智能儀器及虛擬儀器儀表-實訓(xùn)報告

智能儀器及虛擬儀器儀表實訓(xùn)報告學(xué)院：專業(yè)班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)教師：起止日期：2013年10月7日～2012年11月15日目錄TOC\o"1-3"\h\u278871、實訓(xùn)目的2279052、實驗內(nèi)容 2150372.1傳感器系統(tǒng)仿真實驗2228872.1.1直流全橋的應(yīng)用――電子秤實驗 2206712.1.2熱電偶冷端溫度補償實驗 3286442.2環(huán)境監(jiān)測模塊 4177562.2.1熱電阻溫度傳感器-溫度測量 494562.2.2S1336硅光電池-光照強度測量 9154042.3多傳感器測距實驗?zāi)K 1147962.3.1電渦流傳感器靜態(tài)特性測距實驗 11163092.3.2電渦流傳感器距離測量試驗及誤差分析實驗 17221462.4傳感器開放電路實驗?zāi)K 21271072.4.1I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換 21219072.4.2光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量 25229063.實驗總結(jié) 293986參考文獻 301、實訓(xùn)目的通過本次實訓(xùn)要學(xué)習LabVIEW軟件，了解熱電阻傳感器、硅光電池傳感器等的工作原理，掌握各類傳感器的測量使用方法。對仿真軟件的運用有一定的了解，對各種模塊的原理和功能有比擬清晰的認識。并且利用機械結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器平臺構(gòu)建測試系統(tǒng)。實驗的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決實際問題的能力，從而掌握儀器測試技術(shù)手段，為將來從事技術(shù)工作和科學(xué)研究奠定扎實的根底。2、實驗內(nèi)容這次實訓(xùn)我們接觸了傳感器開放電路實驗?zāi)K、電渦流霍爾傳感器特性實驗、環(huán)境狀況監(jiān)測模塊、多傳感器特性實驗?zāi)K幾個方面的實驗，還有硅壓力檢測實驗，懸臂梁實驗?zāi)K等。以下是其中幾個實驗的詳細內(nèi)容。2.1傳感器系統(tǒng)仿真實驗2.1.1直流全橋的應(yīng)用――電子秤實驗〔1〕連接虛擬實驗?zāi)０迳系恼?5V電源導(dǎo)線?！?〕連接作圖工具兩端到Uo2輸出端口，并點擊作圖工具圖標，彈出作圖工具窗口?！?〕翻開圖中左上角的電源開關(guān)。〔4〕當15V電源和示波器導(dǎo)線連接正確后，在由X、Y軸構(gòu)成的作圖框中的Y軸上將出現(xiàn)一個紅色基準點?！?〕調(diào)節(jié)Rw3到某值，再調(diào)節(jié)Rw4將紅色的基準點調(diào)節(jié)到坐標軸原點位置，此時局部連線將自動完成?！?〕連接虛擬實驗?zāi)０迳系恼?V電源線，紅色基準點再次偏離原點，調(diào)節(jié)Rw1，將紅色零點調(diào)回原點位置。〔正確接線如下列圖所示〕?！?〕將虛擬實驗?zāi)０迳系捻来a逐個拖到托盤上，作圖框中將逐段輸出波形?！沧⒁猓杭僭O(shè)有導(dǎo)線未連，那么砝碼無法拖動，同時波形輸出后，電位器將不可再調(diào)節(jié)，如要調(diào)節(jié)，那么需重新做實驗〕?！?〕點擊作圖框中的“保存”，保存重量砝碼的輸出波形〔保存的波形為藍色〕，將托盤上的砝碼逐個放回原位?！?〕將未知重量的物體拖到托盤上，那么輸出一段〔紅色〕波形，比擬紅、藍兩輸出波形即可估計未知物體的重量，此為本實驗?zāi)康?。如下列圖：〔10〕如果對本次實驗不滿意，可點擊電源開關(guān)的“關(guān)”，那么所有的控件、按鈕恢復(fù)初始狀態(tài)，即可重新做實驗。〔11〕如果想結(jié)束本實驗，直接點擊關(guān)閉按鈕。2.1.2熱電偶冷端溫度補償實驗〔1〕連接虛擬實驗?zāi)０迳系恼?5V電源導(dǎo)線?！?〕連接作圖工具導(dǎo)線兩端到Uo2輸出端口，并點擊作圖工具圖標，彈出作圖工具窗口。〔3〕翻開圖中左上角的電源開關(guān)，翻開調(diào)節(jié)儀電源開關(guān)和溫度開關(guān)?！?〕調(diào)節(jié)Rw4旋鈕，將Y軸上的紅色基準點調(diào)零?！?〕連接+5V電壓和地線〔參照下列圖〕，調(diào)節(jié)Rw1旋鈕，再次將Y軸上的紅色基準點調(diào)零。〔6〕調(diào)節(jié)溫度顯示表的“+”，“-”按鈕，輸出波形，如下列圖：〔7〕如果對本次實驗不滿意，可點擊電源開關(guān)的“關(guān)”，那么所有的控件、按鈕恢復(fù)初始狀態(tài)，即可重新做實驗?！?〕如果想結(jié)束本實驗，直接點擊關(guān)閉按鈕。2.2環(huán)境監(jiān)測模塊熱電阻溫度傳感器-溫度測量一、實驗?zāi)康膶W(xué)習LabVIEW軟件；學(xué)習熱電阻傳感器的工作原理；掌握使用熱電阻傳感器進行溫度測量的方法；二、實驗原理物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增加，電阻增加的原因可用其導(dǎo)電機理說明。在金屬中參加導(dǎo)電的為自由電子，當溫度升高時，雖然自由電子數(shù)目根本不變(當溫度變化范圍不是很大時)，但是，每個自由電子的動能將增加，因此，在一定的電場作用下，要使這些雜亂無章的電子作定向運動就會遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻隨溫度的升高而增加，其變化關(guān)系可由下式表示：式中：Rt、R0分別為熱電阻在t℃和t0℃時的電阻值，α為熱電阻的電阻溫度系數(shù)(1／℃)。從上式可見，只要α保持不變(常數(shù))，那么金屬鉑電阻Rt將隨溫度線性地增加，如圖1-1所示：圖1-1鉑電阻阻值—溫度關(guān)系曲線其靈敏度系數(shù)K為：顯然，α越大，靈敏度K越大，純金屬的電阻溫度系數(shù)α為0.3％～0.6％／℃。但是，絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，α并不是一個常數(shù)，它隨著溫度的變化而變化，只能在一定的溫度范圍內(nèi)，把它近似看作一個常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體，α保持常數(shù)所對應(yīng)的溫度不相同，而且這個范圍均小于該導(dǎo)體能夠工作的溫度范圍。根據(jù)熱電阻效應(yīng)制成的傳感器叫熱電阻傳感器，簡稱熱電阻。熱電阻按電阻—溫度特性不同，可分為金屬熱電阻(一般稱熱電阻)和半導(dǎo)體熱電阻(一般稱熱敏電阻)兩大類。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，實驗所用溫度傳感器屬于鉑熱電阻傳感器。鉑的物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)(1200℃以下)均可保持上述特性。電阻率較高，易于提純，復(fù)制性好，易加工，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔。其缺點是：電阻溫度系數(shù)較小，在復(fù)原性介質(zhì)中工作易變脆，價格昂貴。由于鉑有一系列突出優(yōu)點，是目前制造熱電阻的最好材料。在1968年國際實用溫標(IPTS-68)中，規(guī)定在－295.34～630.74℃溫度范圍內(nèi)，以鉑熱電阻作為標準儀器，傳遞從13.81K到903.89K溫度范圍內(nèi)國際實用溫標。它的長時間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達10-4K，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。鉑熱電阻與溫度之間的關(guān)系近似線性關(guān)系。在-200℃≤t≤0℃時可用下式：在0℃≤t≤850℃時可用下式：式中：Rt——溫度為t℃時鉑熱電阻的電阻值；R0——溫度為t0℃時鉑熱電阻的電阻值；A、B、C——由實驗確定的常數(shù)，它們的數(shù)值分別為：A＝3.96847×10-3℃-1，B=5.847×10-7℃-2，C＝4.22×10-12℃-4。在實際工程應(yīng)用當中，可以把鉑熱電阻與溫度之間的關(guān)系看成線性關(guān)系。本實驗使用熱電阻傳感器的所處溫度〔度〕與其電阻值〔歐〕間的關(guān)系如下表所示：溫度-200-150-100-50010203040電阻值18.5239.7260.2680.31100103.9107.79111.67115.54溫度5075100125150200250300電阻值119.40128.99138.51147.95157.33175.86194.10212.05溫度350400450500600700800850電阻值229.72247.09264.18280.98313.71345.28375.70390.48三、實驗儀器計算機及LabVIEW軟件；TS-ENV-6A環(huán)境狀況監(jiān)測模塊及熱電阻傳感器；TS-INQ-8UUSB多通道數(shù)據(jù)采集模塊；TS-TAB-B實驗根底平臺冷水和熱水各一杯〔也可以是其他的具有較大溫差的物體〕四、實驗內(nèi)容關(guān)閉“直流電源”的開關(guān)，將環(huán)境狀況監(jiān)測模塊的電源線連接至實驗根底平臺面板上的5芯航空插頭?！沧ⅲ涸撾娫淳€兩端均為5芯航空插頭，在操作前請先關(guān)閉該局部電源，連接完畢后再開啟電源?！硨犭娮鑲鞲衅鬟B接至環(huán)境監(jiān)測模塊，將標示A的接頭接入VCC接口，將兩個標示B的接頭分別接入地〔GND〕和信號〔SIG〕接口。〔注：請按照產(chǎn)品標識正確連線〕用連接線將熱電阻傳感器的信號輸出與數(shù)據(jù)采集模塊的通道1〔可自主進行更改〕相連。將數(shù)據(jù)采集模塊的電源線連接至實驗臺的多路電源輸出口?！沧ⅲ簲?shù)據(jù)采集模塊本體的電源接口為2芯的航空插頭，電壓為DC12V?！撤_根底實驗臺總電源，翻開“直流電源”開關(guān)；如下列圖1-2所示，在“TS-ENV-6A環(huán)境狀況監(jiān)測模塊-程序VI”文件夾中翻開“熱電阻溫度傳感器-溫度測量.vi”程序，建立實驗環(huán)境；圖1-2熱電阻溫度傳感器-溫度測量程序界面在“采樣通道”處選擇通道號為1，在“采樣頻率”處選擇采樣頻率為1〔1對應(yīng)為100KHz〕，采樣長度默認為2048。傳感器的標定：把鉑電阻溫度傳感器和配置的數(shù)字溫度計的探頭一起放入冷水中〔或接觸溫度較低的物體〕，觀察“當前電壓值”窗口處的電壓，輸出穩(wěn)定后讀取此時數(shù)字溫度計的溫度值填入“溫度1〔X1〕”窗口中，點擊“標定1”按鈕完成第一組標定；把鉑電阻溫度傳感器和配置的數(shù)字溫度計的探頭一起放入熱水中〔或接觸溫度較高的物體〕，等“當前電壓值”窗口中的電壓穩(wěn)定后，讀取此時數(shù)字溫度計的顯示值，填入“溫度2〔X2〕”窗口中，點擊“標定2”完成第二次標定；點擊“標定結(jié)果”按鈕完成傳感器的標定工作。上一步驟已經(jīng)完成了傳感器的標定，接下來可以進行物體溫度的測量實驗，改變物體的溫度值，用鉑電阻溫度傳感器的探頭緊密接觸物體，待輸出電壓穩(wěn)定后，讀取此時程序面板上“實測溫度值”窗口處的測量溫度值。改變物體的溫度，進行屢次測量，記錄“實測溫度值”窗口的溫度值和“當前電壓值”窗口處的電壓值填入表1-1中。表1-1溫度/℃33.3404652.568.57175.58085.490電壓/mV1909207622132392279228672975310532253343五、實驗報告要求簡述實驗?zāi)康暮驮恚灰罁?jù)實驗記錄作數(shù)據(jù)分析；簡述程序設(shè)計過程；六、考前須知在進行水溫測量時，請小心操作，請勿把水打翻以免造成其他電子電路短路損壞設(shè)備。在選擇其他制熱裝置進行溫度測量時，也請小心操作，防止造成人身傷害。2.2.2S1336硅光電池-光照強度測量一、實驗?zāi)康膶W(xué)習LabVIEW軟件；學(xué)習硅光電池傳感器的工作原理；掌握使用硅光電池進行光照強度測量的方法；二、實驗原理硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。一些半導(dǎo)體元件在光照下，假設(shè)入射光子的能量大于禁帶寬度，半導(dǎo)體PN結(jié)附近被束縛的價電子吸收光子能量，受激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶形成自由電子，而價帶那么相應(yīng)地形成自由空穴。這些電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，稱為光生電動勢，這就是光伏特效應(yīng)。硅光電池核心局部是一個大面積的PN結(jié)，所以受到光照時會產(chǎn)生一定的電壓輸出。照度是表示受光面被照明程度的物理量，為照射到外表一點處的面元上的光通量除以該面元的面積。計量的符號為E(Ev)；單位為勒[克斯]，符號為lx，1lx＝1lm／㎡。其數(shù)學(xué)表達式為：式中，dA——接收到dΦv光通量的微面積元。硅光電池的的PN結(jié)封裝在頂部，可直接受到光照射，其在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。硅光電池在電路中處于反向偏置，沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。反向電流小的原因是在PN結(jié)中，P型中的電子和N型中的空穴(少數(shù)裁流子)很少。當光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過PN結(jié)的反向電流也隨著增加。如果入射光照度變化，光生電子-空穴對的濃度也相應(yīng)變動，通過外電路的光電流強度也隨之變動。三、實驗儀器計算機及LabVIEW軟件；TS-ENV-6A環(huán)境狀況監(jiān)測模塊及熱電阻傳感器；TS-INQ-8U多通道數(shù)據(jù)采集模塊；TS-TAB-B根底實驗平臺四、實驗內(nèi)容關(guān)閉“直流電源”局部的開關(guān)，將環(huán)境狀況監(jiān)測模塊的電源線連接到根底實驗平臺面板上的多路輸出電源〔該電源線兩端均為5芯航空插頭，在操作前請先關(guān)閉該局部電源，連接完畢后再開啟電源〕。用數(shù)據(jù)線把硅光電池的輸出信號連接到數(shù)據(jù)采集模塊的通道1〔該通道號可自行修改只要與軟件上的通道號相同即可〕。將多通道數(shù)據(jù)采集模塊的電源線連接至實驗臺的多路輸出電源接口?！沧ⅲ簲?shù)據(jù)采集模塊本體的電源接口為2芯的航空插頭，電壓為DC12V?！撤_根底實驗臺的總電源，翻開“直流電源”開關(guān)。如下列圖3-1所示，在“TS-ENV-6A環(huán)境狀況監(jiān)測模塊-程序VI”文件夾下翻開“S1336硅光電池-光照強度測量.vi”實驗程序，運行程序建立實驗環(huán)境，“采樣通道”為1〔與硬件上所選的通道號相同〕，“采樣頻率”選擇1〔1對應(yīng)為100KHz〕，采樣長度對應(yīng)為2048。圖3-1S1336硅光電池-光照強度測量程序面板用不透光物體擋在硅光電池的感光面，點擊“零位校正”按鈕設(shè)定該狀態(tài)下的光照強度為零點。改變硅光電池所處環(huán)境的光強，觀察信號波形變化，分別記錄環(huán)境光照強度與傳感器對應(yīng)輸出電壓大小，填入表3-1中。表3-1光強/Lux2124.8230723482357250926372792288330463054電壓/mV-211.8-46.3-9.5-2.4134.8250.4383.2480.8610.1617.1五、實驗報告要求簡述實驗?zāi)康暮驮?；依?jù)實驗記錄作數(shù)據(jù)分析；簡述程序設(shè)計過程；2.3多傳感器測距實驗?zāi)K2.3.1電渦流傳感器靜態(tài)特性測距實驗實驗?zāi)康牧私夂驼莆针姕u流傳感器的特點；利用電渦流傳感器進行傳感器靜態(tài)特性的測量；利用機械結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器平臺構(gòu)建測試系統(tǒng)。實驗原理電渦流位移2傳感器原理電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過同軸電纜流入探頭線圈中，線圈將產(chǎn)生一個高頻電磁場。當被測金屬體靠近該線圈時，由于高頻電磁場的作用，在金屬外表上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，既電渦流。該電流產(chǎn)生一個交變磁場，方向與線圈磁場方向相反，這兩個磁場相互疊加就改變了原線圈的阻抗。這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體外表的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，那么線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體外表的距離D、電流強度I和頻率ω參數(shù)來描述。那么線圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函數(shù)來表示。通常我們能做到控制τ,ξ,б,I,ω這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，那么線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器對信號進行處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體外表之間的間距的變化而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的磁場強度也發(fā)生變化，磁場強度的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一化處理轉(zhuǎn)化成電壓〔電流〕變化，最終完成機械位移(間隙)轉(zhuǎn)換成電壓〔電流〕。所以探頭與被測金屬體外表距離的變化可通過探頭線圈阻抗的變化來測量。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓。圖1-1為電渦流傳感器的工作原理示意圖。圖1-1電渦流傳感器工作示意圖主要技術(shù)指標：供電電壓探頭直徑線性量程輸出方式+24V11mm4mm1~5V最小二乘法原理給定平面上一組點，,用直線擬合。即求得，使得到達最小。實驗儀器和設(shè)備計算機 LabVIEW8.2以上版本 TS-INQ-8U多通道數(shù)據(jù)采集模塊TS-EMP-3A多傳感器特性實驗?zāi)K動態(tài)顯示單通道模擬信號.vi實驗一電渦流傳感器靜態(tài)特性測量實驗.vi實驗步驟觀測電渦流傳感器的量程關(guān)閉根底實驗平臺的直流電源局部的開關(guān)。將電渦流傳感器的電源線連接到根底實驗平臺的24V直流電源輸出端。數(shù)據(jù)采集模塊的電源線連接到多路輸出電源輸出端〔5芯航空插頭〕。將電渦流傳感器的信號線連接到數(shù)據(jù)采集模塊的通道1上〔注：在對實驗設(shè)備進行操作時請先把電源關(guān)閉，再進行操作，帶電插拔會對設(shè)備造成損壞〕。翻開根底實驗平臺直流電源局部的開關(guān)，翻開24V直流電源輸出端的開關(guān)，翻開數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)〔注：該開關(guān)在數(shù)據(jù)采集模塊的后面板上〕。如下列圖1-2所示，在“靜態(tài)特性及位移測量實驗程序VI”文件夾中翻開“動態(tài)顯示單通道模擬信號.vi”實驗程序。圖1-2動態(tài)顯示單通道模擬信號程序面板“通道選擇”設(shè)定為1〔與硬件上所選擇的通道號相同〕、“采樣頻率”設(shè)定為1〔“1”對應(yīng)為10KHz〕、“采樣長度”為1024字節(jié)。設(shè)定好以上三個參數(shù)后點擊如下列圖1-3所示的按鈕運行程序，在導(dǎo)軌上移動滑塊，觀察波形圖中顯示的電壓信號。得到采樣信號的平均值，比擬滑塊距離與顯示電壓值的關(guān)系。運行按鈕運行按鈕圖1-3程序運行按鈕實驗所選的電渦流傳感器的線性區(qū)為：1.2mm~5.2mm，不在此測量范圍內(nèi)時，其函數(shù)曲線將不成線性關(guān)系。將千分尺歸零，將滑塊上反射圓片緊緊靠在電渦流探頭外表，觀察此時的電壓值?；瑝K漸漸遠離傳感器，觀察電壓數(shù)值的變化，觀測傳感器的最大測量距離。如下列圖1-4所示為傳感器的輸出特性圖1-4電渦流傳感器的輸出特性測算傳感器的線性表達式關(guān)閉直流電源開關(guān)，連接好測量模塊中電渦流傳感器的電源線〔24V〕，再連接好數(shù)據(jù)采集模塊的電源線〔12V〕。把電渦流傳感器的信號線連接到數(shù)據(jù)采集模塊的通道1。在“靜態(tài)特性及位移測量實驗程序VI”文件夾中翻開“實驗一電渦流傳感器靜態(tài)特性測量實驗.vi”程序，設(shè)置“通道選擇”為“1”〔該通道號與硬件上所選擇的通道號相同〕，“采樣頻率”為“1”〔“1”對應(yīng)為10KHz〕。調(diào)整滑塊到一個初始位置，記錄下讀數(shù)X0，設(shè)置每次移動千分尺的距離為0.5mm，將這兩個數(shù)值輸入到實驗程序的“起點坐標”和“采樣間隔”控制變量一欄內(nèi)。另外，有一點需要注意的是由于電渦流傳感器的線性范圍為：1.2mm~5.2mm。因此，在設(shè)置起點坐標X0時，應(yīng)該考慮避開傳感器測量的盲區(qū)，即測量滑塊的初始位置應(yīng)該定位在傳感器測量平面的1.2mm以外。圖1-5為電渦流傳感器靜態(tài)特性測量實驗程序面板。圖1-5電渦流傳感器靜態(tài)特性測量實驗程序面板運行“電渦流傳感器靜態(tài)特性測量實驗.vi”，點擊“第1次采集”按鈕，指示燈亮后，程序?qū)⒆詣佑涗泴?yīng)電渦流傳感器的讀數(shù)。將千分尺向遠離探頭方向移動0.5mm，點擊“第2次采集”按鈕，依次改變測量的距離進行20次測量，采集20組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，點擊“擬合”按鈕進行線性擬合，程序?qū)@示擬合曲線。進行線性擬合實驗時，需要一定的耐心和細心，并且該實驗結(jié)果將直接影響下一步采用電渦流傳感器測距離的實驗。將程序顯示的20次采集到的電壓數(shù)據(jù)及擬合直線表達式記錄在如下表格內(nèi)：表1-1采集的20組電壓值實驗次數(shù)測量數(shù)據(jù)實驗次數(shù)測量數(shù)據(jù)11615.41152112197012521132334.61352114267114521153036.215521163408.616521173751.317521184099.318521194421195211104748.6205211計算該曲線的線性函數(shù)關(guān)系表達式，用Y=K*X+B表示，把對應(yīng)的數(shù)值填入表1-2中。表1-2電壓-距離函數(shù)關(guān)系式擬合直線表達式斜率K值截距B值y=700.511506x+1279.206250700.5121279.21實驗報告要求簡述實驗?zāi)康暮驮?。分析實驗結(jié)果并總結(jié)。2.3.2電渦流傳感器距離測量試驗及誤差分析實驗一、實驗?zāi)康牧私夂驼莆针姕u流傳感器的特點；利用電渦流傳感器進行位移的測量；利用機械結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器平臺構(gòu)建測試系統(tǒng)。二、實驗原理1．電渦流位移傳感器原理電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過同軸電纜流入探頭線圈中，線圈將產(chǎn)生一個高頻電磁場。當被測金屬體靠近該線圈時，由于高頻電磁場的作用，在金屬外表上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，既電渦流。該電流產(chǎn)生一個交變磁場，方向與線圈磁場方向相反，這兩個磁場相互疊加就改變了原線圈的阻抗。這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體外表的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，那么線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體外表的距離D、電流強度I和頻率ω參數(shù)來描述。那么線圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函數(shù)來表示。通常我們能做到控制τ,ξ,б,I,ω這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，那么線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器對信號進行處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體外表之間的間距的變化而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的磁場強度也發(fā)生變化，磁場強度的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一化處理轉(zhuǎn)化成電壓〔電流〕變化，最終完成機械位移(間隙)轉(zhuǎn)換成電壓〔電流〕。所以探頭與被測金屬體外表的距離的變化可通過探頭線圈阻抗的變化來測量。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓。圖2-1為電渦流傳感器的工作原理示意圖。圖2-1電渦流傳感器工作示意圖主要技術(shù)指標：供電電壓探頭直徑線性量程輸出方式+24V11mm4mm1~5V2．最小二乘法原理給定平面上一組點，,用直線擬合。即求得，使得到達最小。三、實驗儀器和設(shè)備計算機 LabVIEW8.2以上版本 TS-INQ-8U多通道數(shù)據(jù)采集模塊TS-EMP-3A多傳感器特性實驗?zāi)K實驗二電渦流傳感器距離測量試驗及誤差分析實驗.vi四、實驗步驟〔1〕電渦流傳感器的工作電壓為24V，把電渦流傳感器的電源線接到實驗臺的24V電源口，信號線接到數(shù)據(jù)采集卡的通道1上，翻開試驗臺和采集卡的電源；〔2〕如下列圖2-2所示，在“靜態(tài)特性及位移測量實驗程序VI”文件夾中翻開“實驗二電渦流傳感器距離測量及誤差分析實驗.vi”程序；圖2-2電渦流傳感器距離測量及誤差分析實驗〔2〕“通道選擇”為“1”〔與硬件選擇的通道號相同〕、“采樣頻率”為“1”〔1對應(yīng)10KHz〕，選擇完成后，點擊程序運行按鈕運行實驗程序。〔3〕在進行電渦流傳感器的特性測量實驗中，已經(jīng)記錄了電渦流傳感器的靜態(tài)特性曲線及其線性函數(shù)Y=KX+B的K值和B值。把K值和B值分別填入程序面板的系數(shù)K和B處；當然也可以把特性測量的相關(guān)工作再做一遍點擊“擬合”按鈕，對測量參數(shù)進行線性擬合。記錄下K值和B值?！?〕在電渦流傳感器的測量范圍內(nèi)，移動擋板，點擊“距離計算”按鈕計算當前擋板的實際位移值?！?〕通過千分尺的讀數(shù)讀取當前擋板的位移值，填入程序面板上的“千分尺讀數(shù)”空格內(nèi)；在把擋板移動前的初始位移值填入“起始坐標”處；在“當前位移”一欄內(nèi)所示讀數(shù)為實際擋板的位移?！?〕點擊“誤差分析”按鈕，進行相對誤差的計算，在“相對誤差”一欄內(nèi)會顯示實際讀數(shù)與理論計算位移值之間的相對誤差?！?〕屢次改變擋板的位移，重復(fù)以上實驗步驟，進行屢次測量，并記錄屢次測量的相對誤差范圍完成下表：實驗次數(shù)千分尺讀數(shù)傳感器測量結(jié)果相對誤差10mm860.5mv121mm1569.5mv131.5mm2250mv142mm2990mv152.5mm3727.8mv163mm4426mv173.5mm5050.7mv184mm5211mv194.5mm5211mv1105mm5211mv1表2-1采集的10組數(shù)據(jù)五、實驗報告要求簡述實驗?zāi)康暮驮?。分析實驗結(jié)果。2.4傳感器開放電路實驗?zāi)K2.4.1I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換〔1〕根本原理I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換M11模塊，主要實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。圖1-53所示為I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖。圖1-53I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖由節(jié)點方程有：UN=Up=iS*R即：(UO-UN)/Rf=UN/R1+(UN-Uf)/R5那么有：UO=〔1+Rf/R1+Rf/R5〕*iSR-Rf*Uf/R5取R=200Ω，R1=18K，R5=43K，Rf=7.15K，圖1-54所示為I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換電路實際應(yīng)用電路圖。電流輸入端電流輸入端圖1-54I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換電路實際應(yīng)用電路圖〔2〕實驗需要的組件和設(shè)備開放式傳感器電路實驗主板TS-INQ-8U多通道數(shù)據(jù)采集模塊I-TO-V電壓頻率轉(zhuǎn)換M11模塊M11元器件包萬用表跳線假設(shè)干電壓信號測量.vi圖1-55所示為I-TO-V電流電壓轉(zhuǎn)換M11模塊實物圖圖1-55電流電壓轉(zhuǎn)換M11模塊實物圖〔3〕用電路模塊進行電流電壓的轉(zhuǎn)換實驗把電源模塊的各電源開關(guān)撥到“OFF”一側(cè)。把I-TO-V電壓頻率轉(zhuǎn)換M11模塊插入主板的面包板中，把+12V、-12V、+5V、GND引到模塊的對應(yīng)引腳，把M11模塊的第12腳引到信號輸出模塊的T4或T5口，連接BNC座到多通道數(shù)據(jù)采集模塊的通道5。確認接線無誤后，把各模塊的電源開關(guān)撥到“ON”一側(cè)，接通電源模塊的電源。在“TS-OSC-7A傳感器開放電路實驗?zāi)K-程序VI”文件夾中翻開“電壓信號測量.vi”程序。選擇通道號為5，采樣頻率選擇1〔10KHz〕，采樣長度選擇2048。圖1-56所示為電壓信號測量程序。圖1-56電壓信號測量程序根據(jù)圖1-57所示的電路圖在面板包上搭建簡易限流電路〔為實驗提供4~20mA的電流〕，“OUT”端接M11模塊的第5腳，“GND”與地線相接。調(diào)節(jié)RP的阻值使電路電流為4mA，運行測量程序讀取并記錄電壓測量值。調(diào)節(jié)電阻RP的阻值使電路電流為20mA，記錄此時M11模塊輸出端電壓的測量值。圖1-57簡易限流電路使電流在4~20mA之間屢次改變，進行屢次測量，記錄每次測量的輸入電流和輸出電壓〔該電壓值既可以通過程序測量也可以通過萬用表測量〕。整理實驗數(shù)據(jù)填入表1-8中。表1-8輸入電流0.30.711.61.82.52.72.93.23.5輸出電壓-63-46-231023778392120146根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在直角坐標系中繪制I-U曲線。分析該電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的比例關(guān)系及線性度。注：如果有電流源，可直接把電流源的輸出端連接到M11的信號輸入端〔第5腳〕，但調(diào)整范圍也要求在4~20mA之內(nèi)。〔4〕動手實踐完成電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試把主板電源模塊的+24V、+12V、-12V、+5V的電源開關(guān)都撥到“OFF”一側(cè)。按照圖1-54所示的電路原理圖在面包板上搭建好電路，電壓輸出端通過跳線連接到信號輸出模塊的T4或T5口。認真檢查電路，確定無誤后，把+12V、-12V、+5V的電源開關(guān)撥到“ON”。在“TS-OSC-7A傳感器開放電路實驗?zāi)K-程序VI”文件夾中翻開“電壓信號測量.vi”程序。選擇通道號為5，采樣頻率選擇1〔10KHz〕，采樣長度選擇2048。接下來搭建簡易電流電路，電路圖如1-57所示。電路中的“OUT”接電流電壓轉(zhuǎn)換電路的電流輸入端〔如圖1-54中標識所示〕，“GND”接地，電流表被串聯(lián)在電路中〔可用萬用表的電流檔代替〕。調(diào)整電阻RP的阻值，使電路電流為4mA，用萬用表的電壓檔測量轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓，在輸入電流為4mA時，該輸出電壓應(yīng)為0V〔誤差<±5%〕，假設(shè)不為0，那么調(diào)整電阻R46的阻值，使輸出端電壓為0，調(diào)整RP的阻值使輸入端電路電流為20mA，此時輸出端的電壓值應(yīng)為5V〔誤差<±5%〕。使輸入端的電流在4~20mA之間屢次改變，進行屢次測量，記錄每次測量的輸入電流和輸出電壓〔該電壓值既可以通過程序測量也可以通過萬用表測量〕。整理實驗數(shù)據(jù)填入表1-9中。2.4.2光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量〔1〕根本原理紅外線是波長為780nm－1mm的光波，人眼是看不見的。紅外線光電開關(guān)〔光電傳感器〕是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，通過同步回路的通斷來檢測物體的有無，被檢測物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可檢測。根據(jù)檢測方式的不同，紅外線光電開關(guān)可分為：1.漫反射式光電開關(guān)

漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當只有漫反射板阻擋光路時，被漫反射的光無法反射到接收器，傳感器處于“關(guān)”狀態(tài)。當被檢測物體經(jīng)過光路時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當被檢測物體的外表光亮或其反光率很高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。2.鏡反射式光電開關(guān)

鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反光鏡，反射回接收器，當被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。3.對射式光電開關(guān)

對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互別離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當檢測物體不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。4.槽式光電開關(guān)

槽式光電開關(guān)通常是標準的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U形槽阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比擬平安可靠，適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。5.光纖式光電開關(guān)光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，以實現(xiàn)被檢測物體不在相近區(qū)域的檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。本實驗選配了U形槽式光電開關(guān)作為實驗使用的光電傳感器。當發(fā)射管和接收管之間有物體遮擋時，接收管截止，輸出高電平電壓。當發(fā)射管和接收管之間沒有物體通過時，接收管接由于收到紅外信號而導(dǎo)通，此時輸出為低電平?，F(xiàn)實生活中通常利用光電開關(guān)的這種特性來進行限位報警、零件計數(shù)、轉(zhuǎn)速測量等?！?〕實驗需要的組件和設(shè)備開放式傳感器電路實驗主板M3光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量模塊TS-INQ-8U多通道數(shù)據(jù)采集模塊M3元件包跳線假設(shè)干PC機萬用表光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量.vi如下列圖1-25所示為M3光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量模塊。圖1-25M3光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量模塊用電路模塊進行開關(guān)量的測量步驟把+5V的電源開關(guān)撥到“OFF”，選擇“M3光電開關(guān)的應(yīng)用-開關(guān)量測量模塊”,插在實驗主板的面包板上，調(diào)整電機的位置，使電機的轉(zhuǎn)盤在光電開關(guān)的凹槽內(nèi)。從主板上把+5V電源和GND地通過跳線分別引到M3模塊的+5V〔第13、14腳〕和GND〔第6、7腳〕。用跳線把M3模塊的12腳的信號引到信號輸出模塊的T4或T5接口處。再用數(shù)據(jù)線把BNC接口處的信號送到數(shù)據(jù)采集卡的通道5或通道6。翻開+5V電源模塊的開關(guān)，撥到“ON”一側(cè)。如下列圖1-26