中国石油大学华东实验报告.docx

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中国石油大学华东实验报告

2014—2015学年第3学期

传感器课程设计实习报告

专业班级

姓名

学号

报告日期2015年7月20日

传感器课程设计暑期实习报告

第一部分变送器电路实验

一：

实验仪器和设备

DT9208万用表一只、＋5/24V直流电源一台、万能电路板一块、镊子一只、导线若干、XTR106等芯片、常用电子元器件若干。

二：

实验步骤

2、了解电阻式传感器原理、测量转换线路。

把压力、温度、流量、液位等物理信号转换成电阻值变化的传感器，电阻式传感器具有结构简单、输出精度高、线性和稳定性好的特点。

主要包括电阻应变

式传感器、压阻式传感器等。

测量转换线路：

桥路电阻（以应变片式压力传感器为例）

图1全桥式应变片测量电路

当作用在应变片上的压力发生变化时，其阻值也随之发生变化，从而引起输出电压的变化，其中R1和R3、R2和R4的阻值变化方向一致（变化方向如上图所示）。

3、阅读XTR106芯片厂家英文资料，掌握其工作基本原理。

XTR106是高精度、低漂移、自带两路激励电压源、可驱动电桥的4~20mA两线制集成单片变送器,，它的最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿,。

它可以使桥路传感器的非线性大大改善,，改善前后非线性比最大可达20：

1。

4、分析图3电路的工作原理。

图2XTR外部电路连接示意图

原理：

通过改变电阻的阻值，使桥路产生相应的mV级压差，桥路的输出分别连到运放的两个正输入端，经运放以后产生V级电压差。

运放的输出再进入到XTR106芯片进行线性化调整（阻值和输出电流值之间）之后产生4~20mA电流输出。

其中桥路需要的5V和运放需要的5.1V供电电压由XTR106芯片提供，而XTR106芯片需要的24V供电电压由实验台提供。

5、利用万能电路板搭建上述电路，要求分部分搭建，分成电阻桥路部分、差动放大部分、XTR本体部分，要求对前两部分电路线进行测试，确认符合相关要求时方可接入第三部分电路。

在本案例中，我们完成桥路和差动放大部分的搭建后，对桥路和差动放大部分进行了测试。

当电桥平衡时：

桥路部分：

，桥路的两端分别都有电压，但桥路输出为零。

差动放大部分：

输入分别对应桥路两端的电压值且相等，输出为零。

电桥不平衡时：

桥路部分：

桥路的输出不为零，最大时压差为0.6mV。

差动放大部分：

对压差进行放大后产生V级压差，本案例中，我们的放大倍数为30，实测值和理论值相差不大。

6、上述电路没有考虑零点、量程调整电路，请结合上述电路设计零点、量程调整电路，并实现该功能。

零点调整：

在桥路里边，和模拟PT100铂热电阻相邻的位置放置一个滑动变阻器以实现零点调整。

零摄氏度时PT100电阻值为100欧姆，则将相邻的滑动变阻器阻值也设为100欧姆，即可实现零点调整。

量程调整：

在XTR106芯片的3,4管脚处接一个滑动变阻器进去，当桥路输出为零时，可以调整此电位器，使得输出4mA电流；当桥路输出最大时，调整此电位器，使得最终输出20mA电流。

7、进行变送器性能测试。

进行负载实验，给出负载范围，思考远距离信号传输中应注意的问题。

由XTR106芯片资料可知，它所能承受的负载范围计算公式为：

由于实验室操作，不需要传送导线，所以其实际计算公式如下：

其中V+是管脚10和地之间的电压差，本案例中可近似用24V电源电压代替，经理论计算得出R=825欧姆，而实际电路中得到负载范围为0~830欧姆，理论与实际基本吻合。

（以下8-10任选其一）

8、考虑如何实现应变片压力变送器的功能，包括非线性补偿问题该如何处理，并实现非线性补偿，测试补偿前后的变送器特性，要求的量程范围0-100（克）。

9、考虑如何实现Pt100热电阻温度变送器的功能，包括非线性补偿问题该如何处理，并实现非线性补偿，测试补偿前后的变送器特性，要求的量程范围0-200度。

功能的实现：

由PT100分度表可知，当零摄氏度时，PT100阻值为100欧姆，当200摄氏度时，阻值为175.86欧姆。

所以用1K欧姆变位器模拟PT100温度传感器时可以用100欧姆作为零点，175.86欧姆作为温度上限。

实现温度变送器功能，则要XTR106芯片对应零点时输出为4mA，温度上限时输出为20mA。

非线性补偿问题：

A、PT100电阻值和温度之间存在非线性，且随着测温范围的增大非线性变得越来越严重；B、电桥的电压和阻值之间也存在非线性问题。

铂热电阻的非线性和不平衡电桥的非线性都给最后的温度测量带来一定的非线性误差。

因此需要通过电路设计实现非线性问题的调整。

XTR106芯片则是实现该功能的最佳选择。

由参考资料可知，PT100热电阻存在正的非线性（如下图4所示），其中连接于1和11管脚的Rlin是线性化电阻，提供正反馈，使桥路激励电压随着输入电压Vin的变化而变化，6和12管脚相连，基准电压Vref随着Vin的增大而增大，以补偿正的非线性。

本实习中将负载电阻设定为300欧姆。

补偿后的特性曲线：

温度

0

20

40

60

80

电压1

1.22

1.46

1.99

2.62

3.12

电压2

1.17

1.43

2.03

2.58

3.11

电压3

1.18

1.42

2.02

2.59

3.13

平均电压

1.19

1.44

2.01

2.6

3.12

拟合

1.0741

1.5841

2.0941

2.6041

3.1141

偏差

-0.0959

0.1541

0.0641

0.0241

0.0041

100

120

140

160

180

200

3.67

4.19

4.69

5.26

5.72

6.03

3.64

4.22

4.71

5.23

5.71

5.98

3.65

4.22

4.73

5.22

5.73

5.99

3.66

4.21

4.71

5.24

5.72

6

3.6241

4.1341

4.6441

5.1541

5.6641

6.1741

-0.0159

-0.0859

-0.0659

-0.0759

-0.0459

0.1941

图3补偿后的特性曲线

由特性曲线可知，经由XTR106芯片处理后的非线性问题得到了很好地改善。

10、用XTR106设计温度变送器（Cu50），要求量程：

0～50度。

三：

实验中出现的问题

1.在完成电路的焊接进行调试的时候，我们发现负载的发热量比较大，在测试并没有虚焊和短接的情况下，我们进行原理图的分析，想起之前焊电路时三极管的焊接存在一些瑕疵，于是怀疑三极管坏了，在向老师要了新的三极管后，最后终于顺利的进行了下一步。

2.开始没有搞清出放大倍数和量程调整电位器之间的关系，所以在输出电流上下限的调整时出现了一些小问题。

经过查找资料，后来找出了它们之间的关系。

当设定的温度量程范围比较大时，可以适当的减小差动运放放大倍数，当量程范围比较小时，可以适当增大放大倍数。

这样在选好放大倍数时，再调整量程就会有事半功倍的效果。

3.关于负载的问题，开始也不是理解的很透彻，导致开始测试时不知道负载的大致数值，但在后来的不断地测量中，发现当负载电阻超过大约800欧姆时所测量的数值与预期的相差很大。

最终决定负载的最终取值为0~800欧姆。

四：

实验总结

通过本次实习，使我的焊接技术有了再一次的提高，因为平时很少接触这些东西，在最后的焊接还是那个还是有一定的生疏，但是经过了一天的适应后逐步掌握了这个技能。

经过对材料的学习和同学的讨论最终完成了焊接电路的原理图。

经过本次实习，我更加清楚地了解pt100热电阻温度传感器的工作原理。

其次通过这次实习，最大的收获是学会了解决PT100热电阻阻值（即温度）和输出电流之间的非线性关系，同时了解了如何在电路中添加器件以实现零点和量程的调整。

除此之外，还对负载这一名词有了实质性的了解，知道了变送器所带负载的计算。

总之，这次实习不仅锻炼一个人的思维能力，因为要排版和布局，还锻炼团队合作能力，考验两个人的配合和默契。

实习的过程中，不仅巩固了所学知识，而且收获了乐趣，一举多得。

第2部分ProtelDXP原理图与PCB设计

一：

内容

利用ProtelDXP设计“实验二”的电路原理图与PCB电路板；

二：

步骤

1、掌握ProtelDXP2004软件工作原理；

2、了解PCB电路板设计的基本原则、电路板布线原则。

3、进行上述电路及补充电路原理图设计；

4、理解并进行元器件封装设计；

5、理解并生成网络表；

6、将网络表导入PCB文件中，最终形成PCB文件。

三：

注意事项

1、不管建立什么，像PCB工程、原理图、自己设计的元件库、PCB板，首先学会对其进行保存，防止未保存对之后操作产生不必要的影响。

而且原理图、元件库、PCB板必须建立在同一个PCB工程下。

2、在建原理图之前需要加载需要用到的元件库，找到文件夹的放置位置，找到AltiumDesignerExtra，单击找到Lib，将其解压缩到当前文件夹即可。

当需要搜索系统元件时，具体操作如下图所示：

3、在对原理图进行布线时，注意各个器件之间的距离，防止连接交叉线时本不该相连的两条线产生节点；原理图中的相同器件必须命名成不同的名字，否则会在编译的时候报错。

4、自己设计元件库时，注意管脚（显示名字和标识）的对应关系，而且要把具有非电气特性端与元件边框相连，防止在编译时报错。

5、完成原理图连线以后，并且电器规则检查（编译）无误，在产生网络表之前，要对元器件进行封装。

除了系统自带的元件其他元件都需要进行封装

6、在PCB板上布局时注意调整各个器件的排列，让连线简单明了，尽量水平或竖直，尽可能的避免两线相交叉。

完成布局和连线后，用粉色电器线连接时，注意不要有间隔。

7、对底层、顶层敷铜时，运用多边形绘制框图时要把粉线框起来的PCB板全都框起来。

四：

实习报告

1、了解PCB电路板设计的基本原则、电路板布线原则；

通过移动、旋转元器件，将元器件移动到电路板内合适的位置，使电路的布

局最合理。

（同时注意删除器件盒）

在元件布局时应注意以下几点：

1）先布放关键元器件（如单片机、DSP、存储器等），然后按照地址线和数据线的走向布放其他元件。

2）高频元器件引脚引出的导线应尽量短些，以减少对其他元件及其电路的影响。

3）模拟电路模块与数字电路模块应分开布置，不要混合在一起。

4）带强电的元件与其他元件距离尽量要远，并布放在调试时不易触碰的地方。

5）电位器、可变电容等元件应布放在便于调试的地方。

2、进行上述电路及补充电路原理图设计；

A、新建一个PCB工程

B、创建原理图

C、原理图绘制

XTR106芯片库设计

D、原理图电气规则检查

E、库原件的查找

3、理解并进行元器件封装设计（以XTR106芯片为例）；

4、理解并生成网络表；

A、创建PCB

B、生成网络表

、

5、将网络表导入PCB文件中，最终形成PCB文件。

仿真

五：

实验中出现的问题

1、生成网络表之前没有对运放、二极管、三极管进行封装，而且也没有注意封装的器件的尺寸问题，导致最后生成的PCB文件中三极管的尺寸比滑动变阻器的尺寸还要小（实际中两个的大小应至少相等）。

2、在PCB板上进行连线时，没有意识到导线粗细的问题，使得连线之后的导线只有0.245mm，这样会使生成的板子因为导线太细导致连接不好的问题。

3、在分布各个器件时应注意