传感器与检测技术及过程控制工程实验指导书.docx

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传感器与检测技术及过程控制工程实验指导书

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

2011年9月10日

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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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。

8.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。

9.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。

10.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。

实验说明

1.本实验对应的课程为检测技术与仪表实验；对应的专业为自动化；本实验是学生的专业基础课程，对于培养学生的接触实践起非常重要的作用。

本课程的实验教学目的是通过本课程的学习，使学生更好地掌握在自动控制系统中广泛使用的传感器、变送器和各类检测仪表，进一步加强学生独立分析、解决问题的能力，同时注意培养学生实事求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯，为今后工作打下良好的基础。

2.实验类别：

专业必修课

3.实验特点：

理论和实践紧密联系。

第一章CSY系列传感器系统实验仪的使用说明

CSY系列传感器系统实验仪式用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。

其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。

通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。

通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。

实验仪主要有实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。

图1-1CSY系列传感器系统实验仪

一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边一幅平行式悬臂梁，梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。

应变式：

平行梁上梁的上表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。

其中六片为金属箔式片（BHF-350）。

横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。

片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。

热电式（热电偶）：

串接工作的两个铜-康铜热电偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。

分度表见实验指导书。

热敏式：

上梁表面装有玻璃柱状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25℃时阻值为8～10K。

P-N结温度式：

根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的温度传感器，敏感面为顶端。

压电加速度式：

位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。

实验工作台右边是由装于机内的另一幅平行梁带动的圆盘式工作台。

圆盘周围一圈安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。

电感式（差动变压器）：

由初级线圈Li和两个次级线圈Lo绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体芯置于线圈中间，测量范围>10mm。

电容式：

由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围

3mm。

磁电式：

由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/m/s。

霍尔式：

半导体霍尔式置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围

3mm，直流激励电压

2V，交流激励信号

VP-P5V。

电涡流式：

多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>1mm。

光电式传感器装于电机侧旁。

扩散硅压力传感器与湿敏，气敏传感器可根据用户需要选装。

两幅平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振

”带动，左边平行式悬臂梁由“激振

”带动。

为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，工作时能获得高于环境温度30℃左右的升温。

以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。

实验工作台上还装有在左、右两边的支架上。

二、信号及显示部分：

位于仪器上部面板。

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端插口可提供用作电流放大器。

Vi端3.5mm耳机插座静合接点的正常接触是保证低频输出的条件，无低频信号输出，则可能是静合接点分开，如遇此情况可打开面板，调节Vi插口静合接点接触良好。

音频振荡器：

0.4KHz～10KHz输出连续可调，VP-P值20V，180o、0o为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。

直流稳压电源：

±15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1A。

±2V～±10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1A。

数字式电压/频率表：

位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度

50mV，频率显示5KHz～20KHz。

指针式直流毫伏表：

测量范围500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。

三、处理电路：

位于仪器下部面板

电桥：

用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。

R1、R2、R3为350Ω标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。

WD电位器中心插头串接口的防短路电阻，WA电位器中心抽头串接的为隔直电容。

差动放大器：

增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1-100倍。

光电变换器：

提供红外发射、接收、稳幅、交换，输出模拟信号电压与频率交换信号。

四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根反射）组成的光强行光纤传感器。

电容变换器：

由高频振荡器、放大和双T电桥组成。

移相器：

允许输入电压20VP-P，移相范围±40o（随频率有所变化）。

相敏检波器：

极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5VP-P，允许最大输入电压20VP-P。

电荷放大器：

电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。

电压放大器：

增益5倍的高阻放大器。

（仅CSY型实验仪配置）

涡流变换器：

变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。

温度变换器：

根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应的变换电路。

低通滤波器：

由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。

本实验台各种传感器的主要技术指标：

1、差动变压器量程：

≥5mm

2、电涡流位移传感器量程：

≥1mm

3、霍尔式传感器量程：

≥1mm

4、电容式传感器量程：

≥2mm

5、热电偶：

铜－康铜

6、热敏电阻　温度系数：

负　　25℃阻值：

10K

7、光纤传感器：

半圆分布、LED发光管

8、压阻式压力传感器量程：

10Kpa（差压）　供电：

≤6V

9、压电加速度计：

　安装共振频率：

≥10KHz　

10、应变式传感器：

箔式应变片阻值：

350欧

11、PN结温度传感器：

灵敏度约－2.1mV/℃

12、差动放大器：

放大倍数1～100倍可调

使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。

仪器下部面板左下角处的开光控制处理电路的±15V工作电源，进行实验时请勿关掉，为保证仪器正常工作，严禁±15V电源间的相互短路，建议平时将此两插口封住。

指针式毫伏表工作前须对地短路调零，去掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。

请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路作定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。

各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常：

1.应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。

各接线图两个节点间即为一实验接插线，接插线可多根叠插，为保证接触良好插入插空后请将插头稍许旋转。

2.半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。

3.热电偶，接入差动放大器，打开“加热”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，注意热敏电阻是负温度系数。

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“F0”端输出频率变化方波信号。

测频率变化时可参照“光纤传感器----转速测试”步骤进行。

10.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：

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：

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：

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

加热器的控制原理图

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/min

4、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：

1001

Mn=*en+*en+MX+TD*en–en-1

PTI

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

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。