传感器.docx

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传感器

实验一应变式传感器与检测系统实验

一、实验目的

1．熟悉金属箔式应变片的应变效应和测量电桥（全桥）的组成、工作原理和性能；利用应变片制作的称重实验台进行物品称重，并掌握称重实验台的定标和测量误差修正方法；

2．结合称重实验系统的构建，熟悉典型的自动检测系统的硬件结构和工作原理；掌握检测技术软件（数据采集和处理软件DRVI）的基本功能和使用方法。

二、实验原理

本实验所用的DRCZ-A型称重台由应变式力传感器、底座、支架和托盘构成。

其中，力传感器由测力环和4个应变片构成的全桥电路组成。

当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，通过电桥放大后产生电压输出。

图1-1称重实验台结构示意图

电阻应变片是利用物体线性长度发生变形时其阻值会发生改变的原理制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度补偿性能。

测量电路普遍采用惠斯通电桥（如图1-2所示），利用的是欧姆定律，输出量是电压差。

图1-2电阻应变片惠斯通电桥测量电路

为提高测量精度，称重实验台使用前可用标准砝码对其进行标定，得到物料重量与输出电压的关系曲线，实际使用时将测量电压按该曲线反求出实际重量就。

关系曲线用y=kx+b拟合，方法有：

①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合等。

本实验用两个砝码进行标定，通过计算直线的方法（端点连线拟合）进行标定。

测量误差修正除前述的标定外，还可通过数据处理的方法来实现，如：

平均值处理等。

三、实验仪器设备和器材

1．计算机１台

2．检测软件DRVI1套

3．称重实验台（DRCZ-A）1个

4．砝码1套

5．USB数据采集器1台

四、实验要求

1.预习要求：

阅读、理解实验指导书的实验原理，并思考回答以下问题：

a）为什么称重实验台能用应变片来称重？

采用全桥电路有什么优点？

b）为什么称重实验台使用前要用标准砝码进行标定？

c）如何分析称重实验台称重时所产生的误差？

2.实验内容：

用DRDAQ-USB型数据采集仪和DRCZ-A型称重台称一色块的重量，并计算静态误差与该系统测量的非线性误差。

3．注意事项：

a）DRYB-5-A型传感器的称重或测量不超过2Kg的力（平稳，不含过强冲击）。

b）不要冲击传感器或在其上施加过大的力，以免因过载而损坏传感器。

五、实验步骤

第一步搭建“重量检测系统”硬件平台

1.关闭DRDAQ-USB型数据采集仪电源，将选用的传感器、信号预处理模板等连接到采集仪的数据采集通道上。

（禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器）

2.开启总电源、DRDAQ-USB型数据采集仪电源、直流电源以及将模块电源选择选择在第一模块上，如都显示绿灯，进行下一步实验。

第二步启动数据采集与处理软件，熟悉其运行环境、软件结构、界面内容和使用方法

3.运行“DRVI”主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测（USB）”进行软件注册。

4.点击DRVI快捷工具条上的“脚本样例”图标，并在相应菜单中选择“转子实验台[服务器]”或“环形输送线实验台[服务器]”，而后在实验菜单上选择“动平衡配重测量实验”或“称重实验台实验”。

5.实验时，先用两点标定法对称重传感器进行标定：

先后用2个砝码，分别选“标定1”、“标定2”，再按“标定结果”得到本传感器电压/重量关系曲线。

图1-3应变式力传感器称重实验

6.记录得到的传感器“电压/重量”关系曲线y=kx+b，并称重4个不同重量的砝码。

7.重复实验4、5步骤三到五次，记录数据处理。

（了解迟滞、重复）

标准重量（g）

测量重量（g）

8．查看VBSCRIPT文件，逐行理解；了解各软件模块，或称为“芯片”的功能。

9．（选作）修改定标方法，进行测试。

六、实验思考题

数据采集与处理软件在本实验中有什么作用？

七、实验报告要求

实验报告除填写“实验目的”外，在内容栏应主要包括如下几部分：

1.“实验原理”简述；

2.“实验系统硬件结构”描述；（要求图文并茂，包括电路图、整个系统结构图，并有对应的文字说明。

）

3.“检测软件功能”说明；

4.“实验步骤和实验数据”记录；

5.“实验数据处理分析”；（对实验数据统计、整理，将实验结果用图表和文字进行分析，并给出结论。

）

6.“其他”；可以提出该实验存在的问题、本人尚不明白的问题、建议和意见等。

实验二多传感器工程检测综合实验（Ⅰ）

一.实验目的

1.通过本实验，让学生熟悉几种传感器的结构和工作原理；

2.让学生掌握自动生产线上多种传感器实际应用方法、检测系统的组成和工作过程。

二.实验原理

利用环形输送线试验模型，，模拟自动生产线上物料的输送、检测工作。

图1是该实验台的结构图，由外壳、链板（测试物品的载板）、链条、链轮、直流电机、传感器支架、链条张紧装置、传动装置、6个测试样品（金属、塑料各三个，三种颜色）和传感器组成。

其运行线速度为：

4～5cm/s（12V）；1.6~2.2cm/s（5V）。

环形输送线试验台可以引入：

光电对射传感器检测速度、红外传感物品计数、电涡流传感金属物体识别、超声波传感物体测距、色差传感颜色识别、应变传感物体质量测量实验、霍尔传感工位定位实验等实验。

三、实验仪器设备和器材

1．计算机１台；2．检测软件DRVI1套；3．环形输送线试验台1个；

4．USB数据采集器1台；5.多种传感器一套.

四、实验要求

2.预习要求：

实验前，要阅读、理解实验指导书的实验原理，熟悉实验内容。

2.实验内容：

（1）物体检测：

可选用红外反射式传感器（DRHF-12-A）检测物体。

红外反射式传感器及反光板的安装在支架上，使传感器的下边沿平行于输送线的顶盖板。

反光板固定在传感器发射面的前面，使反光面中心正对着传感器。

开动环形输送线，当测试样品随链板运动经过传感器时，由于物体遮挡了红外线的反射，传感器会输出一个跳变的信号。

图2红外反射式传感器物体检测

（2）金属物体检测：

可选用电涡流接近开关进行测量，探测距离一般<20mm。

在进行实验之前，传感器探头与被测物体之间的距离调整到5～10mm。

链板拖动被测物体经过传感器探头前面，当金属材质（铝）的物体经过探头时，传感器会输出跳变的信号。

图3电涡流接近开关金属物体检测

（3）输送线运行速度测量：

可选用红外对射式传感器测量速度。

如图4所示，红外对射式传感器的发射和接收窗口被固定在传动链条的两侧，当链条在电动机的拖动下运动时，链条的滚子会有规律的遮挡传感器发出的红外线，在传感器的输出端上就会得到连续的脉冲。

由于链条的滚子之间的距离（即节距）相等，（节距：

d=12.7mm）所以测得传感器输出的脉冲频率（F），就可以推算出链条的运动速度S[S=d*F（mm/s）]。

图4红外对射传感器运动速度测量原理示意图

说明：

红外对射式传感器安装在环形输送线的链板的下面，在输送线上部观察不到该传感器，使用时也不需要进行调整。

由于链条的运行速度比较慢：

16～50mm/s；对应传感器测量信号频率大约是1.26～3.94Hz。

因此，采样频率参数不能设置得过高，可根据采样长度（1024）内包含至少2个脉冲周期来确定采样频率。

（4）色差传感器物体表面颜色识别实验：

选用色差识别传感器使用的是红外反射式色差传感器，工作原理是依据不同颜色的物体表面对红外线的吸收率和反射率。

在相同的测试距离上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。

因此，可以根据物体对红外线的反射率来判断物体的表面颜色。

在标准测试距离上，随环形输送线提供的三种测试颜色样品。

注意：

在传感器的使用过程中请注意探头和被测物体表面的清洁，根据光的吸收与反射定律，如果被测物体表面有污物，会影响光的反射，也就是影响测量精度。

另外避免光源直射传感器端面或测试样品，否则也会影响测试结果。

（5）工件位置测定：

选用霍尔传感器检测到磁钢经过传感器时磁场的变化，输出脉冲信号。

当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出”这些磁钢。

图5霍尔传感器定位原理图

三.实验步骤

1．系统安装：

（1）关闭DRDAQ-USB型数据采集仪电源，将选用的传感器分别安装在实验模型上，并连接到采集仪的数据采集通道上，与计算机相连接。

（2）弄清系统结构和工作原理，画出实验平台的结构图。

（禁止带电插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器）

2．系统调试运行：

（1）开启DRDAQ-USB型数据采集仪电源。

（2）运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。

（3）在DRVI地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“环形输送线试验”，建立实验环境。

3．具体实验步骤：

ⅰ、物体计数与铁磁物体计数

（1）在菜单中选择“物体（铁磁物体）计数实验”

（2）在环形传送线实验台上，找出红外反射式传感器和电涡流接近开关传感器，并找出对应的采集通道。

（3）对比通道与实验平台的通道一致否，若一致，进行下一步实验。

（4）按一定的间距摆放5个色块，并使色块位置位于传送带的中间。

（5）按下实验平台中软“运行”、“复位”键。

让传送线运行2圈，记录所测得色块总数和铁磁色块数。

并与实际的数目比较。

ⅱ、输送线运行速度测量

（1）在菜单中选择“输送线运行速度实验”

（2）在环形输送线实验台上，找出红外对射传感器的采集通道。

（3）对比通道与实验平台上的通道一致否，若一致，进行下一步实验。

（4）在12V的运行线的输入电压情况下，按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。

（5）将12V换为5V的输入电压，注意：

在老师检查完以后才能运行输送线。

按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。

有条件的同学可以改变采样率，进行测量。

ⅲ、工件定位（运行速度）测量

（1）在菜单中选择“工件定位实验”

（2）在环形输送线实验台上，找出霍尔传感器和它的采集通道。

（3）对比通道与实验平台上的通道一致否，若一致，进行下一步实验。

（4）在12V的运行线的输入电压情况下，按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。

（5）将12V换为5V的输入电压，注意：

在老师检查完以后才能运行输送线。

按下实验平台中软“运行”，让输送线运行2圈，记录3-5组运行速度的数据。

有条件的同学可以改变采样率，进行测量。

（6）比较霍尔传感器和红外对射传感器的测量结果。

ⅳ、颜色识别实验（可选）。

（1）在菜单中选择“颜色识别实验”

（2）在环形输送线实验台上，找出红外反射式色差传感器和它的采集通道。

（3）对比通道与实验平台上的通道一致否，若一致，进行下一步实验。

（4）按下实验平台中软“运行”键。

观察不同颜色通过时它的识别情况。

四.实验报告要求

实验报告除填写“实验目的”外，在内容栏应主要包括如下几部分：

1．“实验系统硬件结构”描述；（要求图文并茂，包括各种传感器应用原理、电路图、整个系统结构图，并有对应的文字说明。

）

2．“调试过程和实验结果”记录；（逐项记录调试过程、结果分析）

3．“实验数据处理分析”；（对实验数据统计、整理，将实验结果用图表和文字进行分析，并给出结论。

）

4．“其他”；可以提出该实验存在的问题、本人尚不明白的问题、建议和意见等。

实验二多传感器的工程检测综合实验（Ⅱ）

五.一、实验目的

1．掌握磁电、光电等各种传感器的工作原理；利用以上传感器进行振动、速度等参数的测量，并采用适当的信号分析方法对测量结果进行分析和显示。

2．结合本实验项目，掌握检测系统的结构和组成，并熟悉振动、速度、轴心轨迹等物理量的测量和工程应用方法。

六.二、实验台简介

多功能转子实验台较好地模拟大型设备（如机床）运行时候的工作状态，提供了振动、转速等测试对象，可以开设磁电、光电、压电等多种传感器的综合实验。

利用不同的传感器，可以对同一个物理量，采用多种方式测量，再现了实际工程应用中物理量的工程测试方法。

转子实验台由以下几个部分组成：

1底座、2主轴、3偏心飞轮、4直流电机、5主轴支座、6含油轴承及油杯、7电机支座、8连轴器及护罩、9RS9008电涡流传感器支架、10磁电转速传感器支架、11测速齿轮（15齿）、12保护挡板支架，如图1所示。

图1DRZZS-A型多功能转子试验台传感器安装位置示意图

主要技术指标为：

可调转速范围：

0~2500转/分，无级；

电源：

DC12V；

主轴长度：

500mm；主轴直径：

12mm；外形尺寸：

640×140×160mm；

重量：

12.5kg。

七.三、实验原理

1、转子实验台底座振动测量实验

机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。

机械振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故，因此有必要进行机械结构的振动分析和振动测试。

对于转子实验台的振动，可以采用磁电速度传感器和压电加速度传感器进行测量。

将带有磁座的速度和加速度传感器放置在试验台的底座上，如图2所示。

1）采用磁电速度传感器的振动测量：

磁电速度传感器是由一个线圈组件和壳体组成的。

如图3所示，壳体中固定有磁铁，线圈组件用弹性元件悬挂在壳体上。

工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样当振动体振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。

图3磁电式振动速度传感器结构示意图

2）采用压电加速度传感器测量：

根据压电效应，当晶体受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。

2、实验台转速测量

对于转子实验台的转速，可以分别采用光电转速传感器和磁电转速传感器进行测量。

1）采用光电传感器测量：

将反光纸贴在圆盘的侧面，使其前面的红外光源对准反光纸，使在反光纸经过时传感器的探测指示灯亮，反光纸转过后探测指示灯不亮。

当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。

通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n。

2）采用磁电传感器测量：

将磁电传感器安装在转子实验台上专用的传感器架上，如图5所示。

使其探头对准测速用15齿齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离，使测试距离为1mm。

齿轮在旋转过程会导致磁阻的改变，从而导致输出信号的变化。

在已知齿轮齿数的情况下，测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。

如设齿轮齿数为N，转速为n，脉冲频率为f，则有：

n=f/N。

通常，转速的单位是转/分钟，所以要在上述公式的得数再乘以60，才能转速数据，即n=60×f/N。

3、轴心轨迹测量

电涡流传感器一般由探头、延伸电缆、前置器组成，如图6所示。

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。

当有被测金属体靠近这一磁场，在此金属表面产生电涡流，其大小与探头和金属物体的距离等参数有关。

与此同时该电涡流将产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，使头部线圈的电感量发生改变，导致振荡器的振荡能力衰减，传感器将输出跳变的信号。

图6电涡流传感器基本工作系统

将两个电涡流位移传感器探头安装到实验台支架上，如图7所示。

转子工作时，主轴的轴心会在偏心飞轮的带动下会发生偏移，改变了探头和轴心之间的距离，则传感器的输出信号就反应了轴心的位置变化情况。

实验中，让两个传感器相互成90度，则它们所测量的就是轴心在两个垂直方向（X,Y）上的瞬时位移，合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。

八.

四、实验仪器设备和器材

1．计算机１台

2．检测软件DRVI1套

3．转子实验台1个

4．USB数据采集器1台

九.五、实验要求

3.预习要求：

阅读、理解实验指导书的实验原理，并思考回答以下问题：

a）为什么磁电传感器能用来测量转速？

b）对比光电转速传感器和磁电转速传感器的测量结果，哪个的精度更好？

为什么？

c）在轴心轨迹测量中，什么状态下轴心的位置是良好的，这时候的输出波形是什么？

2.实验内容：

利用不同的传感器对振动、转速等物理量进行测量，并对比相同物理量用不同传感器所得的测量结果。

3．注意事项：

a）轴心轨迹测量中，两个传感器探头到主轴的距离应调为约1.6mm，目的是使从前置器输出的信号刚好为0（mV）。

b）光电转速测试中，测量信号不好的情况下，应适当调整光电传感器的位置，传感器探头一般放置在被测物体前2～3cm，必要时可调节传感器后部的敏感度电位器。

一十.六、实验步骤

第一步搭建“检测系统”硬件平台

8.关闭DRDAQ-USB型数据采集仪电源，将选用的传感器、信号预处理模板等连接到采集仪的数据采集通道上。

（禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器）

9.开启总电源、DRDAQ-USB型数据采集仪电源、直流电源以及将模块电源选择选择在第一模块上，如都显示绿灯，进行下一步实验。

第二步启动相应的数据采集与处理软件，熟悉其软件结构、界面内容和使用方法

10.运行“DRVI”主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测（USB）”进行软件注册。

11.点击DRVI工具条上的“脚本样例”图标，在菜单中选择“转子实验台[服务器]”。

12.在实验“菜单”栏选择“速度传感器振动测量实验（服务器）”，得到软件测试环境。

6.启动转子实验台，调整到一个稳定的转速，点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，改变电机转速，并分快、中、慢三种情况，记录实验结果。

7.在实验“菜单”栏选择“加速度传感器振动测量实验（服务器）”，得到软件测试环境。

8.点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，

9.分别点击“原始信号”和“低通滤波”，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况，改变电机转速，分快、中、慢三种情况，记录实验结果。

10.在实验“菜单”栏选择“光电传感器转速测量（服务器）”，得到软件测试环境。

11.点击面板中的"开关"按钮进行测量，观察并记录测量的转速值，调整传感器的位置，同时观察检测到的转速波形和传感器位置之间的关系，并分析由此带来的测量误差。

12.在实验“菜单”栏选择“磁电传感器转速测量（服务器）”，得到软件测试环境。

13.点击面板中的"开关"按钮进行测量，调整传感器的位置，同时观察检测到的转速波形，并改变电机转速，分快、中、慢三种情况，记录实验结果。

14.在实验“菜单”栏选择“轴心轨迹测量（服务器）”，得到软件测试环境。

15.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。

一十一.七、思考题

1.常用的振动信号测量方式有那些？

2.电涡流传感器有什么特性？

可以用在那些特征量的检测上？

3.采用光电传感器测量转速的精度如何，怎样保证测量的准确性？

4.转速测量还可以采用其它那些传感器进行？

5.为什么要采用加速度传感器来测量振动信号？

一十二.八、实验报告要求

实验报告除填写“实验目的”外，在内容栏应主要包括如下几部分：

1.“实验系统硬件结构”描述；（要求图文并茂，包括各种传感器应用原理、电路图、整个系统结构图，并有对应的文字说明。

）

2.“调试过程和实验结果”记录；（逐项记录调试过程、结果分析）

3.“实验数据处理分析”；（对实验数据统计、整理，将实验结果用图表和文字进行分析，并给出结论。

）

4.“其他”；可以提出该实验存在的问题、本人尚不明白的问题、建议和意见等。

实验三测控电路综合实验

一十三.实验目的

1．掌握虚拟示波器的组成、仪器操作方法，包括界面调整、参数设置等；

2．掌握包括仪表放大器（IA）在内的测控电路的搭建及调试方法；

3．开放实验室的综合设计平台，学生可以自行设计、组装和集成各种信号检测实验系统，完成软硬件调试。

一十四.实验原理

对于仪表放大器，主要要求其放大倍数可调，以便对不同大小的信号进行放大；其输入阻抗要高，以便减少对信号源的影响；其共模抑制比要高，以便抑制线路上可能串入的共模干扰。

下面介绍两种高共模抑制比放大电路：

1．两运放仪器放大器

来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。

一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称、运算放大器具有理想特性。

否则放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。

一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。

图1所示是由两个运算放大器组成共模抑制约100dB的差动放大电路，即两运放仪表放大器。

图5－1两运放仪器放大器

由电路可得uo1=（1+

）ui1,

=

所以uo=（1+

）ui3－（1+

）

ui1

因输入共模电压uic=（ui1+ui2）/2，输入差模电压uid=ui3－ui1,可将上式改写为

uo=（1－

）uic+

（1+

+

）uid

为了获得零共模增益，上式等号右边第一项必须为零，可取

＝

＝

此时，电路的差动闭环增益为Kd=1+

这种电路采用了两个同相输入的运算放大器，因而具有极高的输入阻抗。

2．三运放仪器放大器

在自动控制和非电量系统中，常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统。

但这种电信号的变化非常小（一般只有几毫伏到几十毫伏），所以要将电信号加以放大，有的甚至放大上千倍或上万倍，因此都采用这种仪表放大电路（如图2所示）。

电路有两级放大级，第一级由A1、A2组成，他们都是同相输入，输入电阻高，并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移；第二级由A3组成差动放大电路，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调。

如果R2=R3、R4=R5、R6=R7

改变R1的电阻阻值，即可调节放大倍数，而不影响电路的对称性。

图2三运放仪器放大电路

由电路可得

由此可得

，

于是，输入级的输出电压，级运算放大器A1、A2输出之差为

其差模增益

由此可得，当A1、A2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在R1两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。

但为了消除A1、A2偏置电流等的影响，通常取R2=R3。

第二级A3组成差分放大电路，外接电阻完全对称。

有

（R4=R5，R2=R3）

电路的总电压放大倍数为

另外，这种电路还具有增益调节能力，调节R1可以改变增益而不影响电路对称性。

三运放仪器放大器抑制共模成分的能力取决于A3，因此，它的增益常设计为1，即取R4=R5=R6＝R7。

而且，要求这四个电阻必须严格匹配，以保证电路严格对称。

一十五.实验仪器设备和