测控技术与仪器专业综合实验指导书

-1-实验一轴心轨迹测量实验一、实验目的通过本实验了解和掌握电涡流传感器测量的原理和方法，利用电涡流传感器的涡流效应，进行轴的振动、位移以及轴心轨迹测量实验。二、实验原理电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。构成基本工作系统的部件包括探头、（延伸电缆）、前置器及被测体。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，称之为电涡流。电涡流传感器是能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。利用电涡流传感器的涡流效应，进行轴的振动、位移以及轴心轨迹测量实验。图1电涡流传感器工作原理图三、实验仪器和设备多功能转子实验台、电涡流传感器、电源、电压表、示波器四、实验步骤和内容1、电涡流传感器的静态标定（1）将传感器与前置器连接，再将前置器与能提供24V的电源相连，重要的是输入电压应是-24V。（2）将传感器器安装到百分表检定仪上，转动千分尺，每隔一定距离进行一次读数，并做记录。原理如图2所示。图2电涡流传感器原理图建议每隔0.1mm读一次数，到线性严重变坏为止。根据实验数据，画出V-X曲线，指出大致的线性范围。用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度。-2-实验前，先将千分尺归零，然后将量块位置移动到与传感器测头足够接近，此刻开始读数。为了保证测量数据的准确，可以对位移上升和位移下降两种情况分别予以测量记录。先对传感器5632进行标定，当百分表量块远离传感器测头时，标定数据记录在表1所示。表1传感器5632位移上升时的数据位移（mm）电压(V)位移（mm）电压(V)位移（mm）电压(V)位移（mm）电压(V)0.00.61.21.80.10.71.31.90.20.81.42.00.30.91.52.20.41.01.62.40.51.11.73.0当百分表量块靠近传感器测头时，标定数据记录在表2所示。表2传感器5632位移下降时的数据位移（mm）电压(V)位移（mm）电压(V)位移（mm）电压(V)位移（mm）电压(V)3.01.71.10.52.41.61.00.42.21.50.90.32.01.40.80.21.91.30.70.11.81.20.60.0观察上述所测得的数据，位移若在某一值以后电压值基本保持恒定，则取线形范围内的数据。2、轴心轨迹测量（1）在多功能转子实验台上安装电涡流传感器探头（X、Y向互成90度），将输出电缆与前置器相连，信号经前置器处理后经过数据采集仪输入计算机或者可以通过示波器观察轴心轨迹曲线变化。（2）调节电机转速，观察随着转速的变化，轴心轨迹曲线的变化情况，分析并记录实验结果。-3-图3转子实验台－电涡流传感器轴心轨迹测量实验五、实验报告1、简述实验目的和原理。2、根据实验步骤要求，整理和分析相应的波形和特性曲线。六、注意事项1、安装电涡流探头时，必须首先把初始间隙调好。2、探头以及延伸电缆和前置器连接时，要注意型号要一致。七、思考题1、电涡流传感器有什么特性？可以用在那些特征量的监测上。-4-实验二位移测控实验一、实验目的1、了解位移控制系统的工作原理，掌握测控程序的设计与调试；2、提高应用系统的设计和调试能力。3、利用计算机编写程序控制工作台的移动。二、位移测控系统简介本系统主要由PC机、控制卡、电机控制器、电动移动台（机座、步进电机、螺旋传动机构、工作台）、光栅尺等构成。在程序的控制下PC机接受限位开关、光栅尺等反馈信号，向驱动器送出控制信号控制步进电机的转动。丝杠在步进电机的带动下驱动位移工作台移动。PC机可控制三轴位移。图1所示为控制一轴的系统结构图。位移控制卡如图2所示，该卡可控制三轴的位移，使用时插在PC机的一个标准ISA总线插槽中。卡上有37针的标准接口插座供各轴与控制卡连用。图1系统结构图图2位移控制卡位移控制卡的主要功能是：（1）按软件要求输出方向信号以控制各轴位移方向，输出脉冲信号控制位移速度及位移量。（2）采样限位信号以控制位移终点。-5-（3）利用光栅信号进行反馈控制。用通用阵列逻辑器件GAL16V8和比较器74LS688来完成译码工作。高6位地址与比较器相连。当A9=1，A8＝1，A7=0，A6=0，A5=0，A4=0时，比较器的输出信号使GAL被选中，根据低4位地址A3-A0的组合，GAL输出相应的片选信号。地址范围为310～-31f。地址分析如下：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0110001XXXX三、控制卡编程说明：编程时首先向地址312H送控制字0x09,对各I/O口进行初始化。控制第一轴电机所用的8253的计算器的地址为此314H，315H。其中314H用来产生方波，315H用来控制脉冲个数。具体编程时应该参照以下语句：outp(0x317,0x36)/*设定314H的工作方式，317H是控制字寄存器地址，用以设定8253的3个计数器的工作方式*/outp(0x314,整型数%256)/*向314H送控制字的低8位*/outp(0x314,整型数/256)/*向314H送控制字的高8位*/上述语句设定了方波的频率，也就是电机的转动频率．8253的输入时钟是1MHz，因此方波频率=1M/整型数。outp(0x317,0x70)/*设定315H的工作方式*/outp(0x315,整型数%256)/*向315H送控制字的低8位*/outp(0x315，整型数/256)/*向315H送控制字的高8位*/上述语句设定了方波的个数，也就是电机的转动步数。设定完8253的计数器之后，需要向输出口310H送控制字0x40或0x41,其作用是设定电机的转动方向，并使8253计数器开始工作，即令电机开始转动．若需要使电机停止，向310H送控制字0x00即可。也就是说，在设置完电机的转动频率和步数之后，还需要设置电机的转动方向，并将电机转动允许位设置为高电平（即要将地址说明书中的响应轴向的GATE门设置为高电平），电机才能运转。具体编程时由以下语句完成：outp（0x310,0x40）；/*设定电机转动方向，并使电机运转；若使电机反向转动．向310H送040*/outp（0x310,0x00)；/*使电机停止*/第一轴的限位开关状态的采集由输入口310H的第0位和第1位来实现。当限位开关没有被按下时，这两位输入口均为高电平；当限位开关被按下时，相应位变成低电平。具体编程可用如下语句完成：limit=inp（0x310）0x03；/*为事先定义过的变量*/第一轴的光栅尺输入信号计数器地址是319H，这也是8253芯片上的计数器。为使计数器319H能够对光栅尺的输入脉冲进行计数，必须将其工作方式设为方式0。具体语句如下：outp（0x31b,0x70)；/*设定319H工作方式如下*/outp（0x319，整型值%256）；outp（0x319，整型值/256)；/*根据实际距离设定计数值*/outp（0x311，0xff)；/*使319H开始计数*/按上述语句设定后，319H即可接收光栅尺的方波，并进行倒计数，当计数初值减为0，输出高电平至输入口311H的第2位。所以可以通过查询311H的相应位来判断移动台是否移动到位。具体语句如下：aa=(0x311)&0x40；/*读取311H的第2位的电平信号，判断光栅尺的输出脉冲-6-是否发送结束*/计数初值减为0前311H相应位为低电平。光栅尺输出方波为20/脉冲，I/O板对此信号进行了2细分，使其成为10/方波。根据这个对应关系可算出特定距离对应的光栅尺输出方波数。如果电机运行当中需要查询光栅尺输入信号计数器的计数值，可以通过读取相应的光栅尺输入信号计数器来实现。读取计数器之前应先用锁存命令将计数器的计数值在锁存器中锁存，然后再读，否则将得到一个不确定的数值。锁存计数器不会影响到计数执行部件的正常计数。具体语句如下：outp(0x31b,0x40);/*将计数器319H的锁存器锁存*/ll=inportb(0x319);/*读取计数器319H的低位*/hh=inportb(0x319);/*读取计数器319H的高位*/注意，8253计数器为倒计数，因此要用计数初值减去读出的数值才是输入的光栅尺信号的脉冲数。如果不是闭环控制，可以通过查询310H的第7位来判断电机是否运行完毕。电机运行时为高电平，电机运行完毕为低电平。判断电机是否运行完毕有助于设定查询限位开关的条件，即电机运行完毕之前要一直查询限位开关的状态。四、实验内容1、分析位移测控系统的工作原理（ISA总线、8253可编程定时器/计数器）。2、编写并调试实验程序，其功能为：（1）用开环控制实现给定的位移；（2）用闭环控制实现给定的位移；（3）测定返回精度。五、实验仪器和设备PC计算机、控制卡、电机控制器、电动位移台、磁性表座、千分表六、实验步骤1、系统连接在PC机断电的情况下，将控制卡插入ISA槽内。用专用的37针插头将电机控制器、光栅尺与控制卡相连。2、按下列要求编写程序：（1）用开环控制实现给定的位移（含限位开关保护）；（2）用闭环控制实现给定的位移（含限位开关保护）；（3）工作台从任一位置出发向右或向左移动，遇限位开关后返回原处。3、输入程序、调试。调试程序（3）时，安装上千分表，测定工作台原始位置与返回位置之差。-7-实验三虚拟仪器程序创建与程序结构设计实验实验3-1虚拟仪器程序（VI）创建与子VI程序调用一、实验目的熟悉LabVIEW软件环境、初步掌握虚拟仪器编程语言，创建一个VI程序，并作为子VI程序进行调用。二、实验要求创建一个VI程序模拟温度测量。假设传感器输出电压与温度成正比。例如，当温度为70°F时，传感器输出电压为0.7V。本程序也可以用摄氏温度来代替华氏温度显示。本程序用软件代替了DAQ数据采集卡。使用DemoReadVoltage子程序来仿真电压测量，然后把所测得的电压值转换成摄氏或华氏温度读数。三、实验仪器和设备计算机、LabVIEW虚拟仪器软件四、实验步骤及内容1、前面板设计（1）用File菜单的New选项打开一个新的前面板窗口。（2）把温度计指示部件放入前面板窗口。a．在前面板窗口的空白处点击鼠标键，然后从弹出的Numeric子模板中选择Thermometer。b．在高亮的文本框中输入“温度计”,再点击鼠标键按钮。（3）重新设定温度计的标尺范围为0.0到100.0。使用标签工具A，双击温度计标尺的10.0，输入100.0，再点击鼠标键或者工具栏中的V按钮。（4）在前面板窗口中放入竖直开关控制。a．在面板窗口的空白处点击鼠标键，然后弹出的Boolean子模板中选择VerticalSwitch,在文本框中输入“温度值单位”,再点击鼠标键或者工具栏中的V按钮。b．使用标签工具A，在开关的“条件真”（true）位置旁边输入自由标签“摄氏”,再在“条件假”（false）位置旁边输入自由标签“华氏”。2、程序框图设计（1）从Windows菜单下选择ShowDiagram功能打开框图程序窗口。（2）点击框图程序窗口的空白处，弹出功能模板，从弹出的菜单中选择所需的对象。本程序用到下面的对象：DemoReadVoltageVI程序（Tutorial子模板）。在本实验中，该程序模拟从DAQ卡的0通道读取电压值。Multiply（乘法）功能（Numeric子模板）。在本实验中，将读取电压值乘以100.00，以获得华氏温度。-8-Subtract（减法）功能（Numeric子模板）。在本实验中，从华氏温度中减去32.0，以转换成摄氏温度。Di