自动检测技术与仪表控制系统实验指导书

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I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《CSY－2000传感器与检测技术实验台实验指南》编写的。自动检测技术及仪表控制系统实验指导书IICSY2000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、±2V～±10V可调、＋2V～＋24V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）0.4KHz～10KHz（可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz(可调)；气压源0～15kpa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1Hz～30Hz（可调）；旋转源0～2400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RS－232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1600×800×280（mm），实验台桌上预留计算机及示波自动检测技术及仪表控制系统实验指导书III器安放位置。二、传感器的简要特性（参考值）自动检测技术及仪表控制系统实验指导书IV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电涡流传感器的应用.......................................................13附件4集成温度传感器的特性实验............................................14自动检测技术及仪表控制系统实验指导书1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2~24V、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5V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2V~24V转速电源引入到台面上转动单元中转动电源自动检测技术及仪表控制系统实验指导书22V~24V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，能否用一只磁钢？3．为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动？自动检测技术及仪表控制系统实验指导书3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，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。自动检测技术及仪表控制系统实验指导书4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)自动检测技术及仪表控制系统实验指导书5六、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？自动检测技术及仪表控制系统实验指导书6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0～630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：)1(20tttBARRR0系温度为0℃时的电阻。本实验R0＝100℃，At＝3.9684×10－2/℃，Bt＝－5.847×10－7/℃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自动检测技术及仪表控制系统实验指导书72.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U02＝0，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Δt＝5℃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？自动检测技术及仪表控制系统实验指导书8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。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？自动检测技术及仪表控制系统实验指导书9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，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－50℃～＋50℃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自动检测技术及仪表控制系统实验指导书10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