传感器与检测技术及过程控制工程实验指导书

PAGEPAGE26传感器与检测技术及过程控制工程实验指导书谢春利、韩志敏大连民族学院机电信息工程学院20实验基本要求1.每位学生必须按规定完成实验课，因故不能参加实验者，应课前向指导教师请假（必须经有关领导批准).对所缺实验要在期末考试规定时间内补齐，缺实验者不得参加期末考试.每次实验课前，必须作到预习,弄清实验题目、目的、内容、步骤和操作过程，及需记录的参数等,认真做好预习报告.在实验前，指导教师要检查预习结果并接受进行提问.对不写预习报告，又回答不出问题者,不准做实验。每次实验课前，学生须提前5分钟进入实验室，找好坐位,检查所需实验设备,做好实验前的准备工作。做实验前，了解设备的原理和正确使用方法。在没有弄懂仪器设备的使用方法前，不得贸然使用，否则因使用不当造成仪器设备损坏的，根据大连民族学院《仪器设备损坏丢失处理暂行办法》规定进行处理。实验室内设备在实验过程中不准任意搬动和调换，非本次实验所用仪器设备，未经指导教师允许不得动用。要求每位学生在实验过程中，要具有严谨的学习态度、认真、踏实、一丝不苟的科学作风.坚持每次实验都要亲自动手，不可“坐车”，实验小组内要轮流接线、操作和记录等工作,无特殊原因，中途不得退出实验,否则本次实验无效。实验中若接线、改接、拆线都必须在切断电源的情况下进行（包括安全电压）,线路连接完毕再送电。实验中，特别是设备刚投入运行时,要随时注意仪器设备的运行情况,如发现有超量程、过热、异味、冒烟、火花等，应立即断电，并请指导老师检查、处理。实验过程中，如出现事故，就马上拉开电源开关,然后找指导教师和实验技术人员，如实反映事故情况，并分析原因和处理事故。如有损坏仪表和设备时,应马上提出，按有关规定处理.每次实验结束，指导教师要对实验数据和结果进行，要经检查并签字，在教师确认正确无误后，学生方可拆线。整理好实验台和周围卫生，填写实验登记簿后方可离开.实验课后，每位学生必须按实验指导书的要求，独立完成实验报告，不得抄袭。目录TOC\o"1-3”\h\z\u第一章CSY系列传感器系统实验仪的使用说明 1HYPERLINK\l”_Toc153253034”第二章SAC—JGK03过程控制实验装置使用说明 6HYPERLINK\l”_Toc153253035”第一节SAC—JGK03过程控制实验装置系统组成 6HYPERLINK\l”_Toc153253036"第二节SAC-JGK03过程控制实验装置工艺流程说明 9_Toc153253039"第三章传感器与检测技术实验 21HYPERLINK\l”_Toc153253040"实验一应变传感器的性能研究 21HYPERLINK\l”_Toc153253041”实验二差动变送器性能测试 25实验三电容式传感器性能测试 28实验四霍尔式传感器与应用 30HYPERLINK\l”_Toc153253044"实验五温度传感器的性能及应用 32HYPERLINK\l”_Toc153253045”实验六应变测试系统的温度效应与补偿 34HYPERLINK\l”_Toc153253046"实验七液位变送器性能测试 36实验八压力变送器性能测试 38HYPERLINK\l”_Toc153253048”实验九流量变送器性能测试 40HYPERLINK\l”_Toc153253049”第四章过程控制工程试验 42HYPERLINK\l”_Toc153253050”实验一被控过程建模 43HYPERLINK\l”_Toc153253051"实验二单回路控制系统实验 45实验四比值控制系统实验 47开关，观察随温度升高热电势的变化.4。热敏式，进行“热敏传感器”，电热器加热升温，观察随温度升高“V0”端读出电压变化情况，注意热敏电阻是5.P—N结温度式,进行P—N结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T。6。进行“移相器实验”用双踪示波器观察两通道波形。7.进行“相敏检波器实验”，相敏检波端口序数规律为从左至右，从上至下，其中4端为参考电压输入端.8.进行“电容式传感器特性”实验，当振动原盘带动动片上下移动时，电容变换器V0端电压正负过零变化。9.进行“光纤传感器-———位移测量”，光线探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微仪带动反射片位置变化，从“V0"端读出电压变化值。光电变换器“F010.进行光电式传感器测速实验，端V0输出的是频率信号。11。将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端、输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小.12。进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。13.进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，直流激励信号绝对不能大于2V，否则一定会造成霍尔元件损坏.14.进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形。15.进行“压电加速度传感器"实验，此实验与上述第2项内容均为无定量要求。16。进行“电涡流传感器的静态标定"实验,接线参照图，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。17.进行“扩散轨压力传感器"实验，注意MPX压力传感器为差压输出,故输出信号有正负两种。18.进行“气敏传感器特性"实验,观察输出电压变化.19。进行“湿敏传感器特性”实验，观察输出电压变化。20.如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及帮助说明。数据采集卡已装入仪器中,其中A/D转换是12位转换器，最大容错率1/2048（即0。05%），所以建议在做小信号实验（如应变电桥单臂实验)时选用合适的量程，（200mv)以正确选取信号。仪器后部的RS232接口与计算机串行口相接,信号采集前请正确设置串口，否则计算机将收不到信号。仪器工作时需良好的接地,以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源.仪器的型号不同，传感器种类不同，则检查项目也会有所不同。上述检查及实验能够完成则整台仪器部分均为正常。实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的“注意事项"，要在确认接线无误的情况下开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，实验工作台上各传感器部分如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头去开后装于顶端的永久磁钢上方。实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行.本实验仪需防尘,以保证实验接触良好，仪器正常工作温度0℃～40℃。第二章SAC—JGK03过程控制实验装置使用说明第一节SAC-JGK03过程控制实验装置系统组成目前国内的各大院校的过程控制实验装置大多是自己研制的，它们结构较为简单，仅能进行简单的实验,已经远远满足不了现代教育的要求。国内厂家生产的一些实验装置档次和价格都较高且难于讲解使用,还有一些结构过于简单，虽然价格较低,但使用功能较少。我们在广泛研究市场的基础上,巧妙灵活的设计了一种价格适中，功能齐全，适应现代教学的实验台。它不但涵盖了大学本科过程控制方面的实验内容,方便学生动手实验,同时也可用于硕研和博研的各种实验.其中有些设计在同类装置中属于首创,已申请专利.一、系统组成SAC—JGK03型过程控制实验装置包括被控对象和控制桌两部分。被控对象由执行器、变送器、上下水槽、水箱、纯滞后和管路有机地组成;控制桌装有控制器、数显表、液晶显示器等,控制器通过通讯电缆与上位机通讯。被控对象的变送器信号和执行器的供电分别通过屏蔽电缆线与控制桌连接的。示意图如下：被控对象被控对象变送器信号控制桌上位机屏蔽电缆通讯电缆屏蔽电缆以上为系统的示意图.变送器信号包括2个液位变送器、2个流量变送器、1个温度变送器和1个压力变送器，这6个变送器均输出4—20mA标准信号；数显表一共6块,分别对6个变送器来的电流信号进行数值的实时显示；控制器包括PLC主机和3个扩展模块,实现对被控对象中变送器信号的采集和输出控制信号；纯滞后装置是用20M长的水管盘旋围绕而成，完成流量的纯滞后控制；执行器包括2台变频器、2台水泵、1个电动调节阀和1个加热器。具体见下面说明:被控对象：两水槽液位、水槽2的温度、电机2出水压力、水泵1和水泵2出水流量。检测装置:两个液位变送器,一个压力变送器和一个温度变送器，两个电远传玻璃转子流量计。执行机构：一个电动调节阀,两个变频器及两台水泵,一个固态继电器（控制加热器用）。控制系统：西门子小型PLC（S7-200CPU224主机、模拟量输入模块EM231、模拟量输入输出模块EM235和模拟量输出模块EM2321，一条编程通讯电缆），四个典型控制参数（液位、流量、压力、温度),可组成多种控制实验。上位机：采用组态王6.0（带看门狗），S7-200编程软件.二、系统特点1、设计巧妙，充分应用现有装置，实现多种实验本装置中有六个检测单元、三个执行机构和六个控制回路，可以方便的组合成多种控制实验，可通过计算机（用组态王软件定义的各种变量与PLC通讯）对系统进行监控。特别是本实验装置可组成耦合程度可调的双输入双输出控制系统，通过调节截止阀的开度来调节耦合程度。2、充分模拟工业控制现场,实验效果很好为了更好的模拟工业现场，本实验装置采用两台水泵，在单输入单输出控制回路中一台水泵供水,另一台水泵可通过变频器调节转速而产生有规律或无规律波动的干扰量.3、实验操作简单、直观人机界面良好，计算机用立体画面显示被控对象的流程、实时趋势曲线和数据报表等.控制桌上装有变频器BOP面板,六个智能显示仪表，PLC控制单元和液晶显示器。实验者可以在面板上直接看到各参数变化情况，实验操作也更直观.4、可组成非线性系统本实验装置有四个水槽，分上下两组,上面一组水槽有三个,互相通过手调阀连接,其中的两个水槽横截面积随高度而变化（其中的一个上粗下细,另一个下粗上细）。这样可组成两组线性/非线性的液位控制系统，而且可以在控制过程中改变水槽之间的连接状态来改变被控对象的模型，可进行非线性系统的控制，也检验控制算法的鲁棒性；下面一个水槽的后面装着流量纯滞后装置，可实现流量的纯滞后控制。5、实验装置正面上下两个水槽的正面装有玻璃挡板，学生可直接观测系统的进水和出水情况。具体工艺流程，请参看“SAC-JGK03过程控制实验装置”工艺流程说明"一节。第二节SAC—JGK03过程控制实验装置工艺流程说明一、工艺流程上一节已经对装置做了简单的介绍，这一节将着重介绍装置的工作情况，请参考下图:水箱水箱FT/01水槽1水槽2FT/02纯滞后阀1阀4阀2LT/01阀8阀7~220阀10阀12水泵2水泵1阀9阀11水泵1PT/01LT/02阀3阀5阀6被控对象示意图压力表1压力表2 注:*带箭头的粗线表示实验时水流方向。*“阀?”表示的是手动阀,也就是普通的球阀，其标号只为说明方便。水泵1从水箱中抽水，经过电动阀、流量计1、阀1和阀7分别给水槽1和水槽2供水；水泵2也从水箱中抽水，通过阀12、流量计2、阀2和阀8分别给水槽1和水槽2供水。水槽1通过阀6可自己走水，水槽2也可通过阀10自己走水，水槽1和水槽2通过阀5连接。水槽1通过阀3和阀4各连接了一个非线性部分,其中左侧的下细上粗，右侧的下粗上细，通过调节阀3和阀4的开度，可实现液位的非线性控制。实际制作时，我们将这两部分非线性合在了一起做成一个水槽，其大小形状和水槽1一样,只是在里面加了一个倾斜的挡板。水槽2的后面安装了纯滞后装置串联在流量计1的下面，当手调阀9关闭时,水泵1的出水经过纯滞后和流量计给水槽供水.水槽1通过阀3和阀4各连接了一个非线性部分，其中左侧的下细上粗，右侧的下粗上细，通过调节阀3和阀4的开度，可实现液位的非线性控制。实际制作时，我们将这两部分非线性和在了一起做成一个水槽，其大小形状和水槽1一样,只是在里面加了一个倾斜的挡板.水槽2的后面安装了纯滞后装置串联在流量计1的下面，当手调阀9关闭时,水泵1的出水经过纯滞后和流量计给水槽供水.两个水泵由控制桌（上节中一提过）上的两个变频器分别控制，控制器中的EM232的两个模拟输出（0—10V）分别控制两台变频器；电动阀由控制器中EM235的模拟输出(4-20mA）控制；加热器采用PWM控制（PLC主机的Q0。1）.变送器安装如下：水槽1装有一个液位变送器（LT/01），水槽2装有一个温度变送器（TT/01)和一个液位变送器（LT/02）,水泵2出水口处装有一个压力变送器（PT/01）和一个流量变送器（FT/02），水泵1出水口处装有一个流量变送器（FT/01)。这些信号通过屏蔽电缆被送到数显表和模拟量输入模块中（EM235和EM231),原理图如下：数显表AI模块数显表AI模块变送器24V+24V-+-注:*本装置使用的数显表模拟量输入口带有24V电源输出＊24V电源给变送器供电,AI模块和数显表采集的是变送器输出的电流信号IN+OUT+固态继电器IN+OUT+固态继电器IN-OUT-加热器~220VQ0.1M本节最后，我们为您提供详细的电气原理图二、技术规格1、技术条件供电电源：单相三线220VAC±5％，50Hz功耗：未加热时最大1KW，加热时最大2.5KW环境温度:0℃～+50℃相对湿度：95％无结露大气压：86～106KPa工艺介质：水环境空气:不含腐蚀性气体被控对象尺寸：1100×600×1890(长＊宽*高)控制桌尺寸:890×590×1600（长*宽＊高）2、输入规格:热电阻Pt100：0~100℃对应电流信号4～20mA（精度±0。5％）液位变送器:0～400mmH2O对应电流信号4～20mA(精度±0.5％）压力变送器:0～0.06MPa对应电流信号4～20mA（精度±0。5％）流量变送器:100～1000L/H对应电流信号4～20mA（精度±1。5%）3、输出规格电动调节阀：电流输入4～20mA对应于阀开度0～100（死区≤±1。0％）变频器：0～50Hz对应于水泵转速0～3000r/min4、接线要求被控对象与控制桌之间由航空插头对应连接即可。上位机按计算机系统要求接好电源即可。被控对象供电时必须接地，220VAC的L，N相要接对.附录：电气原理图电气原理图—强电电气原理图—弱电第三节SAC—JGK03过程控制实验装置上位机操作说明本套实验装置的上位机画面，我公司采用组态王6。0，总图如下：在上位机画面中,有流程图、实时趋势曲线、参数设定、数据报表、历史趋势曲线、回路选择、实时趋势曲线2几种画面，还设有打印功能（通过点击按钮选择)。下面分别对各个画面做详细介绍，进入组态王运行环境后，出现的就是上图,点击“回路选择”按钮后，出现下图：“回路选择”画面的功能就是选择要做的某个实验，每个实验都对应一个选择点,选中某个实验后，点击右侧的“确定按钮，系统就自动弹出此实验的流程图。根据提供的流程图，熟悉此实验的原理和流程。了解了此实验的原理和流程后，再点击"参数设定“画面,如下图“参数设定"画面的作用是设定PID参数值、设定值、正反作用、和手动控制器的值、采样时间等。下面对“参数设定”画面中的一些符号进行说明:调节PID参数说明：1001Mn=*en+＊en+MX+TD＊en–en—1PTI注：*在上式中100/P=KC，1/TI=KI，TD=KD其中KC,KI,KD相当于通常的PID参数。因此，上位机“参数设定”画面中，P值越大,比例作用越弱；TI值越大，积分作用越弱，TD值越大，微分作用越强。*各参数范围:P：1~99999；TI：1～99999;TD：0～99999符号说明：ACT:正反作用，N为负反馈（默认)，P为正反馈。AM：手自动，A为自动，M为手动,Ｃ为串级位。MV:执行器的输出，范围为0至100。手动时可直接写数值,自动时显示PID输出值PV：测量值SV：设定值TS：采样周期,每5秒采样一次。各回路参数范围：LT01、PV=LT01、SV：0~400（单位为毫米）LT02、PV=LT02、SV：0～400(单位为毫米)PT01、PV=PT01、SV：0~600(对应0~0.06MPa)TT01、PV=TT01、SV:0～100（单位为摄氏度）FT01、PV=FT01、SV：100～1000（单位为L/h)FT02、PV=FT02、SV：100～1000(单位为L/h）MV：0~100（对应变频器是0～50Hz或电动阀0～100开度）注：*手动调节时,每个回路的SV值跟踪PV值，实现手动到自动切换的无扰动自动手动自动手动手动时SV不跟踪PVPVSVPVSSSV跟踪PVSVSV跟踪PVSV手动自动手动时SV跟踪PVPV经过对以上两幅图的比较可以看出，带有无扰动的曲线看上去更加直观.“实时趋势曲线”的功能就是对被控对象上的6个参数进行上位机的实时曲线显示。实时趋势曲线共有2个画面，每个画面包括4个显示控件，其中一个画面的4个控件分别显示液位1、液位2、流量1和流量2,另一个显示液位1、液位2、压力和温度.下面是其中一个画面：每个控件显示一个被控量的PV值、SV值和MV值.控件的横坐标是时间；纵坐标是PV值、SV值和MV值的百分比，而且用不同的颜色表示：PV用红色线表示，SV用绿色线表示，MV用蓝色线表示。画面左上角有一个PV值显示,分别显示此画面中4个量的PV值。“实时趋势曲线”中的每个控件只有在显示后才能开始记录数据，所以，在准备做实验前，请先点击“实时趋势曲线1、2”。“历史趋势曲线”的主要功能是可读取历史曲线（最长8天）.历史趋势曲线不但能进行被控对象上6个参数PV值的实时显示，还可以对过去时间控制过的量的PV值进行读取。“历史趋势曲线”见下图:“数据报表”的功能是对某段时间内的6个被控参数的PV值、SV值以及PID设定值进行读取，读取的时间间隔可任意设定.数据报表是一定时间内,按照一定的时间间隔对被控量有关参数的数值显示。记录好了相关参数，再结合历史趋势曲线.就可对做过的某个或多个实验进行合理的分析。“数据报表”画面见下图：第四节SAC-JGK03过程控制实验装置系统维护装置每年应进行一次计量检定,如果仪表误差超出范围，通常都是环境及振动冲击所导致,可对仪表校验来解决问题。装置可提供产品出厂日起6个月的免费维修，如果是用户使用不当造成的损坏,或已超过保修期，则适当收取维修费用。第三章传感器与检测技术实验实验一应变传感器的性能研究一、实验类型：验证性实验。二、实验目的1.观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。2.测试应变梁变形的应变输出。3.验证单臂、半桥、全桥测量电桥的输出关系，比较不同桥路的功能.三、实验内容1。设计并实现应变传感器的测试桥路.2.测量单臂、半桥、全桥测量电桥的输出,记录数据、绘制关系曲线,并分析之。四、实验原理1。本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示.电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零,在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时,；当二个应变片组成差动状态工作，则有;用四个应变片组成二个差动对工作,且R1=R2=R3=R4=R，.由此可知,单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。2。已知单臂、半桥和全桥的分别为ΔR/R、2ΔR/R、4ΔR/R。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于，电桥灵敏度,于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。由此可知,当E和电阻相对变化一定时,电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关.五、实验要求熟悉CSY系统传感器实验系统。能自行设计实现应变式传感器的测量桥路。掌握应变式传感器的各种测量电路的性能。六、实验仪器设备直流稳压电源、差动放大器、电桥、应变式传感器（电阻应变片)、电压表.七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后,方可进入实验室进行实验.八、实验步骤1。设定旋钮的初始位置:直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大。2。将差动放大器调零。方法:用实验线将差放的正负输入端与地端连接在一起，增益设置在最大位置，然后将输出端接到电压表的输入插口，打开主、副电源，调整差放的调零旋钮使表头指示为0。3.根据图1-1的电路结构，利用电桥单元上的接线插孔和调零网络连接好测量线路（差动放大器接成同相或反相均可）.图中R4为工作应变片，WD为可调电位器，r为调平衡电阻.电源由直流稳压电源提供.图1—图1—14.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，使表头指零(需预热几分钟表头才能稳定下来）。5。旋动测为头、带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下输出电压为零。向上和向下移动各5mm,测微头每移动0。5mm，记录一个差动放大器输出电压值，将测得数值填入下表：位移X(mm）电压V（mV）6.保持放大器增益不变,将R3换为与R4工作状态相反的另一应变片,形成半桥，调整电桥平衡电位器，使表头指零。然后重复第5步操作，同样测出读数，填入下表：位移X（mm)电压V(mV)7.保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个电阻换成另两片工作片，接成一个直流全桥，通过电桥平衡电位器调好零点。重复第5步操作，将读出数据填入下表:位移X（mm)电压V（mV）8.在同一坐标纸上描出W-V曲线，比较三种接法的灵敏度.九、实验报告要求1。按表格要求记录实验数据，并进行数据处理,绘制关系曲线。2。根据实验数据处理结果和关系曲线，对传感器的性能进行分析。十、思考题1。根据实际测试的数据与理论上推导的公式相比较，结论如何？2。对桥路测量线路有何特别的要求?为什么？注意事项：(1）在更换应变片时应将电源关闭，以免损坏应变片。（2）在实验过程中如果发现电压表发生过载,应将量程扩大或将差放增益减小。(3)直流稳压电源不能打的过大，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应变片的工作状态方向，保证R1与R3工作状态相同，R2与R4工作状态相同.（5）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。实验二差动变压器性能测试一、实验类型：验证性实验.二、实验目的1。了解差动变压器的原理及工作情况.2.通过实验验证差动变压器的基本特性。3。了解如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿。三、实验内容1。从音频振荡器输出频率信号送给差动变压器,用示波器读出次级输出电压。2.设计减少零残电压的电路并实现。2。绘制关系曲线，并分析结果。四、实验原理差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反向串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。其原理及输出特性见图2—1.图2-1图2-1零残电压中主要包含两种波形成分：1.基波分量.这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。2.高次谐波。主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起,由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响,是激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。减少零残电压的办法有：=1\*GB2⑴从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。=2\＊GB2⑵采用相敏检波电路。=3\*GB2⑶选用补偿电路.五、实验要求熟悉CSY系统传感器实验系统.建立差动变压器性能测试电路，零残电压补偿电路,记录数据，绘制相关曲线,并分析之。六、实验仪器设备差动变压器、音频振荡器、测微头、示波器、电桥、差动放大器。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验.八、实验步骤1。设定有关旋钮初始位置:音频振荡器4KHz,双线示波器第一通道灵敏度500mV/cm，第二通道灵敏度20mV/cm，触发选择打到第一通道。2。按图1接线，音频振荡器必须从LV接出。3。调整音频振荡器幅度旋钮，使音频LV信号输入到初级线圈的电压为2Vp-p。4。旋动测微头，从示波器上读出次级输出电压Vp-p值填入下表:位移mm电压mV读出过程中应注意初、次级波形的相位关系：当铁芯从上至下时，相位由________相变为________相。5.仔细调节测微头使次级的差动输出电压为最小,必要时应将通道二的灵敏度打到较高档，如0。2V/cm,这个最小电压叫做，可以看出它与输入电压的相位差约为__________，因此是__________正交分量.6。根据所得结果，画出(Vop-p－X）曲线，指出线线工作范围,求出灵敏度:九、实验报告要求1。记录差动变压器位移值和次级线圈输出的电压值,绘制关系曲线，并分析之.2。分析零残电压的产生原因及补偿办法，分析补偿效果产生的原因？十、思考题如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？注意事项：（1）差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口(LV插口）输出。（2)差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式(即同名端相连。这可通过信号相位有否变化判别之)。（3）差动变压器与示波器的连线应尽量短一些，以免引入干扰。实验三电容式传感器性能测试一、实验类型：验证性实验。二、实验目的掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。三、实验内容建立电容式传感器性能测试电路,并移动电容动片，记录差动电容检测电路输出的电压值。作出关系曲线，并分析之。四、实验原理电容式传感器有多种形式,本仪器中是差动变面积式.传感器由两组定片和一组动片组成.当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为，下层定片与动片形成的电容定为，当将和接入电桥作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。五、实验要求了解差动变面积式电容传感器的原理及特性。六、实验仪器设备电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、测微仪。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后,方可进入实验室进行实验。八、实验步骤1。按图3—1接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。图3—图3—12.装上测微仪，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出为零.3.以此为起点,向上和向下位移动片，每次0。5mm,直至动片与一组静片全部重合为止。记录数据，并作出V-X曲线,求得灵敏度。X(mm)V(mV）X(mm)V(mV）4。低频振荡器输出接“激振=1\＊ROMANI”端,移开测微头,适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。5。断开测微头，断开电压表,接通激振器，用示波器观察输出波形。九、实验报告要求1.记录电容动片上下移动时电压表的读数，并作出V-X曲线2.根据实验数据和曲线进行结果分析.十、思考题分析示波器输出曲线的产生原因。注意事项1.电容动片与两定片之间的距离必须相等,必要时可稍作调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。2.如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。3.由于悬臂梁弹性恢复滞后,虽然测微仪回到开始刻度，但差放输出电压并不回零，此时可反方向旋动测微仪,使输出电压过零后再回到初始位置,反复几次,差放电压即到零，然后进行负方向实验。实验四霍尔式传感器与应用一、实验类型：验证性实验。二、实验目的了解霍尔式传感器的结构、工作原理、工作特性；学会用霍尔传感器做静态位移测试.三、实验内容建立霍尔式传感器性能测试电路，使霍尔元件位于梯度磁场中,进行上下移动，记录测试电路输出电压,并求出灵敏度及线性。四、实验原理霍尔传感器是由两个半圆形永久磁钢组成梯度磁场，位于梯度磁场中的霍尔元件—-霍尔片通过底座连结在振动台上。当霍尔片通以恒定的电流时，霍尔元件就有电压输出,改变振动台的位置，霍尔片就在梯度磁场中上,下移动，输出的霍尔电势V值取决于其在磁场中的位移量Y．所以由霍尔电势的大小便可获得振动台的静位移。图4-1图4-1五、实验要求熟悉霍尔传感器的性能，搭建测试电路，并对结果进行分析。六、实验仪器设备霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、电压表、直流稳压表、测微头。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的,须持实验预习报告后,方可进入实验室进行实验。八、实验步骤1.设定旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置2V档，直流稳压电源置2V档（注意：激励电压必须≤±2V，否则霍尔片易损坏！）。2.开启电源，按实验一的方法对差动放大器调零。3.WD、r为直流平衡网络中的电桥单元,如图4-1所示.接好线路,差动增益适中。4.装好测微头。即将测微头与振动台面连在一起。5。调整WD使电压表指示为零。6。上下旋动测微头,记下电压表的读数,建议每0。5mm读一个数，上下各移动X（mm)V(mv）X（mm）V（mv)作出V－X曲线指出线性范围,求出灵敏度。可见，本实验测出的实际上是磁场的分布情况，它的线性越好，位移测量的线性度也越好，它们的变化越陡，位移测量的灵敏度也就越大。九、实验报告要求记录实验数据，绘制关系曲线，分析结果。十、思考题霍尔传感器在应用中要注意哪些问题?注意事项：（1）由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。（2）一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。（3）激励电压不能增大，以免损坏霍尔片（±4V就有可能损坏霍尔片)。实验五温度传感器的性能及应用一、实验类型:验证性实验。二、实验目的1.观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表.2.了解NTC热敏电阻的温度效应。三、实验内容1.热电偶测温特性测试，记录实验数据,并分析之。2.NTC热敏电阻的特性测试，记录实验数据，并分析之。四、实验原理1.热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。通过测量此电动势即可知道两端温差。如果固定某一端温度（一般固定冷端为室温为0℃），则另一端的温度就可知，从而实验温度的测量。本仪器中热电偶为铜―康铜热电偶。2。应用半导体材料制成的热敏电阻具有灵明度高，可以应用于各领域的优点,热电偶一般测高温线性较好,热敏电阻则用于200℃一下温度较为方便，本实验所用热敏电阻为负温度系数热敏电阻。温度变化时热敏电阻组织的变化导致运方组成的变换电路的输出电压发生相应变化。五、实验要求根据理论课学习的内容，了解热电偶和NTC热敏电阻的测温原理，设计一个测量温度特性的实验方案。记录实验数据,绘制关系曲线,并分析之。六、实验仪器设备热电偶、加热器、差动放大器、热敏电阻、直流稳压电源、电压表，温度计（自备)等。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告。在进行具体实验操作前先拟定实验方案，经实验指导教师审核通过后方能进入实验室操作。八、实验步骤一、热电偶性能测试1。使差动放大器双端输入接入热电偶,打开电源，差动放大器增益放100倍，调节调零电位器,使差放增益为零.2.打开加热器，差动放大器输出如有微小变化，马上调节调零电位器再度调零。3。随加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时，记录电压表读数.4.本仪器上热电偶是由两只铜—康铜热电偶串接而成（CSY10B型实验仪为一只K分度热电偶）,热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍,计算热电势时均应考虑进去.用温度计读出热电偶参考端所处的室温.二、热敏式温度传感器测试1。观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻,将热敏电阻接入温度变换器Rt端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出Vo端电压值尽可能大但不饱和.用温度计测出环境温度To并记录。2.将半导体点温计探头放入应变梁之间的电热器上，打开加热器，观察点温计的温升和温度变换器Vo端的输出电压的变化情况，每升温1℃记录一下电压值，待电压稳定后记下最终温度T.To（℃）Vo（V）根据表中数据作出V-T曲线,求出灵敏度S（S=ΔV/ΔT）。九、实验报告要求1.写出实验原理、实验步骤，画出实验电路图。2。对实验结果进行列表统计、分析、计算,画出其温度－电压曲线。3.根据实验结果推出热电偶和NTC型热敏电阻的温度特性结论。十、思考题1.分析热电偶测量温度是为什么要进行冷端补偿？2。什么情况下使用热电偶和热敏电阻测量温度？3。目前有哪些相关的产品？市场售价情况如何？实验六应变测试系统的温度效应与补偿一、实验类型：设计型实验。二、实验目的1.说明温度变化对测试系统的影响。2。由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。三、实验内容1.建立应变式传感器的测量电路，并实现之。2.针对温度变化的情况求出温度漂移值。3.设计补偿电路并实现，并对补偿的效果进行讨论和分析.四、实验原理1。温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。由此引起测试系统输出电压发生变化。2.用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种。电桥原来是平衡的，当温度变化时,电桥仍能满足平衡条件，无漂移电压输出。图6-1图6-1五、实验要求1.根据温度变化对应变式传感器的测量效果进行定量计算。2.设计出温度补偿电路，并对补偿的结果进行讨论。六、实验仪器设备直流稳压电源、电桥、差动放大器、电压表、测微头、加热器、温度计。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告。在进行具体实验操作前先拟定实验方案，经实验指导教师审核通过后方能进入实验室操作。八、实验报告要求1。写出实验步骤，画出实验电路图。2.对实验结果进行列表统计、分析、计算，求出温度漂移值.3。根据实验结果讨论补偿电路的补偿效果.九、思考题1.温度变化为什么会影响应变式传感器的测量效果？2.应变式传感器的温度补偿方法有多少种?实践中使用的补偿方法是哪种方法？实验七液位变送器性能测试一、实验类型:验证性实验。二、实验目的1。熟悉实验装置的流程、仪表和控制方案组成、以及控制软件的使用方法。2。掌握实验装置测量仪表与控制柜的二次仪表和PLC的信号连接，重点是信号线和电源线。3。掌握液位变送器的校验方法和现场测试方法，加深对液位变送器特性的理解。三、实验内容设计液位变送器性能测试方案，按设计方案连接信号和电源线路，检查无误后,按测试方案测试，对测试结果进行数据处理。四、实验原理MVMVPV控制器执行器检测对象变送器五、实验要求针对控制实验装置,设计液位变送器测试系统，进行现场测试.测试参数为所选择对象的液位。（注：对象可以任意选取)六、实验仪器设备1.检测对象：实验装置中的水槽1和水槽2。2。控制器：PLC。3。仪表：液位变送器，可辅助选取相关的检测仪表.4.执行器：电动调节阀，变频器及水泵等.5.附属设备：万用表、各种工具等。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告。在进行具体实验操作前先拟定实验方案,经实验指导教师审核通过后方能进入实验室操作。八、实验步骤1。根据实验装置工艺流程设计测试方案，根据被测对象量程确定检测点,原则上检测点应在零点和量程之间。（课外完成）2.设计液位变送器的测试方案。（课外完成）3.按设计方案连接信号和电源线路,检查无误后，按测试方案测试。4。对测试结果进行数据处理。5。写出实验报告。九、实验报告要求1.写出实验步骤，画出原理方框图和实验电路图。2。对实验结果进行列表统计、分析、计算，并画出测试曲线，求出线性度。3.根据实验结果讨论所测试变送器的性能。十、思考题1。测试方案说明,系统方框图和接线图。2。测试系统的供电电源和信号线连接有什么特点？3。什么情况下需要对液位变送器进行零点迁移？如何能够实现液位变送器的正负迁移？实验八压力变送器性能测试一、实验类型：验证性实验。二、实验目的1.掌握实验装置测量仪表与控制柜的二次仪表和PLC的信号连接，深刻理解两线制和四线制的优缺点。2。掌握压力变送器测试方法，加深对压力变送器特性的理解。3。通过实验和课外查资料，学习掌握各种压力变送器的使用方法。4。熟悉控制面板的电源设计方案，理解直流集中供电的思想三、实验内容设计压力变送器性能测试方案,按设计方案连接信号和电源线路，检查无误后,按测试方案测试,对测试结果进行数据处理。MV设计液位变送器性能测试方案，MV设计液位变送器性能测试方案，按设计方案连接信号和电源线路，检查无误后，按测试方案测试，对测试结果进行数据处理。PV控制器执行器检测对象变送器五、实验要求针对控制实验装置，设计压力变送器测试系统,进行现场测试.测试参数为流通管路的压力。六、实验仪器设备1.检测对象:实验装置中的管路压力。2。控制器：PLC。3.仪表:压力变送器。4。执行器:电动调节阀、变频器。5.附属设施：万用表、各种工具等.七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理,明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告。在进行具体实验操作前先拟定实验方案，经实验指导教师审核通过后方能进入实验室操作.八、实验步骤1.根据实验装置工艺流程设计测试方案，根据被测对象量程确定检测点,原则上检测点应在零点和量程之间。（课外完成）2.设计压力变送器的测试方案。（课外完成)3.按设计方案连接信号和电源线路,检查无误后，按测试方案测试。4。对测试结果进行数据处理。5。写出实验报告.九、实验报告要求1.写出实验步骤，画出原理方框图和实验电路图。2.对实验结果进行列表统计、分析、计算，并画出测试曲线，求出线性度。十、思考题1。整个测试系统信号传输过程中，标度变换如何进行的?2.运用课堂中所讲过的内容,初步对控制面板的仪表布局进行二次方案设计。（课外作业）实验九流量变送器性能测试一、实验类型：验证性实验。二、实验目的1。掌握流量变送器测试方法,加深对流量变送器特性的理解。；2。熟悉控制柜里面的信号线和电源线的布局和接线方法,指出不合理的地方,并提出改进方案3.能根据理论和实验的初步知识，对本实验装置提出新的和改进的控制方案.三、实验内容设计流量变送器性能测试方案,按设计方案连接信号和电源线路,检查无误后,按测试方案测试，对测试结果进行数据处理.四、实验原理MVMVPV控制器执行器检测对象变送器五、实验要求针对控制实验装置,设计流量变送器测试系统，进行现场测试.测试参数为实验装置中管路的出口流量。六、实验仪器设备1.检测对象：实验装置中的管路流量。2。控制器:PLC。3.仪表：流量变送器。4。执行器：电动调节阀、变频器。5。附属设施：万用表、各种工具等.。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告。在进行具体实验操作前先拟定实验方案，经实验指导教师审核通过后方能进入实验室操作。八、实验步骤1。根据实验装置工艺流程设计测试方案,根据被测对象量程确定检测点，原则上检测点应在零点和量程之间.（课外完成)2。设计流量变送器的测试方案.(课外完成)3.按设计方案连接信号和电源线路，检查无误后，按测试方案测试。4。对测试结果进行数据处理。5。写出实验报告。九、实验报告要求1。写出实验步骤，画出原理方框图和实验电路图。2.对实验结果进行列表统计、分析、计算，并画出测试曲线，求出线性度。十、思考题1。结合生产实习的知识，进一步理解控制柜的电源供电方式，控制柜内的仪表连线方式，以及接线端子线标的含义.第四章过程控制工程试验实验基本要求一．实验采取时间开放形式进行，学生可以在规定的时间范围内预约实验时间,并在预约的时间到实验室做实验，无故违约者视为旷课。二．实验之前一定要预习好实验内容，对设计性实验一定要设计好实验方案,实验步骤和实验数据记录表格等，并认真学习实验相关的课程知识，深刻理解实验目的,理解实验的意义。三．每次实验要提前至少5分钟到实验室,检查实验设备，做好实验准备。四．要遵守实验室的有关规定，在通电之前要请老师检查,确保正确无误时才可通电。实验过程中若发现过热、冒烟或异味等异常现象，应立即切断电源,并请指导老师检查处理.五．每次实验结束后，要认真填写实验登记本，指导老师要在实验结果上签字,确认实验数据的有效性,否则实验成绩无效.六．实验结束后,要整理好实验设备和实验台，搞好实验室卫生。七．实验课后，应及时总结实验结果，按时独立完成实验报告。八．实验四和实验五为选做实验,至少在其中选做一个。实验一被控过程建模一．实验类型:操作二．实验目的⒈掌握被控过程阶跃响应曲线建模方法。⒉熟悉过程控制实验装置。⒊掌握广义被控对象概念。三．实验内容针对过程控制实验装置,设计测试系统，测试。二阶水槽的数学模型参数，模型结构近似为一阶纯滞后环节。四．实验原理⒈过程控制实验装置流程图电动调节阀电动调节阀手调阀7手调阀6手调阀5手调阀2FT02LT02LT01水槽1水槽2水箱PT01FT01手调阀1手调阀4手调阀3变频器变频器泵泵⒉系统方框图MVMVPV控制器执行器被控对象变送器五．实验设备⒈被测对象:二阶水槽。⒉控制器：PLC。⒊仪表：液位变送器。⒋执行器：电动调节阀。⒌附属设施：变频器，水泵等。六．预习要求预习被控过程建模方法相关内容。七．实验步骤⒈根据实验装置工艺流程设计控制方案，确定测量点和控制点。(课外完成)⒉设计测试方案。（课外完成）⒊按设计方案连接线路，检查无误后，按测试方案测试.⒋对测试结果处理,用阶跃响应曲线法求取被控过程数学模型。八．实验报告要求⒈测试方案说明,系统方框图和接线图。⒉参数结果数据处理及相应过渡过程曲线.给出所测量的模型。九．思考题常用的建模