自动检测技术与仪表控制系统实验指导书

1、自动检测技术与仪表控制系统自动检测技术与仪表控制系统 实验指导书实验指导书 自动化学院自动化学院 测控技术与仪器教研室测控技术与仪器教研室 2009-9-1 实验指导书使用说明实验指导书使用说明 本实验指导书适用于测控技术与仪器专业的自动检测技术与仪表控制系 统实验单元 。本实验单元共 8 学时，预计开设实验 3 个，其中有两个验证型实 验，一个设计型实验。实验一中 3 个实验任选做其一，实验二、三为必做实验。 该指导书是基于 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台，并参照CSY2000 传感器与检测技术实验台实验指南编写的。 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台简介系列传感器与检测

2、技术实验台简介 一、实验台组成一、实验台组成 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台由主控台、三源板（温度板、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、2V10V 可调、 2V24V 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）0.4KHz10KHz（可调） ；低频信 号源（低频振荡器）1Hz30Hz(可调)；气压源 015kpa 可调；高精度温度控 制仪表（控制精度0.5） ；RS232 计算机串行接

3、口；流量计。 2、三源板：装有振动台 1Hz30Hz（可调） ；旋转源 02400 转/分（可调） ；加热源200（可调） 。 3、传感器：基本型传感器包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、 差动变压器、电容式传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转 速传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、光线位移传感器、光电转速传 感器、集成温度传感器、K 型热电偶、E 型热电偶、Pt100 铂电阻，共十五个。 增强型部分：可增加湿敏传感器、气敏传感器、PSD 位置传感器、扭矩传 感器、超生位移传感器、CCD 电荷耦合器件、光栅位移传感器等七种传感器和 冲击实验台。 4、实验模块部分：普通型

4、有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、 压电式、电涡流、光线位移、温度、移相/相敏检波/滤波十个模块。增强型还增 加 PSD、扭矩、超声波、CCD、光栅、冲击实验六个模块。 5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用 12 位 A/D 转换、采样速度 1500 点/秒，采样速度可以选择，既可单采样亦能连续采样。标准 RS232 接 口，与计算机串行工作。提供的吹了软件有良好的计算机显示界面，可以进行 实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。 6、实验台桌尺寸位 1600800280（mm） ，实验台桌上预留计算机及示 波器安放位置。 二、传感器的简要特性（参考

5、值）二、传感器的简要特性（参考值） 目目 录录 实验一 传感器测量特性实验 .1 实验实验 1 霍尔测速实验霍尔测速实验.1 实验实验 2 被测体材质对电涡流传感器特性影响被测体材质对电涡流传感器特性影响.3 实验实验 3 热电阻测温特性实验热电阻测温特性实验.6 实验二 电子秤实验.8 实验三 温度控制系统设计实验.9 附件 1 直流全桥的应用 .10 附件 2 霍尔传感器应用 .12 附件 3 电涡流传感器的应用.13 附件 4 集成温度传感器的特性实验 .14 实验一实验一 传感器测量特性实验传感器测量特性实验 实验实验 1 霍尔测速实验霍尔测速实验 一实验属性一实验属性 霍尔测速实验是

6、一个验证性实验。 二二 实验目的实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 三基本原理三基本原理 利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测圆盘上装上 N 只磁性体时，圆盘 每转一周，磁场就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势 通过放大、整形和计数电路后就可以测量被测旋转物的转速。 四需用器件与单元四需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流源+5V、转速调节 224V、转动源单元、数显单元的 转速显示部分。 五实验步骤五实验步骤 1根据图 1-1，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面上 的磁钢。 图 1-1 霍尔转速传感器安装示意图 2将 5V 直流电源加于霍尔元件电源输

7、入端（红色） 。 3. 将霍尔转速传感器输出端插入数显单元 Fin 端（黄色） 。 4. 将转速调节中的 2V24V 转速电源引入到台面上转动单元中转动电源 2V24V 插孔。 5. 将数显单元上的波段开关拨到转速档，此时数显表旁转速指示灯亮。 6. 调节转速调节电压使转动速度变化。观察并记录数显表转速显示的变化， 将实验数据填入表 1-1。 表 1-1 驱动电压与转速记录数据 电压 转速 六测速比较实验六测速比较实验 应用磁电式转速传感器进行测速实验，与霍尔测速实验结果进行比较，比 较二者的测量精度，分析误差产生的原因。 七作业与思考题七作业与思考题 1利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

8、 2本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？ 3为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动？ 实验实验 2 被测体材质对电涡流传感器特性影响被测体材质对电涡流传感器特性影响 一、实验属性一、实验属性 该实验是一个验证性实验。 二、二、 实验目的实验目的 了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。 三、基本原理三、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。 四、需用器件与单元四、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、铜圆片和铝圆片。 五、实验步骤五、实验步骤 1.根据图 1-2、图 1-3

9、安装电涡流传感器； 2. 观察传感器结构； 3. 将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L 的两端插孔中，作为振 荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地） ； 4. 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； 5. 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； 6. 用连接导线从主控台接入 15V 直流电源导模板上，标有15V 的插孔 中； 7. 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，知道输出几乎不变为止。将结果填入 表 1-2； 8. 将原铁圆片换成铝圆片和铜圆片，重复上述

10、实验步骤，并把结果填入表 1-3、1-4 中。 9. 根据数据画出 V-X 曲线，并根据曲线找出线性区域及进行正负位移测 量时的最佳工作点。 图 1-2 电涡流传感器安装示意图 图 1-3 电涡流传感器位移实验接线图 表 1-2 被测体为铁圆片时的位移与输出电压数据 X(mm) V(v) 表 1-3 被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据 X(mm) V(v) 表 1-4 被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据 X(mm) V(v) 六、思考题六、思考题 1. 电涡流传感器的量程与哪些因素有关？ 2. 用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用所选传感器？ 实验实验 3 热电阻测温特性实

11、验热电阻测温特性实验 一、实验属性一、实验属性 该实验是一个验证性实验。 二、二、 实验目的实验目的 了解热电阻的特性与应用。 三、基本原理三、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，铂电阻在 0630.74以内，电阻 Rt 与温度 t 的关系为： )1 ( 2 0ttt BARR R0系温度为 0时的电阻。本实验 R0100，At3.9684102/， Bt5.847107/2，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。 四、需用器件与单元四、

12、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。 五、实验步骤五、实验步骤 1. 将 Pt100热电阻三根线引入 Rt 的 a、b 上，用万用表欧姆档测出三根线中 其中短接的二根线接 b 端和 R5端。这样 Rt与 R3、R1、RW1、R4组成直 流电桥，是单臂电桥工作形式。 、RW1中心活动点与 R6相接，见图 1- 4。 图 1-4 热电阻测温特性实验 2. 在端点 a 与地之间加直流源 4V，合上主控箱电源开关，调 RW1使电桥 平衡，桥路输出端 b 和中心活动点之间在室温下输出为零。 3. 加15V 运放电源，调 RW3使

13、U020，接上数显单元，拨 2V 电压显示 档，使数显为 0。 4. 在常温基础上，将设定温度值可按 t5读取数显表值。将结果填入 下表 1-5，关闭电源主控箱电源开关。 5. 根据表 1-5 值计算其非线性误差。 表 1-5 铂电阻热电势与温度值 t() V(mV) 六、思考题六、思考题 如何根据测温范围和精度要求选择热电阻？ 实验二实验二 电子秤实验电子秤实验 一、实验属性一、实验属性 电子秤实验是一个验证型实验。 二、二、 实验目的实验目的 通过理论课程的学习之后，应用已有的传感器及仪表系统的相关知识，利 用实验室现有的传感器，自行设计一个完整的电子秤，验证传感器的输出特性， 并掌握仪器

14、仪表设计的基本步骤。 三、实验要求三、实验要求 1了解霍尔传感器、电涡流传感器和应变片的特性和工作原理； 2分别应用三种传感器设计电子秤； 3按照实验步骤，记录实验结果； 4比较三种电子秤的测量精度，分析误差产生的原因。 四、思考题四、思考题 1. 该电子秤系统所加重量受到什么限制？ 2. 分析该系统的误差。 3. 除了利用传感器设计电子秤之外，还有其他方法设计电子秤吗？ 实验三实验三 温度控制系统设计实验温度控制系统设计实验 一、实验属性一、实验属性 温度控制系统设计实验是一个设计性实验。 二、二、 实验目的实验目的 了解集成温度传感器基本原理、性能与应用；通过仪表系统理论课程的学 习，了解

15、仪表控制系统的构成，熟悉仪表系统的设计方法。利用实验室现有的 仪器设备条件，应用集成温度传感器设计一个温度控制系统，并进行验证 三、实验要求三、实验要求 1. 了解集成温度传感器的工作原理和特性； 2. 选择合适的器件，根据具体的实验台画出线路图； 3. 给出技术指标、实验步骤，以及实验结果； 4. 写出设计报告。 四、思考题四、思考题 1. 常用的温度传感器有哪些？各有什么特性？ 2. 常用的 PID 控制有几种常见的方式？在仪表系统中如何实现？ 3. 可否利用 AD590 设计一个直接显示摄氏温度5050数字式 温度计并利用本实验台进行验证。 五、提示五、提示 图 3-1 集成温度传感器实

16、验原理图 附件附件 1 直流全桥的应用直流全桥的应用 一、实验目的一、实验目的：了解应变片直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理二、基本原理：电子秤实验原理为实验全桥测量原理，通过对电路调节使电路 输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原 始电子秤。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、15V 电源、4V 电源。 四、实验步骤四、实验步骤： 1应变式传感器已按照附图 1-1 安装于应变传感器模板上。传感器中各应 变片已接入模板左上方的 R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用 万用表进行测量判别，R1=R2=

17、R3=R4=350，加热丝阻值为 50 左右。 2接入模板电源15V（从主控箱接入） ，检查无误后，合上主控箱电源开 关，进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端对地短接，输 出端与主控箱面板上数显表电压输入端 Vi相连，调节实验模板上调零电 位器 Rw4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到 2V 档） ，关闭主 控箱电源。 3按照附图 1-2 接线成直流全桥，接好电桥调零电位器 Rw1，接上桥路电 源4V（从主控箱引入） 。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调 节 Rw1，使数显表显示为零。 4将 10 只砝码全都置于传感器的托盘上，凋节电位器 RW3（增益即满量 程调节） ，使

18、数显表显示为 0.200V（2V 档测显）或0.00V。 5拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 Rw4（零位调节） ，使数显表显示 为 0.000V 或0.000。 6在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应 的数显表值直到砝码加完。记下实验数据，关闭电源。 附图 1-1 应变片式传感器安装示意图 附图 1-2 全桥性能实验接线图 附件附件 2 霍尔传感器应用霍尔传感器应用 一、实验目的一、实验目的：了解霍尔式传感器用于称重实验方法。 二、基本原理二、基本原理：利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂粱产生位移，通过 测位移来称重。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元：霍尔

19、传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显 单元。 四、实验步骤四、实验步骤： 1、传感器安装、线路接法见附图 2-1、2-2 所示。 2、在霍尔元件止加直流电压4V，数显表为 2V 档。 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，依次填入表中，从而测出未知重物的值。 附图 2-1 霍尔传感器安装示意图 附图 2-2 霍尔传感器位移直流激励实验接线图 附件附件 3 电涡流传感器的应用电涡流传感器的

20、应用 一、 实验目的实验目的：了解电涡流传感器用于称重量的原理与方法。 二、 基本原理基本原理：利用电涡流传感器位移特性合振动台受载时的线性位移，可以 组成一个称重测量系统。 三、 需用器件与单元需用器件与单元：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、 实验步骤实验步骤 1. 传感器的安装见附图 3-1 所示； 2. 调节传感器安装支架高度。使振动台面与接头之间距离为线性起点，并 且使接头尽量远离振动台的中心的磁钢，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. 再振动台上加砝码从 20g 起到 200g，分别读取数显表数记入表中。 附图 3-

21、1 传感器安装示意图 附件附件 4 集成温度传感器的特性实验集成温度传感器的特性实验 一、实验目的一、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 50150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两种， 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 验采用的时国产的 AD590。它只需要一种电源（4V30V） 。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见附图 4-1） 。 即可实现电流到电压的转换。它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元：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、万用表。 四、实验步骤四、实验步骤（位式控制）： 本实验台位式温度控制简要原理如下：当总电源 K1合上，直流电源 24V 通过仪表端子“总、低”通，固态继电器 7、