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实验传感器.docx

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实验传感器

实验一环形传送带工件计数综合实验

一、实验目的

通过本实验让学生掌握生产线输送带上对不同材质、不同颜色工件计数的常用方法与常用的各种传感器特点和应用方法。

二、实验原理

对生产线的输送带上流过的工件〔零部件或产品〕进行自动检测计数的主要是利用接近开关。

接近开关是一种毋需与运开工件进行机械接触的电子开关量传感器，当某物体与接近开关接近并到达一定距离时，不需要施加任何压力即可输出开关量信号从而驱动交流或直流电器〔如机电式计数器〕或给电脑装置提供控制指令。

它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。

目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为电感型、电容型、光电型、霍尔型等等。

图1所示为输送带上工件的自动计数原理框图。

图1检测实验台与输送带上工件的自动计数原理框图

对输送带上工件的颜色识别实验中是运用了真彩颜色传感器。

传感器有三个通道开关量输出并每个通道可预先标定设置工件的颜色；电脑经数据采集传感器每通道开关量信号就可识别输送带上工件的颜色。

图2为颜色识别实验原理框图。

图2工件颜色识别实验原理框图

三.实验仪器和设备

1.CSY－5000型传感器测控技术实训公共平台；

2.环形带综合测控实验台；

3.数据采集模板及测控软件（LabVIEW试用版）；

4.光电式〔GY10-W3-3F1〕、电容式〔CG8-S18-3F1〕、电感式〔LG-S18-3F1〕、涡流式〔BZF-2〕、磁电式〔RP6660CF-12A〕、超声波〔S18UUA〕传感器各一件；真彩颜色传感器〔QC50A3P6XDWQ〕一件；

5.不同材质〔非金属、铁磁性金属、非铁磁性金属〕、颜色〔红、绿、黄〕测试块共6件；

6.PC机及RS232通讯接口。

四．实验预习要求

1.掌握光电式、电容式、电感式、涡流式、磁电式、超声波传感器的工作原理及特点；

2.掌握真彩颜色传感器的工作原理和操作程序；

3.思考采用适当的传感器实现传送带上不同材质工件的计数方法；

4.熟悉CSY-5000型传感器测控技术实训平台的硬件配置。

五.实验步骤及内容

通过实验实现下述几种情况下传送带上工件的正确计数：

〔1〕所有材质工件的计数；〔2〕金属材质工件的计数〔铁磁性、非铁磁性工件分别计数〕；〔3〕不同颜色工件的计数。

实验步骤：

1、在关闭主机箱电源开关的前提下，选择适当的传感器正确安装接线。

接线例如如图3所示。

注意：

红外光电式、电感式、电容式、磁电式传感器输出为开关量，超声波、涡流式传感器输出为模拟量！

图3输送带上的工件计数实验安装接线示意图

2、仔细阅读颜色传感器说明书。

调节传感器的安装高度使传感器检测窗面与被测体〔工件〕端面相距15mm左右；传感器按图4示意图接线〔注意正、负极性〕。

3、标定颜色传感器：

需要在检测前对颜色传感器进行标定，将三种要区分的颜色存储在传感器中，标定步骤如下：

〔1〕按住并保持SET按键2S；

〔2〕液晶显示为SEL1，表示第一通道；〔切换通道，按SEL键〕

〔3〕将红色工件放置于颜色传感器端面相距15mm左右；

〔4〕按住并保持SET按键；等待出现Update更新成功标志；如未出现，则重复设置一次；还未成功，则可能因为工件与颜色传感器端面距离不合适，或者工件外表太光滑等原因造成，可通过调整距离，更换工件来实现。

图4工件颜色识别实验安装接线示意图

〔5〕再次按住并保持SET按键；等待出现RUN运行标志；可参考图5。

〔6〕其它通道设置仅有步骤〔2〕不同；可依次将第一通道设置为红色，第二通道设置为绿色，第三通道设置为黄色。

注意：

在传感器的使用过程中请注意探头和被测物体外表的清洁，根据光的吸收与反射定律，如果被测物体外表有污物，会影响光的反射，也就是影响测量结果。

图5颜色传感器设置示意图

4、将6只工件〔测试块〕均匀地分放在环形输送带上，调整接近开关前端面与被测工件的距离适当〔电容式传感器要求<2mm〕；

5、将主机箱0～12V可调电源〔可调电源旋钮逆时针方向轻转到底即起始电压最小〕与实验台电压表连接〔电压表量程设置在20V档〕，同时其输出与环形带综合测控实验台反面的电机输入口相应连接；数据采集模板通讯口与电脑RS232串口相连；

6、桌面“环形带综合测试软件”〔或者打开电脑上测试软件目录下“…”〕双击打开；电脑显示环形带综合测试软件界面如图6所示。

在界面采单栏下方栏点击

运行按钮进行数据采集模板与电脑通讯（软件界面中设置了连接超时，即如果在10秒内，硬件联通有问题，会提示超时，如超时，则请检查串口连接、数据采集模板电源连线是否正常；如果未显示超时，则软件已经与数据模板通讯成功），通讯正常后选择“开关量输入”。

顺时针缓慢调节主机箱中0～12V可调电源启动环形带电机转动〔用主机箱中的电压表监测0～12V可调电源，调节到4～5V〕并观察软件界面中各接近开关相应通道的计数值。

图6测试软件界面

7、观察各计数通道的计数值，验证理论计数与实验计数值是否一致。

如果理论计数与实验计数不一致，原因可能有：

1〕对应通道线路未连接正确；通道接线交叉错误；

2〕排除上述问题后，通道有计数但数值不对，则是传感器灵敏度调试存在问题；

8、实验正确无误后，记录试验结果；

9、实验完毕关闭所有电源。

六.实验报告要求

1.简述实验目的和原理。

2.拷贝实验系统运行界面〔“Ctrl+PrintScreen”〕，插入到Word格式的实验报告中〔“Ctrl+V”〕，保存实验界面结果。

3.保存实验数据

在图形上点击鼠标右键，选择“导出”，导出数据至Excel；在Excel表中全选（“Ctrl+A”）,拷贝（“Ctrl+C”）,插入到Word格式的实验报告中〔“Ctrl+V”〕，完成并上交实验报告。

七.思考题

1.简述电容式接近开关传感器的结构及工作原理，为什么它可以对任何材质的工件计数？

2.通过实验，请答复以下问题并说明原因：

在可选用的几种传感器中，哪些能实现所有材质工件计数？

哪些传感器能区分工件材质？

3.假设现有红色色块三种，仅色差有较大区别，比方橙红，黄红，紫红三种色块能否识别?

比方浅红，红色，深红三种色块能否识别？

为什么？

实验二直流电机转速测控实验

一、实验目的

1.掌握电机转速的测量原理；学会根据被测环境、对象不同选择合适的传感器测量转速；

2.掌握电机转速控制的原理；学会用电脑和传感器组成转速测控系统。

二、实验原理

图1所示为电脑直流电机转速测控系统原理图。

图1电脑测控直流电机转速原理框图

根据被测环境和对象选择不同转速传感器〔光电、霍尔、磁电〕实现直流电机转速的测量及控制。

三.实验仪器和设备

1.CSY－5000型传感器测控技术实训公共平台；

2.环形带综合测控实验台；

3.数据采集模板及测控软件（LabVIEW试用版）；

4.12V直流电机调节驱动挂箱；

5.光电式、霍尔式、磁电式转速传感器各一件；

6.PC机及RS232通讯接口。

四．实验预习要求

5.查阅资料，了解旋转轴转速测量的常用方法；

6.掌握采用光电式、霍尔式、磁电式传感器测量转速的原理及特点；

7.理解电脑测控直流电机转速的系统工作原理；

8.熟悉CSY-5000型传感器测控技术实训平台的硬件配置。

五.实验步骤及内容

第一部分：

转速测量

1、在关闭公共平台主机箱电源开关的前提下，连接数据采集模板电源线、RS232通讯线；

2、根据你选用的转速传感器，按转速传感器附录图1、图2、图3示意图安装接线；〔注意光电、霍尔传感器为+5V供电，磁电传感器为+15V供电〕

3、主机箱上0～12V可调电源与电压表〔电压表量程选择20V档〕及环形带综合测控实验台电机〔环形带综合测控实验台反面〕接口并接〔注意接口的相应极性〕；

4、检查接线无误后，首先将主机箱上0～12V可调旋钮逆时针方向缓慢调节到底〔起始输出电压最小〕；然后桌面“环形带综合测试软件”〔或者启动电脑中的测试软件目录“”〕，双击打开，显示图2环形带综合测试程序软件界面；再打开主机箱电源开关给测量系统供电。

图2环形带综合测试软件界面

5、在电脑的环形带综合测试程序软件界面采单栏下方栏点击

运行按钮，串口通讯正常后选择测试软件中“手动转速控制与测量”选项，软件界面显示为图3转速测量选择传感器类型界面；在界面下方选择“传感器类型”为现在做测量转速实验相对应的转速传感器。

6、顺时针缓慢调节主机箱0～12V可调电源启动环形带电机转动，软件界面显示为图3转速测量值及转速测量曲线图。

7、将主机箱上频率／转速表的按钮开关设置在频率档显示电机转动频率。

光电、霍尔转速传感器〔可以在转速档测量转速〕测量的转速u=频率表显示值×10〔转／分钟〕；磁电传感器测量的转速u=频率表显示值×2〔转／分钟〕。

图3转速测量选择传感器类型界面图

8、调节主机箱0～12V（△V=0.5V或1V）可调电源〔改变电机电枢电压，利用公共平台上的电压表读数〕，人工记录电压V对应的电机转速n，在直角坐标上作出电机转速特性曲线即V—n曲线。

9、利用电脑测定电机控制电压与转速间关系

点击“测定电压转速关系”按钮，按钮由灰绿色变为亮绿色；在测定这个关系曲线时，为了更准确测定转速，程序设置了在输出控制电压后延时5秒测定转速，需要耐心等待，试验曲线会自动生成；

10、实验完毕关闭电源。

第二部分直流电机转速控制

1、在关闭电源的前提下，按图4示意安装接线。

图4电脑控制电机转速安装接线示意图

2、检查接线（传动器引线标志；正、负极性等）无误后，打开主机箱的电源开关。

然后，桌面“环形带综合测试软件”〔或者打开电脑上测试软件目录下“…”〕双击打开；电脑显示环形带综合测试软件界面如图2。

在界面采单栏下方栏点击

运行按钮进行数据采集模板与电脑通讯（软件界面中设置了连接超时，即如果在10秒内，硬件联通有问题，会提示超时，如超时，则请检查串口连接、数据采集模板电源连线是否正常；如果未显示超时，则软件已经与数据模板通讯成功），通讯正常后可进行实验。

3、电脑自动控制（PID自动调节电机转速）：

在图3界面中选择“PID转速控制”选项，界面变成图5界面。

改变界面中左侧的设定转速值，观察转速调节过程（界面中控制曲线）；改变界面中下方的PID控制参数〔点击界面下方P、I、D输入框、进行修改〕，观察转速控制波形图，并注意观察控制输出电压曲线与设定转速、实际转速之间的关系；

本实验中P、I、D参数默认为经验值，实际上并不是最优的参数；可参考此默认值进行进一步的优化，以获得系统最正确的控制效果；再观察转速控制波形图，并注意观察控制输出电压曲线与设定转速、实际转速之间的关系；

图5电脑自动控制调节电机转速界面

4、实验完毕，关闭所有电源。

六.实验报告要求

1.简述实验目的和原理。

2.拷贝实验系统运行界面〔“Ctrl+PrintScreen”〕，插入到Word格式的实验报告中〔“Ctrl+V”〕，保存实验界面结果。

3.保存实验数据

七.思考题

1.比较磁电转速传感器、透射式光电转速传感器、霍尔转速传感器的应用差异和特点。

2.假设采用实验台提供的反射式光电传感器或涡流式传感器能实现转速测量吗？

试画出其测量原理图并简述测量原理。

3.简述直流电机PID控制的原理。

附录：

转速传感器及系统接线简介

一、透射型光电转速传感器

附图1是透射型光电传感器测转速的原理框图：

本透射型光电传感器（光电断续器也称光耦）的端部二内侧分别装有发光管和光电接收管，发光管发出的光源透过转盘上的通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动一周光通过6次，光电接收管输出6个脉冲，脉冲经放大整形处理由转速表显示转速ｎ=10f。

附图1透射型光电传感器测转速实验原理框图

附图2红外对射式光电传感器GK405测转速安装接线示意图

二、霍尔转速传感器

附图3是霍尔传感器测转速的原理框图：

当被测圆盘上嵌入6只磁体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器输出6个脉冲，经转速表显示转速n=10f或进行数据采集。

附图3霍尔传感器测转速原理框图

附图4霍尔传感器NJK-5001C测转速安装接线示意图

三、磁电转速传感器

附图5是磁电传感器测转速的原理框图：

当30个齿形转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生30次的变化，感应电势e通过放大、整形由转速表显示转速n=2f。

附图5磁电传感器测转速实验原理框图

附图6磁电传感器RP6660CY-12A测转速安装接线示意图

炉温测量与控制实验

一、实验目的

1〕了解热电阻Pt100、热电偶K型等测温元件的工作原理及应用。

2〕熟悉电脑控制的操作、参数的定义。

3〕掌握PID控制的P,I,D参数对控制过程的影响。

二、实验仪器和设备

1〕103B温度测控实验装置

2〕智能调节仪挂箱

3〕红黑大小头导线个2根

4〕装有MCGS软件电脑一台

5〕通讯线1根

三、实验原理

1、Pt100温度传感器时是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。

当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。

本实验主要利用可控硅调压模块改变加热器的加热功率，来改变温度源的温度，原理图：

温度特性实验原理图

2、本实验采用电脑PID控制进行温度PID闭环控制，即通过输入P、I、D参数，经过程序脚本运算输出加热比例OP,经过数据采集卡处理输出0至10V的控制信号对可控硅调压模块进行控制，从而控制加热功率以到达控制温度稳定的目的，原理图如下图。

温度控制原理图

实验时，可通过设置P、I、D三个参数来选择不同的控制过程〔如：

P调节、PI调节、PID调节〕寻找最正确的控制方案及参数。

PID控制的原理基于下面的公式：

输出式比例项、积分项和微分项的函数：

M〔t〕＝Kc*e+Kc∫edt＋Mintal＋Kc*de/dt

输出＝比例项＋积分项＋微分项

M〔t〕PID回路的输出，是时间函数

KcPID回路的增益

ePID回路的偏差

MintialPID回路输出的初始之值

四、实验电路

：

PT100温度控制实验接线图

热电偶温度控制实验接线图

2、将变送器接通24V电源,数据采集板±15V和+5V电源接上，打开总电源，然后打开加热开关。

3、仪表参数设置〔热电偶温度控制〕

dp=1

filt=10

At=0

Outh=200

Outl=0

Sn=K

OP-A=6

OP-B=1

其余参数取默认值或参见仪表说明书。

4、双击桌面-数据采集-图标，进入温度控制组态界面，点击

按钮，进入组态运行环境。

5、选择温度检测试验和温度测量介质。

6、分别将加热比例OP设置为30、40…100，观察并记录温度测量值的变化曲线。

7、进入温度PID控制实验，选择温度测量介质。

8、设置SV、Kc、Ti、Td参数，然后点击电脑控制。

100

200

100

9、更换不同的PID参数，并比较不同参数之间的图形，找到最正确参数。

10、实验完毕打开风机开关将温度降到室温，关闭电源，整理实验器材。

五、分析与讨论

1.将加热比例OP设置为30、40…100，观察并记录温度测量值的变化曲线。

2.更换不同的PID参数，并比较不同参数之间的图形，说明Kc、Ti、Td参数对控制系统的动态特性、静态特性性能影响

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