傳感器原理與設(shè)計實驗

傳感器原理與設(shè)計實驗第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)

一、實驗?zāi)康?.通過本實驗熟悉電渦流傳感器、光電傳感器的工作原理。2.通過本實驗了解和掌握采用電渦流傳感器、紅外傳感器進行物件計數(shù)實驗的原理和方法第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)二、實驗原理1、電渦流傳感器。電渦流傳感器是一種非接觸式傳感器，一般由探頭、延伸電纜、前置器構(gòu)成基本的工作系統(tǒng)（如圖1-1所示）。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。如果在這一交變磁場的有效范圍內(nèi)沒有金屬材料靠近，則這一磁場能量會全部損失；當有被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁學(xué)上稱之為電渦流，與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），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)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通過前置器電子線路的處理，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表面之間的間距而變化，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。第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)圖1-1電渦流傳感器基本工作系統(tǒng)第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)其工作過程是，當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時。則探頭中線圈的Q值發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、放大歸一處理轉(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）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測體可看作傳感器的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān)。目標物體的材質(zhì)對傳感器的感應(yīng)距離有直接的影響。第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)2、光電傳感器光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。圖1-2說明了這四種形式的工作方式。第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)圖1-2光電傳感器的工作方式第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)

本實驗所采用的DRHF-12-A型紅外光電傳感器屬于反射性傳感器，在同一殼體內(nèi)裝有發(fā)射器和接受器，此外配有一塊特殊的反射板，使從發(fā)射器里發(fā)出的光線能反射到接受器表面。當被測物遮住光線，傳感器就開始工作，實現(xiàn)了開關(guān)功能。在正常狀態(tài)下（沒有物體通過），傳感器輸出為一定值，當有物體通過時，由于光線被遮斷，傳感器輸出發(fā)生跳變，由數(shù)據(jù)采集儀獲得后，通過DRVI快速可重組虛擬儀器平臺的腳本就可以實現(xiàn)物件計數(shù)。第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)三、實驗儀器和設(shè)備1.輸送線實驗臺架（DRCSX-12-A） 1套2.電渦流傳感器（DRDG-12-A） 1套3.紅外反射式傳感器（DRHF-12-A） 1套4.藍津數(shù)據(jù)采集儀（DRDAQ-EPP2） 1套5.開關(guān)電源（DRDY-A） 1套6.傳感器支架（DRZJ-A） 2套7.鐵性試件 2塊8.個人計算機 1臺第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)四、實驗步驟1.物件計數(shù)實驗結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示，將DRDG-12-A型電渦流傳感器、DRHF-12-A紅外反射式傳感器分別 固定在支架上，并接入輸送線模塊對應(yīng)通道。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)渦流傳感器光電傳感器試件圖1-3插件計數(shù)實驗結(jié)構(gòu)示意圖第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)2、啟動服務(wù)器，運行DRVI程序，點擊DRVI快捷工具條上的“聯(lián)機注冊”圖標，選擇其中的“DRVI采集儀主卡檢測”進行服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集儀之間的注冊。3、點擊“物件計數(shù)”實驗，可以看到實驗效果圖1-4，如果計數(shù)值不為零，則點擊其中的“復(fù)位”按鈕將計數(shù)器清零，然后點擊“開始”按鈕進行物件計數(shù)實驗。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)圖1-4物件計數(shù)實驗效果圖第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)五、擴展實驗設(shè)計用趨勢曲線方式顯示出在一個較長的時間段內(nèi)傳感器接收信號電平的變化情況六、思考題

1、產(chǎn)品計數(shù)實驗還可以采用其它哪些傳感器進行？各有什么特點？2、電渦流傳感器有什么特性？可以用在那些特征量的檢測上？第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗一物件計數(shù)七、實驗報告要求1、實驗?zāi)康?、原理、流程框圖、實驗數(shù)據(jù)、實驗曲線及思考題必做。2、分析并整理實驗測量結(jié)果。3、畫出擴展實驗框圖，并計算輸送線實驗臺轉(zhuǎn)一周的時間。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日*八、流程框圖電渦流傳感器紅外傳感器數(shù)據(jù)采集卡A／D開頭藍津DAQA／D內(nèi)存IC內(nèi)存IC波形／譜圖IC顯示原始信號波形參數(shù)IC取峰值波形參數(shù)IC取峰值波形／譜圖IC顯示原始信號波形處理VB波形處理VB計數(shù)器計數(shù)器

1-5物件計數(shù)原理框圖第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

一.實驗?zāi)康耐ㄟ^對轉(zhuǎn)子實驗臺的綜合參數(shù)測量，了解各種傳感器的工作原理，掌握機械振動信號、轉(zhuǎn)速及軸心軌跡的基本測量方法。二.實驗內(nèi)容速度傳感器測量振動信號加速度傳感器測量振動信號磁電傳感器測量轉(zhuǎn)速電渦流傳感器測量軸心軌跡第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

三.實驗設(shè)備

1、電渦流傳感器2套2、速度傳感器（CD-21） 1套3、加速度傳感器（YD-37） 1套4、磁電轉(zhuǎn)速傳感器（DRCD-12-A）1套5、加速度傳感器變送器（DRBS-12-A） 1臺6、計算機 1臺7、DRVI快速可重組虛擬儀器平臺1套8、藍津數(shù)據(jù)采集儀（DRDAQ-EPP2） 1臺9、開關(guān)電源（DRDY-A） 1套10、5芯-BNC轉(zhuǎn)接線 1條11、度傳感器變送器（DRBS-12-A） 1臺12、轉(zhuǎn)子/振動實驗臺1套第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-1轉(zhuǎn)子／振動試驗臺傳感器安裝位置示意圖其中1—磁電傳感器2—速度傳感器3—渦流傳感器4—加速度傳感器第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

四、實驗步驟（一）速度傳感器、加速度傳感器振動測量實驗1、原理CD-21振動速度傳感器的基本原理是基于一個慣性質(zhì)量（線圈組件）和殼體，殼體中固定有磁鐵，慣性質(zhì)量用彈性元件懸掛在殼體上工作時，將傳感器殼體固定在振動體上，這樣當振動體振動時，在傳感器工資頻率范圍內(nèi)，線圈與磁鐵相對運動，切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振動速度值，這就是振動速度傳感器的工作原理。圖2-2是CD-21振動速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

YD-37加速度傳感器其實是一個壓電傳感器。它的力學(xué)模型可簡化為一個單自由度質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)。根據(jù)壓電效應(yīng)的原理，當晶體上受到振動作用力后，將產(chǎn)生電荷量，該電荷量與作用力成正比，這就是壓電傳感器完成機電轉(zhuǎn)換的工作原理。壓電式加速度傳感器在振動測試領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，可以測量各種環(huán)境中的振動量。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-2CD-21型磁電式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

2、方法⑴將速度傳感器、加速度傳感器通過配套的磁座吸附在轉(zhuǎn)子實驗臺底座上，然后通過兩根帶五芯航空插頭-BNC轉(zhuǎn)接電纜和數(shù)據(jù)采集儀A/D輸入通道連接。（已連好）⑵聯(lián)機注冊⑶在轉(zhuǎn)子實驗臺的電機轉(zhuǎn)子上添加試重，然后分別打開桌面上的“速度傳感器振動測量”和“加速度傳感器振動測量”實驗，啟動電機，調(diào)整到一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，對同一振動信號分別進行測量，可見實驗效果圖2-32-4。觀察和分析所得到振動信號的波形和頻譜，點擊“多路接線開關(guān)”，觀察濾波前后振動信號波形和頻譜的變化情況并記錄實驗結(jié)果。第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

⑷關(guān)閉電機，在電機轉(zhuǎn)子上改變試重和位置，再次啟動電機進行測量，觀察和分析所得到振動信號的波形和頻譜。⑸關(guān)閉電機，改變加速度傳感器的測量位置，再次啟動電機進行測量，觀察和分析隨著測量位置的改變，振動信號的波形和頻譜的變化情況。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-3速度傳感器振動測量實驗效果圖第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-4加速度傳感器振動測量實驗效果圖第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

3、思考題⑴常用的振動信號測量方式有那些？⑵采用速度傳感器來測量振動信號有什么特點？⑶為什么常采用加速度傳感器來測量振動信號？⑷分析討論改變試重和位置前后的振動信號。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

4、流程框圖圖2-5速度傳感器振動測量實驗信號處理流程框圖第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-6加速度傳感器振動測量實驗信號處理框圖第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

（二）磁電傳感器轉(zhuǎn)速測量1、原理磁電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)請參考圖2-7，它的核心部件有銜鐵、磁鋼、線圈幾個部分，銜鐵的后部與磁性很強的磁鋼相接，銜鐵的前端有固定片，其材料是黃銅，不導(dǎo)磁。線圈纏繞在骨架上并固定在傳感器內(nèi)部。為了傳感器的可靠性，在傳感器的后部填入了環(huán)氧樹脂以固定引線和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-7磁電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

使用時，磁電轉(zhuǎn)速傳感器是和測速（發(fā)訊）齒輪配合使用的，如圖2-8測速齒輪的材料是導(dǎo)磁的軟磁材料，如鋼、鐵、鎳等金屬或者合金。測速齒輪的齒頂與傳感器的距離d比較小，通常按照傳感器的安裝要求，d約為1mm。齒輪的齒數(shù)為定值（本實驗齒輪齒數(shù)為15）。這樣，當測速齒輪隨被測旋轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)的時候，齒輪的齒頂和齒根會均勻的經(jīng)過傳感器的表面，引起磁隙變化。在探頭線圈中產(chǎn)生感生電動勢，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其幅度與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高輸出的電壓越高，輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-8直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作方式第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

那么，在已知發(fā)訊齒輪齒數(shù)的情況下，測得脈沖的頻率就可以計算出測速齒輪的轉(zhuǎn)速。如設(shè)齒輪齒數(shù)為N，轉(zhuǎn)速為n，脈沖頻率為f，則有：n=f/NDRCD-12-A型磁電轉(zhuǎn)速傳感器采用了RS9001-1型無源磁電轉(zhuǎn)速傳感器作為敏感探頭，為了適應(yīng)采集卡對信號幅度的要求，在探頭的處理電路中使用了限幅放大電路、比較器等電路，最后將幅值與轉(zhuǎn)速成正比的類正弦（與發(fā)訊齒輪的齒形有關(guān)系）脈沖信號，處理成幅值在0～＋5V的方波信號。第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

2、方法⑴將磁電傳感器安裝在轉(zhuǎn)子試驗臺上專用的傳感器架上，使其探頭對準測速用15齒齒輪的中部，調(diào)節(jié)探頭與齒頂?shù)木嚯x，使測試距離為1mm。感器安裝位置。（已連好）⑵聯(lián)機注冊⑶在桌面上選擇“磁電傳感器轉(zhuǎn)速測量”實驗。啟動轉(zhuǎn)子實驗臺，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕使電機達到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，點擊面板中的“開關(guān)”按鈕進行測量，觀察并記錄測量的轉(zhuǎn)速值.⑷根據(jù)輸出波形計算轉(zhuǎn)速，并與測量結(jié)果進行比較。第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-9磁電轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗效果示意圖第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

3、思考題⑴選擇某一轉(zhuǎn)速，對其測量計算并與顯示結(jié)果進行比較⑵轉(zhuǎn)速測量還可以采用其它那些傳感器進行？⑶采用磁電傳感器測量轉(zhuǎn)速的精度如何，怎樣保證測量的準確性？第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

圖2-10磁電轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗參考信號處理框圖第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日實驗二振動測量實驗(綜合實驗)

（三）電渦流傳感器軸心軌跡測量1.原理實驗一所述。見圖2-1，在軸互成90°的兩個方向分別裝有兩個渦流傳感器，并調(diào)至合適位置。當軸旋轉(zhuǎn)后，觀察其測量曲線，可判斷軸心的軌跡變化。2、方法⑴在轉(zhuǎn)子實驗臺支架上安裝電渦流傳感器探頭（X、Y向互成90度），將輸出電纜與前置器相連，信號經(jīng)前置器處理后再經(jīng)過信號采集儀