北科研究生工程测试报告.docx
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北科研究生工程测试报告
测试系统设计与实践
实验课实验报告
一、实验目的
1、熟悉万用表的功能与使用方法；
2、熟悉电子元器件的焊接技术；
3、熟悉元器件的布置及实验板的使用；
4、熟悉稳压电源的制作。
5、熟悉电阻应变片的分类与原理；
6、熟悉应变片的粘贴工艺；
7、熟悉应变片的组桥及注意事项；
8、熟悉应变片传感器标定曲线绘制。
9、掌握集成运算放大器原理和功能；
10、掌握典型差动放大器制作。
11、熟悉测试系统的搭建；
12、对测试系统进行加载实验；
13、熟悉数据采集流程。
二、实验仪器和器材
万用表、电烙铁、焊锡、焊剂、偏口钳、多功能实验板、变压器、7805稳压器、二极管、电容、导线、剥线钳
120Ω的标准电阻应变片、砂纸、502胶水、丙酮、无水乙醇、脱脂棉、镊子、电烙铁、医用胶布、接线板、刻刀、等强度应变梁
开放式传感器试验箱、电阻、F741运算放大器、电位器。
信号接口箱、USB2010采集卡、计算机
3、实验原理
电路原理图如图1所示，其基本的原理是：
（1）利用电磁感应原理将220V的交流电变为9V的交流电；
（2）利用二极管的单向导通原理组成的桥式整流电路将交流电转换为直流电；（3）利用电容的充放电特性对整流后的电流进行滤波；
（4）利用7805稳压器进行稳压。
图1单稳压电源
金属栅应变片的工作原理是基于导体的“应变效应”特性，即应变片受到外力作用发生变形（伸长或缩短），其金属栅电阻值也随之发生变化。
由式
（其中
为一段敏感栅材料的灵敏度系数）可知敏感栅材料的电阻变化率与应变成线性关系，如果已知
，再测出
就可以求出应变
。
电桥电路如图2所示。
电桥的工作原理是，当电桥受到应变后分别有微小电阻增量
、
、
、
，这时电桥输出电压将有增量
，在
的情况下，
，相邻桥臂符号相异，提高电桥输出、解决温度补偿和许多实际问题。
图2电桥电路
运算放大器的内部是一个高增益的多级晶体管放大器，本次实验采用差动放大器，即输入信号同时加在放大器的+、-两个输入端上，差动增益为：
，其电路图如图3所示，运放741引脚如图4所示。
图3差动放大器
1、8脚：
调放大器内部零
2脚：
-IN“-”输入端
3脚：
+IN“+”输入端
4脚：
-Vs“-”电源
7脚：
+Vs“+”电源
6脚：
OUT输出端
图4运算放大器引脚功能
本测试系统框图如图5所示，其原理电路图如图6所示。
通过对系统的标定之后，即可将其作为一个称重系统。
图5测试系统框图
图6典型测力系统
四、实验步骤
1、学习万用表的功能与使用方法，并用万用表测试本次实验所用的电容、二极管等能否正常使用和判断二极管的极性；
2、绘制电路图；
3、选择7805集成稳压器、确定7805输入电压范围；
4、选择变压器，选择次级电压为12V，功率为5W左右的变压器；
5、选择二极管，二极管选择1N400系列，其电压在100V～800V以上，电流为1A；
6、选择电容，输入端选择电容量为500u～1000u的电解电容、输出端选择电容量为200u左右的电解电容以及容量为0.01u～0.1u的无极性电容；
7、制作，将元器件按一定的规则放置好，画出连线草图，看线路能否走通，走线是否合理，元器件放置要尽量整齐美观，焊接时要先焊接阻容元件，后焊二、三级管，全部完成之后，检查是否有错焊、误焊，最后进行通电测试；
8、用偏口钳切断焊在多功能实验板上的元器件引脚的多余长度；
9、接通电源，用万用表测试输出端的电压是否稳定。
10、试件表面处理
（1）去除等强度应变梁表面氧化皮、铁锈等，用适当的砂纸进行打磨，打磨面积为贴片面积的3～5倍；
（2）用细砂纸将贴片表面打成与应变片轴线方向成45°的交叉纹路；
（3）用镊子夹住脱脂棉蘸丙酮或无水乙醇等对贴片表面进行清洗，直至脱脂棉不见黑迹为止。
11、贴片
将电阻应变片用502胶水粘在等强度应变梁的上下表面，每面贴两个，贴片时应注意：
（1）贴片时要考虑贴片的位置、方向，引出线应朝向便于布置导线的一方；
（2）502胶涂刷宜薄不宜厚，要涂抹均匀，电阻片贴上之后，盖上一小张塑料薄膜，用大拇指从电阻片的一头轻轻按压，挤出气泡和多余的胶水；
（3）待胶水稍干后，用一只手的拇指垫上塑料薄膜后按住电阻片的尾部，另一只手持镊子将引线揭起来。
12、电阻应变片的保护处理
在引出线下面贴一块绝缘胶布，起到引出线与被测件之间的绝缘作用。
再用一小块绝缘胶布贴到引出线的根部，起到固定和保护引出线的作用。
13、组桥
（1）将电阻应变片的引出线焊接在接线板上，并用刻刀将多余的引出脚刻掉；
（2）用导线将四个电阻应变片连接起来组成全桥。
14、应变传感器标定曲线绘制
（1）将传感全桥的供电与自己动手制作的直流电源相连接，桥路输出信号大小用万用表来测量，万用表的档位拨到直流mV档；
（2）在等强度应变梁的悬臂端用砝码进行加载，在逐渐加载的过程中记录砝码的重量与等强度应变传感器的桥路输出的信号，同时记录在逐渐卸载过程中砝码的重量与等强度应变传感器的桥路输出信号。
15、按实验原理图准确接线；
16、将传感器输出信号和差分电路的输入端断开，并将差分电路输入端短路，调节电位器W2，使差分电路输入为零；
17、调节电位器W1，使传感器输出为零；
18、将传感器的输出信号接入差分电路的输入端，用万用表测差分电路的输出电压，如若不为零，可再调节W2，使其输出电压为零；
19、做加载实验，观察差分电路的输入输出电压是否满足：
20、系统搭建，将自制稳压电源、自制应变传感器、自制差动放大器用导线依次连接起来；
21、软件设置，将差动放大器的输出信号通过信号接口箱与USB2010采集卡连接，通过USB接口将USB2010采集卡与计算机连接，并将软件相应的通道参数矫正系数先设置成1，空载时运行软件，将其调成自动校准零点，使空载时输出为零。
22、系统加载，统计加载和卸载软件上所显示的数据，记录在表格中，并用ECXEL对数据进行处理与回归分析.
23、称重参数设置，在通道参数中将通道单位改为kg，校正系数改为回归函数斜率的倒数，利用自动校准零点自动添加校正数值
24、称重，在等强度应变传感器的悬臂端用砝码进行加载，在逐渐加载的过程中记录砝码的重量与放大器输出的信号的大小，同时记录在逐渐卸载过程中砝码的重量与放大器输出的信号关系，并用ECXEL对数据进行处理与回归分析。
五、数据记录
位置
电桥输出
1000u电容两端
7805的2、3管脚
输出端
电压
9.03V
8.02V
11.01V
4.96V
加载砝码的重量（kg）
0
0.5
1
1.5
2
加载过程传感器输出（mV）
0.6
1.1
1.6
2.1
2.7
卸载过程传感器输出（mV）
0.6
1.1
1.6
2.1
2.7
加载过程U0（mV）
0
50
102
155
208
加载过程U0（mV）
0
51
103
156
208
标定输出（kg）
0
0.5
1
1.5
2
标定后加载输出（kg）
0
0.50
1.01
1.50
2.03
标定后卸载输出（kg）
0
0.50
1.01
1.50
2.03
六、实验结果
通过变压器的变压、整流电路的整流、电容的滤波以及7805稳压器的稳压，在输出端用万用表测量实际值为4.96V，和理想值5V很接近，满足实验需求。
通过传感器加载和卸载曲线可以看出，传感器的输出信号与加载砝码的重量之间成线性关系y=1.04x+0.58，相关系数R很接近1，可说明传感器贴片贴放正确，且正常工作。
差分电路输入和输出回归线性方程为y=100.06x-58.802，斜率为100.06满足放大倍数为100，表明放大器电路正常工作。
通过标定后的软件进行加载测量，显示重量和实际质量有一定偏差，但在一定误差范围内，实验结果还是可以接受。
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