传感器实验讲义.docx
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传感器实验讲义
实验一温度源的温度控制调节实验
一、实验目的:
了解温度控制的基本原理及熟悉温度源的温度调节过程。
二、基本原理:
当温度源的温度发生变化时温度源中的Pt100热电阻(温度传感器)的阻值发生变化,将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能调节仪,经智能调节仪的电阻——电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号(加热)或继电器触发信号(冷却),使温度源的温度趋近温度设定值。
温度控制原理框图如图27—1所示。
三、需用器件与单元:
主机箱、温度源、Pt100温度传感器。
图27—1温度控制原理框图
四、实验步骤:
温度源简介:
温度源是一个小铁箱子,内部装有加热器和冷却风扇;加热器上有二个测温孔,加热器的电源引线与外壳插座(外壳背面装有保险丝座和加热电源插座)相连;冷却风扇电源为+24vDC,它的电源引线与外壳正面实验插孔相连。
温度源外壳正面装有电源开关、指示灯和冷却风扇电源+24vDC插孔;顶面有二个温度传感器的引入孔,它们与内部加热器的测温孔相对,其中一个为控制加热器加热的传感器Pt100的插孔,另一个是温度实验传感器的插孔;背面有保险丝座和加热器电源插座。
使用时将电源开关打开(O为关,-为开)。
从安全性、经济性即具有高的性价比考虑且不影响学生掌握原理的前提下温度源设计温度≤200℃。
1、调节仪的简介及调节仪的面板按键说明参阅实验二十六附言。
2、设置调节仪温度控制参数:
合上主机箱上的电源开关;再合上主机箱上的调节仪电源开关,仪表上电后,仪表的上显示窗口(PV)显示随机数;下显示窗口(SV)显示控制给定值或交替闪烁显示控制给定值和“orAL”。
按SET键并保持约3秒钟,即进入参数设置状态。
在参数设置状态下按SET键,仪表将依次显示各参数,例如上限报警值HIAL、参数锁Loc等等,对于配置好并锁上参数锁的仪表,用▼、▲、◄(A/M)等键可修改参数值。
按◄(A/M)键并保持不放,可返回显示上一参数。
先按◄(A/M)键不放接着再按SET键可退出设置参数状态。
如果没有按键操作,约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
如果参数被锁上,则只能显示被EP参数定义的参数(可由用户定义的,工作现场经常需要使用的参数及程序),而无法看到其它的参数。
不过,至少能看到Loc参数显示出来。
具体设置温度控制参数方法步骤如下:
(1)、按SET键并保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态;PV窗显示HIAL(上限),用▼、▲、◄键可修改参数值,使SV窗显示实验温度(>室温),如50。
(2)、再按SET键,PV窗显示LoAL(下限),用▼、▲、◄键可修改参数值,使SV窗显示
(1)所设置的温度值50。
(3)、再按SET键,PV窗显示dHAL(正偏差报警),长按▲键,使SV窗显示9999(消除报警功能)后
释放▲键。
(4)、再按SET键,PV窗显示dLAL(负偏差报警),长按▲键,使SV窗显示9999(消除报警功能)后
释放▲键。
(5)、再按SET键,PV窗显示dF(回差、死区、滞环),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示0.1。
(6)、再按SET键,PV窗显示CtrL(控制方式),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示1。
(7)、再按SET键,PV窗显示M50(保持参数),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示300。
(8)、再按SET键,PV窗显示P(速率参数),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示350。
(9)、再按SET键,PV窗显示t(滞后时间),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示153。
(10)、再按SET键,PV窗显示Ct1(输出周期),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示1。
(11)、再按SET键,PV窗显示Sn(输入规格),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示21。
(12)、再按SET键,PV窗显示dIP(小数点位置),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示1。
(13)、再按SET键,PV窗显示dIL,不按键,SV窗显示默认值。
(14)、再按SET键,PV窗显示dIH,不按键,SV窗显示默认值。
(15)、再按SET键,PV窗显示CJC(热电偶冷端补偿温度),不按键,SV窗显示默认冷端补偿温度值。
(16)、再按SET键,PV窗显示SC(主输入平移修正),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示00。
(17)、再按SET键,PV窗显示oP1(输出方式),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示2。
(18)、再按SET键,PV窗显示oPL(输出下限),长按▼键,使SV窗显示0后释放▼键。
(19)、再按SET键,PV窗显示oPH(输出上限),长按▲键,使SV窗显示100释放▲键(用▼、▲、◄键修改参数值为100)。
(20)、再按SET键,PV窗显示CF(系统功能选择),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示2。
(21)、再按SET键,PV窗显示bAud(通讯波特率/报警定义),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示17。
(22)、再按SET键,PV窗显示Addr(通讯地址/打印时间),不按键,SV窗显示默认值。
(23)、再按SET键,PV窗显示dL(输入数字滤波),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示1。
(24)、再按SET键,PV窗显示run(运行状态及上电信号处理),用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示2。
(25)、再按SET键,PV窗显示Loc(参数修改级别),不按键,SV窗显示默认值808。
如果,SV窗不显示808,则用▼、▲、◄键修改参数值,使SV窗显示808。
(26)、再按SET键,PV窗显示EP1(现场参数定义),不按键,SV窗显示默认值。
(27)—(33)、与(26)相同,重复按SET键七次。
到此,调节仪的控制参数设置完成。
3、关闭主机箱总电源开关,按图27—2示意接线;将主机箱上的转速调节旋钮(2—24V)顺时针转到底(24V),将温度源电源开关打开(O为关,-为开)。
4、检查接线无误后,合上主机箱总电源和调节仪电源,将调节仪的控制方式(控制对象)开关按到内(温度)位置;
5、用▼、▲、◄键修改温度设定值,使SV窗显示50.0。
调节仪经过几次振荡调节(要等待较长时间),温度源会自动动态平衡在50.0℃(调节仪的PV显示窗在50.0左右波动)。
6、按SET键并保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态;PV窗显示HIAL(上限),用▼、▲、◄键修改实验温度值,使SV窗显示实验温度60(在原有的实验温度值增加10℃)。
7、再按SET键,PV窗显示LoAL(下限),用▼、▲、◄键修改实验温度值,使SV窗显示(6)所设置的温度值60。
8、先按◄(A/M)键不放接着再按SET键退出设置参数状态(或不按任何键,等待约30秒钟后会自动退出设置参数状态);再用▼、▲、◄键修改实验温度设定值,使SV窗显示实验温度60.0(在原有的实验增加10℃)。
调节仪进入正常显示自动调节控制状态,最终温度源会在设定温度值上达到动态平衡。
9、以后(温度在大于等于室温10℃,小于等于160℃范围内),每次改变温度实验值都必须重复6、7、8实验步骤进行实验。
图27—2温度源的温度控制实验接线示意图
10、调节仪控制参数的自整定(AT)实验:
设置某个实验温度值后(重复6、7、8步骤设置温度值),在仪表正常显示状态下,按◄(A/M)键并保持约2秒钟,仪表AT指示灯点亮(前提CtrL=1,否则无法从面板启动执行自整定功能),表明仪表已进入自整定状态(自整定时,仪表执行位式调节,约3次振荡后,仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡,分析其周期、幅度及波型来自动计算出M50、P、t等控制参数)。
等待自整定结束(等待较长时间,AT指示灯熄灭)并温度源温度已达到平衡时,按SET键并保持约3秒钟,仪表进入参数设置状态;按SET键查阅控制参数M50、P、t的值(温度实验时设置控制参数即M50、P、t值的依据)与以前设置的经验控制参数值M50、P、t有否大的变化。
实验结束,关闭所有电源。
五、思考题:
按SET键并保持约3秒钟,即进入参数设置状态,只大范围改变控制参数M50或P或t的其中之一设
置值(注:
其它任何参数的设置值不要改动),进行温度控制调节,观察PV窗测量值的变化过程,看能否达到控制平衡及控制误差大小。
这说明了什么问题?
实验二Pt100铂电阻测温特性实验
一、实验目的:
了解铂热电阻的特性与应用。
二、基本原理:
利用导体电阻随温度变化的特性,可以制成热电阻,要求其材料电阻温度系数大,稳定性好,电阻率高,电阻与温度之间最好有线性关系。
常用的热电阻有铂电阻(650℃以内)和铜电阻(150℃以内)。
铂电阻是将0.05~0.07mm的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成。
在0-650℃以内,它的电阻Rt与温度t的关系为:
Rt=Ro(1+At+Bt2),式中:
Ro系温度为0℃时的电阻值(本实验的铂电阻Ro=100Ω)。
A=3.9684×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2。
铂电阻一般是三线制,其中一端接一根引线另一端接二根引线,主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制,导线电阻忽略不计。
)。
实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出,再经放大器放大后直接用电压表显示。
三、需用器件与单元:
主机箱、温度源、Pt100热电阻(二支)、温度传感器实验模板、万用表(自备)。
温度传感器实验模板简介:
图28A中的温度传感器实验模板是由三运放组成的差动放大电路、调零电路、ab传感器符号、传感器信号转换电路(电桥)及放大器工作电源引入插孔构成;其中RW2为放大器的增益电位器,RW3为放大器电平移动电位器;ab传感器符号<接热电偶(K热电偶或E热电偶),双圈符号接AD590集成温度传感器,Rt接热电阻(Pt100铂电阻或Cu50铜电阻)。
具体接线参照具体实验。
四、实验步骤
1、用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线(同种颜色的线)设为1、2,另一根设为3,并测出它在室温时的大致电阻值。
2、在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下,再根据图28A示意图接线,温度传感器实验模板中a、b(Rt)两端接传感器,这样传感器(Rt)与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥,是一种单臂电桥工作形式。
图28APt100铂电阻测温特性实验接线示意图
3、放大器调零:
将图28A中的温度传感器实验模板的放大器的两输入端引线(一根传感器引线、另一根桥路输出即Rw1活动触点输出)暂时不要引入,而用导线直接将放大器的两输入端相连(短接);将主机箱上的电压表量程(显示选择)切换开关打到2V档,合上主机箱电源开关,调节温度传感器实验模板中的RW2(逆时针转到底)增益电位器,使放大器增益最小;再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为0。
4、关闭主机箱电源开关,将实验模板中放大器的输入端引线按图28B连接,检查接线无误后,合上主机箱电源开关。
5、将主机箱上的转速调节旋钮(2—24V)顺时针转到底(24V),合上温度源电源开关和调节仪电源开关,将调节仪控制方式(控制对象)开关按到内(温度)位置;在常温基础上,可按Δt=5℃增加温度并且小于160℃范围内设定温度源温度值(设定方法参阅实验二十七,重复6、7、8、9步骤),待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表28A。
表28A铂电阻温度实验数据
t(℃)
V(mv)
6、根据表28A数据值画出实验曲线并计算其非线性误差。
实验结束,关闭所有电源。
实验三交流全桥的应用—振动测量实验
一、实验目的:
了解利用应变交流电桥测量振动的原理与方法。
二、基本原理:
对于动态应变信号用交流电桥测量时,交流电桥为调制电路,桥路输出的波形为一调制波,通过相敏检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号,此信号可以从示波器或用交流电压表读得。
三、需用器件与单元:
主机箱、应变式传感器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器模板、双踪示波器、振动源、万用表(自备)。
四、实验步骤:
1、应变传感器实验模板上的传感器不用,改为振动梁的应变片,即振动源上的应变输出。
2、如图7—1,将振动源上的应变输出插座用专用连接线与应变传感器实验模板上的应变插座相连(因振
动梁上的四片应变片已组成全桥,引出线为四芯线,直接接入实验模板上已与电桥模型相连的应变插座上。
电桥模型二组对角线阻值均为350Ω,可用万用表测量)。
图7—1应变交流全桥振动测量实验接线图
注:
传感器专用插头(黑色航空插头)的插、拔法:
插头要插入插座时,只要将插头上的凸锁对准插座的平缺口稍用力自然往下插;插头要拔出插座时,必须用大姆指用力往内按住插头上的凸锁同时往上拔。
3、根据图7—1接线(接好交流电桥调平衡电路及系统,应变传感器实验模板中的R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络)。
检查接线无误后,合上主机箱电源开关,将音频振荡器Lv(桥路激励电源)的频率调节到1KHz左右,幅度调节到10Vp-p(频率可用数显频率表Fin监测,幅度用示波器监测),再调节低频振荡器输出(振动源的低频输入)幅度和频率使振动台(圆盘)明显看到振动。
4、低频振荡器幅度钮旋位置(幅值)不变,调节低频振荡器频率(3Hz—25Hz),每增加2Hz用示波器读
出低通滤波器输出Vo的电压峰-峰值,填入表7画出实验曲线,从实验数据得振动梁的自振频率为。
实验完毕,关闭电源。
表7
f(Hz)
Vo(p-p)
四、思考题:
1、请归纳直流电桥和交流电桥的特点。
2、定性分析如下移相器和相敏检波器电路工作原理。
图7—2移相、相敏检波原理图
实验四霍尔测速实验
一、实验目的:
了解霍尔转速传感器的应用。
二、基本原理:
利用霍尔效应表达式:
UH=KHIB,当被测圆盘上装上N只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化N次。
每转一周霍尔电势就同频率相应变化,输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。
三、需用器件与单元:
主机箱、霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤:
1、根据图16将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
图16 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
2、首先在接线以前,合上主机箱电源开关,将主机箱中的转速调节电源2—24v旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(显示选择打到20v档)监测大约为1.25V;然后关闭主机箱电源,将霍尔转速传感器、转动电源按图16所示分别接到主机箱的相应电源和频率/转速表(转速档)的Fin上。
3、合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的v—n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。
实验完毕,关闭电源。
三、思考题:
1、利用霍尔元件测转速,在测量上有否限制?
2、本实验装置上用了六只磁钢,能否用一只磁钢?
实验五光电转速传感器测速实验
一、实验目的:
了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理:
光电式转速传感器有反射型和透射型二种,本实验装置是透射型的(光电断续器),传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管,发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号,由于转盘上有均匀间隔的6个孔,转动时将获得与转速有关的脉冲数,将脉冲计数处理即可得到转速值。
三、需用器件与单元:
主机箱、转动源、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源上)。
四、实验步骤:
图25光电传感器测速实验
1、将主机箱中的转速调节2-24V旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表;再按图25所示接线,将主机箱中频率/转速表的切换开关切换到转速处。
2、检查接线无误后,合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。
3、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据);画出电机的
v—n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。
根据表24数据画出实验曲线,计算测量范围1mm时的灵敏度和非线性误差。
实验完毕,关闭电源。
五、思考题:
已进行的实验中用了多种传感器测量转速,试分析比较一下哪种方法最简单、方便。
实验六利用光电传感器控制电机转速
一、实验目的:
了解光电传感器(光电断续器—光耦)的应用。
二、基础原理:
利用光电传感器检测到的转速频率信号经F/V转换后作为转速的反馈信号,该反馈信号与智能人工调节仪的转速设定比较后进行数字PID运算,调节电压驱动器改变直流电机电枢电压,使电机转速趋近设定转速(设定值:
500转/分~2000转/分)。
转速控制原理框图如图26—1所示。
图26—1转速控制原理框图
三、需用器件与单元:
主机箱、转动源。
附:
调节仪简介:
主机箱中所装的调节仪为人工智能工业调节仪,它具有测量显示和模糊逻辑数字PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。
可以万能输入(通过设置输入规格可变为热电阻、热电偶、线性电压、线性电流等),输出有可控硅触发信号输出和线性电流输出(可设置为0—10mA或4—20mA线性电流)。
其实它是一只万能通用调节仪。
(一)调节仪面板说明:
面板上有PV测量显示窗、SV给定显示窗、4个指示灯窗和4个按键组成。
如图26—2所示。
图26—2调节仪面板图
面板中1、PV——测量值显示窗
2、SV——给定值显示窗
3、AT——自整定灯
4、ALM1——AL1动作时点亮对应的灯
5、ALM2——手动指示灯(兼程序运行指示灯)
6、OUT——调节控制输出指示灯
7、SET——功能键
8、◄——数据移位(兼手动/自动切换及参数设置进入)
9、▼——数据减少键(兼程序运行/暂停操作)
10、▲——数据增加键(兼程序复位操作)
仪表上电后,上显示窗口显示测量值(PV),下显示窗口显示给定值(SV)。
在基本状态下,SV窗口能用交替显示的字符来表示系统某些状态,如下:
1、输入的测量信号超出量程(因传感器规格设置错误、输入断线或短路均可能引起)时,则闪动显示:
“orAL”。
此时仪表将自动停止控制,并将输出固定在参数oPL定义的值上。
2、有报警发生时,可分别显示“HIAL”、“LoAL”、“dHAL”或“dLAL”,分别表示发生了上限报警、下限报警、正偏差报警和负偏差报警。
报警闪动的功能是可以关闭的(参看bAud参数的设置),将报警作为控制时,可关闭报警字符闪动功能以避免过多的闪动。
仪表面板上的4个LED指示灯,其含义分别如下:
OUT输出指示灯:
输出指示灯在线性电流输出时通过亮/暗变化反映输出电流的大小,在时间比例方式输出(继电器、固态继电器及可控硅过零触发输出)时,通过闪动时间比例反映输出大小。
ALM1指示灯:
当AL1事件动作时点亮对应的灯。
ALM2指示灯:
当手动指示灯。
AT灯:
自整定开启时点亮对应的灯。
(二)基本使用操作
显示切换:
按SET键可以切换不同的显示状态。
修改数据:
如果参数锁没有锁上,仪表下显示(SV)
窗显示的数值数据均可通过按◄(A/M)、▼或▲键来修改。
例如:
需要设置给定值时,可将仪表切换到正常显示状态,即可通过按◄(A/M)、▼或▲键来修改给定值。
仪表同时具备数据快速增减法和小数点移位法。
按▼键减小数据,按▲键增加数据,按◄可修改数值位的小数点同时闪动(如同光标)。
按住按键并保持不放,可以快速地增加/减少数值,并且速度会随小数点会右移自动加快(3级速度)。
而按◄(A/M)键则可直接移动修改数据的位置(光标),操作快捷。
2、手动/自动切换:
按◄(A/M)键,可以使仪表在自动及手动两种状态下进行无扰动切换。
手动时下排显示器第一字显示“M”,仪表处于手动状态下,直接按▲键或▼键可增加及减少手动输出值。
自动时按SET键可直接查看自动输出值(下排显示器第一字显示“A”)。
通过对run参数设置(详见后文),也可使仪表不允许由面板按键操作来切换至手动状态,以防止误入手动状态。
3、设置参数:
按SET键并保持约3秒钟,即进入参数设置状态。
在参数设置状态下按SET键,仪表将依次显示各参数,例如上限报警值HIAL、参数锁Loc等等,对于配置好并锁上参数锁的仪表,只出现操作工需要用到的参数(现场参数)。
用▼、▲、◄(A/M)等键可修改参数值。
按◄(A/M)键并保持不放,可返回显示上一参数。
先按◄(A/M)键不放接着再按SET键可退出设置参数状态。
如果没有按键操作,约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
如果参数被锁上(后文介绍),则只能显示被EP参数定义的现场参数(可由用户定义的,工作现场经常需要使用的参数及程序),而无法看到其它的参数。
不过,至少能看到Loc参数显示出来。
(三)自整定(AT)操作
仪表初次使用时,可启动自整定功能来协助确定M50、P、t等控制参数。
初次启动自整定时,可将仪表切换到正常显示状态下,按◄(A/M)键并保持约2钞钟,此时仪表AT指示灯点亮,表明仪表已进入自整定状态。
自整定时,仪表执行位式调节,约2-3次振荡后,仪表根据位式控制产生的振荡,分析其周期、幅度及波型来自动计算出M50、P、t等控制参数。
如果在自整定过程中要提前放弃自整定,可再按◄(A/M)键并保持约2钞钟,使仪表AT指示灯熄灭即可。
视不同系统,自整定需要的时间可从数秒至数小时不等。
仪表在自整定成功结束后,会将参数CtrL设置为3(出厂时为1)或4,这样今后无法从面板再按◄(A/M)键启动自整定,可以避免人为的误操作再次启动自整定。
已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时,可以用将参数CtrL设置为2的方法进行启动(参见后文“参数功能”说明)。
系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同,执行自整定功能前,应先将给定值设置在最常用值或是中间值上,如果系统是保温性能好的电炉,给定值应设置在系统使用的最大值上,再执行启动自整定的操作功能。
参数Ct1(控制周期)及dF(回差)的设置,对自整定过程也有影响,一般来说,这2个参数的设定值越小,理论上自整定参数准确度越高。
但dF值如果过小,则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作,这样反而可能整定出彻底错误的参数。
推荐Ct1=0-2,dF=0.3。
手动自整定:
由于自整定执行时采用位式调节,其输出将定位在由参数oPL及oPH定义的位置。
在一些输出不允许大幅度变化的场合,如某些执行器采用调节阀的场合,常规的自整定并不适宜。
对此仪表具有手动自整定模式。
方法是先用手动方式进行调节,等手动调节基本稳定后,再在手动状态下启动自整定,这样仪表的输出值将限制在当前手动值+10%及-10%的范围而不是oPL及oPH定义的范围,从而避免了生产现场不允许的阀门大幅度变化现象。
此外,当被控物理量响应快速时,手动自整定方式能获得更准确的自整定结果。
(四)参数功能说明
仪表通过参数来定义仪表的输入、输出、报警及控制方式(以温度为例)。
以下为参数功能表:
参数代号
参数含义
说明
设置范围
HIAL
上限报警
测量值大于HIAL+dF值