传感器系统综合实验指导书.docx
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传感器系统综合实验指导书.docx
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传感器系统综合实验指导书
简介
一、概述
传感器系统综合实验装置适应不同类别、不同层次专业教学实验、培训、考核的需求,是一套多功能、全方位、综合性、动手型的实验装置,可以与普教中的“物理”,职教、高教中的“传感器技术”、“工业自动化控制”、“非电测量技术与应用”、“工程检测技术与应用”等课程的教学实验配套。
二、设备构成:
实验台主要由实验台部分和数据采集通讯部分组成。
1.实验台部分
这部分有1k~10kHz音频信号发生器、1~30Hz低频信号发生器、四组直流稳压电源:
±15V、+5V、±2~±10V、24V、数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪。
同时还包括两源板部分和传感器实验模块,分别为:
热源:
0~220V交流电源加热,温度可控制在室温~120oC,控制精度±1oC。
转动源:
2~24V直流电源驱动,转速可调在0~4500rpm。
超声波传感器实验模块:
+15V直流电源供电,主要用于测量距离。
红外传感器实验模块:
±15V直流电源供电,用于检测人体辐射的红外线,从而控制蜂鸣器和LED灯,起防盗作用。
温度传感器实验模块:
±15V直流电源供电,用来检测温度。
光栅传感器实验模块:
220V交流电源供电,可用作直线位移或角位移的检测,在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测,来观察和跟踪走刀误差,以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。
应变片传感器实验模块:
±15V直流电源供电,用于检测压力。
2.数据采集、分析部分
为了加深对自动检测系统的认识,本实验台增设了USB数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统(含微机数据采集系统软件)。
14位A/D转换、采样速度达300kHz,利用该系统软件,可对学生实验现场采集数据,对数据进行动态或静态处理和分析,并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据,对数据进行求平均值、列表、作曲线图以及对数据进行分析、存盘、打印等处理,实现软件为硬件服务、软件与硬件互动、软件与硬件组成系统的功能。
更注重考虑根据不同数据设定采集的速率。
上位机软件使用说明
使用本软件之前先确认安装了USB数据采集以及采集卡的驱动程序。
在桌面上找到如下图标:
如果数据采集卡和电脑连接好并且安装好了驱动程序,程序将进入到主程序界面,否则程序将弹出如下所示对话框:
在确定安装了驱动和正确连接采集卡的情况下程序将进入如下所示的界面:
程序主要包括了工具栏、菜单栏、状态栏、控制栏等。
1、菜单栏
菜单栏包括系统、示波器、视图、工具、帮助五大下拉项目。
其中系统中包括开始采集、停止采集、退出三个选项。
当单击开始采集的时候,开始采集按钮将会变灰(不能使用),同时停止采集按钮被激活,工具栏上的采集和关闭按钮也会作出相应的变化。
此时示波器将会显示采集到的波形。
示波器包括暂停显示、波形同步、波形操作、波形复位、基准复位、波形清除、波形复制七个选项。
其中波形操作又包括有XY轴放大、X轴放大、Y轴放大、波形抓取、十字跟踪五个选项。
暂停显示-就是让波形停止在这个时候,但是采集还在继续。
波形同步-同步显示波形。
波形操作:
XY轴放大—在此操作模式下,可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏。
X轴放大—在此操作模式下,可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。
Y轴放大—在此操作模式下,可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。
波形抓取-在此操作模式下,可以对波形进行抓取移动。
十字跟踪—在此操作模式下,示波器会弹出两跟踪线。
用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置,状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。
波形复位-在放大波形的情况下还原到波形的初始状态。
基准复位-复位控制区里的水平,基准按钮到初始状态。
波形清除-清除示波器中的波形。
波形复制-将示波器中的图形复制到剪贴板中,这样可以方便将图形粘贴到其他程序中,比如windows自带的画板程序。
视图包括工具栏、状态栏和控制栏三个项目。
这三个栏目是用来显示工具栏、状态栏&控制栏的。
入下所示:
工具包括实验数据处理和计算器这两个项目。
单击实验数据处理项目将会出现画图工具程序,在程序中手动填入数据然后单击确定将会进入到曲线拟合程序。
如下图所示:
根据需要选择不同的拟合方式,然后单击显示曲线将会出现不同的拟合曲线。
拟合方式有线性拟合、曲线拟合,其中曲线拟合又包括双曲线拟合和抛物线拟合。
图形显示如下:
线性拟合
双曲线拟合
抛物线拟合
单击计算器将会弹出一个计算器出来,入下图所示:
帮助只有一个关于选项。
单击后将出现如下图形:
实验一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
一、实验目的:
了解金属箔式应变片的应变效应,单臂电桥工作原理和性能。
二、实验仪器:
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表(自备)。
三、实验原理:
电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:
ΔR/R=Kε,式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件,如图1-1所示,四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧,弹性体受到压力发生形变,应变片随弹性体形变被拉伸,或被压缩。
图1-1
图1-2
通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化,如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻,与应变片一起构成一个单臂电桥,其输出电压
Uo=RRRREΔ⋅+Δ⋅211/4(1-1)
E为电桥电源电压,R为固定电阻值,式1-1表明单臂电桥输出为非线性,非线性误差为L=%10021⋅Δ⋅−RR。
四、实验内容与步骤
1.应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上,可用万用表测量判别,R1=R2=R3=R4=350Ω。
2.差动放大器调零。
从主控台接入±15V电源,检查无误后,合上主控台电源开关,将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接,输出端Uo2接数显电压表(选择2V档)。
将电位器Rw3调到增益最大位置(顺时针转到底),调节电位器Rw4使电压表显示为0V。
关闭主控台电源。
(Rw3、Rw4的位置确定后不能改动)
3.按图1-2连线,将应变式传感器的其中一个应变电阻(如R1)接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。
4.加托盘后电桥调零。
电桥输出接到差动放大器的输入端Ui,检查接线无误后,合上主控台电源开关,预热五分钟,调节Rw1使电压表显示为零。
5.在应变传感器托盘上放置一只砝码,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200g砝码加完,记下实验结果,填入下表1-1,关闭电源。
重量(g)
电压(mV)
五、实验报告
根据表1-1计算系统灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100%,式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差;yF·S为满量程(200g)输出平均值。
六、注意事项
加在应变传感器上的压力不应过大,以免造成应变传感器的损坏!
实验二金属箔式应变片――半桥性能实验
一、实验目的:
比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、实验仪器:
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表(自备)。
三、实验原理:
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,如图2-1。
电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善,当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时,半桥的输出电压为
Uo=EKε/2=RREΔ⋅2(2-1)
E为电桥电源电压,式2-1表明,半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
四、实验内容与步骤
1.应变传感器已安装在应变传感器实验模块上,可参考图1-1。
2.差动放大器调零,参考实验一步骤2。
3.按图2-1接线,将受力相反(一片受拉,一片受压)的两只应变片接入电桥的邻边。
4.加托盘后电桥调零,参考实验一步骤4。
5.在应变传感器托盘上放置一只砝码,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200g砝码加完,记下实验结果,填入下表,关闭电源。
重量(g)
电压(mV)
五、实验报告
根据上表的实验资料,计算灵敏度L=ΔU/ΔW,非线性误差δf2。
六、思考题
引起半桥测量时非线性误差的原因是什么?
图2-1
实验三金属箔式应变片――全桥性能实验
一、实验目的:
了解全桥测量电路的优点。
二、实验仪器:
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表(自备)。
三、实验原理:
全桥测量电路中,将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边,不同的接入邻边,如图3-1,当应变片初始值相等,变化量也相等时,其桥路输出:
Uo=KEε(3-1)
E为电桥电源电压,式3-1表明,全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差得到进一步改善。
四、实验内容与步骤
1.应变传感器已安装在应变传感器实验模块上,可参考图1-1。
2.差动放大器调零,参考实验一步骤2。
3.按图3-1接线,将受力相反(一片受拉,一片受压)的两对应变片分别接入电桥的邻边。
4.加托盘后电桥调零,参考实验一步骤4。
5.在应变传感器托盘上放置一只砝码,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200g砝码加完,记下实验结果,填入下表3-1,关闭电源。
重量(g)
电压(mV)
五、实验报告
根据记录表3-1的实验资料,计算灵敏度L=ΔU/ΔW,非线性误差δf3。
六、思考题
比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度,得出相应的结论。
图3-1
实验四直流全桥的应用——电子称实验
一、实验目的:
了解直流全桥的应用及电路的定标
二、实验仪器:
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表(自备)。
三、实验原理:
电子称实验原理同实验三的全桥测量原理,通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成一台比较原始的电子称。
四、实验内容与步骤:
1.按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。
2.将10只砝码置于传感器的托盘上,调节电位器Rw3(满量程时的增益),使数显电压表显示为0.200V(2V档测量)。
3.拿去托盘上所有砝码,观察数显电压表是否显示为0.000V,若不为零,再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。
4.重复2、3步骤,直到精确为止,把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。
5.将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值,直到200g砝码加完,计下实验结果,填入表4-1。
6.去除砝码,托盘上加一个未知的重物(不要超过1Kg),记录电压表的读数。
根据实验数据,求出重物的重量。
重量(g)
电压(mV)
五、实验报告
根据计入表4-1的实验资料,计算灵敏度L=ΔU/ΔW,非线性误差δf4。
实验五PT100温度控制实验
一、实验目的:
了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理。
二、实验仪器:
智能调节仪、PT100、温度源。
三、实验原理:
位式调节
位式调节(ON/OFF)是一种简单的调节方式,常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制,或用于报警。
位式调节仪表用于温度控制时,通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。
PID智能模糊调节
PID智能温度调节器采用人工智能调节方式,是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法,能实现高精度控制,先进的自整定(AT)功能使得无需设置控制参数。
在误差大时,运用模糊算法进行调节,以消除PID饱和积分现象,当误差趋小时,采用PID算法进行调节,并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化,具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。
温度控制基本原理
由于温度具有滞后性,加热源为一滞后时间较长的系统。
本实验仪采用PID智能模糊+位式双重调节控制温度。
用报警方式控制风扇开启与关闭,使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上,并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来,可节约实验时间。
当温度源的温度发生变化时,温度源中的热电阻Pt100的阻值发生变化,将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器,经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号(加热)和继电器触发信号(冷却),使温度源的温度趋近温度设定值。
PID智能温度控制原理框图如图26-1所示。
图5-1PID智能温度控制原理框图
四、实验内容与步骤
1.在控制台上的“智能调节仪”单元中“控制对象”选择“温度”,并按图5-2接线。
2.将2~24V输出调节调到最大位置,打开调节仪电源。
3.按住
3秒以下,进入智能调节仪A菜单,仪表靠上的窗口显示“SU”,靠下窗口显示待设置的设定值。
当LOCK等于0或1时使能,设置温度的设定值,按“
”可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的设定值。
否则提示“LCK”表示已加锁。
再按
3秒以下,回到初始状态。
4.按住
3秒以上,进入智能调节仪B菜单,靠上窗口显示“dAH”,靠下窗口显示待设置的上限偏差报警值。
按“
”可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的上限报警值。
上限报警时仪表右上“AL1”指示灯亮。
(参考值0.5)
5.继续按
键3秒以下,靠上窗口显示“ATU”,靠下窗口显示待设置的自整定开关,按
、
设置,“0”自整定关,“1”自整定开,开时仪表右上“AT”指示灯亮。
6.继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“dP”,靠下窗口显示待设置的仪表小数点位数,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的比例参数值。
(参考值1)
7.继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“P”,靠下窗口显示待设置的比例参数值,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的比例参数值。
8.继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“I”,靠下窗口显示待设置的积分参数值,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的积分参数值。
9.继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“d”,靠下窗口显示待设置的微分参数值,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的微分参数值。
10、继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“T”,靠下窗口显示待设置的输出周期参数值,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的输出周期参数值。
11、继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“SC”,靠下窗口显示待设置的测量显示误差休正参数值,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的测量显示误差休正参数值。
(参考值0)
12、继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“UP”,靠下窗口显示待设置的功率限制参数值,按
可改变小数点位置,按
或
键可修改靠下窗口的功率限制参数值。
(参考值100%)
13、继续按键
3秒以下,靠上窗口显示“LCK”,靠下窗口显示待设置的锁定开关,按
或
键可修改靠下窗口的锁定开关状态值,“0”允许A、B菜单,“1”只允许A菜单,“2”禁止所有菜单。
继续按键
3秒以下,回到初始状态。
14、设置不同的温度设定值,并根据控制理论来修改不同的P、1、D、T参数,观察温度控制的效果。
五、实验报告
1.简述温度控制原理并画出其原理框图。
图5-2
实验六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、实验仪器:
转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、通信接口(含上位机软件)。
三、实验原理:
光电式转速传感器有反射型和透射型二种,本实验装置是透射型的,传感器端部有发光管和光电池,发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上,并转换成电信号,由于转盘上有等间距的6个透射孔,转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲,将电脉计数处理即可得到转速值。
四、实验内容与步骤
1.光电传感器已安装在转动源上,如下图所示。
2~24V电压输出接到三源板的“转动电源”输入,并将2~24V输出调节到最小,+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端,光电输出接到频率/转速表的“fin”。
2.合上主控制台电源开关,逐渐增大2~24V输出,使转动源转速加快,观测频率/转速表的显示,同时可通过通信接口的CH1用上位机软件观察光电传感器的输出波形。
图6-1
五、实验报告
1.根据测的驱动电压和转速,作V-RPM曲线。
并与其他传感器测得的曲线比较。
实验七霍尔测速实验
一、实验目的:
了解霍尔组件的应用——测量转速。
二、实验仪器:
霍尔传感器、+5V、2~24V直流电源、转动源、频率/转速表。
三、实验原理:
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,转盘每转一周磁场变化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、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。
四、实验内容与步骤
1.安装根据图7-1,霍尔传感器已安装于传感器支架上,且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。
图7-1
2.将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端,“霍尔”输出接到频率/转速表(切换到测转速位置)。
“2~24V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。
3.合上主控台电源,调节2~24V输出,可以观察到转动源转速的变化。
也可通过通信接口的第一通道CH1,用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。
五、实验报告
1.分析霍尔组件产生脉冲的原理。
2.根据记录的驱动电压和转速,作V-RPM曲线
实验八超声波测距实验
一、实验目的:
了解超声波模块测量距离的原理及应用。
二、实验仪器:
超声波传感器、+15V直流电源。
三、实验原理:
超声波测距其实有很多的方法,包括声波幅值检测法、相位检测法、以及往返时间检测法等等,声波幅值检测法容易受到反射波损耗的映像,相位检测法虽然精度高,但是检测范围有限,所以本系统采用往返时间检测法,其原理就是利用超声波在空气介质中的传播速度,测量声波从发射到遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离,进而达到测距的效果。
测距的公式表示为:
L=C*T/2
式中L为被测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收之间时间数值的两倍)。
要想利用超声波准确的测得发射点与障碍物之间的实际距离,那么就应该准确的测得超声波在空气介质中得实际传播速度。
我们知道超声波是要随环境中的气压和介质温度的变化而变化,一般情况下受大气压力的影响非常小,但是受温度的影响确实非常大的,例如在摄氏0度时其传播速度为331.45m/s,在摄氏20度时其传播速度为343.869m/s,在摄氏30度时其传播速度为349.176m/s,具体参考表1。
故要考虑到温度给实际测量带来的影响,尽量使测距准确性大大提高,本方案中采用测量温度的方法来补偿声速,即用测温元件测量实际环境的温度来校正声速,这就是温度补偿法。
其中超声波在空气中的传播速度和温度有如下的关系:
V=331.4+0.607Tm/sT-℃
其中V为超声波在该温度下的实际传播速度(单位为m/s),T为摄氏温度。
当温度知道的情况下,通过该式就可以知道该温度下超声波的传播速度了。
表1不同温度下的超声波传输速度
温度/℃
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声波/(m/s)
313
319
325
331
338
344
349
386
四、实验内容与步骤
1.安装接线根据图8-1,超声波传感器已安装于传感器支架上,且超声波模块正对着挡板。
2.将+15V电源接到电源板上的固定电源端。
3.合上固定电源的开关,移动挡板,可以从数码管上读出两者之间的距离。
五、实验报告
1.根据记录的测量距离和表1中的速度,作S-t曲线。
图8-1
实验九红外热释电报警实验
一、实验目的:
了解红外热释电人体感应模块的原理及应用。
二、实验仪器:
红外热释电传感器、+15V、-15V直流电源。
三、实验原理:
探测器本身不发出任何形式的能量,只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。
被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化,并能使监控报警器产生报警信号,从而完成报警功能。
当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时,电路中的传感器将输出电压信号,然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器,该滤波器的上限截止频率为16Hz,下限截止频率为0.16Hz。
由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅有1mV左右),而且是一个变化的信号,同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式(脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定,通常为0.1~10Hz左右),所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。
本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大,以使其获得足够的增益。
当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时,若信号幅度超过窗口比较器的上下限,系统将输出高电平信号;无异常情况时则输出低电平信号。
在该比较器中,R9、R10、R11用做参考电压,两个运算放大器用做比较,两个二极管的主要作用是使输出更稳定。
窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为3.8V和1.2V。
将这个高低电平变化的信号上升沿信号作为单稳电路HEF4538B的触发信号,并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。
再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号,来使电路产生10s的报警信号,最后用三极管VT1和VT2再一次对电信号进行放大,以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。
四、实验内容与步骤
1.安装接线根据图9-1,红外热释电传感器已安装于面板上。
2.将+15V、-15V电源分别接到电源板上的固定电压源端。
3.合上固定电源的开关,人体正面面对传感器并靠近,会触发蜂鸣器鸣叫,同时LED灯会被点亮。
五、实验报告
简述报警控制原理并画出其原理框图。
图9-1
实验十光栅传感器的位移特性实验
一、实验目的:
了解反射式光栅位移传感器的原理与应用。
二、实验仪器:
光栅尺位移传感器、220V
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