第一组检测技术综合实验

检测技术综合实验1检测技术综合实验报告课程名称检测技术综合实验实验名称检测技术综合实验实验日期2013年8月26日学生专业测控技术与仪器学生学号1001170101学生姓名陈静实验室名称机械工程学院420教师姓名狄长安成绩南京理工大学机械工程学院检测技术综合实验2基于虚拟仪器的液位测量摘要：电容式液位传感器测量系统是基于改变介电常数时，电容器的电容量变化的原理来测量液位的。利用由不锈钢管、铁棒和聚四氟乙烯套管组成的电容式传感器、NE555组成的多谐振荡器等组成测量系统，对水的液位进行测量。它具有显示当前液位和报警的功能。实验表明该系统能对导电液体的液位测量，并具有结构简单、成本低和性能稳定等特点。关键词：电容式传感器多谐振荡器液位测量报警Abstract：Capacitivelevelsensormeasurementsystemisbasedonthechangeinthedielectricconstant,thecapacitanceofthecapacitorchangesinprincipletomeasuretheliquidlevel.Usingstainlesssteelpipes,ironbarsandTefloncasingcomposedofcapacitivesensors,NE555multivibratorconsistingofmeasuringsystemtocomposethewaterlevelmeasurements.Keywords:CapacitivesensorsMultivibratorLevelmeasurementAlarm一、实验目的和任务1、实验目的：1）了解液位测量传感器的原理；2）掌握虚拟仪器的液位测量系统组建方法，液位测量系统的标定方法；3）掌握液位测量传感器的信号调理及放大电路的设计技术；4）掌握基于Labview的液位测量系统软面板的编制方法及数据采集卡的控制方法。2、实验内容：液位传感器的选型，信号调理及放大电路的设计及调试，数据采集卡的选型检测技术综合实验3与数采系统硬件集成，数据采集软件设计、数据分析及处理虚拟仪器软件的设计、调试，系统的标定，不确定度分析。3、实验要求：测量范围：0-1000mm；测量不确定度：1%。具有测试曲线的显示、特征点的判读、数据的存储等功能。二、实验仪器万用表、示波器、稳压电源、不锈钢管、铁棒、刻度水筒、数据采集卡、计算机、Labview7.1软件等。三、实验原理及方法：虚拟仪器VI是指具有虚拟仪器面板的个人计算机，它由通用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。“虚拟”主要有两方面的含义，一方面是指虚拟仪器的面板是虚拟的，另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现。在虚拟仪器系统其本质上是利用PC机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，通过一组软件和硬件建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。常用的液位测量方法有：静压式、吹气式、浮力式、电容式、超声波式等。本次实验所用液位传感器为电容式液位传感器，液位的变化导致极板间介电常数变化最终使电容量发生改变，再利用多谐振荡电路转换为周期的变化，送至数据采集装置。四、实验过程：1、测量系统设计框图液位电容式传感器检测技术综合实验42、液位测量系统的组成液位测量主要是基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变时引起有关物理参数的变化的原理而实现的。电容式液位测量系统是基于液位变化时，引起介电常数变化，导致电容变化，将电容接入由NE555构成的多谐振荡器，最终导致输出频率变化，实现液位-频率转换。本设计以测量水的液位为例，设计出测量导电液体液位的系统，该系统具有显示和报警功能。3、电容式传感器组成振荡电路标定数据采集卡采集数据用labview进行数据处理检测技术综合实验5电容式液位传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量。如图所示的电容液位传感器就是一种变介电常数型电容式传感器。在被测介质中放入内径为R的圆筒形极板（不锈钢管）和被聚四氟乙烯套管套住的铁棒，内径为r，铁棒和圆筒同心。小圆筒外径为r，当被测液体的液面在电容式传感器的圆筒和铁棒之间变化时，引起极板间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电容变化，根据圆柱形电容器的电容量公式可得液面高度l1与电容量C的关系为)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(20110110121rRlrRlrRlrRllCCC（1）式中错误!未找到引用源。——空气介电常数错误!未找到引用源。——液体介电常数l——传感器极板总长错误!未找到引用源。——液体介质高度R——外极板内径r——铁棒外径其中真空的介电常数为8.854187818*10-12法拉/米(F/m)令)/ln()(2,)/ln(2010rRnrRlm则式（1）可简写为错误!未找到引用源。，可见电容量与液面高度错误!未找到引用源。呈线性关系。4、将电容转化成频率信号部分用NE555定时器构成的多谐振荡器如图所示：检测技术综合实验6图中VD1和VD2两个二极管把充电回路和放点回路完全分开，R1=1M、R2=1M和C为外界定时元件，其中C为待测电容电路的振荡周期为：T=T1+T2式中，T1为电容电压Vc从cc31V上升到cc32V所需时间，充电时间常数为（R1+R2）C故2ln)21(3231ln)21(1CRRVccVccVccVccCRRTT2为Vc从cc32V下降到cc31V所需时间，放电时间常数为CR2故2ln310320ln222CRVccVccCRT因此：CRRCRRTTT)2(7.02ln)2(212121加入两个二极管VD1和VD2，则其充电回路是Vcc经R1、VD1对电容C充电，充电常数是R1C，放点回路是电容通过VD2、R2和放电管Vd放电，放电时间常数R2C，因此CRRTTT)21(7.021检测技术综合实验7NE555定时器中用两个运算放大器做电压比较器，灵敏度非常高。因此用这种器件构成的多谐振荡器频率比较稳定，受电源电压及环境温度的影响较小。一、软件部分1nlmCCRRTTT)21(7.021上述三个式子联立即可得到Tl与的关系式))((7.0121nlmRRT，则实验过程中测量液位对应的周期值进行线性拟合，得到直线的斜率和截距。根据液位和周期的关系可求出任一电压值所对应的液位，从而达到测量液位的目的。选取采样点数为100，采样率为250k。检测技术综合实验8二、测量结果分析实际周期值与液位关系的拟合图线如下图所示：检测技术综合实验9由于介质不纯正等问题，因此若根据计算周期的理论公式来计算理论值，误差较大，所以不能作为实验理论值。可观察实验过程中的液位变化情况来判断测量系统的准确性。综上所述：从该液位测量系统数据测试和实验过程中液位的浮动可以看出：第一，测量的液位稳定性好，每次波动不会超过0.1cm，在实际测试过程中，发现当液面波动越小，测量的数据波动也就越小；第二，测量的液位与实际液位非常接近，一般误差不超过1%；第三，一段时间后测量的实际值变化不大，与所标刻度基本吻合。因此，可以说明该液位测量系统测量结果较准确，系统稳定性较好，基本达到设计要求。五、讨论题1、除了该种液位测量方法外，还可以列举几种测量方法，比较几种测量方法。（1）超声波液位计是经由探测本身发布的超声波被液面反射后的旗子记号换算液／物面地位的。检测技术综合实验10长处：与介质无直接接触；耐侵蚀性强；精度较高；装置精练。缺陷：价值比拟昂贵；超声波受传输序文的气体成分影响较大；受容器几何构造特征影响较大；不合用于有气泡或悬浮物的介质；随意受电磁波烦扰。（2）气泡法是经由气源冷静器底部向介质内充气。供气系统内的吹气压力只需与容器底部的液体静压均衡时，气体才会从气管内进入容器构成气泡。这时测量供气系统内的气压可换算出测量点的静压，进而获得液位值。长处：耐侵蚀性强；可以测量高温介质。缺陷：维护费用较高；精度较低。（3）应变式液位传感器，液位的变化通过弹性元件传递到应变片的变化，转化为电阻的变化，在利用电桥将电阻的变化转换为电压的变化，经过后续调理及放大电路将反应水深变化的电压信号送至数据采集装置。长处：价格便宜缺陷：受外界环境影响较大、精度较低1、如何提高液位测量精度？（1）增大极板的长度（2）加大圆筒内径和铁棒内径的比值检测技术综合实验11基于虚拟仪器的转速测量摘要：本文主要讲述了自行设计的转速测量系统的组建方法，该系统结合虚拟仪器进行了标定和测量结果的分析。采用了光电传感器测转速的方法，详细介绍了硬件的组成、labview软件的设计、标定过程、测量结果和误差分析。关键词：光电传感器转速测量系统虚拟仪器Abstract:Thispaperfocusesonaself-designedspeedmeasurementsystemformationmethod,thesystemcombinesavirtualinstrumentcalibrationandmeasurementresultsoftheanalysis.Usingaphotoelectricsensormeasuringspeedmethodandintroducethehardwarecomponents,labviewsoftwaredesign,calibration,measurementresultsanderroranalysisindetail.Keywords：PhotoelectricsensorsSpeedmeasurementsystemVirtualInstrument一、实验目的和任务1、实验目的：1、了解光电测量传感器的工作原理；2、掌握基于虚拟仪器的光电转速测量系统组建方法，光电转速测量系统的标定方法；3、掌握光电转速测量传感器的信号调理电路的设计技术；4、掌握基于Labview的光电测量系统软面板的编制方法及数据采集卡的控制方法。2、实验内容：转速传感器的选型，信号调理及放大电路的设计及调试，数据采集卡的选型与数采系统硬件集成，数据采集软件设计、数据分析及处理虚拟仪器软件的设计、调试，系统的标定，不确定度分析。3、实验要求：检测技术综合实验12测量范围：0-1200转/分；测量不确定度：±1转/分；具有正反转速测试，测试曲线的显示、特征点的判读、数据的存储等功能，另含标定装置设计。二、实验仪器万用表、示波器、稳压电源、光电传感器、电机、电机控制器、转盘、数据采集卡、计算机、Labview软件等。三、实验原理及方法：虚拟仪器VI是指具有虚拟仪器面板的个人计算机，它由通用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。“虚拟”主要有两方面的含义，一方面是指虚拟仪器的面板是虚拟的，另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现。在虚拟仪器系统其本质上是利用PC机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，通过一组软件和硬件建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。常用的转速测量方法有：电涡流式、光电式、霍尔式、电容式等。本次实验所用转速传感器为光电式传感器，电机控制器控制电机转动，带动电机上的叶片一起转动，将光电传感器发射端及接收端安装在叶片的两边，叶片通过时会遮挡光路，引起光电传感器接收端输出电压发生变化，通过后续调理电路将反应转速变化的电压信号送至数据采集装置。四、实验过程1、设计思路转速信号的采集通过电机上安装的圆盘来实现，圆盘的孔数为60，均匀分布。将圆盘安装在光电传感器的槽孔内,当圆盘转动且通过或阻断光线时,光电传感器产生了脉冲信号,转轴每转过1个孔,光电传感器即发出1个脉冲。将此脉冲信号由数据采集卡的端子接入上位机，由Labview软件中的程序进行处理计数，算出相应的转速和不确定度。2、系统框图检测技术综合实验133、电机连接图系统选择电机驱动器的型号为ST