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自动检测实验报告1

自动检测技术

实验报告

学院：

自动控制与机械工程学院

班级：

13级电气工程及其自动化（3）班

小组：

四组

组长：

指导老师：

一、电桥测电阻实验2

实验目的2

实验原理2

实验步骤：

误差分析：

二、热电偶的工作原理，补偿方法及其应用7

1热电偶的工作原理7

2热电偶的补偿13

3热电偶的实际应用15

4热电偶测温系统的相关介绍15

三、集成温度传感器（AD590）温度特性实验17

1、实验目的：

2、基本原理：

3、实验仪器：

4、实验步骤：

四、心得体会20

1、马超东:

2、匡德龙:

3、吴帅：

4、陈滢22

5、黄金龙:

6、何永娟24

7、王丽24

8、钱璐飞24

一、电桥测电阻实验

实验目的

1、掌握惠斯通电桥测量电阻的原理及操作方法，理解单臂电桥测电阻的“三端”法接线的意义；

2、掌握开尔文电桥测量电阻的原理及操作方法；

3、熟悉综合性电桥仪的使用方法及电桥比率和比率电阻的选择原则。

实验原理

电阻是电路的基本元件之一，电阻的测量是基本的电学测量。

用伏安法测量电阻，虽然原理简单，但有系统误差。

在需要精确测量阻值时，必须用惠斯通电桥，惠斯通电桥适宜于测量中值电阻（1～106Ω）。

图1

惠斯通电桥的原理如图1所示。

标准电阻R0、R1、R2和待测电阻RX连成四边形，每一条边称为电桥的一个臂。

在对角A和C之间接电源E，在对角B和D之间接检流计G。

因此电桥由4个臂、电源和检流计三部分组成。

当开关KE和KG接通后，各条支路中均有电流通过，检流计支路起了沟通ABC和ADC两条支路的作用，好象一座“桥”一样，故称为“电桥”。

适当调节R0、R1和R2的大小，可以使桥上没有电流通过，即通过检流计的电流IG=0，这时，B、D两点的电势相等。

电桥的这种状态称为平衡状。

图6-l惠斯通电桥原理图。

这时A、B之间的电势差等于A、D之间的电势差，B、C之间的电势差等于D、C之间的电势差。

设ABC支路和ADC支路中的电流分别为I1和I2，由欧姆定律得

I1RX=I2R1

I1R0=I2R2

两式相除，得

（1）

（1）式称为电桥的平衡条件。

由

（1）式得

（2）

即待测电阻RX等于R1/R2与R0的乘积。

通常将R1/R2称为比率臂，将R0称为比较臂。

2.双电桥测低电阻的原理

单电桥测几欧姆的低电阻时，由于引线电阻和接触电阻

（约10-2～10-4Ω）,已经不可忽略，致使测量值误差较大。

改进办法是将其中的低电阻桥臂改为四端接法，并增接一对高电阻（如图2）。

改用四线接法后的等效电路为图3。

r1，r2串联在电源回路中，其影响可忽略。

r3，r4接高电阻，其影响也可忽略。

实际的电路如图2。

由电路方程解得

使r尽量小，并将两对比率臂做成联动机构，尽量使

则

。

数据表格：

单电桥测电阻数据记录

测量对象

单电阻1

单电阻2

并联电阻

串联电阻

倍率C

1.00

75.79

73.83

37.89

149.37

75.79

73.83

37.89

149.37

0.1

0.02

0.1

Δn

实验步骤：

按照实验电路图接好电路，选取比率为1.00；

连接待测电阻；

然后调节电阻，使检流计指零，记录实验数据；

然后改变接入电阻，依次为单个，并联，串联，记录数据；

整理好实验仪器；

数据处理；

数据处理：

测量四种方法的接入电阻的仪器误差：

仪器误差的计算公式为：

单电阻1：

Δ仪=1*（0.05%*75.59+0.2%*75.59）=0.189；

单电阻2：

Δ仪=1*（0.05%*73.83+0.2%*73.83）=0.184；

串联电阻：

Δ仪=1*（0.05%*37.89+0.2%*37.89）=0.095；

并联电阻：

Δ仪=1*（0.05%*149.37+0.2%*149.37）=0.448；

计算出相对不确定度：

合成不确定度的计算公式为：

相对不确定度计算公式为：

则各电阻相对不确定度为：

单电阻1：

单电阻2：

串联电阻：

；

并联电阻：

测量结果为：

R实=R±U

所以得到下表：

测量值

单电阻1

单电阻2

串联电阻

并联电阻

不确定度

0.189

0.184

0.095

0.448

相对不确定度

0.25%

0.30%

测量结果

75.59±0.189

73.83±0.184

37.89±0.095

149.37±0.448

误差分析：

电桥灵敏度与检流计灵敏度成正比，检流计灵敏度越高电桥的灵敏度也越高。

电桥的灵敏度与电源电压E成正比，为了提高电桥灵敏度可适当提高电源电压。

电桥灵敏度随着四个桥臂上的电阻值的增大而减小。

随着的增大而减小。

臂上的电阻值选得过大，将大大降低其灵敏度，臂上的电阻值相差太大，也会降低其灵敏度。

还有一些也会造成实验误差，比如：

电源电压不太稳定；导线电阻不能完全忽略；检流计没有调好零点；检流计灵敏度不够高。

二、热电偶的工作原理，补偿方法及其应用

1热电偶的工作原理

（1）概况：

热电偶是一种感温元件,热电偶的工作原理这就要从热电偶测温原理说起。

一次仪表，直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质温度。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在Seebeck电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。

两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。

根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到不同的热电偶具有不同的分度表。

热电偶回路中接入第三种金属资料时,只要该资料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将坚持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。

因此,热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。

B热电偶工作原理：

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，回路中就会发生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度丈量的其中，直接用作丈量介质温度的一端叫做工作端（也称为丈量端）另一端叫做冷端（也称为弥补端）冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度

（2）分类：

（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶

铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。

该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。

S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。

它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。

由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。

S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶

铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。

R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。

其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。

由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。

1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。

R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶

铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。

该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。

B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。

适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。

B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。

B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶

镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。

正极（KP）的名义化学成分为：

Ni：

Cr=90：

10，负极（KN）的名义化学成分为：

Ni：

Si=97：

3，其使用温度为-200~1300℃。

K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。

广泛为用户所采用。

K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶

镍铬硅-镍硅热电偶（N型热电偶）为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点：

K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。

正极（NP）的名义化学成分为：

Ni:

Cr:

Si=84.4:

14.2:

1.4，负极（NN）的名义化学成分为：

Ni:

Si:

Mg=95.5:

4.4:

0.1，其使用温度为-200~1300℃。

N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶.

N型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶

镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：

镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：

55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。

该热电偶的使用温度为-200~900℃。

E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。

对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。

E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。

E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。

（J型热电偶）铁-铜镍热电偶

铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。

它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：

55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。

铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0~750℃

J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。

J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。

（T型热电偶）铜-铜镍热电偶

铜-铜镍热电偶（T型热电偶）又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。

它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。

T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。

T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制

2热电偶的补偿

1.补偿导线的选择

　　补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。

例如,k型偶应该选择k型偶的补偿导线,根据使用场合,选择工作温度范围。

通常kx工作温度为-20～100℃,宽范围的为-25～200℃。

普通级误差为±2.5℃,精密级为±1.5℃。

　　2.接点连接

　　与热电偶接线端2个接点尽可能近一点,尽量保持2个接点温度一致。

与仪表接线端连接处尽可能温度一致,仪表柜有风扇的地方,接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。

　　3.使用长度

　　因为热电偶的信号很低,为微伏级,如果使用的距离过长,信号的衰减和环境中强电的干扰偶合,足可以使热电偶的信号失真,造成测量和控制温度不准确,在控制中严重时会产生温度波动。

　　根据我们的经验,通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好,如果超过15米,建议使用温度变送器进行传送信号。

温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送,抗干扰强。

　　4.布线

　　补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。

在避免不了穿越的地方,也尽可能采用交叉方式,不要平行。

　　5.屏蔽补偿导线

　　为了提高热电偶连接线的抗干扰性,可以采用屏蔽补偿导线。

对于现场干扰源较多的场合,效果较好。

但是一定要将屏蔽层严格接地,否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用,反而增强干扰。

　　热电偶用补偿导线的作用

　　是来延伸热电极即移动热电偶的冷端，与显示仪表联接构成测温系统。

本产品等效采用IEC584-3《热电偶第三部份－补偿导线》国家标准。

绝缘层和护层选用进口优质氟塑料，并采用整体连续挤出新工艺，使该产品具有优良的耐酸、碱、耐磨和不燃延之性能，可浸入油水中长期使用。

使用温度在60-205-260℃，属于当代国际先进水平。

产品主要应用于各种测温装置，已被广泛用核电、石油、化工、冶金、电力等部门。

　　热电偶补偿导线的作用

　　是来延伸热电极即移动热电偶的冷端，与显示仪表联接构成测温系统。

本产品采用GB／T4989-94《热电偶用补偿导线》国家标准（等效采用IEC584-3《热电偶第三部分—补偿导线》国际标准），绝缘层和护层选用进口优质氟塑料，并采用整体连续挤出新工艺，使该产品具有优良的耐酸，碱、耐磨和不燃延之性能，可浸入油水中长期使用。

使用温度—60—205—260℃，属于当代国际先进水平。

产品主要应用于各种测温装置，已被广泛用于石油、化工、冶金、电力等部门。

3热电偶的实际应用

主要是进行温度的测量与其补偿作用，广泛应用于很多科技领域具有很好的发展前景。

4、热电偶测温系统的相关介绍

1线路原理图

2主要元器件

3调试注意事项

（1）必须在板子焊接无误后方可进行调试，板子各电源线对地电阻不得小于2K欧姆否则不允许通电

（2）所领电源，应先用万用电表检查各个输出电压如有问题，立即向老师反映

（3）线路板各引出线应该长约25厘米，以便作业，各个连接处均要焊接牢靠

（4）杯中水面一般高于70%

（5）所领物品领走时要登记，归还时消除的登记，要爱惜使用

三、处理相关实验数据

100

毫伏

（1）检测热电偶好坏的数据

（2）调试良好后的测温数据与数显数据的对比表格

温度计温度

100

数显温度

三、集成温度传感器（AD590）温度特性实验

1、实验目的：

了解常用的集成温度传感器（AD590）基本原理、性能与应用。

2、基本原理：

集成温度传器AD590是将温敏晶体管与相应的辅助电路（偏置电路、放大电路及线性化电路）集成在同一芯片上。

其特点是使用方便，外围电路简单，性能稳定可靠；不足是测温范围较小，使用环境有一定的限制。

它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于－50℃～＋120℃之间温度测量。

集成温度传感器有电压型和电流型二种。

电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。

因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。

具有很好的线性特性。

本实验采用的是AD590电流型集成温度传感器，其输出电流与绝对温度（T）成正比，它的灵敏度为1μA/K，所以只要串接一只取样电阻Ｒ（本实验中为传感器调理电路单元R=0.1K）即可实现电流1μA到电压1mV的转换组成最基本的绝对温度（T）测量电路（1mV/K）。

AD590工作电源为DC＋4V～＋30V，它具有良好的互换性和线性。

电流输出型比电压输出型的测量精度高。

下图为AD590测温特性实验原理图：

集成温度传器AD590测温特性实验原理图

绝对温度（T）是国际实用温标也称绝对温标，用符号T表示，单位是K（开尔文）。

开氏温度和摄氏温度的分度值相同，即温度间隔1K等于1℃。

绝对温度T与摄氏温度t的关系是：

T=273.16+t≈273＋t，显然，绝对零点即为摄氏零下273.16℃（t≈－273＋T℃）。

3、实验仪器：

智能调节仪；PT100；集成温度传器AD590；温度传感器实验模板；温度源。

4、实验步骤：

1、测量室温值t0：

将主机箱±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源调节到±4V档，将电压表量程切换开关切到2V档。

按上图接线（图中的R对应实验模板上的R2），集成温度传器AD590放在桌面上，不要用手抓捏AD590测温端。

检查接线无误后合上主机箱电源开关。

记录电压表显示值Vi=273.16+t0，得t0≈Vi-273。

2、集成温度传感器AD590温度特性实验：

保留接线,将集成温度传感器插入温度传感器试验箱的传感器插孔中,按Δt=5℃增加温度值,在T（23--120℃）范围内进行实验，每个温度点须待温度值动态平衡后读取数据。

AD590温度特性实验数据

T（℃）

Uo2（mV）

33.6

34.6

34.8

35.3

35.5

35.9

T（℃）

100

105

110

115

120

Uo2（mV）

36.4

36.7

36.9

37.2

37.5

38.8

39.2

39.5

3、根据数据作出实验曲线并计算其非线性误差。

附：

温度传感器试验箱温度设置步骤：

①按“设定”键，选择温度设置；

②按“增加”或“减小”键，设置温度值；

③按“设定”键，确认设置。

四、心得体会

1、马超东:

在做检测技术的实验前,我以为不会难做,就像以前做物理实验一样,做完实验,然后两下子就将实验报告做完.直到做完检测实验时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我受益匪浅.

在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.比如做应变片的实验,你要清楚电桥的各种接法,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.做实验时,老师还会根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛.

通过这次检测技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅。

2、匡德龙:

这次我们做了金属应变计及直流电桥电路应用实验对桥式电路和一些传感器元件有了更加深刻地了解，了解金属箔式应变计的温度效应及补偿方式，也明白了一些传感器的工作原理。

在试验过程中小组成员之间相互配合，在老师的帮助和小组成员的共同努力下我吗完成了本次试验，通过本次试验也学到了一些东西对各种试验设备有了一定的了解。

对自动检测技术有了更近一步的了解。

通过实际操作对理论知识有了更近一步的理解真切的感受到了该技术可以在实际生活中广泛的应用；在当今经济全球化高速发展的时代，随着工业自动化技术的迅猛发展，自动检测技术被广泛地应用在工业自动化、化工、军事、航天、通讯、医疗、电子等行业，是自动化科学技术的一个格外重要的分支科学。

随着社会的发展这门技术的应用将更加广泛，对其要求也将更高。

未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统；可见这门技术的重要性；因此对于我们而言学好这门技术十分重要。

3、吴帅：

通过实验我小组取得了丰硕的成果，不仅进一步了解了热电偶测温系统的相关原理和知识让我们对课堂上所学的理论知识得到了实践的升华。

除此之外在实验的过程中也充分锻炼了我们的动手能力和团队协作能力，这是十分难能可贵的对今后的学习和工作都是十分有好处的，在当今经济全球化高速发展的时代，随着工业自动化技术的迅猛发展，自动检测技术被广泛地应用在工业自动化、化工、军事、航天、通讯、医疗、电子等行业，是自动化科学技术的一个格外重要的分支科学。

众所周知，自动检测技术是在仪器仪表的使用、研制、生产的基础上发展起来的一门综合性技术。

自动检测系统广泛应用于各类产品的设计、生产、使用、维护等各个阶段，对提高产品性能及生产率、降低生产成本及整个生产

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