CSY型传感器系统仪指南老外开源CNC控制器含原理图PCB.docx

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CSY型传感器系统仪指南老外开源CNC控制器含原理图PCB

检测与传感器技术

实验指导书

目录

第一章CSY传感器说明书

第二章实验指导

一、应变式电阻传感器：

单臂、半桥、全桥比较

二、差动面积式电容传感器的静态及动态特性

三、温度传感器设计

第三章附录

附录一、电路原理图

附录二、传感器安装示意图及面板示意图

第一章CSY传感器说明书

一、CSY传感器实验仪简介

实验仪主要由四部分组成：

传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。

传感器安装台部分：

装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，具体安装部位参看附录三。

备注：

CSY系列传感器实验仪的传感器具体配置根据需方的合同安装。

显示及激励源部分：

电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V－±10V档位调节）、F／V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。

实验主面板上传感器符号单元：

所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。

处理电路单元：

电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。

CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。

教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。

二、主要技术参数、性能及说明

<一>传感器安装台部分：

双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。

应变梁：

应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。

传感器：

1、差动变压器

量程:

≥5mm直流电阻：

5Ω－10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体.

2、电涡流位移传感器

量程:

≥1mm直流电阻：

1Ω－2Ω多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。

3、霍尔式传感器

量程:

±≥2mm直流电阻：

激励源端口：

800Ω－1.5KΩ输出端口：

300Ω－500Ω

日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。

4、热电偶

直流电阻：

10Ω左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。

5、电容式传感器

量程：

±≥2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。

6、热敏电阻

由半导体热敏电阻NTC：

温度系数为负，25℃时为10KΩ。

7、光纤传感器

由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。

红外线发射、接收、直流电阻：

500Ω－1.5kΩ2×60股丫形、半圆分布。

8、压阻式压力传感器

量程：

10Kpa（差压）供电：

≤6V直流电阻：

Vs+---Vs-：

350Ω－450ΩVo+---Vo-：

3KΩ－3.5KΩ

美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。

9、压电加速度计

PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。

谐振频率：

≥10KHZ，电荷灵敏度：

q≥20pc/g。

10、应变式传感器

箔式应变片阻值：

350Ω、应变系数：

2

11、PN结温度传感器：

利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。

灵敏度：

-2.1mV/℃。

12、磁电式传感器

0.21×1000直流电阻：

30Ω－40Ω由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：

0.5v/m/s

13、气敏传感器

MQ3：

酒精：

测量范围：

50－2000ppm。

14、湿敏电阻

高分子薄膜电阻型：

RH：

几兆Ω－几KΩ响应时间：

吸湿、脱湿小于10秒。

湿度系数：

0.5RH%/℃测量范围：

10％－95％工作温度：

0℃－50℃

〈二〉、信号及变换：

1、电桥：

用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。

2、差动放大器通频带0～10kHz可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。

3、电容变换器由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。

4、电压放大器增益约为5倍同相输入通频带0~10KHz

5、移相器允许最大输入电压10Vp-p移相范围≥±20º（5kHz时）

6、相敏检波器可检波电压频率0－10kHz允许最大输入电压10Vp-p

极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路

7、电荷放大器电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。

8、低通滤波器由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右

9、涡流变换器输出电压≥|8|V（探头离开被测物

变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件

10、光电变换座由红外发射、接收组成。

〈三〉、二套显示仪表

1、数字式电压/频率表：

3位半显示，电压范围0—2V、0—20V，频率范围3Hz—2KHz、10Hz—20KHz，灵敏度≥50mV。

2、指针式毫伏表：

85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。

〈四〉、二种振荡器

1、音频振荡器：

0.4KHz—10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，180°、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。

2、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端可提供用做电流放大器。

〈五〉、二套悬臂梁、测微头

双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。

〈六〉电加热器二组

电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。

〈七〉测速电机一组

由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。

〈八〉二组稳压电稳

直流±15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。

±2V—10V分五档输出，最大输出电流1.5A。

提供直流激励源。

〈九〉计算机联接与处理

数据采集卡：

十二位A/D转换，采样频率20—25000次/秒，采样速度可控制，分单次采样与连续采样。

标准RS-232接口，与计算机串行工作。

良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。

第二章实验指导

实验一应变式电阻传感器：

单臂、半桥、全桥比较

1、单臂

实验目的：

了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。



所需单元及部件：

直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。



旋钮初始位置：

直流稳压电源打倒±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。



实验步骤：

（1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。

上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。



（1）将差动放大器调零：

用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。

将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。

（2）根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。

R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，F／V表置20V档。

调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。

图１

（3）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。



（4）——往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。

建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：



位移（mm）

电压（mv）

（5）据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F／V表显示的电压相应变化）。

（6）实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。



注意事项：

（1）电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。

（3）为确保实验过程中输出指示不溢出，如指示溢出，适当减小差动放大增益，此时

差动放大器不必重调零。



（3）做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。



（4）电位器W1、W2，在有的型号仪器中标为RD、RA。



问题：

（1）本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？



（2）根据所给的差动放大器电路原理图，（见附录图一），分析其工作原理，说明它既能作差动放

大，又可作同相或反相放大器。



2、金属箔式应变片：

单臂、半桥、全桥比较

实验目的：

验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。



所需单元和部件：

直流稳压电源、差动放大器、电桥、F／V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。



有关旋钮的初始位置：

直流稳压电源打到±2V档，F／V表打到2V档，差动放大器增益打到最大。



实验步骤：

（1）按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。



（2）按图1接线，图中R4为工作片，r及W1为调平衡网络。



（3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），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W1，使表头显示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。



（4）旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源：

位移（mm）

电压（mv）

（5）保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：

位移（mm）

电压（mv）



（6）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成，R2换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。

接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使F／V表显示零。

重复（4）过程将读出数据填入下表：



（7）在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。



注意事项：



（1）在更换应变片时应将电源关闭。



（2）在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。



（3）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。



（4）直流稳压电源±4V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片子的工作状态方向。

（6）在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。



注意事项：



（1）在更换应变片时应将电源关闭。



（2）在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。



（3）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。



（4）直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。



（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。





实验二　差动变面积式电容传感的静态及动态特性

实验目的：

了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。

所需单元及部件：

电容传感器、电压放大器、低通滤波器、Ｆ／V表、激振器、示波器

有关旋钮的初始位置：

差动放大器增益旋钮置于中间，Ｆ／V表置于Ｖ表２Ｖ档，

实验步骤：

（1）按图２８接线。

图２８

（2）F／V表打到20V，调节测微头，使输出为零。

（3）转动测微头,每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。

X（mm）

V（mv）

退回测微头至初始位置。

并开始以相反方向旋动。

同上法，记下X（mm）及V（mv）值。

（4）计算系统灵敏度Ｓ。

Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ（式中ΔＶ为电压变化，ΔＸ为相应的梁端位移变化），并作出Ｖ－Ｘ关系曲线。

X（mm）

V（mv）

（5）卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。

温度传感器设计

一、实验目的：

了解热电偶、P-N结、热敏电阻的工作特性，测温原理及转换电路。

二、基本原理：

1热电偶测温原理：

两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。

通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶。

2晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。

例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降约2.1mV，利用这种特性可作成各种各样的PN结温度传感器。

它具有线形好，时间常数小（0.2~2秒），灵敏度高等优点，其不足之处是离散性大互换性较差。

3热敏电阻的温度系数有正有负，因此分为两类：

PTC热敏电阻（正温度系数）与NTC热敏电阻（负温度系数）。

一般NTC热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。

有些功率PTC也作为发热元件用。

PTC缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。

三、设计举例

温度-频率转换电路

上图是一个温度-频率转换电路。

该电路利用RC电路充放电过程的指数函数

和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性。

该转换器由温度-电压转换电路（A1，A2，A3）、RC充放电电路、电压比较A4和延时电路组成。

其改善热敏电阻RT的非线性原理如下：

温度-电压转换电路由热敏电阻RT和运算放大器A1～A3组成，产生一个与温度相对应的电压U+，加到比较器A4的正端。

运算放大器A1为差动放大器A2提供一个低电压

的输入的信号，其目的是减小热敏电阻自身发热所引起的误差。

A2输出再由反相放大器A３提高信号幅值。

该幅值为

RC电路（见A4反相输入端）中的电容C上充电电压为

该转换器是把RC电路充电过程中电容C上的电压UC与温度-电压转换电路的输出电压U+相比较，当RC>U+时，比较器的输出电压由正变负，此负跳变电压触发延时电路（T1，T2），使延时电路输出窄脉冲，驱动开关电路BG，为电容器C构成放电通路；当UC

当温度恒定时，输出一个将与该温度相对应的频率信号。

当温度改变时，U+改变，使比较器输出电压极性的改变推迟或提前，于是输出信号频率将相应地变化，从而实现温度到脉冲频率的变换，达到测量温度的目的。

下面讨论转换器的输出频率与被测温度的关系。

延时电路T1，T2由一块LM556组成，它们产生宽度为td1（td1=1.1R1C1）和td2（td2=1.1R2C2）的脉冲信号，且使td2<

上如图所示。

在t=0时，晶体管BG关断，比较器A4输出U0=+U1；当t=t1时，UC上升到超过U+，A4输出电压U0=-U1，根据式上式，且令Rf=RT0（温度T0时的电阻值），得到

在t=t1时，比较器A4输出的负跳变电压触发延时电路T1，产生td1=t2-t1的脉冲，在此脉冲的下降沿（t=t2时），触发延时电路T2，产生td2=t3-t2的窄脉冲，该脉冲使晶体管BG导通，使电容C短路，UC下降到零，并使A4输出由-U1变到+U1，开始一个新周期，待t3到来时，BG截止，电源通过R重新对C充电。

不难看出，A4输出方波的周期Tm为

Tm=t1+td1+td2

输出方波频率f为：

注意：

上式中的T是绝对温度，且

。

由于td2<

减小到零，则上式可简写为：

（5-31）

从该式可说明，输出频率与绝对温度T成正比。

所以，该电路，在

时输出是线性的。

即使

调不到零，也可使热敏电阻输出的非线性得到改善。

四、调试方法：

调试过程应分块、分步进行

1、电路装配完毕检查无误后，装入运放（先不装入555芯片），接通电源，测量运放的工作电压是否正常。

2、拿掉运放，装入555芯片，观察电路是否正常工作。

3、装入运放和555芯片联调。

五、主要技术指标及实验方法：

1、测量框图如下：

２、测试内容：

开启电烤箱，测量温度与频率的关系，填入下表

温度

频率（或电压）

a、测量线性度；

b、测量灵敏度；

c、测量重复性；

d、静态标定

六、设计任务：

1、设计温度-频率转换电路中未给定的电阻、电容值；

2、设计PCB图，制作电路板；

3、装配、调试，实现温度-频率线性转换。

给定主要器件：

热敏电阻、运算放大器、电阻、电容、电烤箱、温度计、电压表，频率计。

第三章附录