工程系统.docx

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工程系统

测试系统设计与实践

实验报告

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目录

1.直流稳压电源的制作1

1.1电源的设计1

1.2元器件选择1

1.3稳压直流电源制作2

2.传感器3

2.1所需元器件3

2.2电桥工作原理3

2.3电桥制作4

2.4电桥传感器测试5

3.典型应变放大器6

3.1放大器设计6

3.2放大器制作7

3.3放大器测试8

4.数据采集系统8

4.1测试系统的搭建8

4.2数据采集9

4.3数据分析10

1.直流稳压电源的制作

1.1电源的设计

本实验中采用＋5V直流稳压电源供电，可以把220V交流电源转化为5V的直流稳压电源来给电桥供电以采集应变信号，它可作为为简单放大器供电的专用电源。

根据放大器的工作状况，确定电源的输出电压和电流，一般放大器的电源为5～15V，电流为150mA，除非是高精度高频放大器电源，一般不考虑其它电源参数。

1.2元器件选择

（1）绘制电路图

图1.稳压电源电路图

（2）选择7805集成稳压器，其输出电压为＋5V，最大电流为1.5A。

（3）确定7805输入电压范围

由于三端集成稳压器有一个使用最小压差（输入电压与输出电压的差值）的限制，所以变压器的绕组电压也不能过低。

三端集成稳压器的最小输入、输出电压差约为2V。

一般应使这一压差保持在6V左右，所以应使7805最小输入为7V，最好应为11V左右，最大不能超过35V。

（4）变压器的选择

由于负载功率不大，变压器的功率可不做过多考虑，选5w左右即可。

次级电压一般应在12V，即120.9（效率）＝10.8V。

最小应在8V，即80.9（效率）＝7.2V。

（5）二极管的选择

整流电路选择效率较高的全波整流方式，二极管可选择1N400系列，其电压在100V～800V以上，电流为1A。

（6）电容的选择

用频率特性不好的电解电容，对整流后的脉动直流进行平滑滤波，用频率特性好的陶瓷电容去除高频干扰。

一般稳压器输入端的电解电容容量应较大（500μ～1000μ），输出端的容量较小（200μ左右），容量的大小应随负载的大小而定。

陶瓷电容一般为0.01μ～0.1μ。

1.3稳压直流电源制作

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，元件放置要尽量整齐美观，然后就可以动手把元器件插入印刷线路板上焊接，焊接时要先焊阻容元件，后焊二、三极管及集成电路等器件，全部完成后，再检查一遍，防止错焊、误焊，最后进行通电测试。

经过元器件的焊接调式之后，制作的稳压电源如图2所示

图2.直流稳压电源

通过焊接直流稳压电源电路，把220V交流电源转化为5V的直流稳压电源来给电桥供电以采集应变信号。

由于焊接电源的内部电阻的原因，可能输出测量电压带有偏差，一般不为5V，但是误差不是很大，而且我们后面可以采取软件的补偿，采用调零电阻来调节实现。

2.传感器

2.1所需元器件

应变片、砂纸、导线、502胶水、胶带、电烙铁、塑料薄膜、锡焊、悬臂梁、无水乙醇等。

2.2电桥工作原理

为讨论方便，以直流电桥为例，设四臂电桥A、B、C、D如图3所示，桥臂R1、R2、R3、R4都是由电阻片组成，这种接法在电测中称为全桥接法，如果只有R1、R2是电阻片，而R3、R4是仪器内的桥臂电阻，就称为半桥接法。

电源由对角AC接入，而电桥输出电压由对角BD接至负载，若负载阻抗远大于电桥的输出阻抗，则B、D之间可以看作是开路（即认为负载阻抗为无限大），这时电流I1和I2可如下计算：

于是对角B、D之间的输出电压为：

当R1R3－R2R4＝0时或R1R3＝R2R4成立时，则电桥输出电压为零，这就是电桥的平衡条件。

当电桥受到应变后分别有微小电阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4，这时电桥输出电压将有增量ΔUBD，计算如下：

在等4臂电桥的情况下，即设R1＝R2＝R3＝R4，则上式变为：

在对其它电桥进行分析后可以得出以下结论：

（1）不论电压桥或功率桥，全臂桥或半臂桥，电桥输出电压增量ΔUBD与桥臂电阻相对增量ΔR/R或应变ε成正比。

（2）各个桥臂电阻相对增量ΔR/R或应变ε对电桥输出电压的影响是线性叠加的，但相邻桥臂符号相异，相对桥臂则符号相同。

这一重要性质将被用来提高电桥的输出，解决温度补偿和许多实际问题。

（3）在桥臂电阻发生相同变化的情况下，全等臂电桥比半等臂电桥输出大一倍，因此在实测中多采用全桥测量。

2.3电桥制作

在测量前，必须使电桥处于平衡状态。

在以上讨论中作了R1＝R2＝R3＝R4的假设，实际上4个电阻片的电阻值是不可能完全相等的。

所以在未受变形之前电桥也是不可能平衡的，因此须要调节电阻使电桥平衡。

如图2－3所示之电桥，在A、B、C三点间接有电阻r和电位器W，调节W即可使电桥平衡，其平衡条件就是：

RAB和RBC都是并联电路，当调节W时它们都发生变化，故能找到一点使上式满足，即使电桥得以平衡。

不过4个桥臂的电阻不能相差太大，因为W的调节范围一般不大。

图3.电桥平衡调节电路

综上所述，在实际操作中，科学地分析力的作用点和应力状态，安排最佳的贴片位置；细致准确地粘贴电阻片和合理地组桥是保证测量成功的重要环节。

制作完成后的电桥传感器，如图5所示

图4.电桥传感器

2.4电桥传感器测试

利用等强度应变梁，将应变片按照上述方法和步骤粘贴在等强度梁上，按照一定的规则组桥，成为一个典型的应变传感器。

传感器全桥的供电与自己动手制作的直流电源相连接，其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。

然后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的信号，记录表格数据如表1。

表1传感器性能试验

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

1.9

3.1

4.4

5.7

卸载过程传感器输出（mV）

0.6

1.9

3.1

4.4

5.7

将记录的数据画在二维坐标上，得到加载重量和卸载重量与传感器的输出信号的关系曲线。

图5传感器加载和卸载曲线

由数据可以看出，传感器线性度很好，采集数据的线性相关性也很好，然而初始值不为零，是由于电桥内部阻抗引起的，所以输出数据之前可以添加一个调零电阻进行传感器系统的输出值调零。

3.典型应变放大器

3.1放大器设计

放大器的种类很多，放大器的选择，要看你想要对什么样的电信号进行处理而定，就拿传感器来说，通常传感器都有较高的共模电压，即传感器两侧工作在某一个显著高于地的电压上，这个电压往往比要放大的信号的电压高很多，如果不对这个电压进行抑制，显然是无法进行放大的，因此要想放大有较高共模电压的信号，就应选用有较高共模电压抑制比的差动放大器。

本实验的差动放大器的电路，如图6所示

图6差动放大器电路图

3.2放大器制作

用面包板电路搭建了这个差动放大器，如图7所示

图7差动放大器

3.3放大器测试

将放大器的输出与万用表相接，万用表的档位拨到直流mV档。

然后再等强度应变传感器的悬臂端进行加载，记录加载过程中放大器的输出信号的大小。

记录结果如表2所示。

表2传感器性能试验

加载砝码的重量（kg）

0

0.5

1

1.5

2

加载过程放大器输出（mV）

0

135.6

273

416

583

卸载过程放大器输出（mV）

0

137

276

421

583

将记录的数据画在二维坐标上，得到加载重量和卸载重量与放大器的输出信号的关系曲线。

图8放大器加载和卸载曲线

由数据可以看出，放大器线性度很好，放大数据的线性相关性也很好。

与没有添加放大器时的数据相比可以看出，信号放大了100倍输出，比较明显观察，而且线性度相对而言降低了一些，但是比较良好。

4.数据采集系统

4.1测试系统的搭建

将放大器的输出信号与计算机数据采集系统相连，获得被测信号的波形。

数据采集系统的原理如图9所示。

图9测试系统示意图

将已制作好的等强度应变传感器与双稳压电源连接，使传感器全桥电路获得所需要的电源。

为了提高桥路输出信号的大小，其输出与自制的放大器相连，信号经过放大后可直接驱动信号采集系统。

图10测试系统电路图

4.2数据采集

数据采集系统以基于USB接口的A/D数据采集器USB2010作为模拟信号的采集设备，用于实验室模拟信号的采集、保存与信号回放。

该系统支持8通道数据的同时采集，其采样速率受USB2010采集器的内部硬件限制，最高可达100KHz，可以满足实验室各类信号的采集。

采样分辨率为12位，测量精度可达到2.44毫伏。

该系统的主要功能包括：

采集参数设置、信号采集、文件管理和信号回放。

（1）参数设置

采集参数设置包括：

采集各通道参数设置、实际采集通道设置、数据文件的保存路径设置等，分别由以下几个菜单功能实现：

（2）通道参数

该功能用于设置采集各通道的参数配置，包括：

通道信号名称、通道信号单位、校正系数、校正电压和信号显示刻度。

设置画面如下：

图11测试系统数据采集

校正系数、校正电压和通道刻度直接在对应表格中输入。

所有参数修改后自动保存在数据库文件中。

4.3数据分析

将记录的数据画在二维坐标上，得到加载重量和卸载重量与放大器的输出信号的关系曲线按照图10所示的电路图搭建好测试系统，搭建测试系统后的测试数据结果见表3。

表3测试试验数据

加载砝码的重量（kg）

0

0.5

1

1.5

2

加载过程输出电压（mV）

0

0.13

0.25

0.38

0.50

将记录的数据画在二维坐标上，得到加载重量过程输出信号的关系曲线。

图12测试系统信号曲线

通过对数据的标定之后，得到了加载与输出电压的数据，如表4所示。

表3标定后的试验数据

加载砝码的重量（kg）

0

0.5

1

1.5

2

加载过程输出电压（mV）

0

0.54

1.09

1.63

2.20

图13标定后系统测试曲线

标定后，曲线的斜率k=1.098，在误差允许的范围内，系统的线性度较好，标定结果较为准确。

由测出数据和线图可以看出，整个测试系统精度还是比较好的，但是也存在一定的误差，需要通过软件的调节可以避免误差对以后测试的影响。