CSY型传感器系统仪指南老外开源CNC控制器含原理图PCB.docx
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CSY型传感器系统仪指南老外开源CNC控制器含原理图PCB
检测与传感器技术
实验指导书
目录
第一章CSY传感器说明书
第二章实验指导
一、应变式电阻传感器:
单臂、半桥、全桥比较
二、差动面积式电容传感器的静态及动态特性
三、温度传感器设计
第三章附录
附录一、电路原理图
附录二、传感器安装示意图及面板示意图
第一章CSY传感器说明书
一、CSY传感器实验仪简介
实验仪主要由四部分组成:
传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。
传感器安装台部分:
装有双平行振动梁(应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢)、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台(圆盘)测微头及支架、振动圆盘(圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子)、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒,具体安装部位参看附录三。
备注:
CSY系列传感器实验仪的传感器具体配置根据需方的合同安装。
显示及激励源部分:
电机控制单元、主电源、直流稳压电源(±2V-±10V档位调节)、F/V数字显示表(可作为电压表和频率表)、动圈毫伏表(5mV-500mV)及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。
实验主面板上传感器符号单元:
所有传感器(包括激振线圈)的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中,实验时传感器的输出信号(包括激励线圈引入低频激振器信号)按符号从这个单元插孔引线。
处理电路单元:
电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
CSY实验仪配上一台双线(双踪)通用示波器可做几十种实验。
教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。
二、主要技术参数、性能及说明
<一>传感器安装台部分:
双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢,通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。
应变梁:
应变梁采用不锈钢片,双梁结构端部有较好的线性位移。
传感器:
1、差动变压器
量程:
≥5mm直流电阻:
5Ω-10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈,铁芯为软磁铁氧体.
2、电涡流位移传感器
量程:
≥1mm直流电阻:
1Ω-2Ω多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
3、霍尔式传感器
量程:
±≥2mm直流电阻:
激励源端口:
800Ω-1.5KΩ输出端口:
300Ω-500Ω
日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片,它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。
4、热电偶
直流电阻:
10Ω左右由两个铜一康铜热电偶串接而成,分度号为T冷端温度为环境温度。
5、电容式传感器
量程:
±≥2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。
6、热敏电阻
由半导体热敏电阻NTC:
温度系数为负,25℃时为10KΩ。
7、光纤传感器
由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器,线性范围≥2mm。
红外线发射、接收、直流电阻:
500Ω-1.5kΩ2×60股丫形、半圆分布。
8、压阻式压力传感器
量程:
10Kpa(差压)供电:
≤6V直流电阻:
Vs+---Vs-:
350Ω-450ΩVo+---Vo-:
3KΩ-3.5KΩ
美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器,具有温度自补偿功能,先进的X型工作片(带温补)。
9、压电加速度计
PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。
谐振频率:
≥10KHZ,电荷灵敏度:
q≥20pc/g。
10、应变式传感器
箔式应变片阻值:
350Ω、应变系数:
2
11、PN结温度传感器:
利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器,能直接显示被测温度。
灵敏度:
-2.1mV/℃。
12、磁电式传感器
0.21×1000直流电阻:
30Ω-40Ω由线圈和动铁(永久磁钢)组成,灵敏度:
0.5v/m/s
13、气敏传感器
MQ3:
酒精:
测量范围:
50-2000ppm。
14、湿敏电阻
高分子薄膜电阻型:
RH:
几兆Ω-几KΩ响应时间:
吸湿、脱湿小于10秒。
湿度系数:
0.5RH%/℃测量范围:
10%-95%工作温度:
0℃-50℃
〈二〉、信号及变换:
1、电桥:
用于组成应变电桥,提供组桥插座,标准电阻和交、直流调平衡网络。
2、差动放大器通频带0~10kHz可接成同相、反相,差动结构,增益为1-100倍的直流放大器。
3、电容变换器由高频振荡,放大和双T电桥组成的处理电路。
4、电压放大器增益约为5倍同相输入通频带0~10KHz
5、移相器允许最大输入电压10Vp-p移相范围≥±20º(5kHz时)
6、相敏检波器可检波电压频率0-10kHz允许最大输入电压10Vp-p
极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路
7、电荷放大器电容反馈型放大器,用于放大压电传感器的输出信号。
8、低通滤波器由50Hz陷波器和RC滤波器组成,转折频率35Hz左右
9、涡流变换器输出电压≥|8|V(探头离开被测物
变频式调幅变换电路,传感器线圈是振荡电路中的电感元件
10、光电变换座由红外发射、接收组成。
〈三〉、二套显示仪表
1、数字式电压/频率表:
3位半显示,电压范围0—2V、0—20V,频率范围3Hz—2KHz、10Hz—20KHz,灵敏度≥50mV。
2、指针式毫伏表:
85c1表,分500mV、50mV、5mV三档,精度2.5%。
〈四〉、二种振荡器
1、音频振荡器:
0.4KHz—10KHz输出连续可调,V-p-p值20V,180°、0°反相输出,Lv端最大功率输出电流0.5A。
2、低频振荡器:
1—30Hz输出连续可调,Vp-p值20V,最大输出电流0.5A,Vi端可提供用做电流放大器。
〈五〉、二套悬臂梁、测微头
双平行式悬臂梁二副(其中一副为应变梁,另一副装在内部与振动圆盘相连),梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头,可进行压力位移与振动实验。
〈六〉电加热器二组
电热丝组成,加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。
〈七〉测速电机一组
由可调的低噪声高速轴流风扇组成,与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。
〈八〉二组稳压电稳
直流±15V,主要提供温度实验时的加热电源,最大激励1.5A。
±2V—10V分五档输出,最大输出电流1.5A。
提供直流激励源。
〈九〉计算机联接与处理
数据采集卡:
十二位A/D转换,采样频率20—25000次/秒,采样速度可控制,分单次采样与连续采样。
标准RS-232接口,与计算机串行工作。
良好的计算机显示界面与方便实用处理软件,实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。
第二章实验指导
实验一应变式电阻传感器:
单臂、半桥、全桥比较
1、单臂
实验目的:
了解金属箔式应变片,单臂单桥的工作原理和工作情况。
所需单元及部件:
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。
旋钮初始位置:
直流稳压电源打倒±2V档,F/V表打到2V档,差动放大增益最大。
实验步骤:
(1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置,观察梁上的应变片,应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片,测微头在双平行梁前面的支座上,可以上、下、前、后、左、右调节。
(1)将差动放大器调零:
用连线将差动放大器的正(+)、负(-)、地短接。
将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连;开启主、副电源;调节差动放大器的增益到最大位置,然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零,关闭主、副电源。
(2)根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
R4为应变片;将稳压电源的切换开关置±4V档,F/V表置20V档。
调节测微头脱离双平行梁,开启主、副电源,调节电桥平衡网络中的W1,使F/V表显示为零,然后将F/V表置2V档,再调电桥W1(慢慢地调),使F/V表显示为零。
图1
(3)将测微头转动到10mm刻度附近,安装到双平等梁的自由端(与自由端磁钢吸合),调节测微头支柱的高度(梁的自由端跟随变化)使F/V表显示最小,再旋动测微头,使F/V表显示为零(细调零),这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
(4)——往下或往上旋动测微头,使梁的自由端产生位移记下F/V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX=0.5mm记一个数值填入下表:
位移(mm)
电压(mv)
(5)据所得结果计算灵敏度S=ΔV/ΔX(式中ΔX为梁的自由端位移变化,ΔV为相应F/V表显示的电压相应变化)。
(6)实验完毕,关闭主、副电源,所有旋钮转到初始位置。
注意事项:
(1)电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在,仅作为一标记,让学生组桥容易。
(3)为确保实验过程中输出指示不溢出,如指示溢出,适当减小差动放大增益,此时
差动放大器不必重调零。
(3)做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小,以减小其对直流电桥的影响。
(4)电位器W1、W2,在有的型号仪器中标为RD、RA。
问题:
(1)本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求?
(2)根据所给的差动放大器电路原理图,(见附录图一),分析其工作原理,说明它既能作差动放
大,又可作同相或反相放大器。
2、金属箔式应变片:
单臂、半桥、全桥比较
实验目的:
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
所需单元和部件:
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
有关旋钮的初始位置:
直流稳压电源打到±2V档,F/V表打到2V档,差动放大器增益打到最大。
实验步骤:
(1)按实验一方法将差动放大器调零后,关闭主、副电源。
(2)按图1接线,图中R4为工作片,r及W1为调平衡网络。
(3)调整测微头使双平行梁处于水平位置(目测),将直流稳压电源打到±4V档。
选择适当的放大增益,然后调整电桥平衡电位器W1,使表头显示零(需预热几分钟表头才能稳定下来)。
(4)旋转测微头,使梁移动,每隔0.5mm读一个数,将测得数值填入下表,然后关闭主、副电源:
位移(mm)
电压(mv)
(5)保持放大器增益不变,将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片,形成半桥,调节测微头使梁到水平位置(目测),调节电桥W1使F/V表显示表显示为零,重复(4)过程同样测得读数,填入下表:
位移(mm)
电压(mv)
(6)保持差动放大器增益不变,将R1,R2两个固定电阻换成另两片受力应变片(即R1换成,R2换成,)组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同,邻臂应变片的受力方向相反即可,否则相互抵消没有输出。
接成一个直流全桥,调节测微头使梁到水平位置,调节电桥W1同样使F/V表显示零。
重复(4)过程将读出数据填入下表:
(7)在同一坐标纸上描出X-V曲线,比较三种接法的灵敏度。
注意事项:
(1)在更换应变片时应将电源关闭。
(2)在实验过程中如有发现电压表发生过载,应将电压量程扩大。
(3)在本实验中只能将放大器接成差动形式,否则系统不能正常工作。
(4)直流稳压电源±4V不能打的过大,以免损坏应变片或造成严重自热效应。
(4)接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
(6)在同一坐标纸上描出X-V曲线,比较三种接法的灵敏度。
注意事项:
(1)在更换应变片时应将电源关闭。
(2)在实验过程中如有发现电压表发生过载,应将电压量程扩大。
(3)在本实验中只能将放大器接成差动形式,否则系统不能正常工作。
(4)直流稳压电源±4V不能打的过大,以免损坏应变片或造成严重自热效应。
(5)接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验二 差动变面积式电容传感的静态及动态特性
实验目的:
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
所需单元及部件:
电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器
有关旋钮的初始位置:
差动放大器增益旋钮置于中间,F/V表置于V表2V档,
实验步骤:
(1)按图28接线。
图28
(2)F/V表打到20V,调节测微头,使输出为零。
(3)转动测微头,每次0.1mm,记下此时测微头的读数及电压表的读数,直至电容动片与上(或下)静片复盖面积最大为止。
X(mm)
V(mv)
退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法,记下X(mm)及V(mv)值。
(4)计算系统灵敏度S。
S=ΔV/ΔX(式中ΔV为电压变化,ΔX为相应的梁端位移变化),并作出V-X关系曲线。
X(mm)
V(mv)
(5)卸下测微头,断开电压表,接通激振器,用示波器观察输出波形。
温度传感器设计
一、实验目的:
了解热电偶、P-N结、热敏电阻的工作特性,测温原理及转换电路。
二、基本原理:
1热电偶测温原理:
两种不同的导体互相焊接成闭合回路时,当两个接点温度不同时回路中就会产生电流,这一现象称为热电效应,产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶。
2晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。
例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时,下降约2.1mV,利用这种特性可作成各种各样的PN结温度传感器。
它具有线形好,时间常数小(0.2~2秒),灵敏度高等优点,其不足之处是离散性大互换性较差。
3热敏电阻的温度系数有正有负,因此分为两类:
PTC热敏电阻(正温度系数)与NTC热敏电阻(负温度系数)。
一般NTC热敏电阻测量范围较宽,主要用于温度测量;而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄,一般用于恒温加热控制或温度开关,也用于彩电中作自动消磁元件。
有些功率PTC也作为发热元件用。
PTC缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。
三、设计举例
温度-频率转换电路
上图是一个温度-频率转换电路。
该电路利用RC电路充放电过程的指数函数
和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性。
该转换器由温度-电压转换电路(A1,A2,A3)、RC充放电电路、电压比较A4和延时电路组成。
其改善热敏电阻RT的非线性原理如下:
温度-电压转换电路由热敏电阻RT和运算放大器A1~A3组成,产生一个与温度相对应的电压U+,加到比较器A4的正端。
运算放大器A1为差动放大器A2提供一个低电压
的输入的信号,其目的是减小热敏电阻自身发热所引起的误差。
A2输出再由反相放大器A3提高信号幅值。
该幅值为
RC电路(见A4反相输入端)中的电容C上充电电压为
该转换器是把RC电路充电过程中电容C上的电压UC与温度-电压转换电路的输出电压U+相比较,当RC>U+时,比较器的输出电压由正变负,此负跳变电压触发延时电路(T1,T2),使延时电路输出窄脉冲,驱动开关电路BG,为电容器C构成放电通路;当UC
当温度恒定时,输出一个将与该温度相对应的频率信号。
当温度改变时,U+改变,使比较器输出电压极性的改变推迟或提前,于是输出信号频率将相应地变化,从而实现温度到脉冲频率的变换,达到测量温度的目的。
下面讨论转换器的输出频率与被测温度的关系。
延时电路T1,T2由一块LM556组成,它们产生宽度为td1(td1=1.1R1C1)和td2(td2=1.1R2C2)的脉冲信号,且使td2< 上如图所示。 在t=0时,晶体管BG关断,比较器A4输出U0=+U1;当t=t1时,UC上升到超过U+,A4输出电压U0=-U1,根据式上式,且令Rf=RT0(温度T0时的电阻值),得到 在t=t1时,比较器A4输出的负跳变电压触发延时电路T1,产生td1=t2-t1的脉冲,在此脉冲的下降沿(t=t2时),触发延时电路T2,产生td2=t3-t2的窄脉冲,该脉冲使晶体管BG导通,使电容C短路,UC下降到零,并使A4输出由-U1变到+U1,开始一个新周期,待t3到来时,BG截止,电源通过R重新对C充电。 不难看出,A4输出方波的周期Tm为 Tm=t1+td1+td2 输出方波频率f为: 注意: 上式中的T是绝对温度,且 。 由于td2< 减小到零,则上式可简写为: (5-31) 从该式可说明,输出频率与绝对温度T成正比。 所以,该电路,在 时输出是线性的。 即使 调不到零,也可使热敏电阻输出的非线性得到改善。 四、调试方法: 调试过程应分块、分步进行 1、电路装配完毕检查无误后,装入运放(先不装入555芯片),接通电源,测量运放的工作电压是否正常。 2、拿掉运放,装入555芯片,观察电路是否正常工作。 3、装入运放和555芯片联调。 五、主要技术指标及实验方法: 1、测量框图如下: 2、测试内容: 开启电烤箱,测量温度与频率的关系,填入下表 温度 频率(或电压) a、测量线性度; b、测量灵敏度; c、测量重复性; d、静态标定 六、设计任务: 1、设计温度-频率转换电路中未给定的电阻、电容值; 2、设计PCB图,制作电路板; 3、装配、调试,实现温度-频率线性转换。 给定主要器件: 热敏电阻、运算放大器、电阻、电容、电烤箱、温度计、电压表,频率计。 第三章附录
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