环形输送线补充实验文档格式.docx
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三.实验仪器和设备
1.环形输送线实验台(DRCSX-12-B)1台
2.红外对射传感器(DRHD-12-A)※1个
3.蓝津数据采集仪(DRDAQ-EPP2)1块
4.开关电源(DRDY-A)1台
5.个人计算机n台
※红外对射传感器已安装于环形输送线内部,实验时将其信号线接到模块上即可。
四.实验步骤与内容
1.由于已将DRHD-12-A型红外对射传感器安装在环形输送线内部,并在输送线的后部留有信号线插座,实验时只需用信号线接到输送线模块对应通道即可。
2.启动服务器,运行DRVI程序,然后点击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”进行服务器和数据采集仪之间的注册。
联机注册成功后,从DRVI工具栏中启动“Web服务器”,开始监听8500端口。
3.在收藏菜单栏中选中“实验指导书”菜单项打开WEB版实验指导书,在实验目录中选择“红外对射传感器传输速度测量”实验,点击附录中“服务器端”脚本文件链接,将本实验的“服务器”端脚本文件读入。
4.点击“开始”按钮运行服务器端的实验脚本,启动环形输送线,观察脚本的波形/图谱IC上的波形。
特别要仔细观察波形高低电平的数值变化范围。
5.本实验的原理设计参考图如图23.3所示。
本实验的实验脚本大体已经编写出来,但是并没有将最后的分析和计算完全写出来,目的在于锻炼同学们的分析和编程能力。
在此,需要同学们动手在VBScript中填写程序,最后分析出输送线的运行速度。
6.本实验程序设计指南:
由于本实验是处理缓慢的脉冲信号。
如前所述,链条的运行速度比较慢:
对应频率是1.26~3.94Hz。
因此,在脚本设计的时候,就要充分考虑本实验的特点,要将采样频率设置的比较低,采样长度应设置较短,建议采样频率取100Hz,采样长度设置256~512点,这样是为了能取得较快的刷新速度又可以保证在这个采样长度下包含了完整的脉冲信号。
在使用VBScript进行实验数据分析的时候,建议使用如下的程序来判断和存储脉冲的下降沿。
a()是预先定义的数组,用来存放脉冲下降沿的位置。
Gate是用于判断当前点电平是否低电平的门限,它的数值取多少需要同学们自己观察。
下面的一段程序是可将数组data()中的脉冲下降沿进行计数,并且将其位置存放在数组a()中。
Fori=0To500
Ifdata(i)<
=gateThen
j1=1
Else
j1=0
EndIf
Ifj2<
j1Then
a(k)=i
k=k+1
j2=j1
Next
在取得脉冲下降沿的数量和位置(在数组a()中)后,就可以计算出脉冲的平均周期T,根据T和链条的节距d来计算输送线的运行速度就很容易了。
VBScript的具体程序请同学们自己编写。
图23.3输送线速度测量实验原理设计参考图
7.打开客户端计算机,启动计算机上的DRVI程序,然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标,选择其中的“DRVI局域网服务器检测”,在弹出的对话框中输入服务器IP地址(例如:
192.168.0.1),点击“发送”按钮,进行客户端和服务器之间的认证。
8.点击附录中的“客户端”脚本文件链接,将实验的脚本文件读入。
将服务器IP地址填入数据服务器IP地址输入栏中,在服务器端进行数据采集的同时,点击“开始”按钮,进行客户端的速度测量过程。
测量时可以看到波形被同步显示出来,同样的,没有最后的分析结果,也需要同学们来完成最后的分析程序设计。
五.扩展实验
。
六.实验报告要求
简述实验目的和原理,分析并整理实验测量结果。
七.思考题
1.该实验还可以采用其它哪些传感器进行?
2.调整不同的采样频率后,输出信号有何变化?
并解释产生这种现象的原因。
附录
图23.6输送线速度测量实验信号处理框图
实验二色差传感器物体表面颜色识别实验
1.通过本实验熟悉红外色差传感器的工作原理。
1.光的吸收与反射
物体对光的吸收有两种形式:
如果物体对入射白光中所有波长的光都等量吸收,称为非选择性吸收。
如果物体对入射光中某些色光比其它波长的色光吸收程度大,或者对某些色光根本不吸收,这种不等量地吸收入射光称为选择性吸收。
物体表面的物质之所以能吸收一定波长的光,这是由物质的化学结构所决定的。
可见光的频率为
不同物体由于其分子和原子结构不同,就具有不同的本征频率,因此,当入射光照射在物体上,某一光波的频率与物体的本征频率相匹配时,物体就吸收这一波长(频率)光的辐射能,使电子的能级跃迁到高能级的轨道上,这就是光吸收。
在光的照射下,光粒子与物质的微粒作用,这些物质吸收某些波长的光粒子,而不吸收另外一些波长的光粒子,分子结构对光波有选择性的吸收,反射出不同波长的光,使得不同物质具有不同的颜色。
不透明体反射光的程度,可用光反射率ρ来表示。
光反射率可以定义为"
被物体表面反射的光通量
与入射到物体表面的光通量
之比。
"
可表示为
物体对光的反射有三种形式,理想镜面的全反射,粗糙表面的漫反射,及半光泽表面的吸收反射。
实际生活中绝大多数彩色物体表面,既不是理想镜面,也不是完全漫反射体,而是居二者之中,称为半光泽表面。
这种性质可以用变角光度计测量其表面反射率因数的分布状况,从而得到图2.1所示的分布曲线。
图中从测试样中心到曲线的半径距离,表示在该方向上反射率因数的大小;
曲线a是一个半圆,表示完全漫反射体的反射率因数分布;
曲线b是半光泽表面反射率因数分布,这表示在镜面反射方向有较强的反射能力。
图2.1反射率因数分布图
2.DRCOL-12-A型红外色差传感器简介
本实验所使用的红外色差传感器(DRCOL-12-A)是以固定波长的红外线作为光源,而不是使用可见光作为光源。
如前所述,物体表面的物质化学结构决定了物体对不同波长的光具有不同的吸收率和反射率。
这当然也包括红外线在内。
只不过红外线的波长比红色光(波长600~700nm)略长,超过了人的视觉范围而已。
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。
DRCOL-12-A型红外色差传感器的输出是模拟电压(0~5V),在使用时需要进行标定。
标定时应确定标准距离(被测物体与传感器的距离对传感器的输出具有较大的影响)。
在对不同颜色的物体进行标定以后就可以使用这些标定数据进行检测。
在实际的检测中,需要注意传感器与被测物体的距离应在5~8mm之间,物体被测表面应为平面且角度与传感器的工作平面平行。
此时的检测实际上是比较粗略的,因为检测得到的数据都是一个传感器输出电压范围,而不是精确的某个值。
DRCOL-12-A型红外色差传感器的电路采用和光源同步的积分处理方法来排除外界光和其他光学干扰的影响。
首先,在T1区间,让光源熄灭,对照射到感光器(接收头)的外界光(外界干扰)进行负向积分。
然后,在T2区间,让光源发光,同时对感光器的信号进行正向积分。
令T1和T2的时间相等。
这样,T3区间输出的电压就只反映无外界光影响的反射光强度。
在T4区间,积分器复位,重新从T1开始动作。
电路的采样过程如图2.2所示。
图2.2红外色差传感器工作原理示意图
将T3区间输出的电压输入到峰值保持电路中,峰值保持电路的输出就是传感器的最终输出。
注意:
在传感器的使用过程中请注意被测物体的表面情况,根据光的吸收与反射一节的论述,如果被测物体表面的光洁度比较高,如玻璃制品、带有塑料帖膜的印刷品等,会形成镜面反射。
传感器的测量数据不能代表物体颜色。
2.红外色差传感器(DRCOL-12-A)1个
1.将DRCOL-12-A型红外对射传感器安装在环形输送线的安装位上,并在调整好传感器探头到被测物体的距离,标准距离5~8mm。
另外,本实验还需要红外定位光管的辅助(红外定位光管已经安装在输送线的内部),实验时需要用信号线将传感器接到输送线模块对应通道即可。
3.在收藏菜单栏中选中“实验指导书”菜单项打开WEB版实验指导书,在实验目录中选择“色差传感器物体表面颜色识别”实验,点击附录中“服务器端”脚本文件链接,将本实验的“服务器”端脚本文件读入。
4.点击“开始”按钮运行服务器端的实验脚本,启动环形输送线,并在输送线的链板上放置随机提供的测试块。
观察脚本显示的传感器的输出电压,特别要仔细观察传感器对同种颜色的物体检测结果的变化范围。
在此,需要同学们动手在VBScript中填写程序,最后分析出目标物体的颜色。
(由于传感器的原因,分辨的颜色不会很多,因此,只要分辨出特定的几种颜色就可以了。
)
由于传感器输出的是模拟信号。
为了取得更好的实验效果,在教本只我们使用了波形参数计算IC,以得到传感器输出的平均值。
否则,计算可能会受到随机干扰信号的影响。
在输送线运行的时候,由于色差传感器本身不知道目标物体什么时候会在面前,所以本实验需要使用一个辅助的传感器:
红外定位光管。
VBScript的程序设计思想在这里给出一个参考:
程序定时查询红外定位光管的状态,当定位光管检测到链板中心位时,再检查色差传感器的输出结果,色差的输出再与对照表对照,确定被测物体的颜色。
表2.1是随环形输送线提供的标准试件在色差传感器上的测试结果。
测试距离5~8mm。
颜色
传感器输出(mv)
黄
3000~3800
橙红
1000~3000
深蓝
200~500
表2.1色差传感器颜色-输出对照表
色差传感器对被测物体的距离、表面是否平行于传感器端面都比较敏感。
所以,在测试过程中,请注意保持被测物体与色差传感器的距离和平行。
以上的实验程序设计思路是以环形输送线启动为前提的,传感器对物体表面的颜色识别是在运动的过程中完成的。
如果传感器检测的物体是静止的,则不需要其它辅助传感器的信号,只要直接读取就可以了。
另外,对于其它颜色的识别请事先做好标定工作,根据标定结果设计程序。
测量时可以看到测量数据被同步显示出来,同样的,没有最后的分析结果,也需要同学们来完成最后的分析程序设计。
图23.4转速测量服务器端实验样本
1.同学们可自己寻找一些不同颜色的样品进行传感器的标定和测试,样品的颜色不能过于相近(如棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、黑),被测表面应是平面,并且不能形成镜面反射。
标定与测试距离应相等。
(注意在标定与测试的过程中,不能有阳光直射被测物体或传感器的工作面。
因为阳光中有很强的红外线,会超过传感器的处理能力。
2.针对同一个测试样品的相同的测试平面,作出传感器的距离-输出特性曲线。
图23.6转速测量实验信号处理框图
实验三磁电转速传感器转速测量实验
1.通过本实验了解和掌握采用磁电转速传感器测量的原理和方法。
1.磁电转速传感器的结构和工作原理
磁电传感器的内部结构请参考图3.1,它的核心部件有衔铁、磁钢、线圈几个部分,衔铁的后部与磁性很强的磁钢相接,衔铁的前端有固定片,其材料是黄铜,不导磁。
线圈缠绕在骨架上并固定在传感器内部。
为了传感器的可靠性,在传感器的后部填入了环氧树脂以固定引线和内部结构。
图3.1磁电传感器的内部结构
使用时,磁电转速传感器是和测速(发讯)齿轮配合使用的,如图3.2。
测速齿轮的材料是导磁的软磁材料,如钢、铁、镍等金属或者合金。
测速齿轮的齿顶与传感器的距离d比较小,通常按照传感器的安装要求,d约为1mm。
齿轮的齿数为定值(通常为60齿)。
这样,当测速齿轮随被测旋转轴同步旋转的时候,齿轮的齿顶和齿根会均匀的经过传感器的表面,引起磁隙变化。
在探头线圈中产生感生电动势,在一定的转速范围内,其幅度与转速成正比,转速越高输出的电压越高,输出频率与转速成正比。
图3.2直射式光电转速传感器的工作方式
那么,在已知发讯齿轮齿数的情况下,测得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(rpm),所以要在上述公式的得数再乘以60,才能得到以rpm为单位的转速数据,即n=60×
f/N。
在使用60齿的发讯齿轮时,就可以得到一个简单的转速公式n=f。
所以,就可以使用频率计测量转速。
这就是在工业中转速测量中发讯齿轮多为60齿的原因。
2.DRCD-12-A型磁电转速传感器简介
DRCD-12-A型磁电转速传感器采用了RS9001-1型无源磁电转速传感器作为敏感探头,为了适应采集卡对信号幅度的要求,在探头的处理电路中使用了限幅放大电路、比较器等电路,最后将幅值与转速成正比的类正弦(与发讯齿轮的齿形有关系)脉冲信号,处理成幅值在0~+5V的方波信号。
传感器的探头与转子实验模块通过BNC连接器连接,探头本身就是一个完整的RS9001-1型工业用无源磁电转速传感器。
探头的工作信号可以接到模拟示波器上进行观察。
据资料,RS9001-1型无源磁电转速传感器的测量范围在10~10000rpm(60齿),发讯齿轮的齿形最好是渐开线齿形,模数2~4。
输出的波形是近似正弦波。
如果使用大模数的齿轮或者用其他齿形将会产生巨大的波形畸变,妨碍精确测量。
DRZZS-A型转子实验台的发讯齿轮齿数为15,为了安全的考虑,并没有将齿轮做成标准的渐开线齿形,而是做成了圆顶。
1.计算机n台
2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套
3.实验桌(DRMU-ME-B)1台
4.磁电转速传感器(DRCD-12-A)1套
5.转子实验台(DRZZS-A)1台
四.实验步骤及内容
1.按照实验设备要求准备实验仪器,磁电转速传感器接入转子实验模块的对应通道。
(本实验暂时只能在DRMU-ME-B型实验桌上进行)
2.启动服务器,运行DRVI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”进行服务器和数据采集仪之间的注册。
联机注册成功后,从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“内置的Web服务器”,开始监听8500端口。
3.打开客户端计算机,启动计算机上的DRVI程序,然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标,选择其中的“DRVI局域网服务器检测”,在弹出的对话框中输入服务器IP地址(例如:
192.168.0.1),点击“发送”按钮,进行客户端和服务器之间的认证,认证完毕即可正常运行客户端所有功能。
4.在收藏菜单栏中选中“实验指导书”菜单项打开WEB版实验指导书,在实验目录中选择“磁电转速传感器转速测量”实验,按实验原理和要求设计该实验。
图3.3转速测量实验(服务器端)设计原理图
5.本实验的目的是了解转速测量的方法,并且要实现服务器端的数据共享功能,需要分别设计服务器端和客户端的实验脚本。
对于服务器端,首先需要将数据采集进来,蓝津信息提供了一个配套的8通道并口数据采集仪来完成外部信号的数据采集过程,在DRVI软件平台中,对应的数据采集软件芯片为“蓝津DAQ_A/D”芯片
;
数据采集仪的启动采用一片“0/1按钮”芯片
来控制;
为完成转速的计算,使用一片“VBScript脚本”芯片
,在其中添加转速计算的脚本,计算出电机的旋转频率和转速,并通过“数码LED”芯片
显示出来;
另外,为了控制计算的准确性,插入一片“数字调节”芯片
,用于设定门限值,只有大于该门限值的信号才被认为是正常的转速信号;
还需要选择一片“波形/频谱显示”芯片
,用于显示通过光电传感器获取的转速信号的时域波形;
然后再插入1片“内存条”芯片
,用于数据采集仪采集到的存储数组型数据;
再加上一些文字显示芯片
和装饰芯片
,就可以搭建出一个“转速测量”服务器端的实验,所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图3.3所示,根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片,然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。
6.VBScript程序设计指导:
在本实验中,转速的计算是通过在“VBScript脚本”芯片
中添加脚本实现的,该芯片由内存芯片6000来驱动,当6000中数据产生变化,也就是有新的采样数据进来时,启动“VBScript脚本”芯片计算电机的旋转频率和转速。
程序主要设计思路如下:
由于内存IC中的数据是不能直接用来运算的,所以,需要定义一个数组,将内存的数据拷贝到数组中,再来组织运算。
将数组中的数据进行分析,以得到脉冲信号的频率。
实际上,我们得到的信号是已经调理好的正向方波信号,只需要计算出这些方波信号的周期就可以得到脉冲的频率。
根据实验原理所给的公式,进而可以计算出电机的转速。
作为计算机,对脉冲信号周期的分析是需要准确测量信号上“对应点”的相距点数。
“对应点”是指会周期性出现的点,并且有可识别的特征。
比如正弦信号的过零点,峰值点,脉冲信号的上升和下降沿。
程序的具体写法在光电传感器转速测量实验中已经有介绍,在这里不再重复。
本实验与光电传感器的转速测量实验略有不同请同学们注意,需要在程序上稍作调整。
具体的程序需要同学们自己来完成。
7.对于客户端,与以前设计过的实验类似,必须在完成网络数据采集的基础上进行信号的分析和处理,在DRVI软件平台中,客户端是通过“TCP客户端”芯片
和“定时器”芯片
的组合来完成网络数据采集功能,另外还需采用“IP地址输入”芯片
来指定数据共享服务器的IP地址,其它的芯片则与服务器端基本相同,客户端所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图20.7所示。
图20.7转速测量实验(客户端)设计原理图
8.在Web版的实验指导书中,还提供了本实验的参考脚本,可以直接点击附录中该实验脚本文件“服务器端”和“客户端”的链接,将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台中并运行。
服务器端实验效果示意图如图20.8所示。
9.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。
10.调节电机转速至另一稳定转速,再次进行测量。
11.对于客户端的分析,首先设定数据共享服务器的IP地址,然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下,点击“开关”按钮进行网络数据采集,观察数据共享服务器端转速测量值随外界条件变化而变化的情况,并记录实验结果。
图20.8转速测量实验(服务器端)效果图
1.用自相关分析法测定转速。
2.用频谱分析法测转速。
1.简述实验目的和原理,根据实验原理和要求整理实验设计原理图。
2.根据实验步骤分析并整理转速测量结果。
1.转速测量还可以采用其它那些传感器进行?
2.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?
本实验的流程框图如图20.10所示。
图20.10转速测量实验信号处理框图
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