传感器与检测技术实验指导书

1 传感器与检测技术实验指导书 黄 为 程晶晶 控制科学与工程系实验中心 2007 年 3 月 2 一 实验台组成 CSY 2000 系列传感器与检测技术实验台由主控台 三源板 温度源 转动 源 振动源 15 个 基本型 或 22 个 增强型 传感器和相应的实验模板 数据采集卡 及处理软件 实验台桌六部分组成 1 主控台部分 提供高稳定的 15V 5V 2V 10V 可调 2V 24V 可调四种直流稳压电源 主控台面板上还装有电压 频率 转速的 3 位 半数显表 音频信号源 音频振荡器 0 4KHz 10KHz 可调 低频信号源 低频 振荡器 1Hz 30Hz 可调 气压源 0 15kpa 可调 高精度温度控制仪表 控制 精度 0 5 RS232 计算机串行接口 流量计 2 三源板 装有振动台 1Hz 30Hz 可调 旋转源 0 2400 转 分 可调 加 热源 2L2P 则输出电压 U0受频 率变动影响较大 且灵敏度较低 只有当 2L2P Rp2时输出 U0与 无关 当 然 过高会使线圈寄生电容增大 对性能稳定不利 三 需用器件与单元 与实验十相同 四 实验步骤 1 差动变压器安装同实验十 接线图同实验十 2 选择音频信号输出频率为 1KHz 从 Lv输出 可用主控箱的数显表频率 档显示频率 移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置 调节 Rw1 Rw2使 输出变得更小 3 旋动测微头 每间隔 0 2mm 在示波器上读取一数据 Vp p 4 分别改变激励频率为 3KHz 5KHz 7KHz 9KHz 重复实验步骤 1 2 将测试结果记入表 3 2 表 3 2 不同激励频率时输出电压 峰 峰值 与位移 X 关系 X V0 f khz 22 1 3 5 7 9 作出每一频率时的 U X 曲线 并计算其灵敏度 Si 作出灵敏度与激励频率 的关系曲线 实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验 一 实验目的 了解差动变压器零点残余电压补偿方法 二 基本原理 由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称 初级线 圈的纵向排列的不均匀性 二次级的不均匀 不一致 铁芯 B H 特性的非线性 等 因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零 称其为零点残 余电压 三 需用器件与单元 音频振荡器 测微头 差动变压器 差动变压器实 验模板 示波器 四 实验步骤 1 按图 3 3 接线 音频信号源从 Lv插口输出 实验模板 R1 C1 Rw1 Rw2 为电桥单元中调平衡网络 图 3 3 零点残余电压补偿电路 2 利用示波器调整音频振荡器输出为 2V 峰 峰值 3 调整测微头 使差动放大器输出电压最小 4 依次调整 Rw1 Rw2 使输出电压降至最小 5 将第二通道的灵敏度提高 观察零点残余电压的波形 注意与激励电 压相比较 6 从示波器上观察 差动变压器的零点残余电压值 峰 峰值 注 这时 23 的零点残余电压经放大后的零点残余电压 V零点 p p K K 为放大倍数 五 思考题 1 请分析经过补偿后的零点残余电压波形 2 本实验也可用图 3 4 所示线路 请分析原理 图 3 4 零点残余电压补偿电路之二 实验十三 差动变压器的应用 振动测量实验 一 实验目的 了解差动变压器测量振动的方法 二 基本原理 利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同 三 需用器件与单元 音频振荡器 差动放大器模板 移相器 相敏检波器 滤波模板 数显单元 低频振荡器 示波器 直流稳压电源 四 实验步骤 1 将差动变压器按图 3 5 安装在台面三源板的振动源单元上 24 图 3 5 差动变压器振动测量安装图 2 按图 3 6 接线 并调整好有关部分 调整如下 1 检查接线无误后 合上主控台电源开关 用示波器观察 Lv峰 峰值 调整音频振荡器幅度旋钮使 Vop p 2V 2 利用示波器观察相敏检波器输出 调整传感器连接支架高度 使 示示波器显示的波形幅值为最小 3 仔细调节 Rw1和 Rw2使示波器 相敏检波输 出 显示的波形幅值更小 基本为零点 4 用手按住振动平台 让传感器产生一 个大位移 仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮 使示波器显示的波形为一个接 近全波整流波形 5 松手 整流波形消失变为一条接近零点线 否则再调节 Rw1 和 Rw2 低频振荡器输出引入振动源的低频输入 调节低频振荡器幅度旋钮和 频率旋钮 使振动平台振荡较为明显 用示波器观察放大器 V0相敏检波器的 V0及低通滤波器的 V0波形 图 3 6 差动变压器振动测量实验接线图 3 保持低频振荡器的幅度不变 改变振荡频率用示波器观察低通滤波器 的输出 读出峰 峰电压值 记下实验数据 填入下表 3 3 频率与输电压 Vp p的 监测方法与实验十相同 表 3 3 25 F Hz Vp p V 4 根据实验结果作出梁的 f Vp p特性曲线 指出自振频率的大致值 并与 用应变片测出的结果相比较 5 保持低频振荡器频率不变 改变振荡幅度 同样实验 可得到振幅 Vp p曲线 定性 注意事项 低频激振电压幅值不要过大 以免梁在自振频率附近振幅过大 五 思考题 1 如果用直流电压表来读数 需增加哪些测量单元 测量线路该如何 2 利用差动变压器测量振动 在应用上有些什么限制 实验十四 电容式传感器的位移实验 一 实验目的 了解电容式传感器结构及其特点 二 基本原理 利用平板电容 C A d 和其它结构的关系式通过相应的结 构和测量电路可以选择 A d 中三个参数中 保持二个参数不变 而只改 变其中一个参数 则可以有测谷物干燥度 变 测微小位移 变 d 和测量液位 变 A 等多种电容传感器 三 需用器件与单元 电容传感器 电容传感器实验模板 测微头 相敏 检波 滤波模板 数显单元 直流稳压源 四 实验步骤 1 按图 3 1 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上 2 将电容传感器连线插入电容传感器实验模板 实验线路见图 4 1 26 图 4 1 电容传感器位移实验接线图 3 将电容传感器实验模板的输出端 V01与数显表单元 Vi相接 插入主控箱 Vi孔 Rw调节到中间位置 4 接入 15V 电源 旋动测微头推进电容传感器动极板位置 每间隔 0 2mm 记下位移 X 与输出电压值 填入表 4 1 X mm V mv 5 根据表 4 1 数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差 f 五 思考题 试设计利用 的变化测谷物湿度的传感器原理及结构 能否叙述一下在 设计中应考虑哪些因素 实实验验十十五五 电电容容传传感感器器动动态态特特性性实实验验 一 实验目的 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法 二 基本原理 利用电容传感器动态响应好 可以非接触测量等特点 进 行动态位移测量 三 需用器件与单元 电容传感器 电容传感器实验模板 低通滤波模板 数显单元 直流稳压电源 双线示波器 四 实验步骤 1 传感器安装图同实验十三图 3 5 按图 4 1 接线 实验模板输出端 V01 接滤波器输入端 滤波器输出端 接示波器一个通道 示波器 轴为 20ms div Y 轴示输出大小而变 调节传感器连接支架高度 使 01输出在零点 附近 2 主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接 振动频率选6 12Hz 27 之间 幅度旋钮初始置 3 输入 15V 电源到实验模板 调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动 台振动幅度适中 注意观察示波器上显示的波形 4 保持低频振荡器幅度旋钮不变 改变振动频率 可以用数显表测频率 将低频振荡器输出端与数显Fin 输入口相接 数显表波段开关选择频率档 从 示波器测出传感器输出的 01峰 峰值 保持低频振荡器频率不变 改变幅度旋 钮 测出传感器输出的 01峰 峰值 五 思考题 1 为了进一步提高电容传器灵敏度 本实验用的传感器可作何改进设计 如何设计成所谓容栅传感器 2 根据实验所提供的电容传感器尺寸 计算其电容量CO和移动0 5mm 时的 变化量 本实验外圆半径R 8mm 内圆柱外半径r 7 25mm 外圆筒与内圆筒 覆盖部分长度1 16mm 电容传感器具有结构简单 灵敏度高 分辨力高 可达0 01mm 甚至更 高 动态响应好 可进行非接触测量等特点 它可以测量线位移 角位移 高 频振动振幅 与电感式比较 电感式是接触测量 只能测低频振幅 电容传感 器 在测量压力 差压 液位 料位成分含量 如油 粮食中的水份 非金属涂层 油膜厚度等方面均有应用 目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制 成功 正在走向工业化应用 实实验验十十六六 直直流流激激励励时时霍霍尔尔式式传传感感器器位位移移特特性性实实验验 一 实验目的 了解霍尔式传感器原理与应用 二 基本原理 根据霍尔效应 霍尔电势UH KHIB 当霍尔元件处在梯度磁 场中运动时 它就可以进行位移测量 三 需用器件与单元 霍尔传感器实验模板 霍尔传感器 直流源 4V 15 测微头 数显单元 四 实验步骤 1 将霍尔传感器按图5 1 安装 霍尔传感器与实验模板的连接按图5 2 进行 1 3 为电源 4 2 4 为输出 28 图 5 1 霍尔传感器安装示意图 2 开启电源 调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW2使数显表指示为 零 图 5 2 霍尔传感器位移 直流激励实验接线图 3 旋转测微头向轴向方向推进 每转动0 2mm 记下一个读数 直到读数近 似不变 将读数填入表5 1 表 5 1 X mm V mv 作出V X 曲线 计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差 五 思考题 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化 29 实实验验十十七七 交交流流激激励励时时霍霍尔尔式式传传感感器器的的位位移移实实验验 一 实验目的 了解交流激励时霍尔片的特性 二 基本原理 交流激励时霍尔元件与直流激励一样 基本工作原理相同 不同之处是测量电路 三 需用器件与单元 在实验十六基础上加相敏检波 移相 滤波模板 双 线示波器 四 实验步骤 1 传感器安装同实验十六 实验模板上连线见图5 3 霍尔实验模板 移相 相敏 低通模板 图 5 3 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图 2 调节音频振荡器频率和幅度旋扭 从LV输出用示波器测量 使输出为 1KHZ 峰 峰值为4V 引入电路中 激励电压从音频输出端LV输出频率 1KHZ 幅值为4V 峰 峰值 注意电压过大会烧坏霍尔元件 3 调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点 先用示波器观察使霍尔元件不 等位电势为最小 然后从数显表上观察 调节电位器RW1 RW2使显示为零 4 调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移 利用示波器观察相敏检波 30 器输出 旋转移相单元电位器 和相敏检波电位器 使示波器显示全波整流 波形 且数显表显示相对值 5 使数显表显示为零 然后旋动测微头记下每转动0 2mm 时表头读数 填 入表5 2 表 5 2 交流激励时输出电压和位移数据 X mm V mv 6 根据表5 2 作出 V X 曲线 计算不同量程时的非线性误差 五 思考题 利用霍尔元件测量位移和振动时 使用上有何限制 实验十八 霍尔传感器振动测量实验 请参考实验十三 将差动变压器换成霍尔传感器 自己组织 实验十九 霍尔传感器应用 电子秤实验 一 实验目的 了解霍尔式传感器用于称重实验方法 二 基本原理 利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移 通 过测位移来称重 三 需用器件与单元 霍尔传感器实验模板 振动台 直流电源 砝码 数 显单元 四 实验步骤 1 传感器安装 线路接法与实验十六相同 2 在霍尔元件上加直流电压 4 数量表 2 3 调节传感器连接支架高度 使传感器在磁钢中点位置 要求当振动台无 重物时 调节传感器高度使它在线性段起点 调RW2使数显表输出零 4 在振动台面上中间部位分别加砝码 20g 40g 60g 80g 100g 读出 数显表上相应值 依次填入表5 2 表 5 2 31 W g V mv 5 根据表5 2 计算该称重系统的灵敏度 6 放上未知重物 读出数显表电压值 7 计算出未知重物为 g 五 思考题 1 该电子称系统所加重量受到什么限制 2 试分析本称重系统的误差 实验二十 霍尔测速实验 一 实验目的 了解霍尔转速传感器的应用 二 基本原理 利用霍尔效应表达式 UH KHIB 当被测圆盘上装上 只磁 性体时 圆盘每转一周磁场就变化N 次 霍尔电势相应变化N 次 输出电势通 过放大 整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速 三 需用器件与单元 霍尔转速传感器 直流源 5V 转速调节2 24V 转动源单元 数显单元的转速显示部分 四 实验步骤 1 根据图5 4 将霍尔转速传感器装于传感器支架上 探头对准反射面内的 磁钢 图 5 4 霍尔 光电 磁电转速传感器安装示意图 2 将 5 直流源加于霍尔元件电源输入端 红 绿 黄 F 3 将霍尔转速传感器输出端 黄 插入数显单元Fin 端 4 将转速调节中的2V 24V 转速电源引入到台面上转动单元中转动电源2 32 24VK 插孔 5 将数显单元上的转速 频率表波段开关拨到转速档 此时数显表指示转 速 6 调节转速调节电压使转动速度变化 观察数显表转速显示的变化 五 思考题 1 利用霍尔元件测转速 在测量上有否限制 2 本实验装置上用了十二只磁钢 能否用一只磁钢 实验二十一 磁电式转速传感器测速实验 一 实验目的 了解磁电式测量转速的原理 二 基本原理 基于电磁感应原理 匝线圈所在磁场的磁通变化时 线圈 中感应电势 发生变化 因此当转盘上嵌入 个磁棒时 每转一周 线圈感应电势产生 次的变化 通过放大 整形和计数等电路即可以测量转速 三 需用器件与单元 磁电传感器 数显单元测转速档 转动调节2 24V 转 动源单元 四 实验步骤 1 磁电式转速传感器按图5 4 安装 传感器端面离转动盘面2mm 左右 并 且对准反射面内的磁钢 将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin 孔 磁电式传 感器两输出插头插入台面板上二个插孔 2 将波段开关选择转速测量档 3 将转速调节电源2 24V 用引线引入到台面板上转动源单元中转动电源2 24V 插孔 合上主控箱电源开关 使转速电机带动转盘旋转 逐步增加电源电 压 观察转速变化情况 五 思考题 为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动 能说明理由吗 实验二十二 用磁电式原理测量地震 磁电式传感器是绝对测量原理的传感器 因此它可以直接放在地面上测量地 震 因而不用找其它相对静止点 请设计一个简易的地震仪用来测量车床的床 身 33 振动 实验二十三 压电式传感器测振动实验 一 实验目的 了解压电传感器的测量振动的原理和方法 二 基本原理 压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成 观 察实验用压电加速度计结构 工作时传感器感受与试件相同频率的振动 质量 块 便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上 由于压电效应 压电陶瓷 片上 产生正比于运动加速度的表面电荷 三 需用器件与单元 振动台 压电传感器 检波 移相 低通滤波器模板 压电式传感器实验模板 双线示波器 四 实验步骤 1 压电传感器已装在振动台面上 2 将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的低频输入源插孔 图 7 1 压电式传感器性能实验接线图 34 3 将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端 见图7 1 屏蔽线接地 将压电传感器实验模板电路输出端V01 如增益不够大则V01接入 IC2 V02接入低通滤波器 接入低通滤波器输入端VI 低通滤波器输出V0与示波 器相连 4 合上主控箱电源开关 调节低频振荡器的频率与幅度旋扭使振动台振动 观察示波器波形 5 改变低频振荡器频率 观察输出波形变化 6 用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形 实验二十四 电涡流传感器位移实验 一 实验目的 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性 二 基本原理 通以高频电流的线圈产生磁场 当有导电体接近时 因导电 体涡流效应产生涡流损耗 而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关 因此可以 进 行位移测量 三 需用器件与单元 电涡流传感器实验模板 电涡流传感器 直流电源 数显单元 测微头 铁圆片 四 验步骤 根据图 安装电涡流传感器 图 电涡流传感器安装示意图 35 图 电涡流传感器位移实验接线图 2 观察传感器结构 这是一个扁平绕线圈 将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 的两端插孔中 作为振荡 器的一个元件 传感器屏蔽层接地 在测微头端部装上铁质金属圆片 作为电涡流传感器的被测体 将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi 相接 数显表量程切换开关 选择电压20V 档 用连接导线从主控台接入 15V 直流电源到模板上标有 15V 的插孔中 使测微头与传感器线圈端部接触 开启主控箱电源开关 记下数显表读 数 然后每隔0 2mm 读一个数 直到输出几乎不变为止 将结果列入表8 1 表 8 1 电涡流传感器位移X 与输出电压数据 表 5 2 X mm V v 8 根据表8 1 数据 画出V X 曲线 根据曲线找出线性区域及进行正 负 位移测量时的佳工作点 试计算量程为1mm 3mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度 可以用端基法或其它拟合直线 五 思考题 1 电涡流传感器的量程与哪些因素有关 如果需要测量 5mm 的量程应如 何设计传感器 2 用电涡流传感器进行非接触位移测量时 如何根据量程使用选用传感器 36 实验二十五 被测体材质对电涡流传感器特性影响 一 实验目的 了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响 二 基本原理 涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关 因此不同 的材料就会有不同的性能 三 需用器件与单元 除与实验二十四相同外 另加铜和铝的被测体小圆盘 四 实验步骤 1 传感器安装与实验二十四相同 2 将原铁圆片换成铝和铜圆片 3 重复实验二十四步骤 进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试 分别记入表8 2 和表 8 3 表 8 2 被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据 X mm V v 表 8 3 被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据 X mm V v 4 根据表8 2 和表 8 3 分别计算量程为1mm 和 mm 时的灵敏度和非线性 误 差 线性度 5 分别比较实验二十四和本实验所得结果进行小结 五 思考题 当被测体为非金属材料 如何利用电涡流传感器进行测试 实验二十六 被测体面积大小对电涡流 传感器的特性影响实验 37 一 实验目的 了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形 状 和尺寸有关 二 基本原理 电涡流传感器在实际应用中 由于被测体的形状 大小不同 会导致被测体上涡流效应的不充分 会减弱甚至不产生涡流效应 因此影响电 涡 流传感器的静态特性 所以在实际测量中 往往必须针对具体的被测体进行 静态 特性标定 三 需用器件与单元 直流源 电涡流传感器 测微头 电涡流传感器实验 模板 不同面积的铝被测体 数显单元 四 实验步骤 1 传感器安装见图8 1 与前面静态特性实验相同 2 按照测静态特性实验要求连接好测量线路 3 在测微头上分别用两种不同的被测铝 小圆盘 小圆柱体 进行电涡流 位移特性测定 分别记入表8 5 表 8 5 不同尺寸时的被测体特性数据 X mm 被测体 被测体 4 根据表8 5 数据计算目前范围内二种被测体1 号 2 号的灵敏度 并说明 理由 五 思考题 目前现有一个直径为10mm 的电涡流传感器 需对一个轴直径为8mm 的振 动进行测量 试说明具体的测试方法与操作步骤 实验二十七 电涡流传感器测量振动实验 一 实验目的 了解电涡流传感器测量振动的原理与方法 二 基本原理 根据电涡流传感器动态特性和位移特性 选择合适的工作点 即可测量振幅 38 三 需用器件与单元 电涡流传感实验模板 电涡流传感器 低频振荡器 振动源单元 直流电源 检波 滤波模 块 数显单元 测微头 示波器 四 实验步骤 1 根据图3 5 安装电涡流传感器 注意传感器端面与被测体振动台面 为 铝 材料 之间的安装距离为线性区域内 利用实验二十五中铝材料线性范围 将 电涡流传感器两端插入实验模板标有L 的两端插孔中 屏蔽层接地 实验模板 输 出端接示波器一个通道 接入15V 电源 2 将低频振荡信号接入振动源中的低频输入插孔 一般应避开梁的自振频 率 将振荡频率设置在6 12HZ之间 3 低频振荡器幅度旋钮初始为零 慢慢增大幅度 但振动台面振动时与传 感器端面不应碰撞 4 用示波器观察电涡流实验模板输出端V 波形 调节传感器安装支架高度 读取正弦波形失真最小时的电压峰 峰值 5 保持振动台的振动频率不变 改变振动幅度可测出相应的传感器输出电 压峰 峰值 五 思考题 1 电涡流传感器动态响应好可以测高频振动的物体 电涡流传感器的可测 高频上限受什么限制 2 有一个振动频率为10K 的被测体需要测其振动参数 你是选用压电式传 感器还是电涡流传感器或认为两者均可 3 能否用本系统数显表头 显示振动 还需要添加什么单元 如何实行 实验二十八 电涡流传感器的应用 电子秤实验 一 实验目的 了解电涡流传感器用于称重量的原理与方法 二 基本原理 利用电涡流传感器位移特性和振动台受载时的线性位移 可 以组合成一个称重测量系统 三 需用器件与单元 电涡流传感器 电涡流传感器实验模板 直流源 数 显表单元 振动台 砝码 四 实验步骤 1 传感器安装与实验二十七相同 2 利用实验二十五中铝材料 铝测片 线性范围 调节传感器安装支架高 度 使振动台面与探头之间距离为线性起点 并且使探头尽量远离振动台的中 心 39 磁钢 将线性段距离最近的一点作为零 点记下此时数显表读数 3 在振动台上加砝码从20g 起到 200g 砝码应尽量远离传感器 分别读取 数显表读数记入表8 4 表 电涡流传感器称重时的电压与重量数据 g V v 4 根据表8 4 计算出的该称重系统的灵敏度 注意和前面作电子秤的 实 验比较即可知梁的重复性能 5 在振动台面上放置一未知物记下数显表读数 6 根据实验步骤5 及 4 计算出未知物重量 五 思考题 称重系统中常用的有利用杠杆平衡原理 天平 弹性元件的应力变化 弹性 元件的变形量 位移 还有利用其它原理的称重系统吗 实验二十九 电涡流转速传感器 一 实验目的 了解电涡流传感器测转速的原理与组成 二 基本原理 利用电涡流的位移传感器及其位移特性 当被测转轴的端面 或径向有明显的位移变化 齿轮 凸台 时 就可以得到相应的电压变化量 再 配上相应电路测量转轴转速 本实验请实验人员自己利用电涡流传感器和转 动源 数显单元组建 实验三十 光纤传感器的位移特性实验 一 实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能 二 基本原理 本实验采用的是导光型多模光纤 它由两束光纤组成Y 型光 纤 探头为半圆分布 一束光纤端部与光源相接发射光束 另一束端部与光电 转 换器相接接收光束 两光束混合后的端部是工作端亦即探头 它与被测体相 距 由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来 由另一 束光 纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量 而光电转换器转换的电 压量大 小与间距 有关 因此可用于测量位移 三 需用器件与单元 光纤传感器 光纤传感器实验模板 数显单元 测微 头 直流源 15V 反射面 40 四 实验步骤 1 根据图9 1 安装光纤位移传感器 二束光纤插入实验板上光电变换座孔 上 其内部已和发光管 及光电转换管T 相接 图 9 1 光纤传感器安装示意图 2 将光纤实验模板输出端V01 与数显单元相连 见图9 2 3 调节测微头 使探头与反射平板轻微接触 4 实验模板接入 15V 电源 合上主控箱电源开关 调RW使数显表显示为 零 5 旋转测微头 被测体离开探头 每隔0 1mm 读出数显表值 将其填入表9 1 6 根据表9 1 数据 作光纤位移传感器的位移特性 计算在量程1mm 时灵 敏度和非线性误差 五 思考题 光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求 41 图 9 2 光纤传感器位移实验接线图 表 9 1 光纤位移传感器输出电压与位移数据 X mm V v 实验三十一 光纤传感器测量振动实验 一 实验目的 了解光纤位移传感器动态特性 二 基本原理 利用光纤位移传感器的位移特性和其高的频率响应 配以合 适的测量电路即可测量振动 三 需用器件与单元 光纤位移传感器 光纤位移传感器实验模板 振动源 单元 低频振荡器 动态测量支架 检波 滤波实验模板 数显表 四 实验步骤 1 光纤传感器安装见图3 5 光纤探头对准振动台的反射面 2 根据实验三十的结果 找出线性段的中点 通过调节安装支架高度将光 纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点 大致目测 3 在图9 2 中 V01与低通滤波器模板VI相接 低通输出V0接到示波器 4 将低频振荡器幅度输出旋转到零 低频信号输入到振动源单元中的低频输 入 5 将频率档选择在6 10HZ左右 逐步增大输出幅度 注意不能使振动台面 碰到传感器 保持振动幅度不变 改变振动频率 观察示波器波形及峰 峰值 保持振动频率不变 改变振动幅度 但不能碰撞光纤探头 观察示波器波形及 峰 峰值 五 思考题 42 试分析电容式 电涡流 光纤三种 传器测量振动时的应用及特点 实验三十二 光纤传感器测速实验 一 实验目的 了解光纤位移传感器用于测量转速的方法 二 基本原理 利用光纤位移传感器探头对旋转体被测物反射光的明显变化 产生的电脉冲 经电路处理即可测量转速 三 需用器件与单元 光纤传感器 光纤传感器实验模板 数显单元测转速 档 直流源 15V 转速调节2 24V 转动源单元 四 实验步骤 1 将光纤传感器按图5 4 装于传感器支架上 使光纤探头与电机转盘平台中 反射点对准 2 按图9 2 将光纤传感器实验模板输出V01与数显电压表VI端相接 接上 实验模板上 15V 电源 数显表的切换开关选择开关拨到2V 档 用手转动圆 盘 使探头避开反射面 暗电流 合上主控箱电源开关 调节RW使数显表显示 接近零 再用手转动圆盘 使光纤探头对准反射点 调节升降支架高 低 使数显表指示最大 重复 步骤 直至两者的压差值最大 再将V01与 转速 频率数显表Fin输入端相接 数显表的波段开关拨到转速档 3 将转速调节2 24V 接入转动电源24V 插孔上 使电机转动 逐渐加大 转速源电压 使电机转速盘加快 固定某一转速观察并记下数显表上读数 n1 4 固定转速电压不变 将选择开关拨到频率测量档 测量频率记下频率读 数 根据转盘上的测速点数折算成转速值n2 5 将实验步骤4 与实验步骤3 比较 以转速n1作为真值计算二种方法的测 速误差 相对误差 相对误差r n1 n2 n1 100 五 思考题 测量转速时转速盘上反射 或吸收点 的多少与测速精度有否影响 你可以 用实验来验证比较转盘上是一个黑点的情况 实验三十三 光电转速传感器的转速测量实验 一 实验目的 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法 二 基本原理 光电式转速传感器有反射型和直射型二种 本实验装置是反 射型的 传感器端部有发光管和光电管 发光管发出的光源在转盘上反射后由 光 43 电管接受转换成电信号 由于转盘有黑 白相间的12 个间隔 转动时将获得与转 速及黑白间隔数有关的脉冲 将电脉计 数处理即可得到转速值 三 需用器件与单元 光电转速传感器 5V 直流电源 转动源单元及转速 调节2 24V 数显转速 频率表 四 实验步骤 1 光电转速传感器安装如图5 4 所示 在传感器支持架上装上光电转速传 感 器 调节高度 使传感器端面离平台表面2 3mm 将传感器引线分别插入相应插 孔 其中棕色接入直流电源 5V 黑色为接地端 兰色输入主控箱Fin 转速 频 率表置 转速 档 2 将转速调节2 24V 接到转动源24V 插孔上 3 合上主控箱电源开关 使电机转动并从转速 频率表上观察电机转速 如显示转速不稳定 可调节传感器的安装高度 五 思考题 已进行的实验中用了多种传感器测量转速 试分析比较一下哪种方法最简单 方便 实验三十四 利用光电传感器测转速的其它方案 学生可以利用直射式光电转速传感器进行实验 需要制作透光型转速盘 44 实实验验三三十十五五 集集成成温温度度传传感感器器的的特特性性实实验验 一 实验目的 了解常用的集成温度传感器基本原理 性能与应用 二 基本原理 集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一 芯片上 它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出 一般用于 50 150 之间温度测量 温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时 晶体管的基极 发射极电压与温度成线性关系 为克服温敏晶体管生产时Ub的离散性 均采用 了特殊的差分电路 集成温度传感器有电压型和电流型二种 电流输出型集成 温 度传感器 在一定温度下 它相当于一个恒流源 因此它具有不易受接触电 阻 引线电阻 电压噪声的干扰 具有很好的线性特性 本实验采用的是国产的 AD590 它只需要一种电源 4V 30V 即可实现温度到电流的线性变换 然 后在终端使用一只取样电阻 本实验中为R2 1K 见图 11 1 即可实现电流到电压 的转换 它使用方便且比电压型的测量精度更高 使用范围 50 150 温 度系数 1 A 三 需用器件与单元 热电偶 温度控制单元 温度源单元 集成温度传感 器 温度传感器实验模板 数显单元 45 图 11 1 集成温度传感器实验原理图 四 实验步骤 1 注意 首先根据实验台型号 仔细阅读 温控仪表操作说 学会基本参 数 设定 2 将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中 将 型热电偶 自由端引线插入主控面板上的热电偶E 插孔中 红线为正极 黑色为负 注意 热电偶护套中已安置了二支热电偶 型和E 型 蓝色为正 绿色为负 它们热 电势值不同 从热电偶分度表中可以判别 型和 型 型热电势大 热电偶 3 将加热器的220V 电源插头插入主控箱面板上的220V 控制电源插座上 4 将主控箱的风扇源 2 24V 与三源板的冷风扇对应相连 电机转速电压旋 至 最大 5 将集成温度传感器加热端插入加热源的另一个插孔中 尾部红色线为正 端 插入实验模板的a 端 见图11 1 另一端插入b 孔上 a 端接电源 4V b 端与电 压表 Vi 相接 电压表量程置200mv 档 6 合上电流开关和加热源开关 设定温度控制值为50 当温度控制有50 时开始记录电压表读数 重新设定湿度值为50 n t 建议 t 50 n 1 10 每隔1n 读出当数量显表输出电压与温度值 记下数显表上相应读数 记入表11 1 7 由表11 1 数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差 T V MV 五 思考题 大家知道在一定的电流模式下PN 结的正向电压与温度之间具有较好的线性 关系 因此就有温敏二极管 你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极 管 在 50 100 之间 作温度特性 然后与集成温度传感器相同区间的温度特 性进 行比较 从线性看温度传感器线性优于温敏二极管 请阐明理由 46 附附 一一 温温控控仪仪表表操操作作说说明明 1 功能的调出顺序 仪表通电后 上排显示INP 下排显示分度号 E 或 表示输入类型 经过 4 秒钟后 上排显示400 下排显示0 表示测量范围 再经过4 秒钟后 上排显示测量值 下排显示设定值 进入正常工作状态 温度的设定 按键 上排显示SP 按 或 键 使下排显示为所需要的 值 再按键回到标准模式 控制参数的设定 按键 4 秒钟以上 上排显示控制参数的提示符 详见控 制参数一览表 按 或 键 使下排显示为所需要的值 继续按键 上排依 次显示各参数的提示符 按 或 键 使各控制参数为所需要的值 再按键 4 秒钟以上 回到标准模式 无键按下 分钟后自动返回到标准模式 若红色显示的下边出现0000 则说明热电偶接反 上边出现0000 则说明热电 偶开路或温度超过测量范围 仪表控制参数的自整定功能 按 键 20 秒后 AT 类闪烁 仪表开始自整定 温度经过一到二次波动后自整定结束 AT 灯灭 仪表将以新的控制参数进行控 制 并永远保存 2 各功能参数一览表 提示符名 称设定范围说 明出厂值 AL 报警设定 100 400 报警点设定 当AL 0 时为上限报警 当 AL 0 时为下限报警 输出状态自动 翻转 实际报警点 SP AL 50 rT 测量值修正 100 100 用于修正由热电偶 补偿导线所产生的 测 量误差 0 过 冲 抑 制 0 100 减小Ar 能减小温度过冲 当 SP 改变时 Ar 需重新设定 自整后Ar 重新确定 并根据 SP 动调整 P 0 时 Ar 为控制不灵敏区 Ar 0 为 0 4 100 47 Ar P 比例范围0 400 比例作用调节 P 越大比例作用越小 系统 增益越低 P 太大 达到设定值的时间太长 P 太小 温度出现波动 25 T 控制周期1 100 秒 继电器输出不小于20 秒 外接固态继电器 或可控硅的仪表 T 取 3 各处 20 3 Cr 系统常量1 999 与加热对象的功率 升温时间 热电偶 的 位置 仪表的比例范围等多种因素有 关 一般惯性大的现象Cr 应大一些 72 LC 密码锁0 2 LC 0 所有参数匀能修改 LC 1 只能修改 给定值 SP LC 2 有参数匀不能修改 0 3 面板布置说明 48 附附 二二 温温控控仪仪表表操操作作说说明明 1 通电前检查接线正确无误 感温元件与仪表分度号一致 仪表通电5S 内显示窗先显示PV 窗输出代码 SV 窗同输出代码 后显示PV 窗量程上限 SV 量程下限 随后即进入工作状态 按 SET 键 0 5 秒 SV 显示窗闪烁 此时可改变设定 值 再按SET 键 0 5 秒确认 如需修改其它参数 必须按住SET 键大于3 秒 即进入 B 菜单 可按要求逐一修改内容 见操作流程表 修改完毕再按SET 键 0 5 秒若干下 退出 B 菜单 如 15 秒内无键按下 该窗内新设置的数据无效 自动进入新的工作状 态 2 在输入信号大于量程上限时 仪表显示 在输入信号小于量程 下限时 仪表显示 3 当温度控制效果不够理想时 可以通过人工或自整定来改变PID 参数 操 作方法如下 人工修正 将仪表进入菜单至 窗 再用 键来修正P 值 再按SET 键 0 5S 进入 I 窗 I D T 的修正方法同上 然后再按SET 键 0 5S 若 干下返回正常工作状态 即开始新的PID 参数 自整定修正 将仪表进入B 菜 ATU 窗后选择 1 选 0 时为不自整定 选好按SET 键确认后仪表即进入自整 定状态 同时AT 灯亮 待自整定完成AT 灯闪时再按SET 键 2 秒确认后即按新 的自整定PID 参数工作 用自整修正PID 值时应注意当负载为多段串联加热方式 如挤出机械 其中某段进入自整定过程时 应心意一保持前拍二段的温度不变 否则会影响自整定效果 4 PID 参数的设置原则 P 为比例带 加热侧 如过冲大可加大比例带 如希升 温快可减小比例带 I 为积分时间 如温度波动较大则加长积分 反之则减小 积 分 一般来说系统滞后现象越严重 积分时间越长 D 为微分时间 一般取积分 时间的 1 5 1 4 5 PID 控制与位式控制功能的切方法 若需把仪表切换成位工控制 常规仪 表出厂设置均为PID 控制 政党工作状态仪表按住SET 键 3S 以上进入B 菜单 后 再按SET 键 0 5S 若干下至P 窗 把 P 设为 0 后按 SET 键若干下至T 窗 把 T 设为 1 即进入位式控制 其控温范围 切换差 可通过改变dP 值来实现 位式控制 时的dP 值举例 SV 100 时 设dP 12 5 则实际输出控制范围为87 5 112 5 若需返回至PID 控制时 把 P 值还原即可 PID 控制适用于 高精度控温场S 合 系统配置稳定合理可达 1 个字精度 位式控制适用于控制 某 49 一段范围内的温度 6 进入C 菜单的设置方法 C 菜单因仪表功能不同而有所不同 非专业人 士及无特殊情况下请勿进入C 菜单 先进入B 菜单的ATU 窗后同时按住 键 0 5 秒至 PV 窗显示L 可设置量程下限 再按SET 键 0 5 秒 PV 窗显示H 可 设置量程上限 按 SET0 5 秒 PV 窗显示LP LP 下冲限 常规值2 6 按 SET0 5 秒 PV 窗显示L1 在 L1 值内无开机及设定后默认值 常规6 10 按 SET0 5 秒 PV 窗显示A 在SV 窗选1 或 0 选 1 时为绝对值报警 报警设定值 报警输出值 选 0 时 偏差值报警 主控值 报警设定值 报警输出值 当测量值 低于下限报警输出值时ALM 灯亮下限继电器吸合 高于上限报警输出值时ALM 灯亮 上限继电器吸合 再按SET0 5 秒 PV 窗显示I I 常规3 内大控制快 按 SET0 5 秒 PV 窗显示E E 为抗干扰等级 0 常规 1 加强 按SET0 5 秒 PV 窗显示P P 30 100 为输出最大功率限制 按SET0 5 秒即进入新的工作状 态 7 若控温失常请检查仪表参数是否被误修改 传感器部分是否失效 按键 不起作用 请检查LCK 键是否被锁定 8 操作流程表 50 实实验验三三十十六六 热热电电阻阻测测温温特特性性实实验验 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在 0 630 74 以内 电阻 Rt 与温度 t 的关系为 Rt R0 1 At Bt2 R0系温度为 0 时的电阻 本实验 R0 100 At 3 9684 10 2 Bt 5 847 10 7 2 铂电阻现是三线连接 其中一端接二根引线主要为消除引线电 阻对测量的影响 三 需用器件与单元 加热源 K 型热电偶 Pt100热电阻 温度控制单元 温度传感器实验模板 数显单元 万用表 四 实验步骤 1 同实验三十五 步操作 2 将 Pt100铂电阻三根线引入 Rt 输入的 a b 上 用万用表欧姆档测出 Pt100三根线中其中短接的二根线接 b 端 这样 Rt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 图 11 5 热电阻测温特性实验 51 3 在端点 a 与地之间加直流源 2V 合上主控箱电源开关 调 Rw1使电桥 平衡 即桥路输出端 b 和中心活动点之间在室温下输出为零 4 加 15V 模块电源 调 Rw3使 V02 0 接上数显单元 拨 2V 电压显示 档 使数显为零 5 设定温度值 50 将 PT100 探头插入加热源另一个插孔中开启加热开关 待温度控制在 50 时记录下电压表读数值 重新设定温度值为 50 n t 建议 t 5 n 1 10 每隔 1n 读出数显表输出电压与温度值 将结果填入下表 11 2 表 11 2 t V mv 6 根据表 11 2 值计算其非线性误差 五 思考题 如何根据测温范围和精度要求选用热电阻 实实验验三三十十七七 热热电电偶偶测测温温性性能能实实验验 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 如二个接点有温度差 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 0 25 三 需用器件与单元 热电偶 K 型 E 型 加热源 温度控制仪 数显单 元 四 实验步骤 1 将热电偶插到温度源插孔中 K 型的自由端接到面板 Ek端作标准传感 器 用于设定温度 2 将 E 型热电偶自由端接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的 a b 孔上 参见 11 5 热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正 端 52 3 将 R5 R6端接地 打开主控箱电源开关 将 V02与数显表单元上的 Vi 相接 调 Rw3使数显表显示零位 主控箱上电压表波段开关拨到 200mV 打开 面板上温控开关 设定仪表控制温度值 T 50 4 去掉 R5 R6接地线 将 a b 端与放大器 R5 R6相接打开温控开关 观 察温控仪指示的温度值 当温度控制在 50 时 调 Rw2 对照分度表将信号放 大到比分值大 10 倍的指示值以便读数 并记录下读值 5 重新设定温度值为 50 n t 建议 t 5 n 1 10 每隔 1n 读出数显表输出电压与温度值 并记录表 11 3 T n t V mv 6 根据表 11 3 计算非线性误差 附 分度表 温度 测量元件 50050100150200300400500600800120014001600 1800 E mv 03 047 6 317 9 787 13 41921 03328 94336 99945 08561 066热 电 偶 K mv 02 022 4 095 6 137 8 137 12 027 3 261 4 234 5 23 7 7 345 11 94714 36816 771 Cu50 39 24 5060 771 4 82 13 热 电 阻 Pt100 80 3 100 119 4 138 5 157 31175 84212 02247 04280 90313 59375 57 五 思考题 1 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 2 能否用 AD590 设计一个直接显示摄氏温度 50 50 数字式温度计 并利用本实验台进行实验 53 实实验验三三十十八八 热热电电偶偶冷冷端端温温度度补补偿偿实实验验 一 实验目的 了解热电偶冷端温度补偿的原理与方法 二 基本原理 热电偶冷端温度补偿的方法有 冰水法 恒温槽法和自动 补偿法 电桥法 常用的是电桥法 图 11 6 它是在热电偶和测温仪表之间接 入一个直流电桥 称冷端温度补偿器 补偿器电桥在 0 时达到平衡 亦有 20 平 衡 当热电偶自由温度升高时 0 热电偶回路电势 Uab下降 由于补偿器中 PN 呈负温度系数 其正向压降随温度升高而下降 促使 Uab上升 其值正好补 偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势 达到补偿目的 三 需用器件与单元 温度传感器实验模板 热电偶 冷端温度补偿器 外接直接源 5V 15V 四 实验步骤 1 按实验三十五 步操作 2 温度控制仪表设定温度值 50 3 将 K 型热电偶置于加热器插孔中 自由端接入面板 Ek端 并接入数字 电压表 电压表量程置 200mv 合上主控箱加热源开关 使温度达到 50 记 下此时电压表 K 型热电偶的输出热电势 V1 并拆去与电压表的联线 54 图 11 6 冷端温度补偿原理图 4 保持工作温度 50 不变 将冷端温度补偿器 0 上的热电偶 K 型 插 入加热器另一插孔中 在补偿器 4 端 3 端加补偿器电源 5V 使冷端补偿器 工作 并将补尝器的 端接入数字电压表 读取数显表上数据 V2 5 比较 V1 V2二个补偿前后的数据 根据实验时的室温与 K 型热电偶分 度表 计算因自由端温度下降而产生的温差值 五 思考题 此温度差值代表什么含义 实实验验三三十十九九 气气体体流流量量的的测测