電氣工程學院
《檢測技術》
實驗指導書
陳湘萍編寫
適用專業：測控技術與儀器
貴州大學
二oo 四年六月
前言本課程主要介紹測試系統靜態、動態特性的描述方法；測試訊號的構造、選用和資料的分析利用；以及長度、線位移、角度、角位移、速度、轉速、加速度、力、力矩、壓力、機械振動、溫度、流量等參量測量的基本內容，通過學習使學生能基本掌握測試系統靜態、動態特性的描述方法，掌握測試訊號的構造、選用和資料的分析利用，正確地選用測試裝置。
為了使學生更好地理解和深刻地把握這些知識，並在此基礎上，訓練和培養學生理論聯絡實際，把理論知識靈活地應用於生產實際當中的技能、設定了轉速測量實驗、電子稱實驗、熱電偶特性分析與比較實驗、熱電偶冷端溫度補償實驗、熱電阻特性分析實驗五個實驗專案，其中轉速測量實驗、電子秤實驗、熱電偶冷端溫度補償實驗為綜合性實驗。
各項實驗主要了解、掌握的具體知識，訓練及培養的技能：
實驗一：熱電偶特性分析與比較實驗（綜合性，4學時）
本實驗主要了解熱電偶測溫原理及方法，了解不同分度號熱電偶測量溫度的效能與應用
實驗二：熱電偶冷端溫度補償實驗（驗證性，2學時）
本實驗主要掌握熱電偶冷端溫度補償的原理與方法。
實驗三：熱電阻特性分析實驗（驗證性，2學時）
本實驗主要了解鉑熱電阻的特性與應用。
目錄 1、實驗一：熱電偶特性分析與比較實驗9
2、實驗二：熱電偶冷端溫度補償實驗12
3、實驗三：熱電阻特性分析試驗15
6、實驗報告基本內容18
7、實驗報告格式19
實驗一：熱電偶特性分析與比較實驗
實驗學時：4
實驗型別：綜合性實驗
實驗要求：必修
一、實驗目的
了解熱電偶測溫原理及方法，了解不同分度號熱電偶測量溫度的效能與應用
二、實驗內容
分別使用ｋ型、e型熱電偶，按δt=5℃增加溫度，讀取主機箱電壓表的顯示值（熱電偶熱電勢）畫出實驗曲線，比較實驗曲線差異並計算非線性誤差。
三、實驗原理、方法和手段
熱電偶測量溫度的基本原理是熱電效應。將a和b二種不同的導體首尾相連組成閉合迴路，如果二連線點溫度(t，t0)不同，則在迴路中就會產生熱電動勢，形成熱電流，這就是熱電效應。熱電偶就是將a和b二種不同的金屬材料一端焊接而成。
a和b稱為熱電極，焊接的一端是接觸熱場的t端稱為工作端或測量端，也稱熱端；未焊接的一端(接引線)處在溫度t0稱為自由端或參考端，也稱冷端。t與t0的溫差愈大，熱電偶的輸出電動勢愈大；溫差為0時，熱電偶的輸出電動勢為0；因此，可以用測熱電動勢大小衡量溫度的大小。
在測量熱電偶溫度特性引數時，熱電偶的冷端往往處於溫度變化的環境中，而它測量的是熱端與冷端之間的溫度差，由此要進行冷端補償。有關熱電偶冷端溫度補償原理和方法可參考相關課程內容。
四、實驗組織執行要求
採取集中授課形式，以教師講授實驗原理及實驗步驟、學生動手操作為主。
五、實驗條件
主機箱、溫度源、pt100熱電阻(溫度源溫度控制感測器)、ｋ型、e型熱電偶(溫度特性實驗感測器)、溫度感測器實驗模板、應變感測器實驗模板(代mv發生器)。
溫度感測器實驗模板簡介：圖28中的溫度感測器實驗模板是由三運放組成的差動放大電路、調零電路、ａｂ感測器符號、感測器訊號轉換電路(電橋)及放大器工作電源引入插孔構成；其中rｗ1為橋路平衡電位器，rｗ2為放大器的增益電位器，rw3為放大器電平移動電位器；ａｂ感測器符號《接熱電偶(ｋ熱電偶或ｅ熱電偶)，雙圈符號接ad590整合溫度感測器，rt接熱電阻(pt100鉑電阻或cu50銅電阻)。具體接線參照具體實驗。
六、實驗步驟
1、在主機箱總電源、調節儀電源、溫度源電源關閉的狀態下，按圖3示意圖接線。
圖3 熱電偶溫度特性實驗接線示意圖
2、調節溫度感測器實驗模板放大器的增益ｋ=30倍：在圖3中溫度感測器實驗模板上的放大器的二輸入端引線暫時不要接入。拿出應變感測器實驗模板，將應變感測器實驗模板上的放大器輸入端相連(短接)，應變感測器實驗模板上的±15ｖ電源插孔與主機箱的±15ｖ電源相應連線，合上主機箱電源開關(調節儀電源和溫度源電源關閉)後調節應變感測器實驗模板上的電位器r w4(調零電位器)使放大器輸出乙個較大的ｍv訊號，如20mv(可用電壓表2v檔測量)，再將這個20mv訊號(vi)輸給圖3中溫度感測器實驗模板的放大器輸入端（單端輸入：
上端接mv，下端接⊥）；用電壓表(2v檔)監測溫度感測器實驗模板中的vo1，調節溫度感測器實驗模板中的rw2增益電位器，使放大器輸出vo1=60omv，則放大器的增益ｋ= vo1／vi=600/20=30倍。注意：增益ｋ調節好後，千萬不要觸碰rw2增益電位器。
3、關閉主機箱電源，拆去應變感測器實驗模板，恢復圖3接線。
4、測量熱電偶冷端溫度並進行冷端溫度補償：在溫度源電源開關關閉(ｏ為關，-為開)狀態下，合上主機箱和調節儀電源開關並將調節儀控制方式(控制物件)開關按到內(溫度)位置，記錄調節儀pv窗的顯示值(實驗時的室溫)即為熱電偶冷端溫度t0＇(工作時的參考端溫度)；根據熱電偶冷端溫度t0＇查熱電偶分度表得到e(t0＇,t0)，再根據e(t0＇,t0) 進行冷端溫度補償-----調節溫度感測器實驗模板中的rw3(電平移動)使vo2= e(t0＇,t0)*ｋ= e(t0＇,t0)*30(用電壓表2v檔監測溫度感測器實驗模板中的vo2)。
5、將主機箱上的轉速調節旋鈕(2—24v)順時針轉到底(24ｖ)，合上溫度源電源開關，在室溫基礎上，可按δt=5℃增加溫度並且小於160℃範圍內設定溫度源溫度值，待溫度源溫度動態平衡時分別按k型、e型熱電偶讀取主機箱電壓表的顯示值並填入表2。
表2 熱電偶熱電勢(經過放大器放大後的熱電勢)與溫度資料
6、實驗結束，關閉所有電源。
注：實驗資料v(mv)/k(增益)= e(t,t0)。
七、思考題
1、通過實驗你對ｋ型、e型熱電偶的使用範圍有何認識？
2、通過實驗資料比較分度號為ｅ、ｋ熱電偶在(相同條件下)相同溫度時的輸出熱電勢大小。ｋ與ｅ熱電偶測溫範圍誰寬?
八、實驗報告
實驗報告要求：
根據實驗資料畫出實驗曲線，並計算非線性誤差。
九、其它說明
實驗二：熱電偶冷端溫度補償實驗
實驗學時：2
實驗型別：驗證性實驗
實驗要求：必修
一、實驗目的
了解熱電偶冷端溫度補償的原理與方法。
二、實驗內容
在熱電偶測量線路中串接冷端溫度補償器，按δt=5℃增加溫度，讀取主機箱電壓表的顯示值（熱電偶熱電勢）畫出實驗曲線並計算非線性誤差；
本實驗三、實驗原理、方法和手段
熱電偶測溫時，它的冷端往往處於溫度變化的環境中，而它測量的是熱端與冷端之間的溫度差，由此要進行冷端補償。熱電偶冷端溫度補償的常用方法有：計算法、冰水法(0℃)、恆溫槽法和電橋自動補償法等。
實際檢測時是在熱電偶和放大電路之間接入乙個其中乙個橋臂是pn結二極體(或cu電阻)組成的直流電橋，這個直流電橋稱冷端溫度補償器，電橋在0℃時達到平衡（亦有20℃平衡）。當熱電偶冷端溫度公升高時（＞0℃）熱電偶迴路電勢uab下降，由於補償器中，pn呈負溫度係數，其正向壓降隨溫度公升高而下降，促使uab上公升，其值正好補償熱電偶因自由端溫度公升高而降低的電勢，達到補償目的。
熱電偶冷端溫度補償器是用來自動補償熱電偶測量值因冷端溫度變化而變化的一種裝置。冷端溫度補償器實質上就是產生乙個直流訊號的毫伏發生器，當它串接在熱電偶測量線路中測量時，就可以使讀數得到自動補償。冷端補償器的直流訊號應隨冷端溫度的變化而變化，並且要求補償器在補償的溫度範圍內，直流訊號和冷端溫度的關係應與配用的熱電偶之熱電特性一致，即不同分度號的熱電偶配相應的冷端補償器。
本實驗為ｋ分度熱電偶，相應的冷端補償器及原理圖參見圖4。冷端補償器外形為乙個小方盒，有4個引線端子，4、3接+5v專用電源，2、1輸出經室溫(冷端溫度)補償後的熱電勢訊號；它的內部是乙個不平衡電橋(見圖5原理圖)，通過調節rw使橋路輸出室溫(冷端溫度)時的熱電勢值，利用二極體的pn結特性自動補償冷端溫度的變化。
圖4 k熱電偶冷端溫度補償實驗接線示意圖
四、實驗組織執行要求
採用集中授課形式，以教師講授實驗原理及實驗步驟、學生動手操作為主。
五、實驗條件
主機箱、溫度源、pt100熱電阻(溫度源溫度控制感測器)、ｋ熱電偶(溫度特性實驗感測器)、溫度感測器實驗模板、冷端溫度補償器、專用直流電源＋5v。
六、實驗步驟
1、按圖4示意接線。將冷端補償器的專用電源插頭插到主機箱側面的交流220ｖ插座上。
2、放大器調零：在圖4中溫度感測器實驗模板放大器的二輸入端引線暫時不要接入，而用導線直接將放大器的二輸入端相連(短接)；將主機箱上的電壓表量程(顯示選擇)切換開關打到2ｖ檔，合上主機箱電源開關(調節儀電源和溫度源電源關閉)，調節溫度感測器實驗模板中的rw2(順時針轉到底)增益電位器，使放大器增益最大；再調節rw3(調零電位器)使主機箱的電壓表顯示為０。
3、將主機箱上的轉速調節旋鈕(2—24v)順時針轉到底(24ｖ)，拆去溫度感測器實驗模板上放大器的二輸入端的短接線，恢復圖4的接線，合上溫度源和調節儀電源開關，將調節儀控制方式(控制物件)按到內(溫度)位置；在常溫基礎上，可按δt=5℃增加溫度並且小於160℃範圍內設定溫度源溫度值(設定方法參閱實驗《溫度源的溫度控制調節實驗》，重複6、7、8、9步驟)，待溫度源溫度動態平衡時讀取主機箱電壓表的顯示值並填入表3。
表3 ｋ熱電偶經過冷端溫度補償放大器放大後的熱電勢與溫度資料
4、實驗結束，關閉所有電源。
注：實驗資料v(mv)/k(增益)= e(t,t0) ，根據分度表可以查到相應的溫度值；如果實驗結果與理論值有很大誤差是由於控制誤差和放大器k(增益)有誤差，二者疊加引起誤差更大。
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