传感器原理与设计实验

1、传感器原理与设计实验指导书测控教研中心1实验一 物件计数 一、实验目的1.通过本实验熟悉电涡流传感器、光电传感器的工作原理。2.通过本实验了解和掌握采用电涡流传感器、红外传感器进行物件计数实验的原理和方法2实验一 物件计数二、实验原理1、电涡流传感器。电涡流传感器是一种非接触式传感器，一般由探头、延伸电缆、前置器构成基本的工作系统（如图1-1所示）。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，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流

2、场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作3实验一 物件计数用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。4实验一 物件计数图1-1 电涡流传感器基本工作系统5实验一 物件计数其工作过程是，当被测金属与探头之间的距离发生变化时。则探头中

3、线圈的Q值发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、放大归一处理转化成电压（电流）变化。最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。目标物体的材质对传感器的感应距离有直接的影响。6实验一 物件计数2、光电传感器光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。光电传感器在工业上的应用

4、可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。图1-2说明了这四种形式的工作方式。7实验一 物件计数图1-2 光电传感器的工作方式8实验一 物件计数本实验所采用的DRHF-12-A型红外光电传感器属于反射性传感器，在同一壳体内装有发射器和接受器，此外配有一块特殊的反射板，使从发射器里发出的光线能反射到接受器表面。当被测物遮住光线，传感器就开始工作，实现了开关功能。在正常状态下（没有物体通过），传感器输出为一定值，当有物体通过时，由于光线被遮断，传感器输出发生跳变，由数据采集仪获得后，通过DRVI快速可重组虚拟仪器平台的脚本就可以实现物件计数。9实验一 物件计数三、实验仪器和设备1. 输送

5、线实验台架（DRCSX-12-A）1套2. 电涡流传感器（DRDG-12-A）1套3. 红外反射式传感器（DRHF-12-A） 1套4. 蓝津数据采集仪（DRDAQ-EPP2）1套5. 开关电源（DRDY-A）1套6. 传感器支架（DRZJ-A）2套7. 铁性试件 2块8. 个人计算机 1台10实验一 物件计数四、实验步骤1.物件计数实验结构示意图如图1-3所示，将DRDG-12-A型电涡流传感器、DRHF-12-A红外反射式传感器分别固定在支架上，并接入输送线模块对应通道。11实验一 物件计数涡流传感器 光电传感器 试件 图1-3 插件计数实验结构示意图12实验一 物件计数2、启动服务器，运

6、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。3、点击“物件计数”实验，可以看到实验效果图1-4 ，如果计数值不为零，则点击其中的“复位”按钮将计数器清零，然后点击“开始”按钮进行物件计数实验。13实验一 物件计数 图1-4 物件计数实验效果图 14实验一 物件计数五、扩展实验设计用趋势曲线方式显示出在一个较长的时间段内传感器接收信号电平的变化情况六、思考题 1、产品计数实验还可以采用其它哪些传感器进行？各有什么特点？2、电涡流传感器有什么特性？可以用在那些特征量的检测上？15实验一 物件计数七、实验报告要求1

7、、实验目的、原理、流程框图、实验数据、实验曲线及思考题必做。2、分析并整理实验测量结果。3、画出扩展实验框图，并计算输送线实验台转一周的时间。16*八、流程框图电涡流传感器红外传感器数据采集卡 AD开头蓝津 DAQ AD 内存 IC内存 IC波形谱图 IC显示原始信号波形参数IC取峰值波形参数IC取峰值波形谱图 IC显示原始信号波形处理 VB波形处理 VB计数器 计数器 1-5 物件计数原理框图 17实验二 振动测量实验 (综合实验) 一.实验目的通过对转子实验台的综合参数测量，了解各种传感器的工作原理，掌握机械振动信号、转速及轴心轨迹的基本测量方法。二.实验内容速度传感器测量振动信号加速度传

8、感器测量振动信号磁电传感器测量转速电涡流传感器测量轴心轨迹18实验二 振动测量实验 (综合实验) 三.实验设备 1、电涡流传感器 2套2、速度传感器（CD-21）1套3、加速度传感器（YD-37）1套4、 磁电转速传感器（DRCD-12-A） 1套5、加速度传感器变送器（DRBS-12-A）1台6、计算机 1台7、DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套8、蓝津数据采集仪（DRDAQ-EPP2）1台9、开关电源（DRDY-A）1套10、5芯-BNC转接线1条11、度传感器变送器（DRBS-12-A） 1台12、转子/振动实验台 1套19实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-1转子振动试验台传感

9、器安装位置示意图其中 1磁电传感器 2速度传感器 3涡流传感器 4加速度传感器20实验二 振动测量实验 (综合实验) 四、实验步骤（一）速度传感器、加速度传感器振动测量实验1、原理CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量（线圈组件）和壳体，壳体中固定有磁铁，惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样当振动体振动时，在传感器工资频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值，这就是振动速度传感器的工作原理。图2-2是CD-21振动速度传感器的内部结构示意图。21实验二 振动测量实验 (综合实验) YD-37加速度

10、传感器其实是一个压电传感器。它的力学模型可简化为一个单自由度质量弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。压电式加速度传感器在振动测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。22实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-2 CD-21型磁电式振动速度传感器结构示意图23实验二 振动测量实验 (综合实验) 2、方法 将速度传感器、加速度传感器通过配套的磁座吸附在转子实验台底座上，然后通过两根带五芯航空插头-BNC转接电缆和数据采集仪A/D输入通道连接。（已连好）联机注册 在转子实验台的电机转子上添加试

11、重，然后分别打开桌面上的“速度传感器振动测量”和“加速度传感器振动测量”实验，启动电机，调整到一个稳定的转速，对同一振动信号分别进行测量，可见实验效果图2-3 2-4。观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，点击“多路接线开关”，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。24实验二 振动测量实验 (综合实验) 关闭电机，在电机转子上改变试重和位置，再次启动电机进行测量，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。 关闭电机，改变加速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。25实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-3 速度

12、传感器振动测量实验效果图26实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-4 加速度传感器振动测量实验效果图27实验二 振动测量实验 (综合实验) 3、 思考题 常用的振动信号测量方式有那些？ 采用速度传感器来测量振动信号有什么特点？ 为什么常采用加速度传感器来测量振动信号？ 分析讨论改变试重和位置前后的振动信号。28实验二 振动测量实验 (综合实验) 4、流程框图图2-5 速度传感器振动测量实验信号处理流程框图29实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-6 加速度传感器振动测量实验信号处理框图30实验二 振动测量实验 (综合实验) （二）磁电传感器转速测量1、原理磁电传感器的内部结构请参考图2

13、-7，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。31实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-7 磁电传感器的内部结构32实验二 振动测量实验 (综合实验) 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2-8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（本实验齿轮齿数为15）。这样，当测速齿轮随被

14、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。33实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-8直射式光电转速传感器的工作方式34实验二 振动测量实验 (综合实验) 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/NDRCD-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

15、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05V的方波信号。35实验二 振动测量实验 (综合实验) 2、 方法 将磁电传感器安装在转子试验台上专用的传感器架上，使其探头对准测速用15齿齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离，使测试距离为1mm。感器安装位置。（已连好） 联机注册 在桌面上选择“磁电传感器转速测量”实验。启动转子实验台，调节转速旋钮使电机达到某一稳定转速，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. 根据输出波形计算转速，并与测量结果进行比较。36实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-9磁电转速传感器转速测量实验

16、效果示意图37实验二 振动测量实验 (综合实验) 3、思考题 选择某一转速，对其测量计算并与显示结果进行比较 转速测量还可以采用其它那些传感器进行？ 采用磁电传感器测量转速的精度如何，怎样保证测量的准确性？38实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-10磁电转速传感器转速测量实验参考信号处理框图39实验二 振动测量实验 (综合实验) （三）电涡流传感器轴心轨迹测量1.原理实验一所述。见图2-1，在轴互成90的两个方向分别装有两个涡流传感器，并调至合适位置。当轴旋转后，观察其测量曲线，可判断轴心的轨迹变化。2、方法 在转子实验台支架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再经过信号采集仪最终输入到计算机中。图2-13显示本实验的信号处理流程。 联机注册40实验二 振动测量实验 (综合实验) 在桌面上选择“电涡流传感器轴心轨迹测量”实验。启动转子试验台，点击面板中的“运行”按钮，进行轴心轨迹的测量。如果波形不清楚，需要调节电涡流探头与轴之间的距离，直到两个方向的波形稳定，振幅相近为止。实验效果图如图2-12所示。 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。41实验二 振动测量实验 (综合实验) 图2-12 转子实验台-电涡流传感器