北科大測試系統(tǒng)與實踐實驗報告

1、1直流穩(wěn)壓電源的制作首先，熟悉萬用表、電烙鐵的功能與使用方法，電子元器件的焊接技術，元器件的布置及實驗板的使用及各個所需電子的用途。這里所講的電源是各種電路中常用的直流穩(wěn)壓電源。它一般可分為多用途電 源和專用電源兩種。多用途電源的設計和制作是比較繁瑣的， 因為它的使用對象 繁多，所以設計制作時要考慮的問題也比較多，如：電源精度、紋波系數、溫度 系數、帶載能力、抗干擾能力、保護能力。以及電壓的輸出范圍(mvkv檔)、調整范圍、電流的輸出和調整范圍，最后還要設計面板的實用性、合理性、直觀 性和美觀性等等。而專用電源的設計制作就相對簡單得多， 因為它通常只用于一 種負載。下面簡單的介紹一種+ 5v直

2、流穩(wěn)壓電源。它可作為為簡單放大器供電的專用電源。首先要根據放大器的工作狀況， 確定電源的輸出電壓和電流，一般放大器 的電源為515v,電流為150ma除非是高精度高頻放大器電源，一般不考慮其 它電源參數。1)元件選擇(1)繪制電路圖圖1 1單穩(wěn)壓電源(2)電子元件的選擇：(a)選才? 7805集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓為+ 5v,最大電流為1.5a。(b)確定7805輸入電壓范圍由于三端集成穩(wěn)壓器有一個使用最小壓差(輸入電壓與輸出電壓的差值)的限制，所以變壓器的繞組電壓也不能過低。 三端 集成穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出電壓差約為2v。一般應使這一壓差保持在6v左右, 所以應使7805最小輸入為7v,最

3、好應為11v左右，最大不能超過35v。(c)變壓器的選擇由于負載功率不大，變壓器的功率可不做過多考慮，選5w左右即可。次級電壓一般應在12v,即12m0.9(效率)= 10.8v。最小應在8v,即8m0.9(效率)=7.2v。(注：用橋式整流電路時有 v出= 0.9v入)(d)二極管的選擇整流電路選擇效率較高的全波整流方式，二極管可選擇1n400系歹1，具電壓在100v800v以上，電流為1a。(e)電容的選擇用頻率特性不好的電解電容，對整流后的脈動直流進行平滑濾波，用頻率特性好的陶瓷電容去除高頻干擾。一般穩(wěn)壓器輸入端的電解電容容量應較大（500小1000n ）,輸出端的容量較?。?00小左右

4、），容量的大小應隨負載的大小而定。陶瓷電容一般為0.01仙0.1 u2）制作將元器件按一定的規(guī)則放置好，畫出連線草圖（圖1-4）,看線路能否走通， 走線是否合理，元件放置要盡量整齊美觀，然后就可以動手把元器件插入印刷線 路板上焊接，焊接時要先焊阻容元件，后焊二、三極管及集成電路等器件，全部 完成后，再檢查一遍，防止錯焊、誤焊，最后進行通電測試。圖1 2穩(wěn)壓電源連線草圖穩(wěn)壓電源制作好后，使用雙蹤示波器測量輸出電壓的穩(wěn)壓效果，用它驅動多功能實驗臺上的微型直流電動機，具接線圖如下。直圖1 3直流電動機與穩(wěn)壓電源的連接總結：通過焊接直流穩(wěn)壓電源電路，可以把220v交流電源轉化為5v的直流穩(wěn)壓電源來給電

5、橋供電以采集應變信號。由于焊接電源的內部電阻的原因， 可能輸出測量電壓帶有偏差，一般不為 5v,但是誤差不是很大，而且我們后面可以采 取軟件的補償，采用調零電阻來調節(jié)實現。2稱重傳感器標定實驗應變片的組橋及注意事項在實際測量中，可以把電阻片直接貼到被測物件上， 也可以將電阻片貼到一 定尺寸要求的彈性元件上，這就是我們在測量過程中常用的電阻應變式傳感器。 當外力作用到彈性元件上，使其產生彈性變形（應變），由貼在彈性體上的應變 片將應變轉換成電阻變化。但電阻片的電阻變化很小，不宜直接測量，為此，必 須采取一定形式的測量電路，將微小的電阻變化量轉換成電壓或電流的變化量， 再經放大器放大后，即可用儀表

6、顯示或記錄下來。電橋工作原理：為討論方便，以直流電橋為例，設四臂電橋 a、b、c、d如 圖2 2所示，橋臂r1、r2、r3 r4都是由電阻片組成，這種接法在電測中稱為 全橋接法，如果只有r1、r2是電阻片，而r3 r4是儀器內的橋臂電阻，就稱為半橋接法。電源由對角ac接入，而電橋輸出電壓由對角bd接至負載，若負載阻 抗遠大于電橋的輸出阻抗，則 r d之間可以看作是開路(即認為負載阻抗為無 限大)，這時電流i1和i2可如下計算： uo uoi 1i 2 -_r1 r2r3 r 4于是對角b、d之間的輸出電壓為：bd-i 1r1r1r3 -r2r4r1 r2 r3 r4當rrr2r = 0時或rr

7、= r2r4成立時，則電橋輸出電壓為零，這就是電橋 的平衡條件。當電橋受到應變后分別有微小電阻增量a r、ar、ar和ar,這時電橋輸 出電壓將有增量a lbd,計算如下：u bdu bdu bdu bd .-u bd = z- r1 1- r2 '- r 3 1- r4二r1二 r2二r3二r4urr2 0r1 ar2 ; u0r3r4 %r3&r4一(r1+r2：24-kj(r3+r4h.r-r在等4臂電橋的情況下，即設 r = r= r=r,則上式變?yōu)?在對其它電橋進行分析后可以得出以下結論：(1)不論電壓橋或功率橋，全臂橋或半臂橋，電橋輸出電壓增量albd與橋臂電阻相對

8、增量a r/r或應變e成正比。(2)各個橋臂電阻相對增量a r/r或應變&對電橋輸出電壓的影響是線性疊 加的，但相鄰橋臂符號相異，相對橋臂則符號相同。這一重要性質將被用來提高 電橋的輸出，解決溫度補償和許多實際問題。(3)在橋臂電阻發(fā)生相同變化的情況下，全等臂電橋比半等臂電橋輸出大一 倍，因此在實測中多采用全橋測量。電橋的平衡在測量前，必須使電橋處于平衡狀態(tài)。在以上討論中作了 r=r=r = r的 假設，實際上4個電阻片的電阻值是不可能完全相等的。 所以在未受變形之前電 橋也是不可能平衡的，因此須要調節(jié)電阻使電橋平衡。如圖23所示之電橋，在a、r c三點間接有電阻r和電位器w調節(jié)wff

9、l可使電橋平衡。其平衡條件 就是：r ab _ r adr bcr dc而rxb和rbc都是并聯(lián)電路，當調節(jié)w寸它們都發(fā)生變化，故能找到一點使上 式滿足，即使電橋得以平衡。不過4個橋臂的電阻不能相差太大，因為 w勺調節(jié) 范圍一般不大。綜上所述，在實際操作中，科學地分析力的作用點和應力狀態(tài)，安排最佳的 貼片位置；細致準確地粘貼電阻片和合理地組橋是保證測量成功的重要環(huán)節(jié)。應變傳感器標定曲線繪制利用等強度應變梁，將應變片按照上述方法和步驟粘貼在等強度梁上，按照 一定的規(guī)則組橋，成為一個典型的應變傳感器。傳感器全橋的供電與自己動手制作的直流電源相連接，其橋路輸出信號大小 用萬用表來測量，萬用表的檔位撥

10、到直流 mv檔。然后在等強度應變梁的懸臂端 用整碼進行加載，在逐漸加載的過程中記錄整碼的重量與等強度應變傳感器的橋 路輸出的信號，同時記錄在逐漸卸載過程中整碼的重量與等強度應變傳感器的橋 路輸出的信號，記錄表格格式如表 2 1。表2-1傳感器性能試驗加載整碼的重量（kg）00.511.52加載過程傳感器輸出（mv）2.02.53.03.54.0卸載過程傳感器輸出（mv）2.02.53.03.54.0將記錄的數據畫在二維坐標上，得到加載重量和卸載重量與傳感器的輸出信 號的關系曲線。加載-一卸載線性（加載）線性（卸載）om 1號信出輸器感傳總結：由數據可以看出，傳感器線性度很好，采集數據的線性相關

11、性也很好，然 而初始值不為零，是由于電橋內部阻抗引起的，所以輸出數據之前可以添加一個 調零電阻進行傳感器系統(tǒng)的輸出值調零。3典型運算放大器制作并且搭建測試系統(tǒng)及采集數據測試系統(tǒng)的搭建將放大器的輸出信號與計算機數據采集系統(tǒng)相連，獲得被測信號的波形。數 據采集系統(tǒng)的原理如圖所示。圖3-1數據采集系統(tǒng)的原理將已制作好的等強度應變傳感器與雙穩(wěn)壓電源連接，使傳感器全橋電路獲得所需要的電源。為了提高橋路輸出信號的大小，具輸出與自制的放大器相連，信 號經過放大后可直接驅動信號采集系統(tǒng)。圖3-2典型測力系統(tǒng)電路圖數據采集數據采集系統(tǒng)以基于us瞅口的a/d數據采集器usb2010乍為模擬信號的采 集設備，用于實

12、驗室模擬信號的采集、保存與信號回放。該系統(tǒng)支持8通道數據的同時采集，具采樣速率受usb201睬集器的內部硬 件限制，最高可達100khz可以滿足實驗室各類信號的采集。采樣分辨率為 12 位，測量精度可達到2.44毫伏。該系統(tǒng)的主要功能包括：采集參數設置、信號采集、文件管理和信號回放。1)參數設置采集參數設置包括：采集各通道參數設置、實際采集通道設置、數據文件的 保存路徑設置等，分別由以下幾個菜單功能實現：(1)通道參數該功能用于設置采集各通道的參數配置， 包括：通道信號名稱、通道信號單位、校正系數、校正電壓和信號顯示刻度。設置畫面如下:通道名稱和通道單位可以直接輸入，也可以用組合框輸入；校正系

13、數是指測 量的每伏特電壓對應的物理量大小，如某個通道用于測量壓力，單位為噸， 其校 正系數設置為10,實際測量該通道的電壓為3.5伏特，則轉換成壓力為350噸; 校正電壓是指實際物理量為0時采集系統(tǒng)測量的電壓值，采集時測量的電壓減去 該值再乘以校正系數即為物理量大?。?通道刻度是顯示該通道信號波形時縱坐標 的值。校正系數、校正電壓和通道刻度直接在對應表格中輸入。 所有參數修改后自 動保存在數據庫文件中。(2)測試參數該功能用于設置采集的起始通道和終了通道，設置畫面如下:(3)系統(tǒng)參數該功能用于設置本系統(tǒng)有關參數，畫面如下:數據文件目錄：保存采集數據的文件路徑，點擊畫面的一選擇；濾波截至頻率：系

14、統(tǒng)回放信號時，進行低通濾波處理時最高頻率；使用最大通道號：本系統(tǒng)采集的最大通道；畫面3曲線縱坐標：本系統(tǒng)以兩種畫面顯示測試波形， 該參數指畫面3方式 顯示波形時的曲線縱坐標；曲線最大點數：本系統(tǒng)中沒有用途。采集時鎖定某些功能：為了防止丟失數據，采集數據時應禁止其它占用時間比較長的操作，本功能即用于限制這些操作；連續(xù)采樣：本系統(tǒng)中必須選擇該項。保存數據：采集過程中是否保存數據背景顏色：波形繪制區(qū)域的背景顏色坐標顏色：波形繪制的坐標顏色線條顏色：波形的顏色(3)其它參數通道參數設置中，“通道名稱”和“通道單位”選擇框中內容通過該功能設 置。ei設若其它獨據2)采集設置用于開始、介紹采集，并設置采集

15、數據保存的文件名稱。在每次采集開始前, 應該先設置保存數據的文件名稱。r取土除7f文評名x保存文件名稱 k；人需要力口后投自動為=end確定 取消本系統(tǒng)以end作為數據保存的文件后綴，其文件保存在“系統(tǒng)參數”功能中指定的路徑中。3)文件管理用于打開已經保存的數據文件。成功打開某個文件后，“信號處理”菜單下的功能變成有效。實驗結果(1)制作放大器后的系統(tǒng)加卸載實驗將放大器輸出與萬用表相接，萬用表的檔位撥到直流mvs。然后在等強度應變傳感器的懸臂端用整碼進行加載，在逐漸加載的過程中記錄整碼的重量與放 大器輸出的信號的大小，同時記錄在逐漸卸載過程中整碼的重量與放大器輸出的 信號關系，記錄表格格式如下

16、：表3-1測試系統(tǒng)性能標定試驗加載整碼的重量(kg)00.511.52加載過程放大器輸出(mv)053109174221卸載過程放大器輸出(mv)051113169220將記錄的數據畫在二維坐標上，得到加載和卸載的重量與放大器輸出信號的 關系。加載-一卸載線性(加載)線性(卸載)號信出輸器感傳圖31測試系統(tǒng)性能圖總結：與沒有添加放大器時的數據相比可以看出，信號放大了 100倍輸出，比較 明顯觀察，而且線性度相對而言降低了一些，但是比較良好。(2)搭建測試系統(tǒng)后的測試數據結果1由重量測出電壓信號表3 2標定時加載測出電壓信號加載整碼的重量(kg)00.511.52加載過程輸出(mv)00.050

17、.110.170.22卸載過程輸出(mv)00.050.110.170.22圖3 2標定時加卸載測出電壓信號擬合曲線圖加載一卸載線性（加載）線性（卸載）線性（卸載）加載祛碼質量（kg） 加載-一卸載線性（加載）線性（卸載）2由質量加載直接測出重量表3 3標定后加載測出電壓信號（組 1）加載整碼的重量（kg）00.511.52加載過程輸出（mv）00.490.991.491.98卸載過程輸出（mv）00.490.991.491.98圖3 3加卸載載測出質量擬合曲線圖表3 4標定后加載測出電壓信號（組2）加載整碼的重量（kg）00.511.52加載過程輸出（mv）00.50.991.491.99卸載過程輸出（mv）00.50.991.481.9900.511.522.5加載祛碼質量（kg）5652112 5 156 1號信出輸器感傳 加載卸載線性（加載）加載整碼的重量（kg）00.511.52加載過程輸出（mv）00.490.981.471.98卸載過程輸出（mv）00.490.971.481.982.52.5圖3 4加卸載載測出質量擬合曲線圖表3 5標定后加載測出電壓信號（組3）