自动检测技术与仪表控制系统实验指导书.doc

1、自动检测技术与仪表控制系统实验指导书自动化学院测控技术与仪器教研室2009-9-1自动检测技术及仪表控制系统实验指导书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 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

2、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

3、、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

4、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（参考值）目 录实验一 传感器测量特性实验1实验1 霍尔测速实验1实验2 被测体材质对电涡流传感器特性影响3实验3 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

5、应用13附件4 集成温度传感器的特性实验1415实验一 传感器测量特性实验实验1 霍尔测速实验一实验属性霍尔测速实验是一个验证性实验。二 实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。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5

6、V直流电源加于霍尔元件电源输入端（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 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

7、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2 被测体材质对电涡流传感器特性影响一、实验属性该实验是一个验证性实验。二、 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1. 根据图1-2、图1-3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，

8、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

9、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3 热电阻测温特性实验一、实验属性该实验是一个验证性实验。二、 实验目的了解热电阻的特性与应用。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：R0系温度

10、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

11、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、思考题如何根据测温范围和精度要求选择热电阻？实验二 电子秤实验一、实验属性电子秤实验是一个验证型实验。二、 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，并掌握仪器仪表设计的基本步骤

12、。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 温度控制系统设计实验一、实验属性温度控制系统设计实验是一个设计性实验。二、 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

13、，并进行验证三、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、提示图3-1 集成温度传感器实验原理图附件1 直流全桥的应用一、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：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

14、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：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：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=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

15、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

16、附件2 霍尔传感器应用一、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粱产生位移，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

17、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3 电涡流传感器的应用一、 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：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

18、取数显表数记入表中。附图3-1 传感器安装示意图附件4 集成温度传感器的特性实验一、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

19、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。附图4-1 集成温度传感器实验原理图三、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（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、8端有直流电压，固态继电器9、10导通，加热器通电加热，当温度达到设定值时，由于热电偶（K型）的热电势的作用，温控仪

20、内部比较器反转总、低断开，总高导通固态继电器7、8端没有电压，9、10端断开，加热炉停止加热，总高端导通后，直流电源24V加于电风扇，风扇转动加速降温，因为温度上升有一定惯性，因此该温度仪上冲量较大。1、将热电偶（K型）插入台面三源板加热源的一个传惑器安置孔中。选择K型热电偶插入主控面板上的热电偶插孔中，红线为正极，注意热电偶护套重已安置了二支热电偶。K型和E型，它们的热电势值不同，从热电势表中可以判别K型合E型（E型热电势大）热电偶。2、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的电源插座上。3、在温度控制仪上设定t40时，温控仪面板上有个位、十位、百位三位温度值设定，按上端为加，按下端为减。4、将温度传感器实验模板输出VO2与主控箱数显表输入Vi相接，波段开关选择电压2档，此时2档数显表电压指示灯亮。5、将集成温度传感器加热端插入加热源的一个插孔中，尾部红色为正端，插入实验模板的a端，见附图4-1，另一端插入b孔上，a端接电源4V，b端与VO1相接，R6接地，接上直流电源15V。6、运放IC4调零，VO1接地，调RW3使输出UO2为零，数显表显示为零，除去VO1短路线。7、将UO2与数显表头Vi相接，开关选择电压指示2V档，电压指示灯亮。8、合上加热源开关，温度从40开始，每隔10读取一个点。记录数显表上相应读数，上限不超过100。附图4-2 接线图