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(shù)，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(shè)計和制作是比較繁瑣的，因為它的使用對象繁多，所以設(shè)計制作時要考慮的問題也比較多，如：電源精度、紋波系數(shù)、溫度系數(shù)、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(diào)整范圍、電流的輸出和調(diào)整范圍，最后還要設(shè)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(shè)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直流穩(wěn)壓電源。它可

2、作為為簡單放大器供電的專用電源。首先要根據(jù)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(shù)。1)元件選擇(1)繪制電路圖(2) 電子元件的選擇:(a)選擇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(yīng)使這一壓差保持在6V左右，所以應(yīng)使7805最小輸入為7V，最好應(yīng)為11V左右，最大不能超過35V。(c)變壓

3、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(yīng)在12V，即120.9(效率)10.8V。最小應(yīng)在8V，即80.9(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系列，其電壓在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(yīng)較大(5001000)，輸出端的容量較小(200左右)，容量的大小應(yīng)隨負載的大小而定。陶瓷電容一般為0.010.1。2)

4、制作將元器件按一定的規(guī)則放置好，畫出連線草圖（圖14），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12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(qū)動多功能實驗臺上的微型直流電動機，其接線圖如下。圖13直流電動機與穩(wěn)壓電源的連接總結(jié)：通過焊接直流穩(wěn)壓電源電路， 可以把220V交流電源轉(zhuǎn)化為5V的直流穩(wěn)壓電源來給電橋供電以采集應(yīng)變信號。由于焊接電源的內(nèi)部電阻的原因，可能輸出測量電壓帶有偏差，一般不

5、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(diào)零電阻來調(diào)節(jié)實現(xiàn)。2 稱重傳感器標定實驗應(yīng)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(yīng)變式傳感器。當外力作用到彈性元件上，使其產(chǎn)生彈性變形（應(yīng)變），由貼在彈性體上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量，再經(jīng)放大器放大后，即可用儀表顯示或記錄下來。電橋工作原理：為討論方便，以直流電橋為例，設(shè)四臂電橋A、B、C、D如圖22所示，橋臂

6、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(nèi)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B、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： 于是對角B、D之間的輸出電壓為：當R1R3R2R40時或R1R3R2R4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(yīng)變后分別有微小電阻增量R1、R2、R3和R4，這時電橋輸出電壓將有增量UBD，計算如下：在等4臂電橋的情況下，即設(shè)R1R2R3R4，則上式變?yōu)椋涸趯?/p>

7、其它電橋進行分析后可以得出以下結(jié)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UBD與橋臂電阻相對增量R/R或應(yīng)變成正比。(2)各個橋臂電阻相對增量R/R或應(yīng)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(zhì)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R1R2R3R4的假設(shè)，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(diào)節(jié)電阻使

8、電橋平衡。如圖23所示之電橋，在A、B、C三點間接有電阻r和電位器W，調(diào)節(jié)W即可使電橋平衡。其平衡條件就是：而RAB和RBC都是并聯(lián)電路，當調(diào)節(jié)W時它們都發(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的調(diào)節(jié)范圍一般不大。圖21電橋平衡調(diào)節(jié)電路綜上所述，在實際操作中，科學(xué)地分析力的作用點和應(yīng)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(yīng)變傳感器標定曲線繪制利用等強度應(yīng)變梁，將應(yīng)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(yīng)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

9、橋路輸出信號大小用萬用表來測量，萬用表的檔位撥到直流mV檔。然后在等強度應(yīng)變梁的懸臂端用砝碼進行加載，在逐漸加載的過程中記錄砝碼的重量與等強度應(yīng)變傳感器的橋路輸出的信號，同時記錄在逐漸卸載過程中砝碼的重量與等強度應(yīng)變傳感器的橋路輸出的信號，記錄表格格式如表21。表21傳感器性能試驗加載砝碼的重量(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(shù)據(jù)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(guān)系曲線。圖22傳感器加載和卸載曲線總結(jié)：由數(shù)據(jù)可以看出，傳感器線性度很好，采集數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性

10、也很好，然而初始值不為零，是由于電橋內(nèi)部阻抗引起的，所以輸出數(shù)據(jù)之前可以添加一個調(diào)零電阻進行傳感器系統(tǒng)的輸出值調(diào)零。3 典型運算放大器制作并且搭建測試系統(tǒng)及采集數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)的搭建將放大器的輸出信號與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，獲得被測信號的波形。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理如圖所示。圖3-1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理將已制作好的等強度應(yīng)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，其輸出與自制的放大器相連，信號經(jīng)過放大后可直接驅(qū)動信號采集系統(tǒng)。圖3-2典型測力系統(tǒng)電路圖 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以基于USB接口的A/D數(shù)據(jù)采集器USB2010作為模擬信號的采集設(shè)備，用于實驗室模

11、擬信號的采集、保存與信號回放。該系統(tǒng)支持8通道數(shù)據(jù)的同時采集，其采樣速率受USB2010采集器的內(nèi)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(shù)設(shè)置、信號采集、文件管理和信號回放。1）參數(shù)設(shè)置 采集參數(shù)設(shè)置包括：采集各通道參數(shù)設(shè)置、實際采集通道設(shè)置、數(shù)據(jù)文件的保存路徑設(shè)置等，分別由以下幾個菜單功能實現(xiàn)：（1）通道參數(shù) 該功能用于設(shè)置采集各通道的參數(shù)配置，包括：通道信號名稱、通道信號單位、校正系數(shù)、校正電壓和信號顯示刻度。設(shè)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；校正系數(shù)是指測

12、量的每伏特電壓對應(yīng)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(shù)設(shè)置為10，實際測量該通道的電壓為3.5伏特，則轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)、校正電壓和通道刻度直接在對應(yīng)表格中輸入。所有參數(shù)修改后自動保存在數(shù)據(jù)庫文件中。（2）測試參數(shù)該功能用于設(shè)置采集的起始通道和終了通道，設(shè)置畫面如下：（3）系統(tǒng)參數(shù)該功能用于設(shè)置本系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)，畫面如下：數(shù)據(jù)文件目錄：保存采集數(shù)據(jù)的文件路徑，點擊畫面的選擇； 濾波截至頻率：系統(tǒng)回放信號時，進行低通濾波

13、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(shù)指畫面3方式顯示波形時的曲線縱坐標； 曲線最大點數(shù)：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(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時應(yīng)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(shù)據(jù)：采集過程中是否保存數(shù)據(jù) 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(shù) 通道參數(shù)設(shè)置中，“通道名稱”和“通道單位”選擇框中內(nèi)容通過該功能設(shè)置。2）采集設(shè)置 用于開始、介紹采集，并設(shè)置采集數(shù)據(jù)保存的文件名稱。在每次

14、采集開始前，應(yīng)該先設(shè)置保存數(shù)據(jù)的文件名稱。 本系統(tǒng)以cnd作為數(shù)據(jù)保存的文件后綴，其文件保存在“系統(tǒng)參數(shù)”功能中指定的路徑中。3）文件管理 用于打開已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)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(jié)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mV檔。然后在等強度應(yīng)變傳感器的懸臂端用砝碼進行加載，在逐漸加載的過程中記錄砝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砝碼的重量與放大器輸出的信號關(guān)系，記錄表格格式如下：表31測試系統(tǒng)性能標定試驗加載砝碼的重量(kg)00.511.52加載過程放大器輸出(mV)05310

15、9174221卸載過程放大器輸出(mV)051113169220將記錄的數(shù)據(jù)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(guān)系。圖31測試系統(tǒng)性能圖總結(jié)：與沒有添加放大器時的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)果1由重量測出電壓信號表32標定時加載測出電壓信號加載砝碼的重量(kg)00.511.52加載過程輸出(mV)00.050.110.170.22卸載過程輸出(mV)00.050.110.170.22圖32標定時加卸載測出電壓信號擬合曲線圖2由質(zhì)量加載直接測出重量表33標定后加載測出電壓信號（組1）加載砝碼的重量(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33加卸載載測出質(zhì)量擬合曲線圖表34標定后加載測出電壓信號（組2）加載砝碼的重量(kg)00.511.52加載過程輸出(mV)00.50.991.491.99卸載過程輸出(mV)00.50.991.481.99圖34加卸載載測出質(zhì)量擬合曲線圖表35標定后加載測出電壓信號（組3）加載砝碼的重量(kg)00.511.52加載過程輸出(mV)