华中科技大学测控技术与系统实验报告

2013-2014学年度第二学期
测控技术与系统实验报告
——电压校准、热电阻测温
院系：自动化学院
专业班级：测控1102班
指导老师：黄为
实验成绩：
实验一电压测量基本实验
一、实验目的
熟悉CKXT-I 的系统开发方法；
熟悉Keil C 软件开发环境；
熟悉CKXT-I型综合实验仪的电压测量的基本功能。

二、基本原理
利用综合实验仪的模拟通道可实现高精度的电压测量。

综合实验仪采用的100ksps12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，这种类型的A/D 转换器由一个比较器和DA 转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB 开始，顺序地对每一位将输入电压与置DA 转换器输出进行比较，经n 次比较而输出数字值。

其电路规模属于中等。

其优点是速度较高、功耗低。

综合实验仪的部芯片C8051F005 包括一个逐次逼近寄存器型AD。

其基本模拟输入转换通道的结构如图1.1 所示。

模拟通道包括多路模拟开关(AMUX)，可编程增益放大器（PGA），12位逐次逼近型A/D 转换器等。

图1.1 ADC 接口
实验容：取一直流电压（如CSY-3000 应变电桥实验模块的输出），接入CKXT-I 实验仪的主模拟输入通道，编程实现该直流电压的测量，获得测量数据并进行分析。

实验设备：CSY-3000 实验仪；CKXT-I 型综合实验仪；信号源；万用表。

四、实验步骤
1、在CSY-3000 实验仪上找出电压输出接口，用导线分别将其接入CKXT-I 型综合实验仪的电压采集端口AD0 和AGND 端口。

2、在本次试验中，为了获得较高精度，采用电压采集输入端口AD0采集模拟电压信号。

3、在CSY-3000 实验仪上找出电压表测量输入接口，将CSY-3000 实验仪上测得的电压值作为参考标准电压，将CKXT-I 型综合实验仪作为待标定的电压。

分压网络与接线图
说明：
1、CKXT-I 型综合实验仪按要求接线，其中AD0端口用于采集模拟电压信号。

2、分压网络a端接CSY-3000实验仪上2V标准输出电压，所有接地端接到一起。

3、编程，采集并记录测量得到的电压值
4、改变滑动变阻器的阻值，得到不同电压值用于标定CKXT-I 型综合实验仪上的电压关系。

实验过采集模拟1V和1.5V电压，通过拟合线性关系得出电压值并通过数码管显示。

5、标定之后比较实际电压值与单片机显示电压值进行比较观察误差。

通过按照实验电路图进行接线，并通过keil软件与CKXT-I 型综合实验仪进行调试后，CKXT-I 型综合实验仪在电压校准后数码管上显示的电压值与实际电压值的误差为0mm或者1mm，说明测量误差控制在很小的围，达到电压测量的目的。

六、核心程序注释
// CKXT-I 型综合实验仪上4个按键的控制功能配置的程序
while(1)
{
//对采集到的温度值进行标定
if(KEY0 == LEFT_KEY) // 在电压为1V时按左键采集记录
{
KEY0 &= 0;
AD_INL= GetADCResult(0);
}
if(KEY0 == RIGHT_KEY) // 在电压为1.5V时按子右键采集记录
{
KEY0 &= 0;
AD_INH= GetADCResult(0);
}
voltL = AD_INL*2500.0/4096; // 将电压为1V时的AD值转化为电压值
voltH = AD_INH*2500.0/4096; // 将电压为1.5V时的AD值转化为电压值
for(i=0;i<100;i++) // 进行100次采样
{
AD_IN = GetADCResult(0); //采集实时电压输入点
voltM = AD_IN*2500.0/4096; //将AD值转化为电压值
volt+=(voltM-voltL)*500/(voltH-voltL)+1000; // 对采集到的电压值进行修正
}
volt=volt/100; // 求取100次采样的平均值
if(KEY0 == MID_L_KEY) // 按中左键显示进行100次采集平均后的电压值
{
KEY0 &= 0;
disp_flag = 0;
DisIntNum(volt);
volt=0;
}
if(KEY0 == MID_R_KEY) // 按中右键配置参数disp_flag
{
KEY0 &= 0;
disp_flag = 1;
}
if(disp_flag) // 当disp_flag为1，即按中右键后显示当前电压值
{
DisIntNum(AD_IN);
}
else // 当disp_flag为0，即按其他键时，显示100次采样平均后电压值
{
DisIntNum(volt);
CH452_Write(CH452_SET_BIT + 0x003b); //显示小数点
volt=0;
}
}
七、思考题
问：A/D 转换器有哪些类型，试分别说明其原理和特点。

答：按工作原理不同，A/D 转换器可以分为：直接型A/D 转换器和间接型A/D 转换器。

直接型A/D 转换器可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。

并行比较型和逐次比较型A/D 转换器属于这一类。

而间接型A/D 转换器先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。

双积分型A/D 转换器则属于间接型A/D 转换器。

以下是详细介绍：
（1）并行比较型A/D 转换器（直接型A/D 转换器）
位并行比较型A/D 转换器由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。

（2）逐次比较型A/D 转换器（直接型A/D 转换器）
逐次逼近型A/D 转换器属于直接型A/D 转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。

转换过程相当于一架天平秤量物体的过程，不过这里不是加减砝码，而是通过D/A 转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电压平衡。

这些标准电压通常称为电压砝码。

（3）双积分型A/D 转换器（间接型A/D 转换器）
双积分型A/D 转换器属于间接型A/D 转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种AD 转换器多称为电压-时间变换型（简称VT 型）。

实验二铂电阻温度特性实验
一、实验目的
了解热电阻的特性与应用。

二、基本原理
1、热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
式中，Rt 为温度t 时的阻值；Rt0 为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t。

式中Rt 为温度为t 时的阻值；A、B 取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。

金属热电阻一般适用于-200~500℃围的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。

2、热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

本次实验，为了提高实验效率，缩短试验时间，感温热电阻的阻值由可调阻值围的电阻箱给定。

通过查Pt100温度——阻值表，根据不同温度设定相应电阻箱阻值，以代表不同温度。

3、通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有
较大的影响。

目前热电阻的引线主要有三种方式：
二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r ，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

两线制测电阻原理图
三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

三线制测电阻原理图
四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I ，把R 转换成电压信号U ，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

四线制测电阻原理图
本次试验采用三线制引线测量方式。

4、铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10 欧姆（分度号为Pt10）和100欧姆（分度号为Pt100）
Vo
等，测温围均为-200~850℃.10 欧姆铂热电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100 欧姆的铂热电阻，只要用于650℃以上的温区：100 欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区，虽也可用于650℃以上温区，但在650℃以上温区不允许有A 级误差。

100 欧姆铂热电阻的的分辨率比10 欧姆铂热电阻的分辨率大10 倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650℃以下温区测温应尽量选用100 欧姆铂热电阻。

5、将电阻值的测量转换为电阻两端电压的测量
温度传感器实验模板及连线图（图1）：
电阻是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

将Vo接综合实验仪的模拟通道电压输入端，以实现电压测量。

具体电压测量电路如下：
电阻箱电阻与R3、R1、Rw1、R4 组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

调Rw1 使电桥平衡，即桥路输出端b 和中心活动点之间输出为零。

调Rw3 使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零，去除放大器零漂电压。

适当的调节Rw2获得合适的增益，以便于电压值的测量显示。

通过改变电阻箱阻值，Vo端将得到对应的电压值。

实验思路：我们小组从以上实验原理中分析得知，本次实验根据不同温度设定电阻箱的阻值（对应不同温度下Pt100的阻值），通过测定电阻值两端电压得到电压值与电阻值（对
应温度）的关系，从而得到电压值与温度的关系。

经过电压校正后，可以实现到高精度的电压值测量。

根据拟合得到的电压与温度的关系可由测得的电压值计算出对应的温度值。

并与实际温度进行参照，分析误差。

三、实验容：
利用综合实验仪设计热电阻温度计：
1、利用标准电阻箱作为热电阻测温代替PT100电路实验
2、设计一种三线制测温电路，分析其原理和误差；
3、用实验仪设计实现温度仪；
4、利用标准电阻箱对电阻测量进行标定；
5、根据分度表进行线性校正。

四、实验设备：
标准电阻箱（Pt100 热电阻），CSY-3000 实验仪，CKXT-I 型综合实验仪，万用表。

五、实验步骤：
1、用万用表欧姆档测出Pt100 三根线中其中短接的二根线(同种颜色的线)设为1、2，另一根设为3，并测出它在室温时的大致电阻值（实际测得0.45欧姆）。

2、在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下，再根据图1示意图接线，温度传感器实验模板中ａ、ｂ(Ｒt)两端接传感器，这样传感器(Rt)与R
3、R1、Rw1、R4 组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

3、放大器调零、调增益：将图1中的温度传感器实验模板的放大器的两输入端引线(一根传感器引线、另一根桥路输出即Rw1 活动触点输出)暂时不要引入，而用导线直接将放大器的两输入端相连(短接)；将主机箱上的电压表量程(显示选择)切换开关打到2Ｖ档，合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2(逆时针转到底)增益电位器，使放大器增益最小；再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为０。

4、关闭主机箱电源开关，将电阻箱接入电路，并将实验模板中放大器的输入端引线按图1连接，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。

5、参照pt100热电阻的分度表得出0—150℃对应的电阻箱的阻值，并通过实验模板的电路将不同温度对应的电压在实验仪上显示出来。

为减小误差在每一温度点可测取多组电压
值，求平均值后填入下表中
6、使用Matlab 来处理实验得到的数据。

先把测量得到的数据利用最小二乘法进行线性拟合。

并将拟合求得的公式写入CKXT-I的程序中，实现将采集到的电压值转换为温度值并将测量结果显示在LED 上。

将测量的温度填入表中。

7、将测量温度和给定温度进行比较，并分析温度测量过程中存在的误差。

六、数据记录与分析：
1. 未考虑电阻箱电阻，对电压求2次平均（正反）后得出的实验数据：
实验数据处理（散点和拟合曲线图见下页图2）：
T—U特性关系的拟合曲线为：T=336.729u-337.189
多数温度的测量值与给定值之间的差值为2摄氏度。

绝对误差△=2℃非线性误差δ=2/150 x100%=1.3%
2. 去除电阻箱电阻（0.45欧姆），对电压求4次平均（2次正反）后得出的实验数据：
130 150.2 1.390 131
135 152.1 1.404 136
140 154.0 1.418 142
145 155.9 1.433 147
150 157.8 1.447 152
实验数据处理（散点和拟合曲线图见下页图3）：
T—U特性关系的拟合曲线为：T=336.729u-337.189
多数温度（0-135℃）的测量值与给定值之间的差值为1摄氏度，仅140-145℃的误差为1℃，测量的准确性得到很大的改善。

绝对误差△=2℃非线性误差δ=1/150 x100%=1.3% （0-150℃）
附图：
图2 未考虑电阻箱阻值使得拟合曲线
图3 去除电阻箱阻值使得拟合曲线
实验分析：
1）从以上两组实验的参照中，可以得出，热电阻的电阻箱自身的阻值对误差的测量存在
一定的影响。

应该校准电阻箱的阻值进行电压的测量。

2）温度较高处（140℃以上）的测量误差比温度较低处的测量误差大。

观察Pt100的分度表后发现阻值的变化也并非完全线性变化，如0℃—10℃之间的电阻差为3.96Ω，而到了140℃—150℃之间的电阻差为3.80Ω，发现等温差时的电阻差随着温度的升高在减小，而我们在实验数据拟合时采用最小二乘法拟合，因此这是高温处的误差会比较大的原因。

而我也在考虑，对于测得的实验数据要不要使用高次拟合以提高测量精度？
（如2次拟合）。

3）对电压值进行重复多次测量很有必要，能在一定程度上消除重复性带来的误差。

能够提高测量精度。

4）本次实验中，我们小组有一个不足的地方是仅在数码管上显示温度的个位数以上的位数，未能显示小数点以后的位数，导致测量精度降低，主要是程序的实现问题。

实验后我们积极总结，又重新更改了程序，将在接下来程序注释中对这部分功能进行修正。

实验误差总结：
实验过程中，一旦一些细节不注意，就会给实验带来较大的误差，下面我对本次实验中可能会带来误差的地方进行归纳和总结，我们在实验过程中的误差可能产生的原因带下划线：
自行总结~
七、核心程序注释
// CKXT-I 型综合实验仪上4个按键的控制功能配置的程序
while(1)
{
//对采集到的温度值进行标定
if(KEY0 == LEFT_KEY) // 在电压为1V时按左键采集记录
{
KEY0 &= 0;
disp_flag = 0;
AD_INL= GetADCResult(0);
}
if(KEY0 == RIGHT_KEY) // 在电压为1.5V时按子右键采集记录
{
KEY0 &= 0;
disp_flag = 0;
AD_INH= GetADCResult(0);
}
voltL = AD_INL*2500.0/4096; // 将电压为1V时的AD值转化为电压值
voltH = AD_INH*2500.0/4096; // 将电压为1.5V时的AD值转化为电压值
for(i=0;i<100;i++) // 进行100次采样
{
AD_IN = GetADCResult(0); //采集实时电压输入点
voltM = AD_IN*2500.0/4096; //将AD值转化为电压值
volt+=(voltM-voltL)*500/(voltH-voltL)+1000; // 对采集到的电压值进行修正
}
volt=volt/100; // 求取100次采样的平均值
if(KEY0 == MID_L_KEY) // 按中左键显示采集的电压值
{
KEY0 &= 0;
disp_flag = 0;
DisIntNum(volt);
volt=0;
}
if(KEY0 == MID_R_KEY) // 按中右键显示温度值，配置参量disp_flag
{
KEY0 &= 0;
disp_flag = 1;
}
if(disp_flag)
{
/*将拟合公式计算求得的浮点型温度值乘以10，通过整数的数码管显示
出含1个小数点位的温度*/
TEMPERATURE=（336.729*volt+337.189）*10;
DisIntNum(TEMPERATURE);
CH452_Write(CH452_SET_BIT + 0x002b); //显示小数点
}
else
{
DisIntNum(volt);
CH452_Write(CH452_SET_BIT + 0x003b); //显示小数点
volt=0;
}
}
// CKXT-I 型综合实验仪上数码管显示程序
void DisIntNum(int num)
{
int quotient,remainder;
remainder = num%10;
quotient = num/10;
CH452_Write(0x0800 + remainder);
remainder = quotient%10;
quotient = quotient/10;
CH452_Write(0x0900 + remainder);
remainder = quotient%10;
quotient = quotient/10;
CH452_Write(0x0a00 + remainder);
remainder = quotient%10;
quotient = quotient/10;
CH452_Write(0x0b00 + remainder);
}
八、思考题
请分析、推导和说明三线制、四线制接法是如何消除导线电阻的影响的
答：如上图所示：由于热电阻本身的阻值较小，随温度变化而引起的电阻变化值更小，例如，铂电阻在零度时的阻值R0=100Ω，铜电阻在零度时R0=100Ω。

因此，在传感器与测量仪器之间的过长的引线的电阻R11、R12会引起较大的测量误差。

在实际应用时，通常采用所谓的三线或四线制的方式，上图电路中公式推导如下：
而三线制的电路如下图所示。

这是热电阻最实用的接入电路，可得到较高的测量精度。

图中的两个R 是固定电阻。

Rr 是为保持电桥平衡的电位器。

三线制的接入电路由于考虑了引线电阻和接触电阻带来的影响。

Rl1、Rl2 和Rl3 分别是传感器和驱动电源的引线电阻，一般说来，Rl1 和Rl2 基本上相等，而Rl3 不引入误差。

所以这种接线方式可取得较高的精度。

（计算公式：R t=R3R1/R2+R1r/R2-r）。

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，两个导线分别接在电桥的两个桥背上，另一根线接在电桥的电源上，消除了引线电阻的误差。

可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

而四线制的电路如下图所示。

这是热电阻最高精度的接入电路。

图中Rl1、Rl2、Rl3 和Rl4 都是引线电阻和接触电阻。

Rl1 和Rl2 在恒流源回路，不会引入误差。

Rl3 和Rl4 则在高输入阻抗的仪器放大器的回路中，也不会带来误差。

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R 转换成电压信号U，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。

（计算公式：R t=V0/I ）
九、实验总结。