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1、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58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
2、，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
3、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。目 录第一章 CSY系列传感器系统实验仪的使用说明1第二章 SAC-JGK03
4、过程控制实验装置使用说明6第一节 SAC-JGK 03过程控制实验装置系统组成6第二节 SAC-JGK 03过程控制实验装置工艺流程说明9第三节 SAC-JGK03过程控制实验装置上位机操作说明14第四节 SAC-JGK03过程控制实验装置系统维护20第三章 传感器与检测技术实验21实验一 应变传感器的性能研究21实验二 差动变送器性能测试25实验三 电容式传感器性能测试28实验四 霍尔式传感器与应用30实验五 温度传感器的性能及应用32实验六 应变测试系统的温度效应与补偿34实验七 液位变送器性能测试36实验八 压力变送器性能测试38实验九 流量变送器性能测试40第四章 过程控制工程试验42
5、实验一 被控过程建模43实验二 单回路控制系统实验45实验三 串级控制系统实验46实验四 比值控制系统实验47实验五 前馈控制系统实验48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
6、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1-1 CSY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
7、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810K。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
8、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
9、：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I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”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：130Hz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
10、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：0.4KHz10KHz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。2V10V，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5KHz20KHz。指针式直流毫伏表：测量范围500mV、50mV、5m
11、V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350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，
12、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20 VP-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：5mm2、 电涡流位移传感器量程：1mm3、 霍尔式传感器量
13、程：1mm4、 电容式传感器量程：2mm5、 热电偶：铜康铜6、 热敏电阻温度系数：负25阻值：10K7、 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：6V9、 压电加速度计：安装共振频率：10KHz10、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1100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
14、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
15、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
