新传感器实验指导书1010.docx
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新传感器实验指导书1010
《传感器与检测技术》
实验指导书
编写吴同茂彭建辉
中南大学信息科学与工程学院
二O一四年十月
前言
传感器实验仪主要用于我院测控技术与仪器、自动化、电气工程及其自动化、智能科学与技术、物联网工程、电子信息工程等专业开设的“传感器与自动检测技术”、“检测技术与仪表”、“自动检测技术”、“非电量电测技术”、“传感技术”等课程的实验教学及课程设计。
本实验指导书是在原传感器实验仪实验指南的基础上改编的。
在编写上我们力求有较大的适应面便于学生独立操作而深入思考。
传感器系统实验仪上采用的大部分传感器虽是教学传感器(透明结构便于教学)但其结构与线路是工业应用的基础。
希望通过实验帮助广大学生加深理解课本知识,从实验得到的结果、现象分析中学会作为一个科技工作者应具有的动手能力与操作技能,加强动手能力培养。
为此,学生应了解有关的实验装置的使用方法,做好实验前预习报告,我们也在附录中列写了有关的内容,供学生参考。
当然,由于编写者时间、水平、精力所限,难免有疏漏谬误之处,热切期望您的赐教!
本实验实验指导书第一章每个实验中都有注意事项。
希望学生认真阅读,谨慎操作,否则容易引起器件损坏。
谢谢您的合作!
编者
2014年10月
目录
第一章传感器实验仪使用说明1
1.1传感器系统实验箱的组成1
1.2传感器2
1.3V9.0数据采集卡及处理软件3
1.4调节仪简介4
1.5温度源及温度控制原理简介16
第二章传感器与检测技术实验17
实验一应变片单臂特性实验17
实验二应变片半桥特性实验22
实验三应变片全桥特性实验23
实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较24
实验五应变直流全桥的应用—电子秤实验25
实验六压阻式压力传感器的压力测量实验27
实验七差动变压器的性能实验29
实验八激励频率对差动变压器特性的影响32
实验九差动变压器零点残余电压补偿实验33
实验十差动变压器测位移实验34
实验十一差动变压器的应用—振动测量实验36
实验十二电涡流传感器位移特性实验38
实验十三被测体材质对电涡流传感器特性影响41
实验十四 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验42
实验十五电涡流传感器测振动实验42
实验十六K热电偶测温特性实验43
实验十七Pt100铂电阻(热电阻)测温特性实验49
实验十八线性霍尔式传感器位移特性实验54
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验57
实验二十磁电式传感器测转速实验58
实验二十一光电传感器测转速实验60
实验二十二光纤传感器的位移特性实验61
实验二十三气敏传感器实验63
实验二十四湿敏传感器实验65
第一章传感器实验仪使用说明
1.1传感器系统实验箱的组成
CSY-XS传感器实验箱平面图如图1.1所示:
主要由机头、主板、信号源、传感器、数据采集卡、PC接口、软件等各部分组成。
图1.1CSY-XS传感器实验箱平面图
1、机头
由应变梁(含应变片、PN结、NTCRT热敏电阻、加热器等);振动源(振动台);升降调节杆;测微头和传感器的安装架(静态位移安装架);传感器输入插座;光纤座及温度源等组成。
2、主板部分
主板部分有八大单元电路组成:
智能调节仪单元;频率/电压显示(F/V表)单元;音频振荡器(1KHz~10KHz可调)和低振荡器(1Hz~30Hz可调)单元;直流稳压电源输出单元(提供高稳定的±15V、+5V、±4V、+1.2V~+12V可调等);数据采集和RS232PC接口单元;传感器的输出口单元;转动源单元;各种传感器的调理电路单元。
3、信号源
1)温度源<150℃(可调);
2)振动源1Hz~30Hz;
3)转动源0~2400r/min
4、传感器:
详见1.2传感器(共十九种传感器)
5、数据采集卡及处理软件:
详见1.3V9.0数据采集卡及处理软件
6、实验箱:
供电:
AC220V50Hz功率0.2kW
实验箱尺寸为515×420×185(mm)。
1.2传感器
表1.1传感器表
序号
传感器名称
量程
线性
备注
1
电阻应变式传感器
0~200g
±1%
350Ω
2
扩散硅压力传感器
4~20kpa
±1%
3
差动变压器
±4mm
±2%
5~10Ω
4
电容式传感器
±2.5mm
±3%
5
霍尔式位移传感器
±2mm
±3%
6
霍尔式转速传感器
2400转/分
±0.5%
7
磁电式传感器
2400转/分
±0.5%
8
压电式传感器
9
电涡流位移传感器
1mm
±2%
10
光纤位移传感器
1mm
±5%
11
光电转速传感器
2400转/分
±0.5%
12
集成温度传感器
常温~120℃
±4%
13
Pt100铂电阻
常温~150℃
±4%
三线制
14
K型热电偶
常温~150℃
±4%
15
气敏传感器
50~2000PPm
对酒清敏感
16
湿敏传感器
10~95%RH
17
PN结
18
NTC热敏电阻
20℃时,电阻为10K
19
E型热电偶
1.3V9.0数据采集卡及处理软件
1.3.1数据采集卡及处理软件:
V9.0版
V9.0版数据采集卡是在原V8.0版基础上的一个升级版本,针对目前市售的传感器实验系统所配的采集卡动态范围太小,分辨率和精度过低的缺点,V9.0版采用了工业级的解决方案,达到了很高的测量精度和动态范围,接口部分采用RS-232/USB接口,方便用户的实际使用。
该采集卡能完全满足实验的要求。
具体技术指标如下:
1、接口标准:
RS-232/USB接口
2、A/D:
12位
3、通道数:
可以扩展到8通道
4、采样:
同步、异步
5、触发方式:
软触发、硬触发
6、采样频率:
100KHz(分档可选)
7、测量误差:
0.2mv
8、测量量程:
最大可达正负15V
9、支持电压、电流信号直接输入,无需配备转换器
10、可以扩充D/A通道图1.2虚拟示波器界面
11、环境:
windows98/2000/xp
12、软件:
配备传感器综合实验系统成套实验软件包及高联虚拟仪器软件包(如虚拟示波器,频谱、失真度分析等),虚拟示波器界面如图1.2所示。
1.3.2虚拟软件:
V9.0版
本软件是和V9.0采集卡配套使用,以RS-232/USB进行通讯,采用RS-232/USB标准协议,是一个高效、实时的数据采集系统。
该采集系统可单独对外部信号进行采集,也可和CSY9.0传感器实验仪软件配合CSY系列传感器实验仪上进行实验操作。
1.3.3系统需求
1.操作系统:
Windows98SE/Me/2000/XP简体中文版
2.IntelPentiumⅢ500MHz或AMDAthlon700MHz以上
3.128Mb或以上内存
4.400MB以上硬盘空间供软件安装和备份
5.有RS-232/USB接口
6.4倍速或以上的CD-ROM
1.4调节仪简介
主板中所装的调节仪为人工智能调节仪,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SSR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。
1.4.1调节仪面板说明
调节仪的面板上有PV测量显示窗、SV给定显示窗、3个指示灯窗和4个按键组成。
如图1.3所示。
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outL定义的值上。
2、有报警发生时,可分别显示“ALM1”、“ALM2”、“Hy-1”或“Hy-2”,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AL-P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3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。
ALM指示灯:
当ALM1上限设定值动作时点亮对应的灯。
AT灯:
自整定工作灯(兼手动指示灯)。
图1.3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(兼手动指示灯)
4、ALM——ALM1动作时点亮对应的灯(上限动作、冷却风扇)5、OUT——调节控制输出指示灯
6、SET——功能键7、
——数据移位键(不禁止手动操作时兼手动/自动切换)
8、▼——数据减少键9、▲——数据增加键
1.4.2功能及设置
(一)内部菜单
内部菜单如图1.4所示。
(二)基本使用操作
1、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◄、▼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,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◄键则可直接移动修改数据的位置(光标),操作快捷。
图1.4内部菜单
2、手动/自动切换:
按SET键可直接查看自动控制输出值(下排显示器第一字显示“A”,后面数据表示百分比输出功率)。
在不禁止手动操作时按◄(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。
通过对‘A-M’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ALM1、参数锁LocK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,再按▼键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LocK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I、P、d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,此时下排显示器交替显示“At”字样。
自整定时,仪表执行位式调节,约2-3次振荡后自动计算出I、P、d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“At”字样消失即可。
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At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At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t(控制周期)及Hy(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Hy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t=0-2,Hy=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outL及outH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outL及outH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,仪表功能参数表如表1.2所示。
表1.2仪表功能参数表
参数代号
参数含义
说明
设置范围
ALM1
上限报警
测量值大于ALM1+Hy值时仪表将产生上限报警。
测量值小于ALM1-Hy值时,仪表将解除上限报警。
设置ALM1到其最大值(9999)可避免产生报警作用。
-1999-
+9999℃或1定义单位
ALM2
下限报警
当测量值小于ALM2-Hy时产生下限报警,当测量值大于ALM2+Hy时下限报警解除。
设置ALM2到最小值(-1999)可避免产生报警作用。
同上
Hy-1
正偏差报警
采用人工智能调节时,当偏差(测量值PV减给定值SV)大于Hy-1+Hy时产生正偏差报警。
当偏差小于Hy-1-Hy时正偏差报警解除。
设置Hy-1=9999(温度实为999.9℃)时,正偏差报警功能被取消。
采用位式调节时,则Hy-1和Hy-2分别作为第二个上限和下限绝对值报警。
0-999.9℃
或
0-9999℃
1定义单位
Hy-2
负偏差报警
采用人工智能调节时,当负偏差(给定值SV减测量值PV)大于Hy-2+Hy时产生负偏差报警,当负偏差小于Hy-2-Hy时负偏差报警解除。
设置Hy-2=9999(温度实为999.9℃)时,负偏差报警功能取消。
同上
Hy
回差(死区、滞环)
回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生/解除。
例如:
Hy参数对上限报警控制的影响如下,假定上限报警参数ALM1为800℃,Hy参数为2.0℃:
(1)仪表在正常状态,当测量温度值大于802℃时(ALM1+Hy)时,才进入上限报警状态.
(2)仪表在上限报警状态时,则当测量温度值小于798℃(ALM1-Hy)时,仪表才解除报警状态。
又如:
仪表在采用位式调节或自整定时,假定给定值SV为700℃,Hy参数设置为0.5℃,以反作用调节(加热控制为例)。
(1)输出在接通状态时当测量温度值大于700.5℃时(SV+Hy)关断。
(2)输出在关断状态时,则当测量温度小于699.5℃(SV-Hy)时,才重新接通进行加热。
对采用位式调节而言,Hy值越大,通断周期越长,控制精度越低。
反之,Hy值越小,通断周期越短,控制精度越高,但容易因输入波动而产生误动作,使继电器或接触器等机械开关寿命降低。
Hy参数对人工智能调节没有影响。
但自整定参数时,由于也是位式调节,所以Hy会影响自整定结果,一般Hy值越小,自整定精度越高,但应避免测量值因受干扰跳动造成误动作。
如果测量值数字跳动过大,应先加大数字滤波参数FILt值,使得测量值跳动小于2-5个数字,然后可将Hy设置为等于测量值的瞬间跳动值为佳。
0-200.0℃
或
0-2000℃
1定义单位
At
控制方式
At=0,采用位式调节(ON-OFF),只适合要求不高的场合进行控制时采用。
At=1,采用人工智能调节/PID调节,该设置下,允许从面板启动执行自整定功能。
At=2,启动自整定参数功能,自整定结束后会自动设置为3或4。
At=3,采用人工智能调节,自整定结束后,仪表自动进入该设置,该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。
以防止误操作重复启动自整定。
0-3
I
保持参数
I、P、d、t等参数为人工智能调节算法的控制参数,对位式调节方式(AT=0时),这些参数不起作用。
由于在工业控制中温度的控制难度较大,应用也最广泛,故以温度为例介绍参数定义。
I定义为输出值变化时,控制对象基本稳定后测量值的差值。
同一系统的I参数一般会随测量值有所变化,应取工作点附近为准。
例如某电炉温度控制,工作点为700℃,为找出最佳I值,假定输出保持为50%时,电炉温度最后稳定在700℃左右,而55%输出时,电炉温度最后稳定在750℃左右。
则最佳参数值可按以下公式计算:
I=750-700=50.0(℃)
I参数值主要决定调节算法中积分作用,和PID调节的积分时间类同。
I值越小,系统积分作用越强。
I值越大,积分作用越弱(积分时间增加)。
设置I=0时,系统取消积分作用及人工智能调节功能,调节部分成为一个比例微分(PD)调节器,这时仪表可在串级调节中作为副调节器使用。
0-999.9
或0-9999
1定义单位
P
速率参数
P与每秒内仪表输出变化100%时测量值对应变化的大小成反比,当AT=1或3时,其数值定义如下:
P=1000÷每秒测量值升高值(测量值单位是0.1℃或1个定义单位)
如仪表以100%功率加热并假定没有散热时,电炉每秒1℃,则:
P=1000÷10=100
P值类似PID调节器的比例带,但变化相反,P值越大,比例、微分作用成正比增强,而P值越小,比例、微分作用相应减弱。
P参数与积分作用无关。
设置P=0相当于P=0.5。
1-9999
d
滞后时间
对于工业控制而言,被控系统的滞后效应是影响控制效果的主要因素,系统滞后时间越大,要获得理想的控制效果就越困难,滞后时间参数d是人工智能算法相对标准PID算法而引进的新的重要参数,XMD808系列仪表能根据d参数来进行一些模糊规则运算,以便能较完善地解决超调现象及振荡现象,同时使控制响应速度最佳。
d定义为假定没有散热,电炉以某功率开始升温,当其升温速率达到最大值63.5%时所需的时间.仪表中d参数值单位是秒。
d参数对控制的比例、积分、微分均起影响作用,d越小,则比例和积分作用均成正比增强,而微分作用相对减小,但整体反馈作用增强;反之,d越大,则比例和积分作用均减弱,而微分作用相对增强。
此外d还影响超调抑制功能的发挥,其设置对控制效果影响很大。
如果设置d≤t时,系统的微分作用被取消。
0-2000秒
t
输出周期
t参数值可在0.5-125秒(0表示0.5秒)之间设置,它反映仪表运算调节的快慢。
t值越大,比例作用增强,微分作用减弱。
t值越小,则比例作用减弱,微分作用增强。
t值大于或等于5秒时,则微分作用被完全取消,系统成为比例或比例积分调节。
t小于滞后时间的1/5时,其变化对控制影响较小,例如系统滞后时间D为100秒,则t设置为0.5或10秒的控制效果基本相同。
T确定的原则如下:
(1)用时间比例方式输出时,如果采用SSR(固态继电器)或可
控硅作输出执行器件,控制周期可取短一些(一般为0.5-2秒),可提高控制精度。
(2)用继电器开关输出时,短的控制周期会相应缩短机械开关的
寿命,此时一般设置t要大于或等于4秒,设置越大继电器在寿命越长,但太大将使控制精度降低,应根据需要选择一个能二者兼顾的值。
(3)当仪表输出为线性电流或位置比例输出(直接控制阀门电机正、反转)时,t值小可使调节器输出响应较快,提高控制精度,但由此可能导致输出电流变化频繁。
0-125秒
Sn
输入规格
Sn用于选择输入规格,其数值对应的输入规格如下:
0-37
注:
Sn=10时,采用外部分度号扩展.
Sn
输入规格
Sn
输入规格
0
K
1
S
2
WRe
3
T
4
E
5
J
6
B
7
N
8-9
特殊热电偶备用
10
用户指定的扩充输入规格
11-19
特殊热电偶备用
20
CU50
21
PT100
22-25
特殊热电阻备用
26
0-80欧电阻输入
27
0-400欧电阻输入
28
0-20mV电压输入
29
0-100mV电压输入
30
0-60mV电压输入
31
0-1V(0-500mV)
32
0.2-1V电压输入
33
1-5V电压输入或
4-20mA电流输入
34
0-5V电压输入
35
-20-+20mV(0-10V)
36
-100-+100mV或2-20V电压输入)
37
-5V-+5V(0-50V)
dP
小数点位置
线性输入时:
定义小数点位置,以配合用户习惯的显示数值。
dP=0,显示格式为0000,不显示小数点。
dP=1,显示格式为000.0,小数点在十位.
dP=2,显示格式为00.00,小数点在百位.
dP=3,显示格式为0.000,小数点在千位.
采用热电偶或热电阻输入时:
此时dP选择温度显示的分辨率
dP=0,温度显示分辨率为1℃(内部维持0.1℃分辨率用于控制运算).
dP=1,温度显示分辨率为0.1℃(1000℃以上自动转为1℃分辨率).
改变小数点位置参数的设置只影响显示,对测量精度及控制精度均不产生影响.
0-3
P-SL
输入下限显示值
用于定义线性输入信号下限刻度值,对外给定、变送输出显示。
例如在采用压力变送器将压力(也可是温度、流量、湿度等其他物理量)变换为标准的1-5V信号输入(4-20mA信号也可外接250欧电阻予以变换)中。
对于1V信号压力为0,5V信号压力为1mPa,希望仪表显示分辨率为0.001mPa.则参数设置如下:
Sn=33(选择1-5V线性电压输入)
dP=3(小数点位置设置,采用0.000格式)
P-SL=0.000(确定输入下限1V时压力显示值)
P-SH=1.000(确定输入上限5V时压力显示值)
-1999~+9999℃或1定义单位
P-SH
输入上限显示
用于定义线性输入信号上限刻度值,与P-SL配合使用.
同上
Pb
主输入平移修正
Pb参数用于对输入进行平移修正.以补偿传感器信号本身的误差,对于热电偶信号而言,当仪表冷端自动补偿存在误差时,也可利用Pb参数进行修正。
例如:
假定输入信号保持不变,Pb设置为0.0℃时,仪表测定温度为500.0℃,则当仪表Pb设置为10.0时,则仪表显示测定温度为510.0℃。
仪表出厂时都进行内部校正,所以Pb参数出厂时数值均为0.该参数仅当用户认为测量需要重新校正时才进行调整。
-1999~
+4000
0.1℃或1定义单位
oP-A
输出方式
oP-A表示主输出信号的方式,主输出上安装的模块类型应该相一致.
oP-A=0,主输出为时间
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