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1、检测技术综合实验报告课程名称 检测技术综合实验 实验名称 检测技术综合实验 实验一 液位测量虚拟仪器设计一、实验目的和任务实验目的：1）了解液位测量传感器的原理；2）掌握虚拟仪器的液位测量系统组建方法，液位测量系统的标定方法；3）掌握液位测量传感器的信号调理及放大电路的设计技术；4）掌握基于Labview的液位测量系统软面板的编制方法及数据采集卡的控制方法。实验内容：液位传感器的选型，信号调理及放大电路的设计及调试，数据采集卡的选型与数采系统硬件集成，数据采集软件设计、数据分析及处理虚拟仪器软件的设计、调试，系统的标定，不确定度分析。实验要求：测量范围：0-1000mm；测量不确定度：1%。具

2、有测试曲线的显示、特征点的判读、数据的存储等功能。二、实验仪器万用表、示波器、稳压电源、液位传感器、电桥、水箱、数据采集卡、计算机、Labview软件等。三、实验原理及方法虚拟仪器VI是指具有虚拟仪器面板的个人计算机，它由通用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。“虚拟”主要有两方面的含义，一方面是指虚拟仪器的面板是虚拟的，另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现。在虚拟仪器系统其本质上是利用PC机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，通过一组软件和硬件建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。常用的液位测量方法有：静压式、吹气式、浮力式、电容式、超

3、声波式等。本次实验所用液位传感器为变介电常数型电容式液位传感器，利用液位变化时介电常数发生改变，从而改变电容，再将电容接入由将电容接入由NE555构成的多谐振荡器电路，最终导致输出频率变化，实现液位-频率转换。后将信号送至数据采集装置。本设计以测量水的液位为例，设计出测量导电液体液位的系统，该系统具有显示和报警功能。液位测量系统设计框图如下电容式液位传感器 调理振荡电路正反行程标定数据采集卡采集数据用labview进行数据处理、液位显示四、实验计划1熟悉液位传感器的制作；2进行液位测量传感器的信号调理及放大电路的设计；3 基于虚拟仪器的热电偶标定系统的组建；1）安装PCI数据采集卡；2）利用L

4、abview编制软面板及数据采集程序（要求设定液位超过70cm、低于30cm时报警，响应速度小于1秒）；3）系统调试及验证。4 液位测量系统标定；五、传感器设计与制作本次实验中我主要负责传感器的设计与制作，在查阅相关资料后，我们小组决定使用电容式传感器测液位，原理图如下电容式液位传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量。如图所示的电容液位传感器就是一种变介电常数型电容式传感器。在被测介质中放入内径为D的不锈钢管和绝缘套管套住的铁棒，内径为d，铁棒和圆筒同心。小圆筒外径为d，当被测液体的液面在电容式传感器的圆筒和铁棒之间变化时，引起极板

5、间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电容变化，根据圆柱形电容器的电容量公式可得液面高度与电容量C的关系为传感器如右图（c）所示液位为0时的电容：（c）液位为H是的电容变化量电容变化量与液位高度成正比。其中空气介电常数液体介电常数L传感器极板总长H液体介质高度D外极板内径d铁棒外径参数设计：在查阅相关资料后，基于实验效果和经济角度，我们决定内电极采用直径d=8mm的实心圆柱钢管长度为1.15m，并套上绝缘套达到绝缘效果；外电极采用直径为D=32mm 的不锈钢管，而测量深度为01m,故不锈钢高度为1.1m。有了上面的传感器测得电容后，需要电容转化成频率信号，于是我们选用了555定时器设计电路

6、如下图一：其中CX为待测电容，虽然不是极性电容，在实践过程中我们研究发现，将不锈钢桶接地、内部铁芯接电源，这样连线输出的方波更加清晰稳定。有时候数采卡采到的是50Hz噪声，我们采用合理接地，减少飞线的措施。并且我们不能直接采用输出+5V的端口进行供电，经实践检验这样供电采到的信号都是噪声干扰。因此我们采用将可调电源调到+5V进行供电。图一图中VD1和VD2两个二极管把充电回路和放点回路完全分开，R1=1M、R2=1M和C为外界定时元件，其中C为待测电容电路的振荡周期为：T=T1+T2式中，T1为电容电压Vc从上升到所需时间，充电时间常数为（R1+R2）C故T2为Vc从下降到所需时间，放电时间常

7、数为故因此：加入两个二极管VD1和VD2，则其充电回路是Vcc经R1、VD1对电容C充电，充电常数是R1C，放点回路是电容通过VD2、R2和放电管Vd放电，放电时间常数R2C，因此六、软件设计其中 实验过程中测量液位对应的周期值进行线性拟合，得到直线的斜率和截距。根据液位和周期的关系可求出任一电压值所对应的液位，从而达到测量液位的目的。选取采样点数为10k，采样率为150k。图一所示为前面板，图二所示为程序框图。图一 前面板图二 程序框图六、 数据处理与误差分析我们小组的标定数据如下表一所示：液位（cm）25303540升程（s）0.0006537220.0007577370.00085221

8、10.0009657回程(s)0.0006669430.0007632990.0008762730.00098202平均(s)0.0006603330.0007605180.0008642420.00097386液位（cm）45505560升程（s）0.001078720.001175890.001294560.00138425回程(s)0.001091780.001195780.001327940.00143064平均(s)0.001085250.001185840.001311250.001407445液位（cm）657075升程（s）0.001537490.001615110.00173

9、9回程(s)0.001537760.001626330.001749平均(s)0.001537630.001620720.001744表一 实验标定数据按照平均值求取的实际周期值与液位关系的拟合图线如下图八所示：图八 线性拟合曲线图正向测量值2833.94354实际值28.5434.144.355.9反向测量值635346.833实际值62.154.647.833.8表二 实验验收数据由实验数据来看，实验基本满足要求，不过还是存在一定误差误差来源可能有以下几方面：（1）自来水介质不纯。经我们小组研究发现介质的纯净度会影响到数采采到的信号的波形。我们用过被先前小组使用多次的水，由于水已经浑浊，因

10、而采不到清晰的方波。换了洁净新鲜的自来水之后，数采立即能采到清楚的方波。(2)加水、舀水后，没有等液位完全平稳后再读数。所以不能把根据公式理论计算值作为实验理论值。可观察实验过程中的液位变化情况来判断测量系统的准确性。(3)在加水、舀水过程中液位传感器位置可能会有微微变动，在理想状况下底部应当紧贴容器，并保持竖直状态，实际操作过程中可能会微微倾斜，影响液位的测量结果。综上所述：从该液位测量系统数据测试和实验过程中液位的浮动可以看出：测量的液位与实际液位非常接近，一般误差不超过1%，并且一段时间后测量的实际值变化不大，与所标刻度基本吻合。因此，可以说明该液位测量系统测量结果较准确，系统稳定性较好

11、，基本达到设计要求。六、讨论题1、除了该种液位测量方法外，还可以列举几种测量方法，比较几种测量方法。（1）超声波式：由微处理器控制的数字液位仪表，在测量中超声波脉冲由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一传感器接收或超声波接收器，通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号，并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离。优点：采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量，且精度高、抗干扰性强、装置精炼。不足：易受强电压，强电流，强电磁干扰，且不适合有泡沫的液体、固体、大风和太阳直晒的场合。（2）磁翻板液位计是靠安装在容器内部的磁力浮子，带

12、动容器外部的磁力翻板翻转实现信号转换和液位显示。优点：能够快速、直观地读数;价格较低;可实 现远传和调节。缺点：精度低;安装复杂;量程限制;安装体积比较大。 （3）浮球液位计是一种依靠浮力原理测量液位的方法。通常是通过浮球与刻度尺配合的方式，使观测者能够直观读取液位的高度。优点：能够快速、直观地读数;价格低廉;安装简便。缺点：精度低;安装受容器形状结构的限制比较大; 不适合用于腐蚀性强、有危险性的介质;无法实现远传和调节。2、如何提高液位测量精度？（1）传感器制作要精细，保证电容变化与液位变化成线性关系，减小理论值与实际值之间的差距。（2）加大不锈钢钢管内径与钢管直径的比值。七、实验分工 本次

13、实验我主要负责传感器制作与标定工作。实验二 转速测量虚拟仪器设计一、实验目的和任务实验目的：1、了解光电测量传感器的工作原理；2、掌握基于虚拟仪器的光电转速测量系统组建方法，光电转速测量系统的标定方法；3、掌握光电转速测量传感器的信号调理电路的设计技术；4、掌握基于Labview的光电测量系统软面板的编制方法及数据采集卡的控制方法。实验内容：转速传感器的选型，信号调理及放大电路的设计及调试，数据采集卡的选型与数采系统硬件集成，数据采集软件设计、数据分析及处理虚拟仪器软件的设计、调试，系统的标定，不确定度分析。实验要求：测量范围：0-1200转/分；测量不确定度：1转/分；具有正反转速测试，测试

14、曲线的显示、特征点的判读、数据的存储等功能，另含标定装置设计。二、实验仪器万用表、示波器、稳压电源、光电传感器、电机、电机控制器、数据采集卡、计算机、Labview软件等。三、实验原理及方法虚拟仪器VI是指具有虚拟仪器面板的个人计算机，它由通用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。“虚拟”主要有两方面的含义，一方面是指虚拟仪器的面板是虚拟的，另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现。在虚拟仪器系统其本质上是利用PC机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，通过一组软件和硬件建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。常用的转速测量方法有：电涡流式、光电式

15、、霍尔式、电容式等。本次实验所用转速传感器为光电式传感器，电机控制器控制电机转动，带动电机上的叶片一起转动，将光电传感器发射端及接收端安装在叶片的两边，叶片通过时会遮挡光路，引起光电传感器接收端输出电压发生变化，通过后续调理电路将反应转速变化的电压信号送至数据采集装置。系统框图如下图一：电机带动有孔转盘转动光电传感器S1信号调理输出方波S1Labview采集数据得出转盘转速光电传感器S2信号调理输出方波S2微分电路调制波Labview采集数据得出转盘转向图一 转速测量流程图四、调理电路本实验中我们采用槽型光耦GK122，S1输出方波经过反向器后，在光电传感器被转盘挡住时输出高电平（与先前相反）

16、，并将此输出波形接数据采集卡进行上位机采集；S2输出方波经过反向器后，在光电传感器被转盘挡住时输出高电平（与先前相反），经过微分电路微分后得到相应方波的尖峰，用数据采集卡采集尖峰波形，再通过Labview进行上位机编程，处理这两个波形得出转盘转速。微分时间常数的确定，应使微分时间常数远小于方波脉宽，否则无法得到尖峰，影响转盘转速的判别，在实验中反复尝试后确定如下参数较为合适。转盘圆孔个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以在单位时间内得到尽可能多的脉冲数，可有效避免两过孔之间距离过大，而正好在过孔之间或者是在下一个过孔到来之前就停止了，造成较大误差。但是实际过程中我们直接采用实验室

17、提供的电机驱动盘，孔数为60，则计算公式为：f=60*fc*1.8/(360*a)fc为传感器输出方波频率a为异步电机的细分数1.8为驱动器控制步进电机每一步转动角度系统选择的电机驱动器型号为ST-24HB，此驱动器控制步进电机每一步转动1.8度，此时对应的细分数为40，电机由直流电压+12控制，由于电机本身的故障，更换与接线端并不能使电机改变转向，因此，自实验过程中，我们将两叠放的光电传感器旋转度即可验证，测量系统的正反转辨别。图二 槽型光耦示意图图三 步进电机示意图调理电路如下图四：图四 信号调理电路五、软件部分数据采集卡采集到的信号为两路信号，一路是方波脉冲，一路是尖峰，因此，我们将DA

18、Q采到的两路信号分离开来、分别处理，如下图所示，方波信号一方面用来测量转盘的转速，另一方面用来与尖峰脉冲相加，得到一个调制波形，由于正反转所得到的尖峰存在相位差，所以正反转所得到的调制波的幅值是不相同的，因此，我们根据不同的幅值来判断电机的正反转，源程序如下图五：图五 六、实验结果及分析正转测量电机实际转速为111.9r/min，测量转速为111.76r/min，误差1以内，满足要求。反转测量电机实际转速为114.98r/min，测量转速为115.36r/min，误差1以内，满足要求。实验数据总表：正向测量值116.713111.761实际值120111.9反向测量值115.35993.349

19、实际值114.9894实验测量误差主要来源以下几方面：（1）异步电机实际转速与理论公式之间存在误差。（2）频率测量误差，实验测得的频率与脉冲的实际频率存在误差。以上两个主要因素导致电机实际转速与理论转速有一定差别，但在误差允许的范围内。七、讨论题：1、除了该种转速测量方法外，还可以列举几种测量方法，比较几种测量方法。（1）霍尔元件测速法：霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲

20、，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。优点：增加小磁钢的个数可提高分辨率，无瞬间抖动，具有较高的精度。缺陷：受环境影响较大，容易被磁场和电场干扰。（2）离心式测速法：利用物体旋转时产生的离心力来测量转速的。当离心式转速表的转轴随被测物体转动时，离心器上的重物在惯性离心力作用下离开轴心，并通过传动系统带动指针回转。当指针上的弹簧反作用力矩和惯性离心力矩相平衡时，指针停止在偏转后所指示的刻度值处，即为被测转速值。优点：在某些特殊情况下可用来测量转速缺陷：对测量条件要求高，精度不高，测量值可能会波动。而且测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，转速表的轴要与电机的轴保持同心，否则易响准确读数。 （3）测速发电机测转速：利用直流发电机的电枢电动势E与发电机的转速成正比的这一关系测量转速。测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。优点：使用方便，原理简单，不需要进行繁杂的数据处理，可实现转速直读。缺陷：精度不够高。2、如何提转速位测量精度？（1）增加转盘上开孔的个数，单位时间内可产生更多脉冲，提高测量精度。（2）在软件设计中加入数字滤波函数，减少其他信号对有效脉冲信号的干扰，提高计数的准确性。 本次实验我主要负责辅助搭电路和电路调试。八、实验分工word文档 可自由复制编辑