测控技术与仪器专业综合实验指导书.docx

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测控技术与仪器专业综合实验指导书

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。

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）

0.0

0.6

1.2

1.8

0.1

0.7

1.3

1.9

0.2

0.8

1.4

2.0

0.3

0.9

1.5

2.2

0.4

1.0

1.6

2.4

0.5

1.1

1.7

3.0

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）

3.0

1.7

1.1

0.5

2.4

1.6

1.0

0.4

2.2

1.5

0.9

0.3

2.0

1.4

0.8

0.2

1.9

1.3

0.7

0.1

1.8

1.2

0.6

0.0

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。

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。

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。

（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：

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

110001XXXX

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。

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。

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。

Divide（除法）功能（Numeric子模板）。

在本实验中，把相减的结果除以1.8以转换成摄氏温度。

Select（选择）功能（Comparison子模板）。

取决于温标选择开关的值。

该功能输出华氏温度（当选择开关为false）或者摄氏温度（选择开关为True）数值。

数值常数。

用连线工具，点击希望连接一个数值常数的对象，并选择CreateConstant功能。

若要修改常数值，用标签工具双点数值，再写入新的数值。

字符串常量。

用连线工具，点击希望连接字符串常量的对象，再选择CreateConstant功能。

要输入字符串，用标签工具双击字符串，再输入新的字符串。

（3）使用移位工具（Positioningtool），把图标移至图示的位置，再用连线工具连接起来。

请记住，如果要显示图标接线端口，则点击图标，再从弹出菜单中选择ShowTerminals功能。

也可以从Help菜单中选择ShowHelp功能以打开帮助信息窗口。

DemoReadVoltageVI子程序模拟从数据采集卡的0通道读取电压，本程序再将读数乘以100.0转换成华氏温度读数，或者再把华氏温度转换成摄氏温度。

（4）选择前面板窗口，使之变成当前窗口，并运行VI程序。

点击连续运行按钮，便程序运行于连续运行模式。

（5）再点击连续运行按钮，关闭连续运行模式。

（6）创建图标Temp：

此图标可以将现程序作为子程序在其他程序中调用。

创建方法如下：

a.在面板窗口右上角的图标框中点击鼠标，从弹出菜单中选择EditIcon功能。

b.双点选择工具，并按下Delete键，消除缺省的图标图案。

注意，在用鼠标画线时按下键，则可以画出水平或垂直方向的连线。

c.用画图工具画出温度计的图标。

使用文本工具写入文字，双击文本工具把字体换成SmallFont。

当图标创建完成后，点击OK以关闭图标编辑。

生成的图标在面板窗口的右上角。

（7）创建联接器端口：

a.点击右上角的图标面板，从弹出菜单中选择ShowConnector功能。

LabVIEW将会根据控制和显示的数量选择一种联接器端口模式。

在本例中，只有两个端口，一个是竖直开关，另一个是温度指示。

b.联接器端口定义给开关和温度指示。

c.使用连线工具，在左边的联接器端口框内按鼠标键，则端口将会变黑。

再点击开关控制件，一个闪烁的虚线框将包围住该开关。

d.在再点击右边的联接器端口框，使它变黑。

再点击温度指示部件，一个闪烁的虚线框将包围住温度指示部件，这即表示着右边的联接器端口对应温度指示部件的数据输入。

e.如果再点击空白外，则虚线框将消失，而前面所选择的联接器端口将变暗，表示已经将对象部件定义到各个联接器端口。

注意：

LabVIEW的惯例是前面板上控制的联接器端口放在图标的接线面板的左边，而显示的联接器端口放在图标的接线面板的右边。

也就是说，图标的左边为输入端口而右边为输出端口。

（8）确认当前文件的程序库路径为Seminar.LLB，用文件菜单的SAVE功能保存上述文件，并将文件命名为Thermometer.Vi。

（9）子VI程序调用：

文件命名为Thermometer.Vi的温度计程序用前面创建的图标来表示，可以在其他程序中作为子程序来调用，使用功能模板的SelectaVI来完成。

（10）关闭该程序

五、实验报告要求

1、简述实验目的、原理及实验步骤。

2、存储设计程序。

3、实验结论及体会。

实验3-2基于循环结构的实时数据采集

一、实验目的

使用一个条件循环结构和一个被测波形图表实时地采集数据。

二、实验要求

创建一个VI程序，进行温度测量，并把结果在波形图表上显示。

该VI程序使用实验3-1创建的温度计程序（ThermometerVI）作为子程序。

三、实验仪器和设备

计算机、LabVIEW虚拟仪器软件

四、实验步骤和内容

1、前面板设计

（1）打开一个新的前面板窗口，在里面放一个竖直开关（在Boolean逻辑部件子模板），给该开关标注为“Enable”。

用该开关来开始/停止数据采集。

（2）在前面板内再放置一个趋势图（Graph子模板中的WaveformChart），标注为“温度历史趋势”。

该图表将实时地显示温度值。

（3）由于趋势图将它的图标注解plot自动地标注为“plot0”，你可以用标注工具将其重新标注为“Temp”。

（4）对趋势图的标尺进行重新定标。

将Y轴的“10”改为“90”，将“0.0”改为“20”。

2、程序框图设计

（1）打开框图程序窗口。

条件循环结构是一种无限循环结构，只要条件满足，它就一直循环运行下去。

在本实验中，只要允许开关（EnableSwitch）是ON状态，该VI程序就一直运行，采集温度测量值，并在图表上显示。

（2）从结构（Structures）工具模板选择条件循环结构“WhileLoop”放入框图程序窗口，调整该条件循环框的大小，把先前从前面板创建的两个节点放入循环框内。

（3）放入其它的框图程序对象。

ThermometerVI，这个VI程序是你在上个练习中创建的，从Seminar.LLB中调出（从SelectaVI…子模板）。

（4）按照上图的框图程序连好线。

（5）创建模式开关。

把连线工具放在ThermometerVI的Mode输入端口上，按鼠标右键并选择CreatControl，这样就可以自动创建模式转换开关，并将它与ThermometerVI子程序相连线，再转换到前面板窗口，将模式转换开关的位置重新调整。

（6）在前面板窗口，使用标注工具，双击模式开关的“OFF”标签，并把它转换成“华氏”，再把“ON”标签转换民“摄氏”。

要转换开关状态，使用操作工具（OperatingTool）。

（7）将模式开关设置为ON状态，运行该VI程序。

（8）要停止数据采集，点击Enable开关，使其状态变为OFF，循环结束。

（9）修改Enable开关缺省设置，使运行VI程序时不必每次打开该开关。

a.若程序在运行状态，则关闭程序运行。

b.把开关设置为ON状态。

c.点击开关，从弹出菜单中选择DataOperations>MakeCurrentValueDefault选项，这将使ON状态变为缺省值。

d.再点击开关，从弹出菜单中选择MechanicalAction>LatchWhenPressed选项。

（10）运行该程序，把开关点击为Stop状态以停止数据采集。

开关将变为OFF状态，但当条件循环结构再次读取其数值时，它又会变成ON状态。

（11）增加定时器控制，如下图所示，使VI程序采样间隔为500毫秒。

使用Time&Dialog子模板中的WaitUntilNextmsMultiple功能，再加上时间常数NumericConstant，把它设置为500。

（12）运行上述程序，试用不同的时间间隔值。

（13）关闭并保存上述程序，文件名为TemperatureMonitor.vi。

五、实验报告要求

1、简述实验目的、原理及实验步骤。

2、存储设计程序。

3、实验结论及体会。

实验3-3以图表方式显示数据并使用分析功能子程序

一、实验目的

以图表方式显示数据并使用分析功能子程序。

二、实验要求

利用实验3-2创建的VI程序，在数据采集过程中，实时地显示数据。

当采集过程结束后，在图表上画出数据波形，并算出最大值、最小值和平均值。

三、实验设备和仪器

计算机、LabVIEW虚拟仪器软件

四、实验步骤

1、前面板设计

（1）打开实验3-2创建的Temperaturemonitor.vi程序。

（2）按照下图修改程序，其中被虚线框住的部分是新增加的。

趋势图“温度历史趋势”显示实时采集的数据。

采集过程结束后，在TempGraph中画出数据曲线，同时在Mean、Max和Min数字显示栏中显示出温度的平均值、最大值和最小值。

2、程序框图设计

（1）完成下面的框图程序。

被虚线框住的部分表示新增程序。

条件循环框边线上的方块叫作通道（tunnel）。

在本实中，通道是条件循环的数据通道口。

若要建立数据索引，点击通道，并选择EnableIndexing选项，表示当条件循环执行时，把数据顺序放入一个数组中。

循环结束后，通道输出该数组。

否则，通道仅输出最后一次循环放入的数据值。

（2）返回前面板，并运行VI程序。

（3）当允许运行开关（EnableSwitch）设置为OFF后，将显示温度数据曲线。

（4）将修改后的程序重命名为TemperatureAnalysis.vi并存盘

五、实验报告要求

1、简述实验目的、原理及实验步骤。

2、存储设计程序。

3、实验结论及体会。

实验3-4基于Case结构创建VI程序

一、实验目的

学习使用Case结构

二、实验要求

修改TemperatureAnalysis.VI程序以检测温度是否超出范围，当温度超出上限（HighLimit）时，前面板上的LED将点亮，并且有一个蜂鸣器发声。

三、实验仪器和设备

计算机、LabVIEW虚拟仪器软件

四、实验步骤和内容

1、前面板设计

（1）打开实验3-3创建的TemperatureAnalysisVI程序。

（2）按照下图所示修改前面板。

被虚线框住的部分表示增加的部件。

HighLimit表示温度上限值。

报警指示灯（WARNINGLED）和当前温度状态（CurrentTemperatureState）用来表示温度是否超限。

点击趋势图，并且选择Show>Legend和Show>DighitalDisplay选项，可以增加图注（Legend）和数字显示。

2、程序框图设计

（1）按照上图编写框图程序。

被虚线框住的部分为新增加的部件。

下面的FALSECase与图中的TRUECase同属于一个Case结构。

根据其输入端上的数值，来决定执行哪一个Case程序。

如果ThermometerVi子程序返回的温度值大于HighLimit数值，将执行TrueCase程序，反之则执行FalseCase程序。

（2）返回前面板程序，在HighLimit控制栏中输入86。

再运行VI程序。

当温度超过86时，LED将点亮，蜂鸣器也会发声。

（3）将程序重新命名为Te