北科大测试系统与实践试验报告

1、1直流稳压电源的制作首先，熟悉万用表、电烙铁的功能与使用方法，电子元器件的焊接技术，元器件的布置及实验板的使用及各个所需电子的用途。这里所讲的电源是各种电路中常用的直流稳压电源。它一般可分为多用途电 源和专用电源两种。多用途电源的设计和制作是比较繁琐的， 因为它的使用对象 繁多，所以设计制作时要考虑的问题也比较多，如：电源精度、纹波系数、温度 系数、带载能力、抗干扰能力、保护能力。以及电压的输出范围(mVkV档)、调整范围、电流的输出和调整范围，最后还要设计面板的实用性、合理性、直观 性和美观性等等。而专用电源的设计制作就相对简单得多， 因为它通常只用于一 种负载。下面简单的介绍一种+ 5V直

2、流稳压电源。它可作为为简单放大器供电的专用 电源。首先要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515V,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)元件选择(1) 绘制电路图图1- 1单稳压电源(2) 电子元件的选择：(a) 选择7805集成稳压器，其输出电压为+ 5V,最大电流为1.5A。(b) 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2Vo 般应使这一压差保持在6V左右, 所以应使7805最小输入为

3、7V,最好应为11V左右，最大不能超过35V。(c) 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12 0.9(效率)=10.8V。最小应在8V,即8 0.9(效率)=7.2V。(注：用桥式整流电路时有 V出二0.9V入)(d) 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100V800V以上，电流为1A。(e) 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（500卩1000卩）,输出端的容量较小（200

4、卩左右），容量的大小应随负载的大小而定。 陶瓷电容一般为0.01卩0.1卩。2）制作将元器件按一定的规则放置好，画出连线草图（图1-4）,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。图1-2稳压电源连线草图稳压电源制作好后，使用双踪示波器测量输出电压的稳压效果， 用它驱动多 功能实验台上的微型直流电动机，其接线图如下。直源图1-3直流电动机与稳压电源的连接总结：通过焊接直流稳压电源电路，可以把220V交流电源转化为5V的直流

5、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称重传感器标定实验应变片的组桥及注意事项在实际测量中，可以把电阻片直接贴到被测物件上， 也可以将电阻片贴到一 定尺寸要求的弹性元件上，这就是我们在测量过程中常用的电阻应变式传感器。 当外力作用到弹性元件上，使其产生弹性变形（应变），由贴在弹性体上的应变 片将应变转换成电阻变化。但电阻片的电阻变化很小，不宜直接测量，为此，必 须采取一定形式的测量电路，将微小的电阻变化量转换成电压或电流的变化量， 再经放大器放大

6、后，即可用仪表显示或记录下来。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2-2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11和12可如下计算：Il=R；R2于是对角B、D之间的输出电压为:Uo2 -R3 R4U BD -llRl - l2R - UR1R3 - R2R40 Rl R2 R3 R4当RR

7、 F2F4 = 0时或RR= F2F4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 RiA和,这时电桥输出电压将有增量厶UBd，计算如下：BDBDR1BD.:UBD；:R；:R.:UBD二 r2;R2U 0RiR22Ri R2.U0R3RR3 R42R3r4R3R4在等4臂电桥的情况下，即设 Ri =Rs则上式变为:R3R3BD在对其它电桥进行分析后可以得出以下结论：(i) 不论电压桥或功率桥，全臂桥或半臂桥，电桥输出电压增量AUBd与桥臂电阻相对增量A R/R或应变&成正比。 各个桥臂电阻相对增量A R/R或应变&对电桥输出电压的影响是线性叠 加的，

8、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。电桥的平衡在测量前，必须使电桥处于平衡状态。在以上讨论中作了Ri=R = Ri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23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即卩可使电桥平衡。其平衡条件 就是：R ABRad而Rab和FBc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

9、 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勺调节范围一般不大。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。应变传感器标定曲线绘制利用等强度应变梁，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

10、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，记录表格格式如表 2 1。表21传感器性能试验加载砝码的重量（kg）00.511.52加载过程传感器输出（mV）2.02.53.03.54.0卸载过程传感器输出（mV）2.02.53.03.54.0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。加载砝码质量（kg）图22传感器加载和卸载曲线 加载卸载线性（加载）线性（卸载）bm 号信出输器感传总结：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

11、统的输出值调零。3典型运算放大器制作并且搭建测试系统及采集数据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所示。图3-1数据采集系统的原理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3-2典型测力系统电路图数据采集数据采集系统以基于US战口的A/D数据采集器USB2O10乍为模拟信号的采 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

12、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：(1)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:通道名称和通道单位可以直接输入，也可以用组合框输入；校正系数是指测量的每伏特电压对应的物理量大小，如某个通道用于测量压力，单位为吨，其校正系数设置为10，实际测

13、量该通道的电压为3.5伏特，则转换成压力为350吨; 校正电压是指实际物理量为0时采集系统测量的电压值，采集时测量的电压减去 该值再乘以校正系数即为物理量大小； 通道刻度是显示该通道信号波形时纵坐标 的值。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。（2）测试参数该功能用于设置采集的起始通道和终了通道，设置画面如下：（3）系统参数该功能用于设置本系统有关参数，画面如下:数据文件目录：保存采集数据的文件路径，点击画面的选择； 滤波截至频率：系统回放信号时，进行低通滤波处理时最高频率； 使用最大通道号：本系统采集的最大通道；画面3曲线纵坐标：本系统以两种

14、画面显示测试波形， 该参数指画面3方式 显示波形时的曲线纵坐标；曲线最大点数：本系统中没有用途。采集时锁定某些功能：为了防止丢失数据，采集数据时应禁止其它占用时间 比较长的操作，本功能即用于限制这些操作；连续采样：本系统中必须选择该项。保存数据：采集过程中是否保存数据 背景颜色：波形绘制区域的背景颜色 坐标颜色：波形绘制的坐标颜色线条颜色：波形的颜色（3）其它参数通道参数设置中，“通道名称”和“通道单位”选择框中内容通过该功能设FI设置算它皴据2）采集设置用于开始、介绍采集，并设置采集数据保存的文件名称。在每次采集开始前, 应该先设置保存数据的文件名称。蹴書谍7F文杵笆X保存文件茗称两厂（.不

15、需豊.如后81 自动为.end确定取消本系统以end作为数据保存的文件后缀，其文件保存在“系统参数” 功能中指定的路径中。3）文件管理用于打开已经保存的数据文件。成功打开某个文件后，“信号处理”菜单下的功能变成有效。实验结果（1）制作放大器后的系统加卸载实验将放大器输出与万用表相接，万用表的档位拨到直流 mV档。然后在等强度 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，记录表格格式如下：表3-1测试系统性能标定试验加载砝码的重量（kg）00.511.52加载过程放大器输出（mV）0531

16、09174221卸载过程放大器输出（mV）051113169220将记录的数据画在二维坐标上，得到加载和卸载的重量与放大器输出信号的 关系。图3-1测试系统性能图+ 加载-一卸载线性（加载）线性（卸载）号信岀输器感传总结：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。（2）搭建测试系统后的测试数据结果1由重量测出电压信号表3-2标定时加载测出电压信号加载砝码的重量（kg）00.511.52加载过程输出（mV）00.050.110.170.22卸载过程输出（mV）00.050.110.170.22-0.050.250.20

17、.15加载 卸载0.1线性（加载） 线性（卸载）0.05线性（卸载）0图3-2标定时加卸载测出电压信号拟合曲线图2由质量加载直接测出重量加载砝码的重量（kg）00.511.52加载过程输出（mV）00.490.991.491.98卸载过程输出（mV）00.490.991.491.982.5表3 -3标定后加载测出电压信号（组 1）-0.521.510.50 加载-卸载线性（加载）线性（卸载）图3-3加卸载载测出质量拟合曲线图表3 -4标定后加载测出电压信号（组 2）加载砝码的重量（kg）00.511.52加载过程输出（mV）00.50.991.491.99卸载过程输出（mV）00.50.991.481.9900.511.522.555.2 211505 2 5 1520 xvm 号信出输器感传番加载卸载线性（加载）线性（卸载）0图3-4加卸载载测出质量拟合曲线图表3-5标定后加载测出电压信号（组3）加载砝码的重量（kg）00.511.52加载过程输出（mV）00.490.981.471.98卸载过程输出（mV）00.490.971.481.982.52.5加载砝码质量（