溫度傳感器標定試驗報告

1、北京航空航天大學專業(yè)實驗報告溫度傳感器標定與補償專業(yè)名稱自動化科學與電氣工程學院專業(yè)方向.測試控制自動化380305學生姓名指導教師2011年9月13日e螃北京航空航天大學學生實驗用紙第2頁1 心,目錄第一章標定系統(tǒng)概述31.1 標定系統(tǒng)組成31.2 各儀器設備功能及操作說明3L3信號調理電路分析51 數(shù)據(jù)采集軟件使用6第二章靜態(tài)標定9靜態(tài)標定理論基礎9靜態(tài)標定實施方法12靜態(tài)標定步驟與數(shù)據(jù)獲取13數(shù)據(jù)處理與靜態(tài)指標的計算14傳感器非線性校正與誤差分析15第三章動態(tài)標定18動態(tài)標定的理論基礎18動態(tài)標定實施方法19動態(tài)標定步驟與數(shù)據(jù)獲取19數(shù)據(jù)處理與動態(tài)指標計算20數(shù)字濾波方法設計26第四章實

2、驗總結29第五章參考文獻29第一章標定系統(tǒng)概述標定系統(tǒng)組成NTC熱敏電阻傳感器、傳感器調理電路、數(shù)據(jù)采集卡、PC(綜合實驗標定軟件)、恒溫槽各一，導線若干。各儀器設備功能及操作說明(1)溫度傳感器溫度傳感器是把所要測量標定的溫度值轉換與之相應的成電阻值。本實驗用的溫度傳感器是用具有負溫度系數(shù)的半導體熱敏電阻即NTC熱敏電阻制成的，其熱電特性為緩變型，具有負溫度系數(shù)(NTC),適合做溫度測量元件。其熱電特性如下：B(-)R=Re1%T:被測溫度(K),T=t+273.167:參考溫度4=25+273.16R:溫度T(K時熱敏電阻的阻俏Ro:溫度寸熱敏電阻的阻值，&-10kB：熱敏電阻的材

3、料常數(shù)，B=3980傳感器調理電路傳感器調理電路是把溫度傳感器中熱敏電阻因熱電效應產(chǎn)生的阻值變化轉換成與溫度相對應的電壓值，適合數(shù)據(jù)卡采集處理。數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡是把電壓值模擬量轉成數(shù)字量，即采集溫度值。本實驗所用數(shù)據(jù)采集卡型號是PCI-9111,AD轉換位數(shù)12位AD轉換通道，單端模式有16個通道，差分模式有8個通道AD輸入范圍：VfR心/+/-10V,+/-5V,/-2,5V,+/-1.25V,+/-0.625V。實驗中采用+/-5V。傳感器與數(shù)據(jù)采集卡的連接：傳感器調理板接線端子電源輸入信號：5V、地傳感器輸出信號：V數(shù)據(jù)采集卡接線端子5V電源端子：VCC模擬地端子；AGND模數(shù)轉換輸

4、入端：A0A15可選（4）PC機（綜合實驗標定軟件）綜合實驗標定軟件是運用LabVIEW強大的圖形界面顯示功能實現(xiàn),包括主程序及登錄界面。恒溫槽恒溫槽提供恒定溫源，可在3080范圍內，控制水溫保持恒定。恒溫槽操作步驟：a）在槽內加入水，液面不能低于工作臺面30mm；b）溫度控制在80°C以內；c）將出液管與進液管用軟管連接，保證水的循環(huán)（儀器左面靠前為進液管，靠后為出液管）；d）插上電源，開啟“總電源開關”；e）開啟“循環(huán)開關”f）溫度設定：按設定功能鍵進入溫度設定值設定狀態(tài)，設定值末位閃爍，通過移位和加減鍵設定所需的工作溫度，再按設定功能鍵保存設定值；£修北京航空航天大學

5、學生實驗用紙第5頁«心,g）待恒溫槽上顯示的測量值與設定值相等時,并維持一段時間使槽內溫度均勻后再采集此時溫度傳感器的值。信號調理電路分析傳感器調理電路的電路原理圖如下：Rt其中，R=10k,Vbut=VCCR+Rt+-+5V標準電阻測試點熱敏電阻圖1傳感器調理電路的電路原理圖模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH、光強等。通常，傳感器信號不能直接轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字數(shù)據(jù)之前必須進行調理。調理就是放大，緩沖或定標模擬信號，使其適合于模/數(shù)轉換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字

6、化，并把數(shù)字信號送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。本實驗所用調理電路電源采用+5V,通過一個標準電阻與傳感器中熱敏電阻串聯(lián)組成回路，通過測量熱敏電阻隨溫度變化阻值變化的電壓值。此穩(wěn)定電壓信號供數(shù)據(jù)采集卡采集轉換成數(shù)字量。R=10k,RtVbut=VCCR+Rt可得出傳感器輸出電壓與測試溫度的關系Vout.VCCR+媼心由于R=10k,用=10k可保持測試回路中的電流在一個很小的范圍內，避免熱敏電阻的自熱效應而影響測試結果。數(shù)據(jù)采集軟件使用采集軟件的打開軟件目錄：F:documents09年綜合實驗與課程設計'綜合實驗標定軟件，雙擊“主程序.vi”VI文件。融目查看的項

7、目口操作工具食口歸幫助|0|刨?；?2Pt應用程序字體學號藤態(tài)標定動態(tài)標定P口動態(tài)標定頻譜分析圖2主界面登陸界面點擊軟件左上方的“運行”按鈕，出現(xiàn)登錄界面如下溫度傳感器標定實驗系統(tǒng)幫助|登陸圖3在學生編號和傳感器編號位置填入小組號：19,登陸口令處用默認數(shù)字。填完后點擊登陸，即進入數(shù)據(jù)采集界面。采集卡配置在輸入通道處選擇傳感器連接到數(shù)據(jù)采集卡的通道號，信號范圍可以設置為+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V,+/-0.625V,根據(jù)實際情況選擇。輸入通道信號范圍（2：+/-5V）圖4靜態(tài)標定界面操作說明首先調整起始溫度和溫度間隔，調完后按“更改參數(shù)”鍵完成標定溫度點的設定，

8、一般起始溫度為30,溫度間隔為3,共計15個點。當恒溫槽的溫度測量值達到設定溫度點時，點擊“記錄該點”即可將溫度傳感器此時的分壓值記錄到標定軟件中。當某個測溫點有誤時，可以通過點擊“刪除該點”鍵刪除該點溫度；當一組數(shù)據(jù)記錄完后，可以點擊界面上的“保存數(shù)據(jù)”，將所測量的數(shù)據(jù)存入到E盤根目錄下的文件中，文件名為“組號+靜態(tài)標定數(shù)據(jù)。因為下次再保存測量數(shù)據(jù)時，前面的數(shù)據(jù)會被覆蓋，請及時做好數(shù)據(jù)備份；界面上的其他按鈕為輔助功能鍵，可以不使用。動態(tài)標定界面的使用將恒溫槽設定一個動態(tài)標定溫度點（如75）,待溫度穩(wěn)定后，先按下動態(tài)標定界面上的“開始實驗”按鈕，再將傳感器插入恒溫槽中。待界面上顯示的測量值保持

9、不變時，按“停止采集”按鈕，結束動態(tài)采集過程；通過游標確定有用數(shù)據(jù)的起點和終點，此時界面會顯示出起點和終點對應的時間和采集的數(shù)據(jù)值；按“確定曲線”鍵，得出有效曲線的時間與電壓差值；按“去除多余數(shù)據(jù)”鍵，得到有效曲線的圖形；按“保存數(shù)據(jù)”鍵將動態(tài)標定數(shù)據(jù)保存在E盤根目錄下找“組號+動態(tài)標定數(shù)據(jù)文件二其中的數(shù)據(jù)個數(shù)為總響應時間的10倍。第二章靜態(tài)標定2.1靜態(tài)標定理論基礎（1）靜態(tài)標定的目的測試系統(tǒng)的輸出信號能夠真實地反映被測物理量（輸入信號）的變化過程，不使信號發(fā)生畸變，即實現(xiàn)不失真測試。系統(tǒng)的傳遞（傳輸）特性即系統(tǒng)的輸出與輸入量之間的變換或運算關系。靜態(tài)特性的定義：是指當被測量x不隨時間變化或

10、隨時間變化的程度遠緩慢于系統(tǒng)的固有最低階運動模式的變化時，測試系統(tǒng)的輸出量v與輸入量x之間的函數(shù)關系。靜態(tài)標定的定義：在一定標準條件下，利用一定等級的標定設備對測試系統(tǒng)進行多次往復測的過程，以獲取被測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性。靜態(tài)標定條件（一）對標定環(huán)境的要求：a）無加速度、無振動、無沖擊；b）溫度：1525°Cc）濕度不大于85%RHd）大氣壓力0.1MPa（-）對所用標準標定設備的要求是：a）當只考慮隨機誤差時OsKOm。標準標定設備的隨機誤差。;被標定測試系統(tǒng)的隨機誤差b）當只考慮系統(tǒng)誤差時EEs3mE標準標定設備的系統(tǒng)誤差E，被標定測試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差考慮到恒溫槽的精度，我們把標定的誤

11、差控制在0.5以內;(4)靜態(tài)標定主要性能指標及計算a)測量范圍(Range)測試系統(tǒng)能夠按照規(guī)定的精確度進行測量的輸入量(被測量)最大值(測量上限"Q和最小值(測量下限xfflin)所確定的區(qū)間。記為Xzx)本實驗中,(無訪,4為(30,72)b)量程(Span)測量范圍的上限值與下限值之代數(shù)差，記為：Mnax-Amin本實驗中為42;c)線性度(linearity)線性度：測試系統(tǒng)實際的靜態(tài)特性的校準特性曲線與某一參考直線不吻合程度的最大值就叫做線性度。記為:X100%.(N'lL2NL->FS(紳l濡=max畫上卜maxy.-yy=B(xmax-xmin)滿量程輸

12、出，B參考直線的斜率d)遲滯(Hysteresis)遲滯測試系統(tǒng)測量同一個輸入量時，對應的正、反行程的輸出不一致的現(xiàn)象，叫做遲滯；遲滯誤差正、反行程輸出值的最大差值相對于滿量程輸出的百分比叫遲滯誤差；匕_(AVlH)maxxlOO%(Yu)-為正反行程平均值差的最大值；e)重復性衡量測試系統(tǒng)按同一測量條件，同一方向，對于同一被測參數(shù)值反復測量所得的輸出值之間的近似程度的指標。計算方法：=xlOO%,s為標準偏差AFSS=max(sUj"d7)"=1,2,f)精度精度是反映測試系統(tǒng)測量誤差的一個重要指標，是系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合。綜合考慮非線性、遲滯、重復性：直接代數(shù)和：&

13、amp;a=&!_+自盧&R方和根：綜合考慮非線性遲滯性:&a二&LH+&R2.2靜態(tài)標定實施方法絕對法：被校測試系統(tǒng)標準輸入量瑜出量圖6、測試系統(tǒng)靜態(tài)標定示意圖（絕對法）相對法：A輸入量A標準標定設備輸出量4被校測試系統(tǒng)輸出量圖7、測試系統(tǒng)靜態(tài)標定示意圖（相對法）標定過程：a）在標定范圍內選擇個測量點x/（n）；b）按照輸入信號從小到大、從大到小共進行勿次循環(huán)，共獲得2加個測試數(shù)據(jù)；C)正行程的第_/個循環(huán)、第，個測點(xi,yuij),反行程的第_/個循環(huán)、第，個測點(xi,ydij),(戶1勿)。本實驗共采用3次循環(huán)，分別測量30C至72間的15個

14、溫度點的電壓值(每隔3度取一點)對上述數(shù)據(jù)進行處理，獲得被測系統(tǒng)的靜態(tài)特性：1mi=1,2,3n2.3靜態(tài)標定步驟與數(shù)據(jù)獲取(1)焊接好傳感器調理電路，然后正確連接到數(shù)據(jù)采集卡上，正極連接到采集卡的+5v,共地連接，信號線與采集卡的AD線相連，并用萬用表測試傳感器輸出是否正常，并連接好測試系統(tǒng)。設定好恒溫箱的參數(shù)，布置好熱敏電阻測量點的位置，注意測量點要與測量值修正時的測量點一致。打開綜合實驗標定軟件靜態(tài)標定頁面，按要求操作，看是否能采集到數(shù)據(jù)。(4)給傳感器調理電路供電，啟動電源開始進行加熱。進行靜態(tài)標定，并記錄數(shù)據(jù)。從30到72,每3逐一標定，每次記錄3個數(shù)據(jù)，達到所測溫度點時，為了減小誤

15、差,使得熱敏電阻處于熱交換平衡狀態(tài)，要求保證測量時待數(shù)據(jù)穩(wěn)定一段時間后再記錄數(shù)據(jù)?？偣策M行3次正反行程。每次保存為txt格式。(6)計算出傳感器的靜態(tài)特性指標。采用不同數(shù)據(jù)處理方法對傳感器特性進行非線性補償，并比較補償結果，分析誤差原因。數(shù)據(jù)獲?。和ㄟ^綜合實驗標定軟件，獲取標定的溫度范圍為室溫+3075,總共需要測量三個正反行程的數(shù)據(jù)。測量精度要求小于0.5o2.4數(shù)據(jù)處理與靜態(tài)指標的計算靜態(tài)原始數(shù)據(jù)(表1)溫度(°)第一組實驗第二組實驗第三組實驗正行程(V)反行程(V)正行程(V)反行程(V)正行程(V)反行程(V)302.2162.2202.2292.232.2662.26733

16、2.1172.1172.1142.1162.1122.112361.9581.9601.961.9641.9631.965391.8141.8091.8141.8091.8141.816421.681.6821.6771.6811.6751.677451.5551.5701.5531.5681.5501.551481.4281.4401.4281.4381.4281.429511.3181.3791.3181.3791.3161.318541.2111.2161.2111.2161.2111.215571.1181.1211.1141.1181.1111.115601.0251.0281.02

17、41.0281.0281.029630.9420.9490.9420.9460.9420.944660.8470.8540.8550.8590.8640.866690.7910.7980.7920.7970.7930.7942.5傳感器非線性校正與誤差分析擬合曲線溫度(°)平均值(V)曲線計算(V)偏差(V)302.2382.269869-0.03187332.11452.1002170.014283361.96151.9453360.016164391.81251.802860.00964421.67851.6709480.007552451.5581.5481410.009859

18、481.4321.433262-0.00126511.3381325350.01265541.21351.223608-0.01011571.1161.127369-0.01137601.0271.036067-0.00907630.944094922-0.00522660.85750.866415-0.00891690.7940.787290.00671720.72450.7115340.012966圖9擬合曲線擬合誤差：&=限-yL-*100%=0.019Yfs若舍去誤差較大的首尾點，線性度為：0.011,線性度提高了。2.5-系列2T-系列5系列6系列3T-系列4y=-0.041

19、X+3.473y=-0.051X+3.797y=-0.049x+3.749y=-O.O44x+3.554y=-0.040x+3.365y=-0.042x+3.448y=-0.031X+2.936y=-0.041X+3.454y滑翔先壯-y=-0jy號I系歹lj7系列80.5系列92040Tl-系列116080T一系列10圖10分段擬合折線分段直線擬合(表8)正平均(V)反平均(V)正反平均(V)溫度(°)擬合直線曲線計算偏差(V)2.2372.2392.23830y=-0.041x+3.4732.243-0.0052.1142.1152.1145332.1140.0005y=-0.0

20、51x+3.7971.961.9631.9615361.9610.0005y=-0.049x+3.7491.8141.8111.8125391.838-0.0255y=0.O44x+3.5541.6771.681.6785421.685-0.0065y=-0.040x+3.3651.5531.5631.558451.5580y=-0.042x+3.4481.4281.4361.432481.4320y=-0.031x+2.9361.3171.3591.338511.355-0.017y=-。.041x+3.4541.2111.2161.2135541.24-0.0265y=-0.032x+2.

21、9681.1141.1181.116571.144-0.028y=一0.029x+2.8071.0261.0281.027601.067-0.04y=-0.027x+2.6870.9420.9460.944630.986-0.042y=-0.028x+2.7600.8550.860.8575660.868-0.0105y=-0.021x+2.2540.7920.7960.794690.805-0.011y=-0.023x+2.3920.7270.7220.7245720.736-0.0115擬合誤差：MAX偏差為0.042,誤差為0.0278c驗證測量數(shù)據(jù)采集點(°)顯示讀數(shù)(V)對

22、數(shù)曲線偏差(V)分段折線偏差(V)361.955-0.009660.006421.687-0.01605-0.002481.438-0.00474-0.006541.2230.0006080.017601.0300.0060670.037660.867-0.000590.001720.722-0.010470.014對數(shù)曲線偏差中最大值為Vmax加數(shù))=0.016V分段折線偏差中最大值為V111ax(分段)=0.037V第三章動態(tài)標定動態(tài)標定的理論基礎(1)動態(tài)特性反映的是測試系統(tǒng)進行動態(tài)測量過程中的特性。在動態(tài)測量過程中，描述系統(tǒng)的一些特征量隨時間而變化，而且隨時間的變化程度與系統(tǒng)固有的最低

23、階運動模式的變化程度相比不是緩慢的變化過程；為了確定一個系統(tǒng)特性，通常都是輸入一個典型信號作為激勵信號看其響應，典型信號有單位脈沖，階躍，斜坡，正弦等。因為這些信號時從各種復雜信號中抽取出來的，同時能反映系統(tǒng)在正常工作時的性能；本實驗中采取輸入固定溫度通過系統(tǒng)的響應事件來測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。一階測試系統(tǒng)的時域響應特性及其動態(tài)性能指標時間常數(shù)T：輸出y(t)由零上升到穩(wěn)態(tài)值ys63.2%所需時間。響應時間ts：輸出y(t)由零上升達到并保持在穩(wěn)態(tài)值ys的偏差的絕對值不超過某一量值。所需的時間，又叫過渡過程時間。to05=3T延遲時間td：輸出y由零上升到穩(wěn)態(tài)值ys的50%所需的時間。td=O.6

24、9T上升時間tr：輸出y(t)由0.1ys上升到穩(wěn)態(tài)值0.9ys所需的時間輸出y(t)由0.05ys上升到穩(wěn)態(tài)值0.95ys所需的時間。t=2.20T一階測試系統(tǒng)的頻域響應特性及其動態(tài)性能指標當測試系統(tǒng)輸入為正弦信號時，評價測試系統(tǒng)動態(tài)特性的指標。通頻帶3B：幅值增益的對數(shù)特性衰減-3dB處所對應的頻率范圍。cdB=1/T工作頻帶u)g：歸一化幅值誤差小于所規(guī)定的允許誤差o時，幅頻特性曲線所對應的頻率范圍。3.2動態(tài)標定實施方法先將恒溫箱的溫度設定為幾個特定值(本實驗中為35,55,75三個溫度點)，然后將熱敏電阻溫度計插入其中，通過標定軟件記錄其所獲取的電壓值，進而可以得出它的動態(tài)特性，進行

25、標定。3.3動態(tài)標定步驟與數(shù)據(jù)獲取(1)沿用靜態(tài)標定時的電路。將傳感器調理電路正確連接到數(shù)據(jù)采集卡上，正極連接到采集卡的+5v,共地連接，信號線與采集卡的AD線相連，并用萬用表測試傳感器輸出是否正常，并連接好測試系統(tǒng)。設定好恒溫箱的參數(shù)，將熱敏電阻放在室溫中。打開綜合實驗標定軟件動態(tài)標定頁面，按要求操作，看是否能采集到數(shù)據(jù)。(4)給傳感器調理電路供電，啟動電源開始進行加熱。(5)進行動態(tài)標定。選取35,55,75三個溫度點，標定軟件先開始計數(shù)，然后將熱敏電阻插入恒溫箱，等到計數(shù)趨于穩(wěn)定時停止計數(shù)。(6)截取數(shù)據(jù)有效部分，計算出傳感器的動態(tài)特性指標。通過補償算法進行動態(tài)補償，調節(jié)動態(tài)性能，并比較

26、補償結果，分析誤差原因。數(shù)據(jù)獲取：通過綜合實驗標定軟件，獲取35,55,75三個溫度點下的動態(tài)數(shù)據(jù)，將前后的水平部分剔除后得到所需要的動態(tài)數(shù)據(jù)。3.4數(shù)據(jù)處理與動態(tài)指標計算(1)原始數(shù)據(jù)記錄35動態(tài)數(shù)據(jù)：見附件55動態(tài)數(shù)據(jù)：見附件75動態(tài)數(shù)據(jù)：見附件(2)時間常數(shù)及曲線擬合當溫度為35時,實驗如下：y二data;x=0:0.01:35.61;fori=1:3462u二y(i);forj=1:99u=u+y(i+j);endu(i)=u(i)/100;endfori=(3562-99):3562u(i)=y(i);endgridony=-0.686*(1-exp(-x/6.35)+2.729;p

27、lot(x,u,*bx,y,'r')gridon則時域參數(shù)為：時間常數(shù)：T=7.82s響應時間：ts=3T=23.46s延遲時間：td=0.69T=5.4s上升時間：tr=2.20T=17.204s頻域參數(shù)為：通頻帶u)B=1/T=0.128Hz當溫度為55時,實驗如下：y二data;x=0:0.01:35.83;fori=1:3484u二y；forj=1:99u=u+y(i+j);endu(i)=u(i)/100;endfori=(3584-99):3584u二y(i);endgridony二-1.423*(1-exp(-x/6.35)+2.632;plot(x,u,'

28、;br,xty,'r')gridon則時域參數(shù)為：時間常數(shù)：T=8.2s響應時間：ts=3T=24.6s延遲時間：td=O.69T=5.685s上升時間：tr=2.20T=18.04s頻域參數(shù)為：通頻帶u)B=1/T=0.122Hz當溫度為75時,實驗如下：y二data;x=0:0.01:38.64;fori=1:3765u(i)=y(i);forj=1:99u=u+y(i+j);endu(i)=u(i)/100;endfori=(3865-99):3865u二y(i);endgridony=-1.995*(1-exp(-x/6.35)+2.683;plot(x,u,'

29、br,x,y,'r')gridon則時域參數(shù)為：時間常數(shù)：T=6.35s響應時間：ts=3T=19.05s延遲時間：td=0.69T=4.3815s上升時間：tr=2.20T=13.97s頻域參數(shù)為：通頻帶u)B=1/T=0.1575Hz3.5系統(tǒng)的動態(tài)補償(1)補償要求用數(shù)字算法實現(xiàn)一個動態(tài)補償濾波器，以加快測試系統(tǒng)的響應時間(時域)，展寬測試系統(tǒng)的工作頻帶(頻域要求響應時間為原系統(tǒng)的十分之一；即把一階動態(tài)模型的T減小為原來的1/10；(2)補償原理系統(tǒng)模型為：G(s)=-AtTs+1期望函數(shù)為：。=含G(s)=則補償函數(shù)可為：l；s+l將補償函數(shù)用matlab將其z變換再將其離散化得到補償?shù)牟罘址匠趟惴ǎ篶(n)=Ar(n)+Br(n-1)+Dc(n-1)；則，可將原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)調整為期望的傳遞函數(shù)，完成