THSCCG-2实训指导书

1THSCCG-2型传感器检测技术实训装置简介一、概述“THSCCG-2型传感器检测技术实训装置”完全采用实用的传感器元部件，模块化设计。紧密结合现代传感器和检测技术的发展，使学员对传感器和检测技术的现状和未来有教为全面的了解和认识。不仅适合职业教育的检测技术、仪器仪表以及自动控制等专业的实训，而且也适用工业电气、机电一体化机电设备安装、电动电气等方面的技术人员培训。二、设备构成实训装置由主控台、传感器及信号处理实训模块、数据采集卡组成。1.实训台部分(1)四组直流稳压电源：+24V、±12V、+5V、0～5V可调，有短路保护功能(2)恒流源：0～20mA连续可调，最大输出电压12V(3)数字式直流电压表：量程0～20V，分为200mV、2V、20V三档、精度0.5级(4)数字式直流毫安表：量程0～20mA，三位半数字显示、精度0.5级，有内侧外测功能(5)频率/转速表：频率测量范围1～9999Hz，转速测量范围1～9999rpm(6)计时器：0～9999s，精确到0.1s(7)PID调节仪：多种输入输出规格，人工智能调节以及参数自整定功能，先进控制算法2.实训模块(1)温度传感器实训模块(2)转速传感器实训模块(3)液位/流量传感器实训模块：(4)金属应变传感器实训模块(5)气敏、湿敏传感器实训模块(6)红外传感器实训模块(7)超声位移传感器实训模块(8)增量式编码器实训模块(9)光栅位移传感器实训模块(10)传感信号调理/转换实训模块3.数据采集卡及软件高速USB数据采集卡：含4路模拟量输入，2路模拟量输出，8路开关量输入输出，14位A/D转换，A/D采样速度最大400kHz。上位机软件：本软件配合USB数据采集卡使用，实时采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，双通道虚拟示波器、虚拟函数信号发生器、脚本编辑器等功能。三、实训内容本装置的实训项目共23项，涉及压力、位移、温度、转速、浓度等常见物理量的检测。通过这些实训项目，使学生能够更全面的学习和掌握信号传感、信号处理、信号转换、的整个过程。2目录一、I/V、F/V信号转换二、数据采集卡A/D、D/A转换三、直流电机驱动四、金属应变传感器的应用―电子秤五、扩散硅压阻压力传感器液位测量六、涡轮流量计流量测定七、霍尔传感器转速测量八、磁电传感器转速测量九、光电传感器转速测量十、智能调节仪转速控制十一、集成温度传感器的温度测量十二、铜电阻温度测量十三、热电偶温度测量十四、热电偶冷端温度补偿十五、PID调节仪温度控制十六、酒精检测十七、湿度检测十八、红外检测十九、超声波位移测量二十、增量式光电编码器角位移测量二十一、长光栅线位移测量二十二、开关量检测3一I/V、F/V转换一、实训目的了解I/V、F/V信号转换的原理与应用。二、实训仪器信号转换模块、转动源三、相关原理在控制系统及测量设备中，对电流信号进行数字测量时，首先需将电流转换成电压，然后由数字电压表进行测量。有些传感器直接输出是脉冲信号，为了转化成国际电工委员会（IEC）使用的统一标准信号，需要对传感器输出的脉冲信号进行频率-电压转换。下图为用运放构成的I/V转换电路，转换范围为0～20mA和0～10V。图1-1I/V转换原理图F/V常用集成转换器件如LM331，其外部接线如下图，最高脉冲频率转换可到10kHz。图1-2F/V转换原理图四、实训内容与操作步骤1、打开实训台电源，将±15V直流稳压电源接入信号转换模块。2、在I/V转换的输入端输入0～20mA，用直流电压表测量输出的电压值，每隔2mA记录一次数据。3、调节转动源转速，将光电传感器输出的脉冲信号接到F/V转换的输入端，用频率/转速表的频率档测量脉冲信号频率，直流电压表测量输出的电压值，每隔20Hz记录一次数据。五、实训报告1．根据记录的数据，得出I/V，F/V转换的输入输出范围和转换精度。4二A/D与D/A转换一、实训目的1．通过实训了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二、实训仪器1．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)2．PC机1台(含上位机软件“THSRZ”)三、实训内容与操作步骤1．输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2．在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换。3.启动实训台的“电源总开关”，打开+5、±15V电源。将“稳压源0～5V”输出端连接到“数据采集接口单元“的“AD1”通道,同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；4、将“稳压源0～5V”的输出电压调节为1V；5.启动计算机，在桌面双击图标“THSRZ”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；6.点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始/停止”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V时应为0000001100011101(其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观AD转换器的转换结果，并与理论值(详见本实验附录)进行比较；7.根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个10进制或16进制数据，然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；8实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。四、附录1．数据采集卡本实训台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：1)支持USB1.1协议，真正实现即插即用2)400KHz14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10μs3)4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4)8k深度的FIFO保证数据的完整性5)8路开关量输入，8路开关量输出2.AD/DA转换原理数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10～10V对应为0～16383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)：5输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度011111111111111FFF16383正满度－1LSB011111111111101FFE16382中间值（零点）0000000000000000008192负满度+1LSB1000000000000120011负满度1000000000000020000而DA转换时的数据转换关系为：-5～5V对应为0～4095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为：输入D/A数据编码正满度111111111111正满度－1LSB111111111110中间值（零点）100000000000负满度+1LSB000000000001负满度0000000000003．编程实现测试信号的产生利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1)正弦信号)sin(tAy，2T2)方波TtTTtAy11003)斜坡信号TtTTtaty1100，a为常量4)抛物线信号TtTTtaty1120021，a为常量这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：dimtx,op,a‘初始化函数subInitialize(arg)‘初始化函数WriteData0,1‘对采集卡的输出端口DA1进行初始化tx=0‘对变量初始化6endsubsubTakeOneStep(arg)‘算法运行函数a=1op=0.5*a*tx*tx‘0.1为时间步长tx=tx+0.1ifop3then‘波形限幅tx=0endifWriteDataop,1‘数据从采集卡的DA1端口输出endsubsubFinalize(arg)‘退出函数WriteData0,1endsub通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。其它典型信号的编程请参考THSRZ上位机安装目录下的“VBS脚本程序\计算机控制技术”目录内参考示例程序。7三直流电机驱动一、实训目的了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。二、实训设备转动源、信号转换模块，0～5V直流稳压电源、频率转速表、直流电压表三、相关原理直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理：图3-1PWM的控制电路上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国SiliconGeneral公司生产的专用PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图57-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。图3-2SG3525内部结构8四、实训内容与操作步骤1、将实训台直流电源连接到信号转换实验模块2、打开实训台电源，0～5V直流稳压电源接入直流电机驱动电路得输入端，输出端接转动源2～24V输入。光电传感器输出接转速/频率表3、调节直流稳压电源，记录直流电机得启动电压，待电机转动平稳后记下电机转速对应的驱动电压，填入下表Vin(V)n(rpm)启动五、实训报告1、根据实验所得的数据，作Vin－n曲线9四金属应变传感器应用――电子秤一、实训目的：了解金属箔式应变片的应变效应，掌握电子秤的结构组成。二、实训仪器：实训台、应变传感器实验模块、托盘、砝码、万用表（自备）。三、相关原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。图4-1将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，组成全桥测量电路，如图4-2，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：Uo=KEε（4-1）图4-210四、实训内容与操作步骤1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图4-1。2．差动放大器调零，将差动放大电路输入端Ui短接并接地，调节Rw4，使差动放大电路输出Uo2为零。3．按图4-2接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。4．加托盘后电桥调零，将托盘加在应变传感器上，调节Rw1，使差动放大电路输出Uo2为零。5．将200g砝码全部加到托盘内，调节Rw2，使模块输出Uo2为0.2V（选择直流电压表2V档），将砝码全部移出，观察模块输出Uo2是否为零，如不为零重复步骤2、3、4、56．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下数显表值，填入下表4-1，在托盘内放一未知物（重量小于1kg），测出其重量。关闭电源。表4-1重量(g)电压(mV)五、实训报告根据记录表4-1的数据，计算电子秤的灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf3，11五扩散硅压力传感器液位测量一、实训目的1．了解扩散硅压力传感器测量液位的基本原理；2．学习扩散硅压力传感器特性与应用。二、实训仪器1．应变