暑期《传感器课程设计》实习报告
姓名：××× 班级：测控 学号：10054——
2013.7.18
第一部分 传感器特性检测
（5天）
一、内容
1、电子称实验；
2、金属箔式应变片温度影响实验； 3、Pt100测温特性实验； 4、Cu50测温特性实验； 5、其他选做实验。
二、实验原理及基本步骤详见《传感器实验指南》《传感器与检测技术实验指导》 三、实验总结：
暑期实习的前五天，我们先后做了电子称实验，金属箔式应变片温度影响实验，Pt100测温特性实验，Cu50测温特性实验，差动变压器的性能实验，电容式传感器测位移实验，K、E热电偶测温特性实验。其中有些是选作。在这五天的实验过程中，我学到了很多东西。包括各种实验的原理，实验过程中出现的问题及解决方案。从根本上理解了课上所学的知识与实际的应用，也在实践中证明了理论的正确性。对各种不同的传感器有了一个较深的认识。其中每个实验过后的数据处理和实验报告也使我在数据处理能力上有了一个较大的提高。总之，通过这五天的实习，我学到了知识，收获了实验成功的喜悦，同时也感受过失败的痛苦，也体会过在失败中总结经验最后克服困难的心情。
第二部分 变送器电路设计及实现
（10天）
实验仪器和设备：
电脑1台，DT9208万用表一只、＋5/24V直流电源一台、万能电路板一块、镊子一只、导线若干、XTR106等芯片、常用电子元器件若干。 实验步骤
1、 回顾两线制变送器的工作原理，理解两线制变送器电路设计的原则。 两线制变送器的原理是利用4—20mA电流为自身提供电能，而传感器将被测信号（T、F、P、Q）转化为电信号（4—20mA）实现对某一物理量的测量检测。设计原则要包括电流保护、过流保护、宽电压适应能力、电容解耦等。 2、 了解电阻式传感器原理、测量转换线路。
热电阻即阻值随温度变化而变化的金属，而若要测温需选电阻温度系数尽量高，非线性变化小的（本实验选Pt100），电阻式传感器就是利用电桥中热电阻的阻值大小随温度变化而导致的电桥不平衡，从而产生电压差即电信号。
将该电信号进行放大、去耦等一系列处理最得到我们想要得到的一定范围的电流或电压信号。测量转换电路即变送器，将被测量转化为4—20mA信号。 3、阅读XTR106芯片厂家英文资料，掌握其工作基本原理。 4、分析图1电路的工作原理。
图1 XTR外部电路连接示意图
原理解析：如上图所示，该电路为变送器原理图，分为三部分。
第一部分为电桥部分。R1=R2=5.1K，R0=100，RPt用电位器模拟温度变化Pt100阻值的变化。其作用是桥路不平衡产生压差。将温度信号初步转化为电信号。我们选取的R3=R4=3.3KΩ，计算的电桥上的压差U=R并/（R并+3.3KΩ+3.3KΩ），大约为1.41V。 Pt100温度100℃到200℃变化，RPt从100Ω变到175.84Ω的过程中桥路电压变化0.01V可忽略不计认为桥路电压不变。
第二部分为放大部分。该部分是由两个运放反向连接，有虚短虚断分析得放大倍数 K=（1+2R5/R？）其中R5为图上10KΩ电阻，R？为412Ω电阻。其作用是将第一部分的电压信号进行放大，放大到理想大小作为输入送给XTR106芯片。我们选取放大倍数50 R？大约400Ω。
第三部分为XTR106芯片及输出电路。芯片的作用简而言之就是讲输入信号处理（线性化及大小的处理）输出4—20mA的电流信号。具体见说明书。输出部分接7管脚，要经过负载电阻和外加24V电源最终构成一个两线制的回路。 调试过程中需注意的问题： （1）、Vin+>=1.1V,Vin-<=3.5V,即Vin<=2.4V,这就对放大倍数有限制。电桥电压差范围为大概0——22mV，所以放大倍数要小于大约1000。放大倍数有上述公式可得。（我们选取大概50倍）
（2）、负载电阻的选取：负载电阻的作用是保护电路，限流。因为输入电压24V，而XTR106工作电压要稳定在7.5—36V才能正常工作。若负载电阻过大，则其分压过大而导致106芯片供电电压小于7.5V，不能正常工作。所以Rmax<=（Vps-7.5）/20-Rwirng。计算的负载电阻最大为825Ω。 （3）、量程电阻RG的选择：RG的作用是调节量程。I=4+Vin（40/RG）。I为4—20mA。所以可算出RG大概阻值。最终约2500Ω。 （4）、运放的使能：运放的V+V-都接到XTR106上，有106供电（106供电后自动输出5V或2.5V和5.1V电压）。 （5）、输出结果的线性化：Rin的作用是线性化电阻，利用正反馈原理将得到的结果的非线性补偿。得到线性较好的输出结果。Rin=|Kin*4B/（1-2B）|，线性化因子Kin=6645Ω。B为非线性误差。T=238度是最大为2.86%。RIN大约800Ω。最终调试Rin使结果的非线性误差减小。 （实际测量中，初期结果的非线性误差是很大的，在Pt阻值在100-130左右输出电流4到18mA，而后来则变化缓慢，所以要反复调试Rin使最终结果在100-175.84Ω即100℃到200℃线性输入下输出的电流从4到20mA线性变化）。
5、掌握Protel DXP 2004 软件工作原理；
第二部分开始的几天，我们一直在学习ProtelDXP软件的基本操作，通过在图书馆借的软件学习资料以及老师的讲解，我们有了很打的收获，从建立工程开始，创建原理图，创建PCB，再到原理图生成PCB图。再到布线，手动和自动布线。 具体成果截图如下
XT106定义
运放定义
管脚的封装
建立工程
有原理图自动生成PCB并且自动布线。
手动布置元件并且自动布线
实验原理图
6、了解PCB电路板设计的基本原则、电路板布线原则。 7、进行上述电路及补充电路原理图设计； 8、理解并进行元器件封装设计； 9、理解并生成网络表；
10、将网络表导入PCB文件中，最终形成PCB文件；
11、利用万能电路板搭建上述电路，要求分部分搭建，分成电阻桥路部分、差动放大部分、XTR本体部分，要求对前两部分电路线进行测试，确认符合相关要求时方可接入第三部分电路；
12、上述电路没有考虑零点、量程调整电路，请结合上述电路设计零点、量程调整电路，并实现该功能；
13、进行变送器性能测试。进行负载实验，给出负载范围，思考远距离信号传输中应注意的问题；
14、根据调试结果对之前设计的原理图和PCB进行相应的修改和完善； （以下15-17任选其一）
15、考虑如何实现应变片压力变送器的功能，包括非线性补偿问题该如何处理，并实现非线性补偿，测试补偿前后的变送器特性，要求的量程范围0-100（克）； 16、考虑如何实现Pt100热电阻温度变送器的功能，包括非线性补偿问题该如何处理，并实现非线性补偿，测试补偿前后的变送器特性，要求的量程范围0-200度；
17、用XTR106设计温度变送器（Cu50），要求量程：0～50度。
第二部分实验总结及结果：
软件学习部分：这一部分老师留给我们自己的空间很大，多数时间都是我们自己讨论学习。让我们自己去想自己去真正把原理搞清楚。我觉得这充分的让我们发挥了自己的主观能动性，通过一步步的调试及对原理图的改进，改错，最终得到结果的感觉简直溢于言表，远远强与按部就班，生搬硬套，复制粘贴的那种教学方式。而且自己能真正学到东西。
原理部分：通过学习，我们知道我们需要做的是一个温度变送器即将温度的变化转化为对应的电流输出最终检测。达到预期效果。由于实验室条件的限制，我们用电位器阻值的变化来模拟Pt100温度变化后的阻值变化。利用电桥输出的压差来产生电信号。而对于XTR106，该芯片是高精度、低漂移、自带两路激励电压源、
可驱动电桥的4~ 20 mA 两线制集成单片变送器。上电后可以产生恒定电压5V、2.5V。输入电压要在7.5到36V之间。它的最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿, 它可
以使桥路传感器的非线性大大改善, 改善前后非线性比最大可达20：1。而我们想要得到的结果是随线性输入线性变化的4-20mA电流，即曲线大概为直线。所以XTR106中Rin为线性化电阻，作用是改善结果的非线性度。使结果的非线性误差变小。
实际操作部分：（第11组。同组人10054×××）对于焊电路，我们在大二已经有过经验，不过那时候是照着电路图，有老师讲解。这次不一样，自己搞清原理，自己布线，自己想怎样用更少的线使布局更加合理，是布线更加美观，还要避免使用带胶皮的导线。一开始我们并没有急着焊，而是把原理搞懂，每一步的电阻的大概阻值，作用都搞清楚，打有准备之仗。例如，电桥的阻值R0=100Ω，R1=R2=5.1KΩ，R3=R4=3.3KΩ，正常工作是电桥两端的压降为1.41到1.42V,取运放的放大倍数为50Ω，得R？大约400Ω，量程电阻RG大约2500Ω，负载电阻不超过825Ω（我们选100Ω）Rin大约806Ω（我们先选800之后调节非线性的时候有调整）。之后就是合理布线，搞清芯片需要用的管脚及每个管脚的作用及注意事项，每个管脚需要怎样连线，怎样避免交叉。先在纸上把预期的电路板布局画好，或者用PCB板的结果。
在实际焊的过程中我们把电路分成三个部分，做完一个部分进行一次测试，从实践验证理论，用理论检验我们的结果是否有问题，如果发现问题及时改正。保证结果误差在允许范围内。例如，第一部分电桥，焊完后测试桥路压降1.465V与理论1.42相差0.045V，电桥压差0.02mV到22.0mV。第二部分放大之后输出最大1.1V左右，符合理论值。最后接入XTR106,14管脚电压5.27,1管脚对地电压5.01V，调节Pt100过程中14管脚的电压会变化。这样每一步都是在我们的计划中进行的，出现问题的概率就会大大的降低。对于焊的部分主要是由我来完成，其中要避免虚焊，误连，及注意安全等。 在焊的过程中，由于纸上的原理图有了一点小错误，在运放与XTR106连接的管脚见错接了电阻，导致后来改了线路，对板子背后的布局的美观产生了一定得影响，不过这也是我们的收获之一，因为在测试的过程中花了好大力气才找到错误的原因并成功的改正。所以没有任何事都没有完美无缺的，任何事也都有两面性。
最后的调试过程也是一波未平一波又起，首先是量程的调整问题，调节RG使满量程时候输出大约20mA，但是零点的时候就是大约2mA，这就需要减小量程，通过反复调节，最终使范围大致稳定在3.9—20.4mA，但是这只是两个点，在等间隔测量的时候发现数据的线性度很差。其中一组数如下
于是需要调整Rin及RG使其均匀线性变化，但是最终我们的线性度也不是特别好，没有达到预想的效果。如下图
结果的曲线还是有些上凸，但是显然没有前一组数凸的明显，线性度有所改善。
总而言之，通过本次实习，我收获了很多，无论是在软硬件的操作还是在理论与实际的结合，都使我获益匪浅。同时也感谢老师这么多天以来对我们的帮助和鼓励。我相信无论我们走入工作岗位或是继续接受教育，这些经历一定是我们生命中最宝贵的财富。
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