畫(huà)出所設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)果框圖；并說(shuō)明單元電路的作用；</p><p>　　各單元電路的作用及具體程序如下：</p><p>　?。?）由輸入電壓U0和恒流源I0來(lái)求得熱電阻溫度t和阻值Rpt。</p><p><b>　　具體

54、程序如下：</b></p><p>　　biao=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210</p><p>　　100 103.9 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.08 130.9 134.71 138.51 142.2

55、9 146.07 149.83 153.58 157.33 161.05 164.77 168.48 172.17 175.86 179.53];</p><p>　　Rin=Ut/(k*I0)+100;</p><p>　　for i=1:1:21</p><p>　　if Rin>=biao(2,i)&&Rin<biao(2,i+1)

56、</p><p>　　temp=biao(1,i)+(biao(1,i+1)-biao(1,i))/(biao(2,i+1)-biao(2,i))*(Rin-biao(2,i));</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　?。?）去除

57、不穩(wěn)定的點(diǎn)：</p><p><b>　　具體程序如下</b></p><p>　　A=max(Ut);</p><p>　　tempU=Ut(1)+(A-Ut(1))/10;</p><p><b>　　j=1;</b></p><p>　　for i=1:1:length

58、(Ut)</p><p>　　if Ut(i)>tempU</p><p>　　U(j)=Ut(i);</p><p><b>　　j=j+1;</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　c=i;</b>&l

59、t;/p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　c=c+1;</b></p><p>　　（3）取最大值為A和Z：</p><p><b>　　具體程序如下：</b>

60、</p><p><b>　　i=1;</b></p><p>　　while U(i)<A</p><p>　　z(i)=log(1-U(i)/A);</p><p><b>　　i=i+1;</b></p><p><b>　　end</b>&

61、lt;/p><p>　　n=length(z);</p><p>　?。?）最小二乘擬和Z-t曲線求時(shí)間常數(shù)：</p><p><b>　　具體程序如下：</b></p><p><b>　　t=1:1:n;</b></p><p>　　p=polyfit(t,z,1);<

62、/p><p>　　z1=polyval(p,t);</p><p>　　k=-1/p(1);</p><p>　　最終將熱電阻插入沸騰的開(kāi)水中，待其穩(wěn)定后對(duì)其數(shù)據(jù)處理的截圖如下：</p><p>　　可見(jiàn)最終的處理效果達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　畫(huà)出所選用調(diào)理電路的電路圖；</p><p

63、>　　所選用調(diào)理電路如上圖所示。</p><p>　　寫(xiě)出溫度輸入和調(diào)理電路輸出之間的關(guān)系式；由實(shí)驗(yàn)原理可得，</p><p>　　恒流源I0=Ui/2000；熱電阻的計(jì)算公式為Rt=U0/(k*I0)+R0；pt100熱電阻分度表可得溫度范圍在0℃-850℃時(shí)，Rt=R0(1+At+Bt2).由以上三式聯(lián)立可得溫度輸入和調(diào)理電路輸出之間的關(guān)系式為下式所示：</p>&

64、lt;p>　　t=(-3.9083e-3+sqrt((3.9083e-3)^2+4*(Uo/(Io*k*100))*(-5.775e-7)))/(-2*5.775e-7)。</p><p>　　計(jì)算證明你所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能達(dá)到測(cè)量范圍和分辨力的要求；</p><p>　　本人使用I=3mA電流源供電，要求溫度分辨率為，所以熱電阻同參考電阻（R0=100歐）輸出的差值電壓為：</p&

65、gt;<p><b>　　，</b></p><p>　　而A/D轉(zhuǎn)換器的量化值</p><p><b>　　所以放大器放大倍數(shù)</b></p><p><b>　　故取K=21。</b></p><p>　　所以可測(cè)得最大溫度為：</p><

66、p>　　綜上可知，選擇I=3mA，K=21可以滿足測(cè)量的分辨力和測(cè)量范圍要求。</p><p>　　練習(xí)六 一階系統(tǒng)頻帶擴(kuò)展用校正環(huán)節(jié)軟件模塊設(shè)計(jì)</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　根據(jù)練習(xí)五中已采集的一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，自行編程利用數(shù)字濾波法將測(cè)溫系統(tǒng)的工作頻帶擴(kuò)展10倍。</p>&l

67、t;p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)校正環(huán)節(jié)H(s)等效數(shù)字濾波H(z)的編程算式。根據(jù)已測(cè)定出的時(shí)間常數(shù)τ值與所要求的頻帶擴(kuò)展倍數(shù)K=10，可計(jì)算，，p，q。編程算式為：</p><p>　　式中： p=1/(1+bT) b=K/τ=2πfb q=1/(1+CT ) C=1/τ=2πfc</p>

68、<p>　　fc ---傳感器系統(tǒng)原有的轉(zhuǎn)折頻率</p><p>　　fb ---頻帶擴(kuò)展后,傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率 fb =Kfc </p><p>　　n---采樣序號(hào) T---采樣周期</p><p>　　最佳補(bǔ)償效果的判斷與調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　通過(guò)對(duì)溫度的采樣信號(hào)x(k)以及通過(guò)數(shù)字濾波器后的階躍響應(yīng)信號(hào)y(k

69、)觀察,明顯看到經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后溫度階躍響應(yīng)特性y(k)的上升沿有明顯的改善。設(shè)置不同f c值的溫度階躍響應(yīng) y1,y2,y3如下圖所示。比較曲線y1,y2,y3可見(jiàn)，曲線y1對(duì)應(yīng)于f ’c<fc,出現(xiàn)補(bǔ)償過(guò)沖；曲線y2對(duì)應(yīng)于fc’’ > f c ,出現(xiàn)補(bǔ)償不足，上升前沿還不夠快；曲線y3為最佳補(bǔ)償效果，上升前沿有明顯改善但又無(wú)過(guò)沖。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)字濾波器的軟件調(diào)試，很容易調(diào)整fc值，達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。</p>

70、<p><b>　　思考題：</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用了數(shù)字濾波器法實(shí)現(xiàn)熱電阻溫度傳感器頻帶的擴(kuò)展，減小了溫度測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差，請(qǐng)同學(xué)們采用頻域校正法，編程實(shí)現(xiàn)熱電阻溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的補(bǔ)償與改善。</p><p>　　系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，τ＝50，實(shí)現(xiàn)校正環(huán)節(jié)H(s)等效數(shù)字濾波H(z)的編程算式。根據(jù)已測(cè)定出的時(shí)間常數(shù)τ值與所要求的頻帶

71、擴(kuò)展倍數(shù)K=10，可計(jì)算，，p，q。編程算式為：</p><p>　　式中： p=1/(1+bT) b=K/τ=2πfb q=1/(1+CT ) C=1/τ=2πfc</p><p>　　fc ---傳感器系統(tǒng)原有的轉(zhuǎn)折頻率</p><p>　　fb ---頻帶擴(kuò)展后,傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率 fb =Kfc </p><p&g

72、t;　　n---采樣序號(hào) T---采樣周期</p><p>　　本人通過(guò)之前的實(shí)驗(yàn)測(cè)試到時(shí)間常數(shù)τ約為50，故取fc=1/（2πτ）=0.0032</p><p>　　用matlab語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)熱電阻溫度傳感器頻帶的擴(kuò)展，源程序如下：</p><p>　　fc=0.0032;</p><p><b>　　fb=10*fc;&l

73、t;/b></p><p>　　b=2*pi*fb;</p><p><b>　　T=0.5;</b></p><p>　　p=1/(1+b*T);</p><p>　　q=1/(1+2*pi*fc*T);</p><p>　　N=length(U);</p><p>

74、;<b>　　y(1)=0;</b></p><p>　　for i=2:1:N</p><p>　　y(i)=(10/q*U(i)-10*U(i-1)+y(i-1))*p;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　采用fc=0.0032濾波前后的波形圖如下：</p&g

75、t;<p>　　有圖可以看出濾波后的響應(yīng)速度明顯得到了優(yōu)化。</p><p>　　但如果fc選擇不夠合理，濾波會(huì)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面的效應(yīng)，比如，若選擇fc’=0.0001，其濾波后的波形如下：</p><p>　　可見(jiàn)，fc’<fc時(shí)，出現(xiàn)補(bǔ)償過(guò)沖。</p><p>　　若fc’’=0.01時(shí)，濾波后的波形如下：</p><