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传感器测试系统论文
摘要
本文主要介绍一种传感器测试系统的设计，该设计中所涉及的传感器主要包括：
温度传感器、湿度传感器、压力传感器、压差传感器、流量传感器等。
所涉及的仪表主要有手操、巡检仪、变频器、AI工业智能调节器、AIJ智能调节器等。
以及执行机构主要有变频器和调节阀。
本次设计的传感器测试系统是专门为电气类专业（电气工程、自动化、检测仪器及仪表等）所设计的综合实验装置。
完成典型传感器（温度、湿度、压力、流量、液位、电参数）测试及校验，并可实现对被控对象的建模、系统设计及系统稳定性分析、系统的参数整定、系统的性能指标检定。
可为检测技术、控制原理、计算机控制技术、集散控制系统、过程控制及仪表等课程开设实验、实训及科研项目研究，为以后从事自动控制系统研发设计、集成安装、调试、运行操作、维护、维修等工作奠定一定的基础。
还可以为本科生、研究生、专业教师及科研人员从事控制系统的实验、实训及科学研究的提供一个重要的平台。
关键词传感器测试系统变频器智能调节器
Abstract
Thispaperdescribesthedesignofasensortestsysteminvolvedinthedesignofsensorsincluding:
temperaturesensors,humiditysensors,pressuresensors,pressuresensors,flowsensors.Involvedintheinstrumenthandoperation,dataloggingdevices,inverter,AIindustrialsmartregulator,theAIJsmartregulatorandsoonimplementingagenciesinverterandcontrolvalve.Thedesignofthesensortestsystemisdesignedforelectricalspecialty（electricalengineering,automation,testingequipmentandinstruments,etc.）thedesignoftheintegratedtestdevice.Completeatypicalsensor（temperature,humidity,pressure,flow,level,electricalparameters）testingandvalidation,andimplementationofthecontrolledobjectmodeling,systemdesignandsystemstabilityanalysis,systemparametertuning,systemperformanceIndextest.trainingandresearchprojectsforfuturedevelopmentintheautomaticcontrolsystemdesign,integration,installation,commissioning,operation,Maintenance,repairandsolayafoundation.Canalsoundergraduate,graduate,professionalteachersandresearchersengagedinthecontrolexperiment,trainingandscientificresearchprovidesanimportantplatform.
KeywordsSensorTestSystemfrequencytransformer
SmartRegulato
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1概述1
1.2课题设计任务1
2总体方案设计2
2.1概述2
2.2系统主要功能及技术指标2
2.3系统控制方式3
2.4系统主要方案4
3系统工作原理7
3.1传感器测试系统的控制仪表7
3.2传感器测试系统的执行机构15
3.3传感器测试系统的传感器组成18
4传感器测试系统可开设的实验22
4.1传感器测试及校验22
4.2执行器测试33
4.3仪表设置及测试38
4.4简单控制系统实验47
4.5复杂系统控制实验52
5总结54
附录55
致谢58
参考文献58
1绪论
1.1概述
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。
传感器测试系统一般由控制对象（检测装置、执行机构等）、控制系统（智能仪表控制、计算机组态软件控制、PLC控制等）组成。
检测装置（温度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器等）、执行机构（变频器、调节阀等）等组成系统的控制对象单元，完成对温度、压力、液位、流量等信息的检测，并能将所测信息通过检测装置转换成电流信号输出。
控制系统单元在接收到控制对象单元输出的信号时经过处理实现对系统温度、压力、液位、流量等的控制。
1.2课题设计任务
传感器测试系统是由检测装置、系统控制、执行机构和供水系统等组成。
完成典型传感器（温度、湿度、压力、流量、液位、电参数）测试及校验，并可实现对被控对象的建模、系统设计及系统稳定性分析、系统的参数整定、系统的性能指标检定。
并根据采用的模块化结构自由组合可构成简单系统或复杂系统，另一方面通过选用不同模块可构成集散系统。
检测装置（温度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器、电量传感器）完成对典型传感器（温度、湿度、压力、流量、液位、电参数）测试并将所测得得物理值转换成4～20mA的电流信号输出。
控制系统的智能数字仪表（无纸记录仪、手操器、人工智能调节器、多路显示报警仪、人工智能温度控制器、流量积算仪等）在接收到检测装置输出的信号时经过整定、运算输出信号反馈给执行机构，通过调节执行机构改变参数，达到对整个系统参数的控制调节。
2总体方案设计
2.1概述
本次设计的传感器测试系统是专门为电气类专业（电气工程、自动化、检测仪器及仪表等）所设计的综合实验装置。
完成典型传感器（温度、湿度、压力、流量、液位、电参数）测试及校验，各类智能仪表的的参数设置及测试，执行机构的测试并可实现对被控对象的建模、系统设计及系统稳定性分析、系统的参数整定、系统的性能指标检定。
可为本科生、研究生、专业教师及科研人员从事控制系统的实验、实训及科学研究的提供一个重要的平台。
2.2系统主要功能及技术指标
2.2.1系统主要功能
1、传感器测试
（1）温度传感器测试及校验
（2）压力传感器测试测试及校验
（3）差压（液位）测试及校验
（4）流量传感器测试
（5）湿度传感器测试
（6）单相电压传感器测试
（7）单相电流传感器测试
（8）功率因数传感器测试
2、仪表的设置及测试
（1）人工智能温度控制器测试
（2）无纸记录仪测试
（3）手持式高精度测温仪测试
（4）人工智能调节器测试
（5）多路显示报警仪测试
（6）流量积算仪测试
（7）手操器/饲服放大器测试
3、执行器测试
（1）变频器测试
（2）调节阀测试
4、可构建的简单控制系统
（1）温度控制系统
（2）压力控制系统
（3）差压（液位）控制系统
（4）流量控制系统
5、可构建的复杂控制系统
（1）液位串级控制系统
（2）流量串级控制系统
2.2.2系统主要技术参数
（1）温度传感器，测温范围0-200℃
（2）压力传感器，测量范围0～0.5MPa
（3）差压（液位）传感器，测量范围0～10KPa
（4）流量传感器，测量范围0～6M3/h
（5）湿度传感器,测量范围0～100%
（6）人工智能温度控制器，测量精度0.2级，输入/输出4-20mA
（7）人工智能调节器，测量精度0.2级，输入/输出4-20mA
（8）多路显示报警仪，测量精度0.2级，输入/输出4-20mA
（9）流量积算仪，测量精度0.2级，输入/输出4-20mA
（10）手操器/饲服放大器，测量精度0.2级，输出4-20mA、输入0.2-1V/0-5V
2.3系统控制方式
传感器测试系统的系统控制单元可以采用智能仪表控制、计算机控制和PLC控制这三种控制方式。
该控制系统单元主要作为控制子系统的核心单元。
1、智能仪表控制
智能仪表控制可以选用宇电自动化（UDIAN）生产的人工智能调节器、人工智能温度控制器、多路显示报警仪、流量积算仪、无纸记录仪、手操器/伺服放大器等几种仪表。
可实现位式控制、电动阀支路电容液位控制、变频器支路单容液位控制、变频器支路单容液位控制、上下水箱双容液位控制、电动阀支路流量控制、变频器支路流量控制、加热水箱温度控制、上下水箱双容液位串级控制等多个实验。
2、计算机控制
计算机控制由DDC控制单元、计算机和MCGS组态软件共同实现。
可以实现对象特性测试实验、单回路控制实验、串级控制实验、比值控制实验、解耦控制实验和预估控制实验等多个实验。
3、PLC控制
PLC控制通过可编程控制器来实现对系统的控制。
可实现上下水箱单容特性测试、电动调节阀流量特性测试实验、电动阀支路单容液位控制、上下水箱双容液位控制和上下水箱液位串级控制等多个实验。
综上所述：
通过对这三种系统控制方式的比较发现，它们各有其优缺点。
智能仪表控制可以通过模块化结构自由组合构成多个子系统，实现对系统稳定性分析、系统的参数整定、系统的性能指标检定。
计算机控制运用到组态软件，这样可以直观的看到系统的具体情况，但较仪表控制略复杂。
而PLC控制虽然过程比较简单，但是需要编程软件，而且不能直接反应控制对象的情况。
因此本设计采用智能仪表控制的控制方式。
2.4系统主要方案
2.4.1系统控制对象
1、系统组成
本系统装置对象主要由一个不锈钢储水箱、双容水箱、加热水箱和敷塑不锈钢管道等组成。
双容水箱是透明的，便于直接观察液位的变化和记录结果。
水箱底部均接有压力、液位传感器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、下水箱可以组合成一阶、二阶单回路液位控制系统和双闭环液位串级控制系统等。
储水箱由不锈钢板制成，能满足上、下水箱的实验供水需要。
加热水箱：
使用加热器进行加热，安装温度传感器可进行温度检测控制实验。
管道及阀门：
整个系统管道由不锈钢管连接而成，所有的手动阀门可采用优质球阀，以避免管道系统生锈的可能性。
2、检测装置
压力变送器：
两个压力变送器分别用来对由两路供水系统的液体压力进行检测，将液体压力转换成电流信号（4～20mADC）输出。
温度传感器：
主要用来检测加热水箱里液体温度。
流量变送器：
对两路供水系统各出口处的流量进行检测并输出电流信号4～20mADC。
差压变送器：
对上下两个水箱的液位进行检测并输出信号参数。
湿度传感器：
对控制系统中的湿度进行检测并输出4-20mA电流信号。
单相电压变送器：
对系统中交流电压进行检测并输出电流信号4-20mA。
单相电流变送器：
对系统中交流电流进行检测并输出电流信号4-20mA。
功率因素变送器：
对系统中的功率因数进行检测并输出电流信号4-20mA。
图2-1系统控制对象工艺
2.4.2系统执行机构
电动调节阀：
采用智能直行程电动调节阀，用来控制水的流量从而达到对回路中的液位、压力、流量、温度进行调节。
变频器：
控制三相交流电动机速度和转矩。
水泵：
系统输出驱动。
2.4.3系统控制仪表
人工智能温度控制器：
采用先进的AI人工智能PID调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能，能够智能的对系统进行PID调节。
人工智能调节器：
采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能，能够对系统进行智能调节。
多路显示报警仪：
配合各种输入模块，能分别测量1~2路热电偶、热电阻、电压、电流、流量、湿度等多种信号。
流量积算仪：
可对物质的质量、体积、长度进行累积计算，并可进行批量控制。
手操器/饲服放大器：
可接系统智能仪表的给定信号和阀位的反馈信号，根据二者的偏差进行调节，输出相应的控制量。
无纸记录仪：
用于对多个智能仪表的调节结果进行显示。
图2-2控制仪表布置图
3系统工作原理
3.1传感器测试系统的控制仪表
3.1.1AI人工智能工业调节器
（1）AI调节器的型号定义
AI系列仪表硬件采用了先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：
辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯[]。
本设计中只选用四个功能模块没有选用辅助输出模块。
AI系列人工智能调节仪表共由8部分组成，本设计仪表型号为：
AI－808PAI4X3L0NS4—24VDC
①②③④⑤⑥⑦⑧
这表示一台仪表：
①基本功能为AI-808P型，②面板尺寸为A型（96×96mm）；③辅助输入（MIO）安装I4模块即可扩充0~20mA或4~20mA电流信号输入，并且内置24VDC电源输出，可直接连接二线制变送器④主输出（OUTP）安装X3线性电流输出模块；⑤报警（ALM）安装L0双路继电器触点输出模块；⑥辅助输出（AUX）没有安装模块；⑦通讯（COMM）装有自带隔离电源的光电隔离型RS485通讯接口S4；⑧仪表供电电源为24VDC电源[1]。
（3）仪表的端子图及其说明
图3-1AI仪表端子图
①线性电压量程在1V以下的由19、18端输入，0~5V及1~5V的信号由17、18端输入；②4~20mA线性电流输入可用250欧电阻变为1~5V电压信号，然后从17、18端输入；也可在MIO位置安装I4模块后，从14+、15-端输入或直接从16+、14-接二线制变送器；
3.1.2多路巡检显示仪
（1）多路巡检仪的型号定义
AI-706M仪表硬件采用了先进的模块化设计，共有6个可安装模块的位置，其中M1、M2、M3可安装各种输入模块，每个模块可支持1-2路模拟量输入；ALM、AUX、M3（OUTP）可安装继电器模块做报警输出，每个模块可安装单路或双路继电器输出模块，M2（MIO）在必要时也可作为报警输出，但只能安装单路继电器输出模块；COMM专用于安装RS485通讯接口模块，用于与上位机通讯。
其中M3（OUTP）及M2（MIO）属于即可安装模拟量输入模块用于测量输入，也可安装继电器模块用于报警输出的两用插座[1]。
仪表所有输入及输出均可灵活编程。
本设计仪表型号为：
AI-706MAJ2J4J5L4X3S4
①②③④⑤⑥⑦⑧
①表示这台仪表基本功能为AI-706M型；②表示面板尺寸为96×96mm；③表示有2个二线制热电阻输入回路模块；④表示有2个0-20mA电流输入回路模块；⑤表示二线制变送器输入模块；⑥表示小体积大容量继电器触点（常开+常闭）开关输出模块及4路报警继电器输出；⑦4-20mA线性电流输出模块；⑧1个RS485通讯模块；
（3）仪表的端子图及其说明
图中端子1、2为电源输入端，3、4为通讯端子需安装模块S4，5-7为两路报警端子需安装模块W2,8-10为两路辅助输出本仪表未安装相应模块，11-13为两路主输出需安装模块X3，输出为4-20mA电流，14-16为两路辅助输入需安装模块J4可支持0-20mA、4-20mA的输入，17-19为主输入模块可用于二线制变送器的输入需安装模块J5。
图3-2多路巡检仪端子图
3.1.3流量积算仪
（1）流量积算的型号定义
AI系列仪表采用了先进的模块化设计，AI-808H的流量信号输入、通讯、变送等功能可根据用户实际需要配置不同的模块来实现，配置灵活方便[1]。
仪表最多可安装6个模块。
仪表型号共由8部分组成，本设计仪表型号为：
①表示仪表基本功能为AI-808H型流量积算仪（有温压补偿功能型）；②表示仪表面板尺寸规格A面板96×96mm；③表示仪表温度及压力输入（M1）的模块规格J4双路（温度和压力）0-20mA或4-20mA电流信号输入；④表示仪表流量输入（M2）的模块规格I4表示单路0-20mA或4-20mA电流信号输入，并且内置24V/50mADC电源输出，可直接连接二线制变送器；⑤表示仪表主输出（OUTP）的模块规格，输出可作为批量控制L4为单路继电器输出模块，250VAC/2A，采用进口品牌继电器；⑥表示仪表报警（ALM）的模块规格L1／L2／L4单路继电器输出模块，可支持AL1一路报警；⑦表示仪表辅助功能（AUX）的模块规格，可用于报警输出、开关量输入及流量变送输出等功能本仪表未配置；⑧表示仪表通讯功能（COMM）安装的模块规格，可安装通讯接口S、外部开关量输入I2或V24电压输出模块，S4表示光电隔离的RS485通讯接口，自带隔离DC/DC电源转换器，不占用仪表内部电源[1].
（2）仪表的端子图及其说明
①FIN、CIN和PIN分别表示流量、温度和压力通道输入；②M1安装J4模块时，4-20mA线性电流输入可用250欧电阻变为1-5V电压信号，然后从17-、18+端输入；③当在MIO位置安装I4模块时，V+表示内部24V电源输出正极，直接连二线制变送器时，按16+、14-接线；④1-2号端子为电源输入；⑤3、4为通信端子安装S4模块；⑥5-7为报警端子；8-10为辅助输出未均未使用；⑦11-13为两路主输出端子；
图3-3流量积算仪端子图
3.1.4手操器
（1）手操器的特点
集成手操器的功能，可与调节器或DCS配合使用，操作简便，易学易用。
采用先进的模块化结构，交货迅速且维护方便。
阀门位置反馈信号可采用电阻或电压、电流信号，采样周期为0.24秒，同等行程时间的阀门定位精度提升一倍，能适合行程时间在15秒以上的各种阀门[]。
全球通用的100~240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电抗干扰性能符合在严酷工业条件下电磁兼容（EMC）的要求[1]。
（2）手操器的型号定义
AI-708J型仪表硬件采用了先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：
辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯。
模块可以与仪表一起购买也可以分别购买，自由组合。
仪表的输入方式可自由设置为常用各种热电偶、热电阻和线性电压（电流）。
AI系列人工智能调节仪表共由8部分组成，本设计仪表型号为：
①基本功能为AI-708J型；②面板尺寸为A型（96×96mm）；③辅助输入（MIO）没有安装模块；④主输出（OUTP）安装X3线性电流输出模块；⑤报警（ALM）安装L5双路继电器触点输出模块；⑥辅助输出（AUX）没有安装模块；⑦通讯（COMM）装有自带隔离电源的光电隔离型RS485通讯接口S4；⑧仪表供电电源为24VDC电源；
（3）仪表的端子图及其说明
①给定信号SV由19+、18-端输入，4~20mA信号可并联50欧精密电阻转换为0.2-1V电压。
②阀位反馈信号PV为0~5V或1~5V电压时可由17+、18-输入，为电流信号时可用250欧电阻变为电压信号，然后从17+、18-端输入，为1K电阻信号时，可在MIO位置安装U5模块后，按图输入。
本设计中仪表未安装。
③COMM位置安装S4通讯接口模块时用于通讯。
④安装X3电流输出模块用于阀位反馈信号的变送输出。
⑤1-2号端子为电源输入⑥5-7为报警端子、8-10为辅助输出未均未使用[1]。
图3-4手操器端子图
3.1.5人工智能温度控制器
（1）人工智能温度控制器的特点
髙精度（24位AD，五位显示、0.05级）数字仪表，支持多种热电偶和热电阻规格，分辨力达0.01℃（Pt-0.001℃）。
采用先进的AI人工智能PID调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。
采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格且能广泛满足各种应用场合的需要。
输出功率分辨力高达0.01℅，并具有手动/自动切换的功能。
用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行精密控制的场合。
具备180段程序编排功能。
能在线修改程序及参数，参数锁可提供不同的数据操作权限。
具有停电处理、测量值启动及准备、曲线拟合、运行多条曲线的功能。
用户可对给定范围内的测量值进行二次校正与非线性补偿，以实现更高精度的测量与控制[]。
（2）人工智能温度控制器的型号定义
AIJ系列仪表硬件采用了先进的模块化设计。
最多允许安装5个模块，输出、报警、通讯及其他功能均可按需求选择相应的模块。
安装位置为:
辅助输入（MIO）；主输出（OUTP）；报警输出（ALM）；辅助输出（AUX）；通讯接口（COMM）[4];电源频率:
50Hz或60Hz。
本设计中该器件的型号为:
①AIJv:
仪表基本功能-电压型；②A：
面板尺寸为（96×96mm）；③I4模块安装在辅助输入（MIO）位置为模拟量4~20mA/0~20mA输入接口，含24VDC/25mA电源输出供二线制变送器使用；④X3模块安装于主输出（OUTP）位置为光电隔离的可编程线性电流输出模块；⑤”L2”模块安装于报警（ALM）位置为继电器常开+常闭触点开关输出模块；⑥本设计中仪表未安装⑦S4模块安装于通讯接口（COMM）位置；⑧24VDC：
仪表供电电源为24VDC[1].
（3）仪表的端子图及其说明
①16-20做为信号输入的接线，热电偶或mV信号输入端:
19（V+）、18（V-）；②电压信号输入端、二线制变送器14、16；③mA的信号输入端：
14+15-；④热电阻信号输入端:
17-20；⑤四线制输入接法：
19,20为一端，17,18为另一端。
18、20作外接热电偶冷端补偿的输入端。
⑥1-2号端子为电源输入⑦5-7为
报警端子、8-10为辅助输出未均未使用。
⑧11-13为两路主输出端子，3-4通信端子[1]。
图3-5人工智能温度控制器接线端子
3.1.6AI总线式无纸记录仪
（1）无纸记录仪的特点
AI-3070C型总线式无纸记录仪，使用AI系列调节仪表作为测控输入模块实现多通道数字全屏显示，测控仪表不仅包括各类温度、压力、流量、频率等信号，也包括人工智能PID调节、流量积算、电量测量等功能，可按需要配置，任意组合。
配合图标式功能选择，全中文触摸操作，操作方便，易于学习。
触摸屏可以加入流程图，定制提供丰富多彩的工艺流程图，可连接PLC、变频器等设备，用于小型DCS控制系统终端显示[1]。
其显示记录功能：
每通道数据刷新时间50毫秒；采用外插拔标配1G的电子硬盘，可扩展4G存储记录空间；数据保存按先进先出的原则，转存数据点立即保存；数据通过读卡器在PC上直接打开，数据备份至计算机上，保存15条升降温程序配方在中[1];
3.2传感器测试系统的执行机构
3.2.1变频器
（1）变频器工作原理
变频器是把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。
目前使用的变频器主要采用交—直—交方式变频，首先把交流电源通给整流器转变成直流电源，再把直流电源逆变成频率、电压均可控制的交流电源再供给电动机[5]。
变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检
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