实验一 温度传感器特性试验 1.1、 Cu50温度传感器的温度特性实验
一、实验目的：了解Cu50温度传感器的特性与应用。
二、基本原理：在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，一般采用铜电阻，可用来测量-50ºC~+150ºC的温度。铜电阻有下列优点：
2 在上述温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系 Rt = R0(1+at)
4 电阻温度系数高，a = 4.25~4.28×10/ºC 5 容易提纯，价格便宜
三、需用器件与单元：K型热电偶、Cu50热电阻、 YL系列温度测量控制仪、直流电源±15V、温度传感器实验模块、数显单元（主控台电压表）、万用表。
四、实验步骤： 1、差动电路调零
将温度测量控制仪上的220V电源线插入主控箱两侧配备的220V控制电源插座上。首先对温度传感器实验模块的三运放测量电路和后续的反相放大电路调零。具体方法是把R5和R6的两个输入点短接并接地，然后调节Rw2使V01的输出电压为零，再调节Rw3，使V02的输出电压为零，此后Rw2和Rw3不再调节。
2、温控仪表的使用
注意：首先根据温控仪表型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，（见附录一）学会基本参数设定（出厂时已设定完毕）。
3、热电偶的安装
选择控制方式为内控方式，将K型热电偶温度感应探头插入“YL系列温度测量控制仪”的上方两个传感器放置孔中的一个。将K型热电偶自由端引线插入“YL系列温度测量控制仪”正前方面板的的“传感器”插孔中，红线为正极。
4、热电阻的安装及室温调零
将Cu50热电阻传感器探头插入加热源的另一个插孔中，尾部红色线为正端，插入实验模块的a端，其它两端相连插入b端，见图11-1，a端接电源+2V，b端与差动运算放大器的一端相接，桥路的RW1另一端和差动运算放大器的另一端相接（R2=50欧姆）。模块的输出V02与主控台数显表相连，连接好电源及地线，合上主控台电源，调节Rw1，使数显表显示为零（此时温度测量控制仪电源关闭）。
-3
5、测量记录
合上内控选择开关（“加热方式”和“冷却方式”均打到内控方式），设定温度控制值为40ºC，当温度控制在40ºC时开始记录电压表读数，重新设定温度值为40ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……7，到75ºC每隔1n读出数显表输出电压与温度值。待温度稳定后记下数显表上的读数（若在某个温度设定值点的电压值有上下波动现象，则是由于控制温度在设定值的+1ºC范围波动的结果，这样可以记录波动时，传感器信号变换模块对应输出的的电压最小值和最大值，取其中间数值）填入表3-1。
表3-1：
T（ºC） V（mv） 6、根据数据结果，计算Δt=5ºC时，Cu50热电阻传感器对应变换电路输出的ΔV数值是否接近。
7、写出最小二乘法拟合Cu50特性直线方程，求非线性误差、迟滞和重复性误差。从理论上分析产生非线性误差的原因。
1.2 Pt100热电阻测温特性实验
一、实验目的：了解热电阻的特性与应用。
二、基本原理：利用导体电阻随温度变化的特性。热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0-630.74ºC以内，电阻Rt与温度t的关系为：
Rt = R0(1+At+Bt2)
R0系温度为0ºC时的铂热电阻的电阻值。本实验R0=100ºC，A=3.90802×10-3 ºC-1 B=-5.080195×10ºC,铂电阻现是三线连接，其中一端接两根引线主要是为了消除引线电阻对测量的影响。
三、需用器件与单元： K型热电偶、Pt100热电阻、温度测量控制仪、温度传感器实验模块、数显单元（主控台电压表）、万用表、直流稳压电源±15V和2V。
四、实验步骤：
1、同“参照Cu50温度传感器实验”的①、②、③、④步操作。
接主控箱电源输出
2V -7
-2
*
接Vi 主
控箱数显地 表
图11-5 热电阻测温特性实验
2、将Pt100铂电阻三根引线引入“Rt”输入的a、b上：用万用表欧姆档测出Pt100三根引线中短接的两根线（蓝色和黑色）接b端，红色接a端。这样Rt（Pt100）与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。Rw1中心活动点与R6相接，见图11-5。
3、测量记录
合上内控选择开关（“加热方式”和“冷却方式”均打到内控方式），设定温度控制值为40ºC，当温度控制在40ºC时开始记录电压表读数，重新设定温度值
为40ºC+n·Δt，建议Δt=5ºC，n=1……7，到75ºC每隔1n读出数显表输出电压与温度值。待温度稳定后记下数显表上的读数（若在某个温度设定值点的电压值有上下波动现象，则是由于控制温度在设定值的+1ºC范围波动的结果，这样可以记录波动时，传感器信号变换模块对应输出的的电压最小值和最大值，取其中间数值）填入表3-2。 表3-2
T（ºC） V（mv） 4、根据数据结果，计算Δt=5ºC时，Pt100热电阻传感器对应变换电路输出的ΔV数值是否接近。
五、思考题：
写出最小二乘法拟合Pt100的特性方程，求非线性误差、迟滞和重复性误差。从理论上分析产生非线性误差的原因。
1.3 热电偶测温性能实验
一、实验目的：了解热电偶测量温度的性能与应用范围。
二、基本原理：当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0ºC、25ºC。
三、需用器件与单元：热电偶K型、E型、温度测量控制仪、数显单元（主控台电压表）、直流稳压电源±15V。
四、实验步骤：
1、在温度控制仪上选择控制方式为内控方式，将K，E热电偶插到温度测量控制仪的插孔中，K型的自由端接到温度控制仪上标有传感器字样的插孔中。 2、从主控箱上将±15V电压，地接到温度模块上，并将R5，R6两端短接同时接地，打开主控箱电源开关，将模块上的Vo2与主控箱数显表单元上的Vi相接。将Rw2旋至中间位置，调节Rw3使数显表显示为零。设定温度测量控制仪上的温度仪表控制温度T=40℃。
3、去掉R5，R6接地线及连线，将E型热电偶的自由端与温度模块的放大器R5，R6相接，同时E型热电偶的蓝色接线端子接地。观察温控仪表的温度值，当温度控制在40℃时，调节Rw2，对照分度表将Vo2输出调至和分度表10倍数值相当（分度表见后）。
4、调节温度仪表的温度值T=50℃，等温度稳定后对照分度表观察数显表的电压值，若电压值超过分度表的10倍数值时，调节放大倍数Rw2，使Vo2输出与分度表10倍数值相当。
5、重新将温度设定值设为T=40℃，等温度稳定后对照分度表观察数显表的电压值，此时Vo2输出值是否与10倍分度表值相当，再次调节放大倍数Rw2，使其与分度表10倍数值接近。
6、重复步骤4，5以确定放大倍数为10倍关系。记录当T=50℃时数显表的电压值。重新设定温度值为40℃+n△t,建议△t=5℃,n=1……7，每隔1n读出数显表输出电压值与温度值，并记入表11-3中。
表11-3 E型热电偶电势（经放大）与温度数据(考虑到热电偶的精度及处理电路的本身误差，分度表的对应值可能有一定的偏差)
T+n·Δt V（mv）
五、思考题：
1、同样实验方法，完成K型热电偶电势（经放大）与温度数据
2、通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？ 3、拟合K型热电偶的温度特性方程，要求R2大于0.9.
并利用本实验台进行实验。 E型热电偶分度表
E 参考端温度：0℃ 整10度μν值 ℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0 6317 13419 21033 243 36999 45085 53110 61022 68783 76358 10 591 6996 14161 21814 29744 37808 451 53907 61806 69549 20 1192 7683 14909 22597 30546 39426 46697 54703 62588 70313 30 1801 8377 15661 23383 31350 40236 47502 55498 63368 71075 40 2419 9078 117 24171 32155 41045 48306 56291 147 71835 50 3047 9787 17178 24961 32960 41853 49109 57083 924 72593 60 3683 10501 17942 25754 33767 42662 49911 57873 65700 73350 70 4329 11222 18710 26549 34574 43470 50713 58663 673 74104 80 4983 11949 19481 27345 35382 44278 51513 59451 67245 74857 90 56 12681 20256 28143 36190 45085 52312 60237 68015 75608
1.4* 温度仪表PID控制实验
常规仪表控制在当前检测和控制领域的应用非常广泛，即使在一些复杂控制系统中，仪表控制仍起着非常重要的作用。
需用器件与单元：K或E型热电偶、温度测量控制仪。 一、主要功能：
针对毕业设计、课程设计专门研制的温度控制系统。YL系列温度测量控制仪主要功能如下：
1、传感器可以选择K或E型热电偶（已提供）。
2、温度测量控制仪输出标准0~5V（对应0ºC到100ºC），作为外部控制系统中的传感器测量信号。
3、提供标准外部输入信号0~5V，作为线性加热控制信号（1A，220V），同时为了平衡加温和降温效果，提供了继电器冷却信号，作为外部控制系统的输出控制信号。
4、选择内控方式可以分析PID控制系统中P、I、D各参数的影响效果，为外控方式的开发提供了实验基础。
5、可以作为通用的温度控制对象研究常见PID控制算法、各种智能控制算法等，是一种十分理想的实验模型。
6、提供了标准的信号源，相关课程的应用模式为：单片机信号采集与控制、计算机控制、自动控制原理、过程控制等。
二、实验步骤：
下面就本公司的YL系列温度测量控制仪中仪表测控系统的实验步骤加以说明。
1、接通YL系列温度测量控制仪的电源，打开电源按钮，将“加热方式”、“冷却方式”拨至“内控”方式。
2、检查温度仪表的内部参数设置（实验指南附录中有出厂设置参考值） 3、选用E型热电偶，插在控制仪上方的测温孔中，另外两端的传感器输出线分别对应接至控制仪面板的传感器（+）和（－）端，此时即可读出当前加热块的温度值。
4、设定温度值、P参数、I参数、D参数，观察控制效果（具体设定方法参考随机的温度智能控制仪表的说明书），同时注意在报警状下，冷却装置(风扇)是否运行。
5、观察温度控制的效果如何？根据控制规律可设置不同的P、I、D参数，以达到最佳的控制效果。
下图为设定温度50ºC，当前温度47ºC的示意图：
1.5 智能温度控制系统的设计
本实验通过E型热电偶将温度信号转化为电压信号，再由A/D模块转化为数字量，再在PC机上，由LabVIEW完成PID控制，再经过D/A输出对被控量加热，DO输出对被控量冷却（以启动风机方式冷却），实现对温度的智能控制，已达到预期的要求。
*
操作方法
[1] 将PC机与实验箱用串口线进行连接，打开实验箱电源，对串口进行测试，保证串口是
通的（可用YL3.0软件测试，详见补充实验部分YL3.0的应用）。
[2] 将K型热电偶插入温度源上面板的圆槽内，热电偶红，黑接线端分别与实验箱内温度
模块传感器的红，蓝接口连接。
[3] 标准信号输出接口的红，黑色接口分别与A/D模块0通道黄，黑色接口连接，用万用
表测量电压。
[4] 将温度源电源线插入实验箱内温度控制系统模块面板内的加热输出插口，风机电源的
红、黑接口与实验箱上的+15V、地接口连接，冷却输入Di与实验箱温度控制系统模块上的Di冷却控制输入连接。
[5] 温度控制系统模块上的加热方式和冷却方式开关打到外控，加热手动调节逆时针旋转
到底。
[6] 温度控制系统模块内的加热控制输入（外）Vi与D/A模块0通道连接。 [7] 冷却控制输入Di与实验箱上DO通道0连接并且与温度源上的Di相连接。 [8] 打开温度源电源开关。
[9] 运行由VI生成的【PID】可执行程序，如图20-1所示。
图20-1 PID可执行程序界面
[10] 通讯设置面板中，设置串口通道选择【ASRL1::INSTR】，波特率选择默认的9600。 [11] 板卡设置面板中，下位机板卡地址选择【01】，通道号选择【00】。 [12] PID参数依次选择5，1，1（也可用户另外设计修改） [13] 温度设定值选择50℃（可用户随意设置）。 [14] 风扇控制面板中，风扇通道选择【01】。 [15] 输出控制面板中，输出通道选择【00】。
[16] 单击开始实验按钮，观察风扇状态，温度变化表和输出电压值（与万用表示数比较）。 [17] 观察温度控制系统模块中温度值的变化，等待其变化到与预期设定值相等。如图所示：
图20-2 系统运行
[18] 改变PID参数，重复上述实验，记录数据，总结PID控制的作用。 [19] 单击退出系统按钮，关闭该可执行程序。 [20] 关闭电源，整理实验设备。
