成信工传感器与检测技术实验指导02多传感器的工程检测综合实验

PAGE实验二多传感器工程检测综合实验（Ⅰ）实验目的通过本实验，让学生熟悉几种传感器的结构和工作原理；让学生掌握自动生产线上多种传感器实际应用方法、检测系统的组成和工作过程。实验原理利用环形输送线试验模型，，模拟自动生产线上物料的输送、检测工作。图1是该实验台的结构图，由外壳、链板（测试物品的载板）、链条、链轮、直流电机、传感器支架、链条张紧装置、传动装置、6个测试样品（金属、塑料各三个，三种颜色）和传感器组成。其运行线速度为：4～5cm/s（12V）；1.6~2.2cm/s（5V）。图1图1环形输送线试验模型结构图环形输送线试验台可以引入：光电对射传感器检测速度、红外传感物品计数、电涡流传感金属物体识别、超声波传感物体测距、色差传感颜色识别、应变传感物体质量测量实验、霍尔传感工位定位实验等实验。三、实验仪器设备和器材1．计算机１台；2．检测软件DRVI1套；3．环形输送线试验台1个；4．USB数据采集器1台；5.多种传感器一套.四、实验要求预习要求：实验前，要阅读、理解实验指导书的实验原理，熟悉实验内容。2.实验内容：（1）物体检测：可选用红外反射式传感器（DRHF-12-A）检测物体。红外反射式传感器及反光板的安装在支架上，使传感器的下边沿平行于输送线的顶盖板。反光板固定在传感器发射面的前面，使反光面中心正对着传感器。开动环形输送线，当测试样品随链板运动经过传感器时，由于物体遮挡了红外线的反射，传感器会输出一个跳变的信号。图2红外反射式传感器物体检测（2）金属物体检测：可选用电涡流接近开关进行测量，探测距离一般<20mm。在进行实验之前，传感器探头与被测物体之间的距离调整到5～10mm。链板拖动被测物体经过传感器探头前面，当金属材质（铝）的物体经过探头时，传感器会输出跳变的信号。图3电涡流接近开关金属物体检测（3）输送线运行速度测量：可选用红外对射式传感器测量速度。如图4所示，红外对射式传感器的发射和接收窗口被固定在传动链条的两侧，当链条在电动机的拖动下运动时，链条的滚子会有规律的遮挡传感器发出的红外线，在传感器的输出端上就会得到连续的脉冲。由于链条的滚子之间的距离（即节距）相等，（节距：d=12.7mm）所以测得传感器输出的脉冲频率（F），就可以推算出链条的运动速度S[S=d*F（mm/s）]。图4红外对射传感器运动速度测量原理示意图说明：红外对射式传感器安装在环形输送线的链板的下面，在输送线上部观察不到该传感器，使用时也不需要进行调整。由于链条的运行速度比较慢：16～50mm/s；对应传感器测量信号频率大约是1.26～3.94Hz。因此，采样频率参数不能设置得过高，可根据采样长度(1024)内包含至少2个脉冲周期来确定采样频率。（4）色差传感器物体表面颜色识别实验：选用色差识别传感器使用的是红外反射式色差传感器，工作原理是依据不同颜色的物体表面对红外线的吸收率和反射率。在相同的测试距离上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。因此，可以根据物体对红外线的反射率来判断物体的表面颜色。在标准测试距离上，随环形输送线提供的三种测试颜色样品。注意：在传感器的使用过程中请注意探头和被测物体表面的清洁，根据光的吸收与反射定律，如果被测物体表面有污物，会影响光的反射，也就是影响测量精度。另外避免光源直射传感器端面或测试样品，否则也会影响测试结果。（5）工件位置测定：选用霍尔传感器检测到磁钢经过传感器时磁场的变化，输出脉冲信号。当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出”这些磁钢。图5霍尔传感器定位原理图实验步骤1．系统安装：（1）关闭DRDAQ-USB型数据采集仪电源，将选用的传感器分别安装在实验模型上，并连接到采集仪的数据采集通道上，与计算机相连接。（2）弄清系统结构和工作原理，画出实验平台的结构图。(禁止带电插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器)2．系统调试运行：（1）开启DRDAQ-USB型数据采集仪电源。（2）运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。在DRVI地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“环形输送线试验”，建立实验环境。3．具体实验步骤：ⅰ、物体计数与铁磁物体计数（1）在菜单中选择“物体（铁磁物体）计数实验”（2）在环形传送线实验台上，找出红外反射式传感器和电涡流接近开关传感器，并找出对应的采集通道。（3）对比通道与实验平台的通道一致否，若一致，进行下一步实验。（4）按一定的间距摆放5个色块，并使色块位置位于传送带的中间。（5）按下实验平台中软“运行”、“复位”键。让传送线运行2圈，记录所测得色块总数和铁磁色块数。并与实际的数目比较。ⅱ、输送线运行速度测量（1）在菜单中选择“输送线运行速度实验”（2）在环形输送线实验台上，找出红外对射传感器的采集通道。（3）对比通道与实验平台上的通道一致否，若一致，进行下一步实验。（4）在12V的运行线的输入电压情况下，按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。（5）将12V换为5V的输入电压，注意：在老师检查完以后才能运行输送线。按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。有条件的同学可以改变采样率，进行测量。ⅲ、工件定位（运行速度）测量（1）在菜单中选择“工件定位实验”（2）在环形输送线实验台上，找出霍尔传感器和它的采集通道。（3）对比通道与实验平台上的通道一致否，若一致，进行下一步实验。（4）在12V的运行线的输入电压情况下，按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。（5）将12V换为5V的输入电压，注意：在老师检查完以后才能运行输送线。按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。有条件的同学可以改变采样率，进行测量。（6）比较霍尔传感器和红外对射传感器的测量结果。ⅳ、颜色识别实验（可选）。（1）在菜单中选择“颜色识别实验”（2）在环形输送线实验台上，找出红外反射式色差传感器和它的采集通道。（3）对比通道与实验平台上的通道一致否，若一致，进行下一步实验。（4）按下实验平台中软“运行”键。观察不同颜色通过时它的识别情况。实验报告要求实验报告除填写“实验目的”外，在内容栏应主要包括如下几部分：“实验系统硬件结构”描述；（要求图文并茂，包括各种传感器应用原理、电路图、整个系统结构图，并有对应的文字说明。）“调试过程和实验结果”记录；（逐项记录调试过程、结果分析）“实验数据处理分析”；（对实验数据统计、整理，将实验结果用图表和文字进行分析，并给出结论。）“其他”；可以提出该实验存在的问题、本人尚不明白的问题、建议和意见等。

实验二多传感器的工程检测综合实验（Ⅱ）一、实验目的 1．掌握磁电、光电等各种传感器的工作原理；利用以上传感器进行振动、速度等参数的测量，并采用适当的信号分析方法对测量结果进行分析和显示。2．结合本实验项目，掌握检测系统的结构和组成，并熟悉振动、速度、轴心轨迹等物理量的测量和工程应用方法。二、实验台简介多功能转子实验台较好地模拟大型设备（如机床）运行时候的工作状态，提供了振动、转速等测试对象，可以开设磁电、光电、压电等多种传感器的综合实验。利用不同的传感器，可以对同一个物理量，采用多种方式测量，再现了实际工程应用中物理量的工程测试方法。转子实验台由以下几个部分组成：1底座、2主轴、3偏心飞轮、4直流电机、5主轴支座、6含油轴承及油杯、7电机支座、8连轴器及护罩、9RS9008电涡流传感器支架、10磁电转速传感器支架、11测速齿轮(15齿)、12保护挡板支架，如图1所示。图1DRZZS-A型多功能转子试验台传感器安装位置示意图主要技术指标为：可调转速范围：0~2500转/分，无级；电源：DC12V；主轴长度：500mm；主轴直径：12mm；外形尺寸：640×140×160mm；重量：12.5kg。三、实验原理1、转子实验台底座振动测量实验机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。机械振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故，因此有必要进行机械结构的振动分析和振动测试。对于转子实验台的振动，可以采用磁电速度传感器和压电加速度传感器进行测量。将带有磁座的速度和加速度传感器放置在试验台的底座上，如图2所示。图2加速度和速度传感器振动测量图2加速度和速度传感器振动测量1）采用磁电速度传感器的振动测量：磁电速度传感器是由一个线圈组件和壳体组成的。如图3所示，壳体中固定有磁铁，线圈组件用弹性元件悬挂在壳体上。工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样当振动体振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。图3磁电式振动速度传感器结构示意图图3磁电式振动速度传感器结构示意图2）采用压电加速度传感器测量：根据压电效应，当晶体受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。2、实验台转速测量对于转子实验台的转速，可以分别采用光电转速传感器和磁电转速传感器进行测量。1）采用光电传感器测量：将反光纸贴在圆盘的侧面，使其前面的红外光源对准反光纸，使在反光纸经过时传感器的探测指示灯亮，反光纸转过后探测指示灯不亮。当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n。图4反射式光电转速传感器2）采用磁电传感器测量：图4反射式光电转速传感器图5磁电转速传感器的工作方式将磁电传感器安装在转子实验台上专用的传感器架上，如图5所示。使其探头对准测速用15齿齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离，使测试距离为1mm。齿轮在旋转过程会导致磁阻的改变，从而导致输出信号的变化。在已知齿轮齿数的情况下，测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。如设齿轮齿数为N，转速为n，脉冲频率为f，则有：n=f/N。通常，转速的单位是转/分钟，所以要在上述公式的得数再乘以60，才能转速数据，即n=60×f/N。图5磁电转速传感器的工作方式3、轴心轨迹测量电涡流传感器一般由探头、延伸电缆、前置器组成，如图6所示。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当有被测金属体靠近这一磁场，在此金属表面产生电涡流，其大小与探头和金属物体的距离等参数有关。与此同时该电涡流将产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，使头部线圈的电感量发生改变，导致振荡器的振荡能力衰减，传感器将输出跳变的信号。图6图6电涡流传感器基本工作系统将两个电涡流位移传感器探头安装到实验台支架上，如图7所示。转子工作时，主轴的轴心会在偏心飞轮的带动下会发生偏移，改变了探头和轴心之间的距离，则传感器的输出信号就反应了轴心的位置变化情况。实验中，让两个传感器相互成90度，则它们所测量的就是轴心在两个垂直方向(X,Y)上的瞬时位移，合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。图7轴心轨迹测量四、实验仪器设备和器材图7轴心轨迹测量1．计算机１台2．检测软件DRVI1套3．转子实验台1个4．USB数据采集器1台五、实验要求预习要求：阅读、理解实验指导书的实验原理，并思考回答以下问题：a)为什么磁电传感器能用来测量转速？b)对比光电转速传感器和磁电转速传感器的测量结果，哪个的精度更好？为什么？c)在轴心轨迹测量中，什么状态下轴心的位置是良好的，这时候的输出波形是什么？2.实验内容：利用不同的传感器对振动、转速等物理量进行测量，并对比相同物理量用不同传感器所得的测量结果。3．注意事项：a)轴心轨迹测量中，两个传感器探头到主轴的距离应调为约1.6mm，目的是使从前置器输出的信号刚好为0（mV）。b)光电转速测试中，测量信号不好的情况下，应适当调整光电传感器的位置，传感器探头一般放置在被测物体前2～3cm，必要时可调节传感器后部的敏感度电位器。六、实验步骤第一步搭建“检测系统”硬件平台关闭DRDAQ-USB型数据采集仪电源，将选用的传感器、信号预处理模板等连接到采集仪的数据采集通道上。(禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器)开启总电源、DRDAQ-USB型数据采集仪电源、直流电源以及将模块电源选择选择在第一模块上，如都显示绿灯，进行下一步实验。第二步启动相应的数据采集与处理软件，熟悉其软件结构、界面内容和使用方法运行“DRVI”主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测（USB）”进行软件注册。点击DRVI工具条上的“脚本样例”图标，在菜单中选择“转子实验台[服务器]”。在实验“菜单”栏选择“速度传感器振动测量实验（服务器）”，得到软件测试环境。6.启动转子实验台，调整到一个稳定的转速，点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，改变电机转速，并分快、中、慢三种情况，记录实验结果。7.在实验“菜单”栏选择“加速度传感器振动测量实验（服务器）”，得到软件测试环境。8.点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，9.分别点击“原始信号”和“低通滤波”，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况，改变电机转速，分快、中、慢三种情况