Структура автоматизированного лабораторного стенда

Внешний вид автоматизированного лабораторного стенда представлен на обложке. Стенд предназначен для исследований разброса значений номинального сопротивления и температурного коэффициента сопротивления постоянных резисторов. Аппаратная часть стенда состоит из персонального компьютера (ПК) и измерительного блока (ИБ), в термокамеру которого устанавливаются сменные кассеты с исследуемыми образцами резисторов. Управление измерительным блоком и обработка измерительной информации производится персональным компьютером, подключаемым к измерительному блоку с помощью интерфейсного модуля через порт USB (рисунок 2.1).

Структурная схема автоматизированного лабораторного стенда представлена на рисунке 2.1.

На структурной схеме показаны следующие элементы:

Термостат –предназначен для нагрева образцов,

Образцы – набор исследуемых резисторов,

Датчик температуры – датчик на основекремниевого диода,

Узел управления нагревателем и нагревательный элемент позволяют устанавливать заданную температуру в термостате,

Коммутатор образцов позволяет подключить необходимый образец в измерительную цепь,

Преобразователь U® t – осуществляет преобразование падения напряжения на образце в интервал времени методом двойного интегрирования,

Интерфейсный модуль – микропроцессорное устройство, которое осуществляет управление элементами измерительного блока и процессом измерения, обеспечивает измерение длительности интервала времени интегрирования, и производит обмен информацией с персональным компьютером,

Источник питания – стабилизированный ИП, работающий от сети переменного тока 220 В.

Метод, положенный в основу измерения сопротивления, иллюстрирует рисунок 2.2. В начальный момент времени t₀ (рисунок 2.2б) через резистор R₁ и замкнутый ключ S₁ на вход Вх₁ преобразователя (рисунок 2.2а) поступает сигнал -U_ВХ, который заряжает образцовый конденсатор С. В момент времени t₁=20 мс ключ S₁ размыкается, ключ S₂ замыкается. При этом через резистор R₂ задается ток, что вызывает разрядку конденсатора. В этот же момент на выходе начинает формироваться импульс. В момент времени t₃ конденсатор полностью разряжается, срабатывает компаратор, и на выходе преобразователя устанавливается логический ноль.

а) б)

а) – функциональная схема преобразователя U®t;

б) – временные диаграммы работы преобразователя U®t.

Рисунок 2.2 – Метод двойного интегрирования

Таким образом, длительность импульса прямо пропорциональна входному напряжению:

В свою очередь, падение напряжения на измеряемом резисторе пропорционально его сопротивлению. Особенностью этого метода является то, что при времени заряда конденсатора t=20 мс, значительно снижаются помехи сети питания, так как за это время воздействует помеха длительностью в один период, а интеграл от периодического сигнала за период равен нулю. Более того, интегрирование обеспечивает усреднение импульсных помех.

С целью повышения точности измерений осуществляется калибровка по двум высокостабильным резисторам, размещенным вне термостата, что обеспечивает снижение систематической погрешности. Для снижения случайной погрешности производятся многократные измерения сопротивления образцов и температуры с усреднением результатов.

В каждом цикле происходит поочередное измерение температуры, сопротивления всех образцов и калибровочных резисторов.

Измерительный блок

На фото представлен измерительный блок со снятой крышкой. В блоке установлена термокамера с исследуемыми образцами, плата источника питания, плата с электронными узлами измерительных преобразователей и микропроцессорная плата интерфейсного модуля.