第一组检测技术综合实验.docx

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第一组检测技术综合实验

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

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

振荡电路

标定

数据采集卡采集数据

用labview进行数据处理

2、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

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

（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

——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

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：

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

上升到

所需时间，充电时间常数为（R1+R2）C

故

T2为Vc从

下降到

所需时间，放电时间常数为

故

因此：

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

NE555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

上述三个式子联立即可得到

的关系式

，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。

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：

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。

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

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：

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

开始

结束

连接电机

测量结果误差分析

转盘转动

标定

光电传感器感应光信号

用labview读取数据和波形

输出脉冲

数采卡采集整形后的脉冲信号

采用信号调理电路对脉冲信号进行整形放大

3、电机连接图

系统选择电机驱动器的型号为ST-24HB，此驱动器控制步进电机整步转动式1.8°，但是它还可以细分为0.9°、0.36°、0.18°、0.09°、0.045°，细分数越小转动的精度越高，如果精度太高则细微的光线变化将导致转动装置不停的调整，消耗能量较大，经过多次测试，本着在精度和耗能方面折中的思想，系统选择步进电机的步长为0.9°。

电机由直流电压+24V和0V控制，通过改变DIR+引脚的电压值来控制步进电机的正反转。

若DIR+引脚输入5V电压则电机正转，输入0V电压则电机反转。

4、产生电路设计

设计采用了光电传感器EE-SX671A,进行非接触式检测。

当有物体挡在光电传感器的槽孔时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。

系统在光电传感器收发端间加入电动机驱动的转盘，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。

每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲，由脉冲个数即可求出电机转速。

转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。

这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。

设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。

此次设计由实验室提供被电机驱动的圆盘，孔数为60，则计算公式为：

电机转速=60*脉冲频率/转盘孔数

5、信号调理电路

本设计计划采用高性能集成四运放LM324来进行光电信号调理电路设计。

电路采用两级放大电路对脉冲信号进行放大，防止信号脉冲太小以至对实验结果不产生影响。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图3.3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

6、软件部分

数据采集后的信号可写入文件中并保存起来，同时通过读出脉冲频率从而求得电机转速。

根据电机DP+引脚输入电压的大小来判断电机的正反转。

因此将DAQ采集到的数据拆分为两路，再进行处理。

如图所示DAQ通道设计及程序框图设计如下所示，两路DAQ的引脚分别为ai3（30,63）和ai13（26,59）：

7、实验结果及分析

步进电机转速的理论计算公式为：

步进电机转速=频率*60/（（360/T）*x）（单位：

转/min）

其中频率单位为hz，x实指细分倍数为2，T为固有步进角1.8°，实验测量结果如下表所示：

输入频率

（Hz）

电机理论转速

（转/min）

电机实际转速

（转/min）

测量误差

（转/min）

1.5k

90

90.8924

0.8924

2.0k

120

119.5684

-0.4316

2.5k

150

150.9456

0.9456

3.0k

180

180.3579

0.3579

3.5k

210

209.1873

-0.8127

4.0k

240

239.0746

-0.9254

4.5k

270

270.8462

0.8462

5.0k

300

300.0489

0.0489

5.5k

330

329.4519

-0.5481

6.0k

360

359.0846

-0.9154

6.5k

390

390.7896

0.7896

7.0k

420

419.8463

-0.1537

由上表可知，测量结果的绝对误差为0.9456转/min，未超过1转/min，符合精度要求。

五、讨论题：

1、除了该种转速测量方法外，还可以列举几种测量方法，比较几种测量方法。

（1）频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。

设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为m=Tcf，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值：

N=60m/pTc（r/min）

长处：

操作简单

缺陷：

精度低、对测试人员要求较高

（2）霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。

霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。

输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。

长处：

增加小磁钢的个数可提高分辨率，无瞬间抖动，具有较高的精度

缺陷：

受环境影响较大，容易被磁场和电场干扰

（3）闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。

若脉冲频率为，则电机的转速为（r/min）。

缺陷：

低速时频闪效应较差，无法形成固定影像，故不能用于测低速。

且由于光源问题应用不广泛。

2、如何提转速位测量精度？

（1）增加转盘上孔的数量，使电路输出更多有规律变化的脉冲信号，这样数据采集端可以接收到更多的脉冲信号，可以提高测量精度。

（2）在软件设计中加入数字滤波函数，减少其他信号对有效脉冲信号的干扰，提高计数的准确性。

八、实验分工

本小组三名同学就实验设计要求进行了讨论和分析，并共同研究和制定了实验方案。

杨晓琦同学负责硬件电路的设计，陈静同学负责软件的设计，徐淼淼同学负责实验过程中硬件电路的调试。

整个设计过程分工明确，有条不紊。

九、总结

两周的课程设计很快就过去了，在这一周内我学到了很多东西，主要是进一步理解了一个系统的设计，一个系统能否很好地实现功能，关键在于数据采样这个阶段，而数据采样阶段中比较重要的是传感器。

在实验完成之际，首先感谢我的指导老师狄长安老师在整个实验过程中对我的指导和帮助。

从了解到自己设计和调试，每次遇到问题，老师都给出最大的耐心帮我们解释和解决。

其次感谢我们组的其他两位同学，正是我们的团结合作才使我们顺利完成了本次试验。

这次课程实验不仅培养了我们思考、动手和分析能力，还加强了我们团队合作精神，为我们今后的研究和发展奠定了坚实的基础。

十、参考文献

【1】传感器原理及应用/朱蕴璞，孔德仁，王芳编著——北京：

国防工业出版社，2007年8月

【2】工程实验理论基础/宋文爱，卜雄洙编著——北京：

兵器工业出版社，2000年2月

【3】模拟电路与数字电路/寇戈，蒋立平编著——北京：

电子工业出版社，2008年7月

【4】labview、matlab及其混合编程技术/曲丽荣、胡容、范寿康编著——北京：

机械工业出版社，2011年2月

【5】数字化测控技术/周严主编——北京：

理工大学出版社，2011年1月

【6】测控系统电子技术/周严主编——北京：

科学出版社，2007年