测控综合实验指导书.docx
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测控综合实验指导书
《机械工程测控技术综合实验》
实验指导书
目录
第1章TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块实验模块3
实验模块概述3
实验一电阻应变式称重传感器特性及应用8
实验二光敏电阻特性及应用12
实验三光敏二极管应用-光照强度测量18
实验四光电开关的应用-开关量测量22
实验五HEL-776铂电阻温度传感器-温度测量25
实验六9015三极管的应用-温度测量32
实验七AD590集成温度传感器的应用-温度测量36
实验八CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量41
实验九V-TO-F电压频率转换44
实验十F-TO-V频率电压转换48
实验十一V-TO-I电压电流转换52
实验十二I-TO-V电流电压转换54
第2章TS-MS114直线位移测控实验模块59
实验一超声波位移测量实验59
实验二红外位移测量模块实验63
第3章TS-ROT-6A多功能转子测控实验模块66
多功能转子测控实验模块简介66
实验一直流伺服电机电流环控制实验70
实验二直流伺服电机速度环控制实验77
实验三直流伺服电机速度环频率响应实验79
实验四电涡流传感器—轴心轨迹测量实验83
实验五振动速度传感器—振动测量实验87
实验六振动加速度传感器—振动测量实验90
实验七光电开关传感器—转速测量实验93
实验八磁电传感器—转速测量实验96
实验九电涡流传感器—转速测量实验99
实验十数字式增量编码器角度测量实验101
第4章TS-DIL-5C环形输送线实验104
实验一霍尔开关传感器—转速测量实验104
实验二光电对射式传感器—转速测量实验106
实验三光电反射式传感器—物件计数实验108
实验四涡流接近开关传感器—金属物件检测及计数实验110
实验五色标传感器—物件颜色检测实验112
第1章TS-OSC-7A传感器开放电路实验
实验模块概述
TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块的主要目的是为学生进行基础传感器实验提供一个开放的、透明的实践平台，让学生通过自己动手搭建传感器信号处理电路和放大电路，更详细的了解常用传感器及其相关信号提取和处理方法。
该平台为学生提供一块实验主板和两套实验对象。
两套实验对象中，一套是出厂前完成测试的完整模块，提供给老师和学生进行验证性实验，另一套是可以让学生自行搭建电路的散件。
这样的安排既可以减少老师备课的时间，又能提高学生的动手能力，同时学生通过亲自动手搭建电路进行实验也能加深学生对所学知识的理解和掌握。
图1-1所示为传感器开放电路实验模块的实验主板。
图1-1传感器开放电路实验模块实验主板
1电源模块；②PWM脉宽调制模块；③全桥信号处理模块
④信号输出模块；⑤面包板；⑥电源测试口
各模块的功能：
●电源模块：
该模块为各实验模块提供稳定的电源，模块中能提供的电源有+24V、+12V、-12V、+5V。
这些电源都是通过一个5PIN的电源接口从外部的多路输出电源模块引入，然后在实验主板上统一管理。
●PWM脉宽调制模块：
该模块通过调制脉宽控制功率管的开关速率，进而控制电机的转速或者是制热片的加热时间。
S5为该模块的电源开关。
S6为功能选择开关，当拨到“Heat-UP”位时进行制热片的加热控制，当拨到“Motor”位时进行电机转速的控制。
R28为脉宽调制电阻，改变该阻值及可改变信号高电平的持续时间，进而改变功率管的开关速度。
●信号处理模块：
该模块是经典的桥式信号处理电路，主要对电阻应变片称重传感器的信号进行线性放大处理，当然也可以扩展到其他可以组成桥式测量电路的传感器的应用。
该电路精度高，稳定性好。
为该模块配备的实验对象为电阻应变片称重传感器，实物如图1-2所示。
图1-2电阻应变片称重传感器
●信号输出模块：
该模块可为传感器信号提供保护功能，保证输出信号的稳定性。
●面包板：
为模块的搭建提供一个多用途的开放式的实验平台。
●电源测试口：
主板上的每路电源都安排了可插万用表表笔的端子，既方便又实用。
传感器开放电路实验模块配置了12个实验模块，这些实验模块采用了标准化的引脚和封装形式，图1-3所示为这些实验模块的标准引脚说明及封装图。
如下表1-1所示为实验模块引脚定义。
图1-3实验模块引脚说明及封装
表1-1实验模块的引脚定义
引脚
功能
1、2
+12V
3、4
-12V
5
NC（有外部信号输入时作为信号输入端，没有外部信号输入时，此引脚悬空）
6、7
GND（公共地）
8
OUT5（第5信号输出脚）
9
OUT4（第4信号输出脚）
10
OUT3（第3信号输出脚）
11
OUT2（第2信号输出脚）
12
OUT1（第1信号输出脚）
13、14
+5V
对于引脚的定义说明，以“M0光敏电阻特性测量”实验模块为例。
图1-4所示为M0模块引脚说明：
图1-4M0模块引脚说明
表1-212个实验模块功能及相关参数表
模块标号及功能
外形图
涉及的引脚、电压
M0
光敏电阻特性测量
需要用到+5V（第13、14脚）、GND（第6、第7脚）、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M1
光敏电阻-光照强度测量
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、+5V（第13、14脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M2
光敏二极管应用-光照强度测量
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M3
光电开关的应用-开关量测量
需要用到+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V电平信号
M4
HEL-776铂电阻温度传感器-温度测量
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M5
9015三极管的应用-温度测量
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M6
AD590集成温度传感器的应用-温度测量
需要用到+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M7
CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量
需要用到+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚、信号输出（第12脚）。
输出信号类型：
0~5V模拟信号
M8
V-TO-F电压频率转换
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。
输入信号类型：
0~5V电压信号
输出信号类型：
0~5KHz频率
M9
F-TO-V频率电压转换
需要用到+12V（第1、2脚）、+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。
输入信号类型：
0~5KHz频率
输出信号类型：
0~5V电压信号
M10
V-TO-I电压电流转换
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。
输入信号类型：
0~5V电压信号
输出信号类型：
4~20mA电流信号
M11
I-TO-V电流电压转换
需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。
输入信号类型：
4~20mA电流
输出信号类型：
0~5V电压信号
每个实验都配备了一个实验小模块和一套完整的直插式元器件散件。
实验模块出厂时已测试完成，提供给老师或学生进行验证性实验，另外的一套直插式元器件散件供学生进行动手实践，以提高学生的动手能力，加深对所学知识的掌握程度。
实验小模块的使用方式是直接把模块插入面包板中，然后根据该模块需要的电压，从主板中一一引入，把信号输出口（第12脚）通过跳线引到信号输出模块的“T4”或“T5”口，然后用数据线把信号引到数据采集卡的AD通道。
图1-5所示为实验模块的使用例图。
图1-5实验小模块使用例图
直插式元器件散件的使用方式是根据教材或说明书中提供的配套实验电路进行电路的搭建，完成电路的测量。
以光敏电阻光照强度测量实验为例进行说明，如图1-6所示为说明书中提供的实验电路原理图，根据该电路图在面包板上搭建实验电路如图1-7所示。
图1-6光敏电阻光照强度测量电路原理图
图1-7在面包板上搭建的光照强度测量实验电路
TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块提供了13个实验内容，其中12个内容以小模块的形式出现，另一个实验内容为电阻应变式称重传感器特性及其应用，该部分实验的信号处理电路安排在实验主板上。
实验1电阻应变式称重传感器特性及应用
任务需要的组件和设备
●开放式传感器电路实验主板；
●电阻应变式称重传感器工作对象；
●TS-INQ-8U多通道数据采集模块；
●砝码一套；
●跳线若干；
●PC机；
●万用表等，
●传感器特性测量.vi；
●全桥电路的应用-物体重量测量.vi；
图2-1所示为本任务中使用的电阻应变式称重传感器对象结构图。
该对象主要由以下三部分构成：
称重托盘、传感器-桥臂和底座。
图2-1电阻应变式称重传感器对象结构
第一步进行传感器特性曲线的测量
1.电阻应变式称重传感器通常会有四根线引出来，分别是红、蓝、黄（白）、黑。
把称重传感器对象中的应变式称重传感器的四根线按颜色分别接到传感器开放电路实验主板的全桥实验信号处理模块，红色线接P1或P5口，蓝色线接P6或P7口，黄色线（白色线）接P2或P3口，黑色线接P4或P8口。
图2-2所示为传感器对象信号线的连接过程。
图2-2传感器工作对象的信号线的连接过程
2.用跳线把全桥信号处理模块的T8口与信号输出模块的T4或T5口短接，然后用信号线连接信号输出模块的BNC接口和多通道数据采集模块的通道5。
3.确认接线无误后，把主板的电源连接到工作台的多路输出电源。
把主板上的5V、+12V、-12V的电源开关拨到“ON”一侧。
4.用万用表测量T8端口的对地电压，如果该点电压超过5V（多通道数据采集模块的测量电压通常为±5V），则调节电阻R22的阻值调整放大电路的零点。
当然可以不完全调整到零，在实际测量过程中起始电压与测量结果不构成直接的关系，在这里只要尽量把放大电路的初始测量电压调低就行了，一般为0.5V左右。
其目的是使初始测量电压尽量低，在测量过程中就不会随意的超出数据采集模块的电压量程。
如果电压超过5V，也可以调整电阻R21的阻值和R9的阻值调整放大电路的放大倍数，使输出电压不超过5V。
5.在“TS-OSC-7A开放式传感器电路实验平台-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”程序。
如图2-3所示。
采样通道选择为通道5，采样频率选择为1（5KHz），采样长度为2048字节。
图2-3传感器特性测量VI
6.运行程序，在称重传感器对象的称重托盘上不放任何重物的情况下，测量一组数据，记录测试输出的电压值和称重物的重量（没任何称重物时质量为0），在“第1次采集时的量”一栏内填入“0”，然后点击“第一次采集”按钮读取重量为“0g”状态下的电压值，该电压值会在按钮右边的空格内显示出来。
7.在称重托盘上放一称重物，可以从最小的砝码（10g）开始放。
砝码值填入“第2次采集时的量”空格内，然后点击“第2次采集”按钮读取此次采集时的电压值。
8.依次改变放置砝码的重量，进行多次电压值的采集。
记录各次的输出电压和砝码的质量，把数据填入下表2-1中。
表2-1
砝码（g）
电压（mV）
9.根据任务中测量的数据，在直角坐标系中绘制关于电阻应变式称重传感器输出电压与称重物体质量之间的关系曲线。
10.也可以直接点击“画特性曲线”按钮在程序面板上绘制传感器的特性曲线。
11.观察该曲线的线性特性并计算该关系曲线的函数关系式。
注意：
本任务中采用的电阻应变式称重传感器的量程为5kg，在工作过程中请勿超出量程，以免损坏传感器。
第二步亲自动手实践
从第一步任务中绘制的传感器特性曲线可以看到电阻应变式称重传感器的电压输出特性曲线是成线性关系的，而且表现出很好的线性度。
因此可以用线性函数关系式y=kx+b表示，其中横坐标x表示称重物的质量，纵坐标y表示传感器输出的电压量。
当知道传感器的输出电压量的时候，该线性函数关系式则可表示为：
x=（y-b）/k，也就是说利用线性函数关系式就可以实时的测量传感器的输出电压进而计算出测试的称重物体的质量。
这就是使用称重传感器的方法，也是大部分传感器使用的方法。
接下来，亲自动手实践完成传感器的物体质量测量。
在“TS-OSC-7A开放式传感器电路实验平台-程序VI”文件夹中打开“全桥电路的应用-物体重量测量.vi”程序，如图2-4所示。
把第一步中计算得到的称重传感器特性曲线函数关系式中的截距b和斜率k的值填入“全桥电路的应用-物体重量测量.vi”程序的相应空格内，运行程序。
图2-4全桥电路的应用-物体重量测量程序截图
1.在托盘上放置砝码，如图2-5所示。
在程序前面板上即可看到称重传感器托盘上砝码的质量。
把通过程序测得的质量与砝码的实际质量进行比较，计算测量误差，分析产生误差的原因。
图2-5称重过程截图
注：
该部分实验过程在《现代传感器技术及其应用》教材中已有详细讲解，请参考该教材的相关章节，在此说明书中不在赘述。
实验2光敏电阻特性及应用
基本原理
在光线的作用下，引起材料电导率的变化，这种现象称为光电导效应。
光电导效应是半导体材料的一种物理效应。
光照愈强，器件本身电阻愈小。
基于这种效应的光电器件称为光敏电阻。
光敏电阻的符号和外形如图1-8所示。
用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉（CdS）及硒化镉（CdSe）两种。
光敏电阻的CdS或CdSe沉积膜面积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积膜做成“弓”字形，以增大受光面积。
光敏电阻工作时的响应速度较慢，如CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。
因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。
光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。
图1-8光敏电阻符号及实物图
光敏电阻的特性测量
特性测量需要的组件和设备
●开放式传感器电路实验主板
●M0光敏电阻特性测量模块
●TS-INQ-8U多通道数据采集模块
●M0元件包
●跳线若干
●PC机
●万用表
●传感器特性测量.vi
如图1-9所示为M0光敏电阻特性测量模块。
图1-9M0光敏电阻特性测量模块
用电路模块进行传感器特性曲线的测量步骤
1.把+5V的电源开关拨到“OFF”，选择“M0光敏电阻特性测量模块”,插在实验主板的面包板上，从主板上把+5V电源和GND地通过跳线分别引到模块M0的+5V（第13、14脚）和GND（第6、7脚）。
用跳线把M0模块的12脚的信号引到信号输出模块的T4或T5接口处。
再通过数据线把BNC接口处的信号送到数据采集卡的通道5或通道6。
2.打开+5V电源模块的开关，拨到“ON”一侧。
3.如图1-10所示在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。
运行程序进行光敏电阻特性的测量。
图1-10传感器特性测量程序界面
4.在实验过程中改变cds光敏电阻的光照状况，用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第一次采集时的量”后的控件内。
点击“第一次采集”按钮，采集当前光照状况下M0模块的输出电压值。
5.再调整光敏电阻受光面的光照状况，接着用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第二次测量时的量”后的控件内。
点击“第二次采集”按钮，采集当前光照状况下M0模块的输出电压。
6.重复步骤5，进行多次测量，点击“画特性曲线”按钮绘制cds光敏电阻的特性曲线，另外把测量数据填入下表1-3中。
表1-3
光强（Lx）
电压（mv）
按照表中的数据在如下图所示的直角坐标系中手动绘制特性曲线并分析该特性。
图1-11光敏电阻光照特性曲线
动手搭建电路进行传感器特性曲线的测量步骤：
1.图1-12所示为M0光敏电阻特性测量电路原理图。
把+5V的电源开关拨到“OFF”，在传感器实验电路主板的面包板上搭建好电路，连接好相应的电源和地线。
把信号线连接到信号输出模块的T4或T5口，连接信号到多通道数据采集模块的通道5或通道6。
图1-12cds光敏电阻实验电路原理图
2.把+5V电源的开关拨到“ON”一侧，打开电源开关。
3.在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”（也可选择“6”），采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。
运行程序进行光敏电阻特性的测量。
4.以下详细的测量过程与“用电路模块进行传感器特性曲线的测量步骤”中相同，请参照此过程进行。
光敏电阻光照强度测量实验
光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化，它们之间的关系是非线性的，基本呈对数特性。
若采用简单电子元件对光电流进行对数压缩，使光敏电阻的光电流与光照强度呈线性变化，就可以构成等间隔刻度的照度计。
对数压缩一般采用对数二极管。
1Lux以上的照度范围，采用一般的整流二极管就可以获得期望的特性曲线。
实验所需要的组件和设备
●开放式传感器电路实验主板
●M1光敏电阻-光照强度测量模块
●TS-INQ-8U多通道数据采集模块
●M1元件包
●跳线若干
●PC机
●万用表
●传感器特性测量.vi
●光敏电阻-光照强度测量.vi
如图1-13所示为M1光敏电阻-光照强度测量模块。
图1-13光敏电阻-光照强度测量模块
光敏电阻通过对数二极管进行对数压缩后，理论上其光电流与光照强度成线性关系。
在实际应用时，并不知道这线性关系具体是什么样的，也不知道这线性关系的函数表达式是什么。
这就给传感器的应用带来了一定的困难。
在传感器应用过程中，首先要知道该传感器的输入输出曲线是什么样的，才能根据数学方法拟合出该关系曲线的函数关系式，然后才能利用该函数关系式进行相关量的测量。
在光敏电阻的应用过程中也是如此，我们首先要测量出该传感器经过对数压缩后的线性函数表达式，才能利用光敏电阻完成相关量的测量。
用电路模块进行光照强度的测量步骤
1.把+5V、+12V、-12V的电源开关拨到“OFF”，选择“M1光敏电阻-光照强度测量模块”,插在实验主板的面包板上，从主板上把+5V、+12V、-12V电源和GND地通过跳线分别引到模块M1的+5V（第13、14脚）、+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）和GND（第6、7脚）。
用跳线把M1模块的12脚的信号引到信号输出模块的T4或T5接口处。
再通过数据线把BNC接口处的信号送到数据采集卡的通道5或通道6。
2.打开+5V、+12V、-12V电源模块的开关，拨到“ON”一侧。
3.如下图1-14在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。
运行程序进行光敏电阻对数压缩后的线性关系的测量。
图1-14传感器特性测量程序界面
4.在实验过程中改变cds光敏电阻的光照状况，用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第一次采集时的量”后的控件内。
点击“第一次采集”按钮，采集当前光照状况下M1模块的输出电压值。
如果改变光照强度状况后电压变化量比较小，可以调整M1模块上的电阻VR1的阻值调整电路的放大倍数。
5.再调整光敏电阻受光面的光照状况，接着用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第二次测量时的量”后的控件内。
点击“第二次采集”按钮，采集当前光照状况下M1模块的输出电压。
6.重复步骤5，进行多次测量，点击“画特性曲线”按钮绘制cds光敏电阻经对数压缩后的线性曲线，另外把测量数据填入表1-4中。
表1-4
光强（Lx）
电压（mv）
按照表中的数据在图1-15所示的直角坐标系中手动绘制特性曲线并分析该特性。
图1-15光照强度-电压曲线
7.简要分析该特性曲线的线性度。
线性曲线通常用函数关系式y=k*x+b表示，其中横坐标x表示光照强度（Lx），纵坐标y表示传感器输出的电压。
当传感器的输出电压为已知量而被测对象为未知量时，该线性函数关系式则可表示为：
x=（y-b）/k，也就是说利用线性函数关系式就可以实时的测量传感器的输出电压进而计算出被测对象的量。
这也就是利用光敏电阻进行光照强度测量的方法。
8.用数学方法拟合出第“6”步中绘制的线性曲线的函数关系式，并用y=k*x+b表示。
9.如图1-16所示，在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“光敏电阻-光照强度测量.vi”程序。
图1-16光敏电阻-光照强度测量
10.把第“8”步中计算出来的y=k*x+b函数表达式中的“k”值和“b”值分别填入程序面板中的“K值”和“b值”控件内。
点击如下图1-17所示的按钮运行程序。
图1-17运行按钮
11.改变光照强度，进行光敏电阻-光照强度测量实验。
12.测量结束后，请先点击“停止”按钮结束程序运行，然后再退出程序。
动手搭建电路进行光照强度的测量步骤
在动手实践时，需要利用配置的元器件包搭建电路进行实验，实验内容与验证性实验相同，都是先进行传感器线性曲线的测量拟合出线性函数关系式，然后再利用该函数关系式进行光照强度的测量。
1.如下图1-18所示为M1光敏电阻-光照强度测量电路原理图。
把+5V、+12V、-12V的电源开关拨到“OFF”，在传感器实验电路主板的面包板上搭建好电路，连接好相应的电源和地线。
把信号线连接到信号输出模块的T4或T5口，连接信号到多通道数据采集模块的通道5或通道6。
图1-18M1光敏电阻-光照强度测量电路原理图
2.检查接线无误后，把+5V、+12V、-12V电源的开关拨到“ON”一侧，打开电源开关。
3.在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”（也可选择“6”），采样频率选择“1
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