现代测控系统集成设计实验报告热电阻型测温系统的集成设计与实现与Pt100热电阻传感器配用.doc

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1、现代测控系统集成设计实验报告热电阻型测温系统的集成设计与实现与Pt100热电阻传感器配用目 录实验总体要求3理论准备5练习一 Pt100热电阻的初步认知与检验13练习二 调理电路的建立13练习三 虚拟仪器基本技术的训练16练习四 测温仪硬件（调理电路、数采卡、计算机）与软件模块集成设计与检验21练习五 测温系统硬件（Pt100热电阻测温仪）与软件模块集成设计与检验25练习六 一阶系统频带扩展用校正环节软件模块设计32实验总体要求设计热电阻型测温系统(包括2部分：Pt100热电阻和测温仪)PC显示Pt100热电阻调理电路Lab-PCI-6024E数据采集卡测温仪与Pt100热电阻配用Pt100热

2、电阻测温系统结构框图1 设计测温仪：要求： 与Pt100热电阻配用（用电阻箱模拟热电阻的输出值）； 测温仪的测温范围不小于0200，有效分辨力为0.2 具有虚拟面板，其功能如下：输出显示类控件 主显参量：被测温度值，最低有效位数为0.1 副显参量：热电阻的电阻值、热电阻两端的电压值 输入控制类控件按钮控件：信号采集停止2 组建测温系统： 要求： 硬件设计：连接Pt100热电阻和测温仪构成测温系统 软件设计：计算该测温系统的时间常数值 具有虚拟面板，其功能如下：（在测温仪面板的基础上） 输出显示类控件 测温系统的时间常数值； 波形显示该测温系统（一阶系统）的阶跃响应曲线 。输入控制类控件按钮控件

3、：按下此键，仪器开始对Pt100热电阻传感器RT两端信号进行数据采集。数字控件1：采样间隔设置数字控件2：“初始点数”，观察采样波形，输入波形正常后（即去掉畸形采样点）的起始点序数理论准备1.预习问题 （1）根据Pt100热电阻传感器的分度表，计算Pt100热电阻传感器的灵敏度S热 答：（2）用Pt100热电阻传感器组成测温系统，A/D为12位，输入电压范围5V，试求： 1)写出由各环节灵敏度表达式组成的K的表达式 热电阻的灵敏度S热=； A/D转换器的量化值Q=，灵敏度SA/D=； 放大器的灵敏度K=； 全系统的总灵敏度S总=； 由各环节灵敏度表达的放大倍数的表达式K=； 计算测温系统分辨力

4、为1时，需加的最小放大倍数K，此时D=1，T=1 答： 假设衡流源电流为3mA，则 2)若放大倍数为1，该测温系统的测温范围是多少？ 答：由，设电流为3mA可得。(3)铂热电阻传感器特性为： 其中，t为被测温度（）, R0=100（t=0），3mA恒流源调理电路如右图所示。数采卡的A/D转换器位数为12位，输入电压范围-5+5V。试求： 1）A/D转换器的量化值；答：2）若不加放大器该测温系统能否达到测温范围不小于0200，有效分辨力为0.1的要求。答：对于分辨力为0.1时，达不到A/D的量化值。对于测温范围0200，因为是单恒流源供电，所以在0时RT就为100，UT=0.3V，经A/D转换后

5、，必须在测温软件中加入去除0.3V零点漂移电压的处理部分，否则达不到测温系统下限0。200时的UT=0.531V。 3）与双恒流源供电相比，该测温系统的单恒流源供电会出现什么问题？ 答：单恒流源只利用了A/D转换器的一部分，如2)中所述在0时RT就为100，UT=0.3V，相当于抬高了测量电压。而双恒流源则可以去除这部分电压的影响，使A/D得到充分利用。（4）写出对系统进行频率补偿时采用的模拟滤波器H(s)的等效数字滤波器（后向差分法）的离散时间序列的表达式。 答：令 整理得：，经过等式交叉相乘并求z反变换得差分方程如下 式中，；; 为扩展频带前传感器原有得转折频率；为扩展频带后传感器系统得转

6、折频率，；k为采样时序序号；T为采样间隔。2网上实验：一、 任务设计书图1二、 实验目的三、 设计原理b(位)80.00392100.00098取b=10（2）方案一：令b=10， =5V，K=?(V)K(V)10560.6791.44105100.4072.4105180.2264.32 参数设置方案一：b=10，=5V，K=10(3)方案二：令b=10， =10V，K=?(V)K(V)101061.3581.441010100.8142.41010180.4524.32参数设置方案二：b=10，=10V，K=18由于按照预先设置，放大器输入模式：单端输入，双端输入放大倍数K：6，10，18

7、AD电源电压(V)：5，10AD转换位数：8，10根据系统设计要求得出可用的两种组合： 组合输入方式放大倍数AD电源电压AD转换位数1单端输入105V102单端输入1810V10说明：为了便于对比，组合一和组合二的两幅图均用WinXP自带的画图软件做了修改下图是组合一时输入温度和测量结果的情况，左边的数据是测量系统在输入分别为0，50，100，150，200时的测量结果。在100.2时输入温度与测量结果无偏差。右边是为了检验测量系统的分辨力所采集的数据，初步估计系统分辨力在0.40.5左右。下图是组合二时输入温度和测量结果的情况，左边的数据是测量系统在输入分别为0，50，100，150，200

8、时的测量结果。右边是为了检验测量系统的分辨力所采集的数据，初步估计系统分辨力在0.40.5左右。结论：当热电阻热端温度改变了时，测温系统显示值有改变，测温范围可达到0200。组合一： 查热电阻分度表可知：组合二： 查热电阻分度表可知：所组建的两个系统分辨力都在0.40.5。测温系统显示的测量结果与被测值有所偏差，可能是由于单恒流源的原因，这一点对量程影响尤为明显，还有就是采用的数据处理办法，如拟合法或者曲线法，在计算过程中会产生一定的误差。练习一 Pt100热电阻的初步认知与检验实验目的：1 练习辨识热电阻2 练习判断热电阻状态是否正常实验内容：1 辨识测温传感器是热电偶还是热电阻。2 若测温

9、传感器为热电阻，试判断其状态：正常、断路？辨识方法1. 辨识测温传感器是热电偶还是热电阻。热电阻是电阻输出型的传感器，热电偶是电压输出型传感器，也就是说不对两种传感器加外加的激励源，热电阻没有电压输出，而热电偶会有电压输出。所以判断的方法是直接在它们后端接一个放大倍数适当的测量放大器，用电压表测量测量放大器的输出值，其中有输出电压的就是热电偶，而没有输出电压的就是热电阻.2.若测温传感器为热电阻，试判断其状态：正常、断路？ 先测量热电阻两端的电压；加热热电阻，使温度升高20；测量热电阻两端的电压。如果电压升高，说明热电阻正常；如果电压不变，说明热电阻断路练习二 调理电路的建立实验目的： 建立测

10、温仪的调理电路 实验内容： 1.工作原理：采用双恒流源供电测量电压降法。用恒流源I0给热电阻RT供电时，热电阻RT的阻值将随被测温度T而变化。只要测得热电阻两端的电压降UT，则RT可由式求得。2.实验设备：MOTECH LPS305直流电压源；调理电路板：包括双恒流源和放大器两部分；（1）调节电路板上的电位器104来控制恒流源电流大小，为了防止热电阻的自热效应，通过热电阻的工作电流应小于5mA。本实验恒流源电流为1mA；（2）调节电路板上的电位器106来控制放大倍数，本实验放大倍数为50倍。 可调电阻箱 (0.199999.9，步进0.1)，模拟Pt100热电阻的输出值。 3.调理电路 测量放

11、大器的差分输入电压为： 4.调理电路板使用说明 （1）示意框图 （2）器件及布局 电位器：流过PT100的电流可由电位器104调整，电流I=Ui/2000；放大倍数K可由电位器106调整，k=Ut/Ut 本实验中放大倍数为50倍，恒流源输出电流为1mA 输出信号：Ut（调理电路输出电压），Ui（电流基准电压），地（数采卡接地端） （3）使用步骤： 电路板使用15V直流电压供电； 根据所测量程计算，并选择适当的电流和放大倍数； 根据需要调整电位器104，通过检测Ui，计算电流是否满足需求； 根据需要调整电位器106，通过检测Ut 和Ut计算放大倍数是否满足需求； （4）注意事项：在上电之前请检查

12、PT100是否已经接上。若PT100接头两端断路（即什么都不接）时，相当于热电阻为无穷大。这时Ut将会被拉高到电源电压，Ut极大，可能会造成放大电路的损坏！ 思考题：若电流源的误差为0.5%，在最大测量点T=200时，热电阻的测量误差； 答：在最大测量点T=200时，Rt=175.86, 热电阻的测量误差为：练习三 虚拟仪器基本技术的训练 实验目的： 1、熟悉LabVIEW软件开发虚拟仪器的一般过程和方法； 2、掌握非线性校正的2种方法：查表法和曲线拟合法； 3、学会用LabVIEW驱动Lab-PCI-6024E数据采集卡。 实验内容： 1.学习刻度转换软件编程按照Pt100热电阻的分度表进行

13、电阻与温度(0200)的相互转换，使用查表法或者拟合法。本实验选用LabVIEW7.0作为软件平台。 2.使用LabVIEW驱动Lab-PCI-6024E数据采集卡 PCI-6024E数据采集卡通道号与CB-68LP转接板接口号相对应，如下表所示： 通道号 01234567接口号 6833653028602557模拟地的通道号：32 67 29 64 27 59 24 56； 输入模拟信号：选择一个模拟输入通道和一个模拟地通道，分别接模拟信号和地。 本实验中用到的2路模拟输入信号： 电流基准输出电压：接调理电路板连数采卡部分的黄端； 调理电路输出电压：接调理电路板连数采卡部分的红端。 注意：P

14、CI6024E数据采集卡要插入计算机主机插槽中，在采集数据时需要用转接板与外界信号线连接，本实验使用PCI6024E数据采集卡与CB-68LP转接板相连。3.学习刻度转换软件编程 (1)进入网上虚拟实验室练习压力值显示器、镍铬镍铝热电偶非线性校正仪(曲线拟合法)和镍铬镍铝热电偶非线性校正仪(查表法)，了解转换原理和拟合原理。 (2)使用查表法或者拟合法按照Pt100热电阻的分度表进行电阻与温度(0200)的相互转换。实验报告要求：1给出完成示例的面板图以及程序代码或者流程图图1 前面板 图2 后面板2记录网上实验的画面3给出电阻温度转换的程序设计流程，以及面板图、程序代码或者流程图电阻温度转换

15、的程序设计流程如下所示：根据调理电路板的使用说明可得，恒流源I0=Ui/2000；而热电阻的计算公式为Rt=U0/(k*I0)+R0,而根据pt100热电阻分度表可得温度范围在0-850时，Rt=R0(1+At+Bt2).三式联立，即可求得电阻和温度的转换关系。在实际电路的测量中间，只需要把调理电路输出的放大电压U0和调理电路中间端口输出电压Ui，即可最后推出热电阻当前的温度值！图三图四练习四 测温仪硬件（调理电路、数采卡、计算机）与软件模块集成设计与检验实验目的： 1.练习将调理电路、数据采集卡、计算机组建测温仪的硬件平台； 2.用虚拟仪器软件技术实现测温仪的软件集成设计； 3.练习对该测温

16、仪测温功能的检验方法。 实验内容： 1.建立一个模拟的Pt100热电阻 功能：能按照Pt100热电阻的分度表(0200)输出电阻值 作用：代替真实Pt100热电阻，作为测温仪的检验信号 2.硬件模块的设计 (1) Pt100热电阻测温系统结构框图 (2)测温仪各个组成环节参数的确定 本实验采用NI公司的NI6024E数据采集卡，其所用A/D转换器为12位（b=12），输入电压为5V。 用标准电阻箱模拟Pt100热电阻RT的输出。 计算数采卡A/D转换器的量化值Q=与灵敏度SA/D=； 调理电路（即放大器）的灵敏度K=； 全系统的总灵敏度S总； 由各环节灵敏度表达的放大倍数的表达式K=； 计算测

17、温系统分辨力为0.2时，需加的最小放大倍数K，此时D=1，T=0.2答：设衡流源电流为3mA，则 3.软件模块的设计 (1) 设计仪器面板 (2) 程序设计，包括电压信号的采集、电阻与温度的转换。软件设计部分已在上一练习中完全给出，其前面板、后面板图可参看上一练习中的图三和图四。4.测温仪的功能检验 (1) 检验并记录测温仪中显示的电阻值与模拟Pt100热电阻的输出电阻的偏差 (2) 检验并记录测温仪的输出温度值与根据分度表计算得出的温度值的偏差 测得数据如下表所示：表1 电阻箱模拟热电阻测量表被测电阻参考温度测量电压测量电阻测量温度10000.0098100.1950.49807103.90

18、100.2002104.00010.2502107.79200.3906107.80520.0293111.67300.5859111.70730.0888115.54400.7812115.61040.1876119.40500.9717119.41550.0455123.24601.1621123.22059.5417127.08701.3672127.31770.6322130.90801.5479130.92780.0787134.71901.7334134.63489.8087138.511001.9287138.537100.082142.291102.1289142.433110

19、.372146.071202.3242146.439120.984149.831302.4902149.756129.798153.581402.7344154.501142.448157.331502.9199158.341152.722161.051603.1055162.049162.672164.771703.2959165.854172.915168.481803.4766169.463182.663172.171903.6621173.171192.706175.862003.8428176.780202.515179.532104.0137180.195211.822表2 数据分

20、析标准温度A测量温度BCBAD=C/A00.498070.498071010.25020.25020.025022020.02930.02930.001473030.08880.08880.002964040.18760.18760.004695050.04550.04550.000916059.5417-0.4583-0.007647070.63220.63220.009038080.07870.07870.000989089.8087-0.1913-0.00213100100.0820.08200.00082110110.3720.37200.00817120120.9840.98400.

21、00820130129.798-0.202-0.00155140142.4482.44800.01749150152.7222.72200.01815160162.6722.67200.01670170172.9152.91500.01715180182.6632.66300.01479190192.7062.70600.01424200202.5152.51500.01256210211.8221.82200.00868表中使用了热电阻分度表中的一部分阻值，由于电阻箱的分辨率是0.1，所以在测量时采取了四舍五入。数据分析如表2所示。可以看出，在153.58后数据的偏差较大，在其它测量点上测量

22、值和标准值的偏差很小。这样在每个测量点之间的数据近似的最大误差不是非常大，基本可以达到设计的要求。练习五 测温系统硬件（Pt100热电阻测温仪）与软件模块集成设计与检验实验目的： 1.学习用Pt100热电阻和测温仪组建测温系统的硬件平台； 2.采用虚拟仪器软件技术实现测温系统的集成设计。 实验内容： 1.硬件模块的集成设计 (1)预估调理电路的放大倍数，热电阻为Pt100、数采卡为Lab-PCI-6024E，根据设计任务书要求，预估当测温系统的有效分辨力为0.2时，调理电路的放大倍数最小应为多少？ 答：时, 由,， ，则： (2)连接测温仪和Pt100热电阻 2.软件模块的设计 (1)按任务书

23、要求设计仪器面板 (2)程序设计 Pt100热电阻一阶阶跃响应特性的数据采集与显示软件子模块设计 采集、显示、存储Pt100热电阻从室温环境快速伸入90左右的热水中（相当于对该温度传感器输入阶跃信号）的两端的电压值。 求取一阶系统时间常数的流程图见下图。思考题：1设计一个数字测温系统，采用铂热电阻RT做测温传感器，已知若电阻的RT关系式为:RT(T)=R0(1+AT+BT2)，其中：R0100 A3.910-3-1 B-5.810-7-2，要求测量温度范围为0-200，分辨率为1，要求1) 画出所设计的测温系统的结果框图；并说明单元电路的作用；各单元电路的作用及具体程序如下：（1）由输入电压U

24、0和恒流源I0来求得热电阻温度t和阻值Rpt。具体程序如下：biao=0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 100 103.9 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.08 130.9 134.71 138.51 142.29 146.07 149.83 153.58 157.33 161.05 164.77 168.48 172.17 175.86 179.53;Rin=Ut/(k*I0)+100;for i=1:1:21 if Rin=b

25、iao(2,i)&RintempU U(j)=Ut(i); j=j+1; else c=i; endendc=c+1;（3）取最大值为A和Z：具体程序如下：i=1;while U(i)A z(i)=log(1-U(i)/A); i=i+1;endn=length(z);（4）最小二乘拟和Z-t曲线求时间常数：具体程序如下：t=1:1:n;p=polyfit(t,z,1);z1=polyval(p,t);k=-1/p(1);最终将热电阻插入沸腾的开水中，待其稳定后对其数据处理的截图如下：可见最终的处理效果达到了最初的设计要求。2) 画出所选用调理电路的电路图；所选用调理电路如上图所示。3) 写出

26、温度输入和调理电路输出之间的关系式；由实验原理可得，恒流源I0=Ui/2000；热电阻的计算公式为Rt=U0/(k*I0)+R0；pt100热电阻分度表可得温度范围在0-850时，Rt=R0(1+At+Bt2).由以上三式联立可得温度输入和调理电路输出之间的关系式为下式所示：t=(-3.9083e-3+sqrt(3.9083e-3)2+4*(Uo/(Io*k*100)*(-5.775e-7)/(-2*5.775e-7)。4) 计算证明你所设计的系统能达到测量范围和分辨力的要求；本人使用I=3mA电流源供电，要求温度分辨率为，所以热电阻同参考电阻（R0=100欧）输出的差值电压为：，而A/D转换

27、器的量化值所以放大器放大倍数故取K=21。所以可测得最大温度为：综上可知，选择I=3mA，K=21可以满足测量的分辨力和测量范围要求。练习六 一阶系统频带扩展用校正环节软件模块设计实验目的：根据练习五中已采集的一阶系统阶跃响应数据，自行编程利用数字滤波法将测温系统的工作频带扩展10倍。实验内容：1 实现校正环节H(s)等效数字滤波H(z)的编程算式。根据已测定出的时间常数值与所要求的频带扩展倍数K=10，可计算，p，q。编程算式为： 式中： p=1/(1+bT) b=K/=2fb q=1/(1+CT ) C=1/=2fc fc -传感器系统原有的转折频率 fb -频带扩展后,传感器系统的转折频

28、率 fb =Kfc n-采样序号 T-采样周期2 最佳补偿效果的判断与调节实现通过对温度的采样信号x(k)以及通过数字滤波器后的阶跃响应信号y(k)观察,明显看到经过数字滤波后温度阶跃响应特性y(k)的上升沿有明显的改善。设置不同f c值的温度阶跃响应 y1,y2,y3如下图所示。比较曲线y1,y2,y3可见，曲线y1对应于f c f c ,出现补偿不足，上升前沿还不够快；曲线y3为最佳补偿效果，上升前沿有明显改善但又无过冲。由此可见，通过对数字滤波器的软件调试，很容易调整fc值，达到最佳补偿效果。y1y3y21020304050600 10 20 30 40 50 时间/sx(k)思考题：本

29、实验采用了数字滤波器法实现热电阻温度传感器频带的扩展，减小了温度测量的动态误差，请同学们采用频域校正法，编程实现热电阻温度传感器动态特性的补偿与改善。系统的响应时间比较长，50，实现校正环节H(s)等效数字滤波H(z)的编程算式。根据已测定出的时间常数值与所要求的频带扩展倍数K=10，可计算，p，q。编程算式为： 式中： p=1/(1+bT) b=K/=2fb q=1/(1+CT ) C=1/=2fc fc -传感器系统原有的转折频率 fb -频带扩展后,传感器系统的转折频率 fb =Kfc n-采样序号 T-采样周期本人通过之前的实验测试到时间常数约为50，故取fc=1/（2）=0.0032用matlab语言编程实现热电阻温度传感器频带的扩展，源程序如下： fc=0.0032;fb=10*fc;b=2*pi*fb;T=0.5;p=1/(1+b*T);q=1/(1+2*pi*fc*T);N=length(U);y(1)=0;for i=2:1:N y(i)=(10/q*U(i)-10*U(i-1)+y(i-1)*p;end采用fc=0.0032滤波前后的波形图如下：有图可以看出滤波后的响应速度明显得到了优化。但如果fc选择不够合理，滤波会对系统的响应产生负面的效应，比如，若选择fc=0.0001，其滤波后的波形如下：可见，fc f c ,出现补偿不足，上升前沿还不够快。