传感器与测试技术 技能实习

传感器与测试技术

技能实习

学院：工学部

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

实训时间：

目录

技能实习内容及要求 (3)

测量原理 (4)

测试系统组成 (8)

硬件的选用 (9)

硬件电路设计 (11)

软件设计 (12)

程序设计 (17)

运行界面截图 (17)

小结 (18)

一、技能实习内容及要求

（一）.实验内容：

基于环形输送带模块，设计一个测量系统，能对通过某工位的元件按照材料（金属或非金属）进行计数：并测量输送线的转速，转速只能处于一个速度范围之内，若超出，则报警，并输出一个数字停止信号。另外，软件能对转速大小进行控制。

（二）.实验要求：

1.提出设计方案（提出测量原理，选用传感器，构建测

试系统）

2.设计测量电路（转速测量电路及制作）

3.测试软件设计

利用La b v i e w或其他开发程序（V B V C等），设计测量软件进行数据采集和分析。

4.调试

5.撰写综合实验报告

二、总体方案设计

环形输送带转速测量和计数系统，基于环形输送带模块，对工位元件计数，用光电传感器测量工位元件的总个数，用电涡流传感器测试金属元件个数，用霍尔传感器测量环形输送带频率

f,通过频率f得出环形输送带转速，从而实现环形输送带转速测

量和计数

1.测速

霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制

成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量。霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体

在磁场中受力的性质时发现的，因此得名。

霍尔效应：

在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的

垂直方向施加磁感应强度为应强度为磁场那么,,在垂直于电

流和磁场方向向上将产生电动势场U H（霍尔电压）

霍尔元件：

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器：

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

实验过程中，环形输送带转盘上上固定一个小磁铁，小磁铁通过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个相应的脉冲，计算出两个连续脉冲的间隔时间，就可以计算出被测转速。

2.计数

（1）.光电传感器计元件总个数

光电传感器的工作原理是通过把光强度的变化转换成

电信号的变化，从而实现控制的。光电开关是一种小型电子设备，可以检测出其接收到光强的变化。光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。

发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(L E D)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，P N结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光电开关光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号

转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出

两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流I c e o=(1+β)I c b o，比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时，激发大量的电子——空穴对，使得基极产生的电流I b增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流I c=(1+β)I b，可见光电传感器光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

（2）.利用电涡流传感器测量金属元件个数

一块金属放置在一个扁平线圈附近，相互并不接触。当线圈中通过以高频正弦交变电流时，线圈周围的空间就产生交变磁场，此交变磁场在邻近金属导体中产生电涡流。而此电涡流也产生交变磁场阻碍外磁场的变化。由于磁场的反作用，使线圈中电流和相位都发生变化。也即引起线圈的等效阻抗发生变化，线圈的电感量也发生变化，因此可用线圈阻抗的变化来反映金属导体的电涡流效应。

在涡流检测中，当有交流电通过放置式线圈时，会产生一个交变磁场，线圈接近金属试块时，由于交变磁场的作用会在金属试块上感生出涡流，此涡流也产生一个与原来磁场相反的交变磁场，两个交变磁场相互叠加，便决定了探头线圈的阻抗。当金属板电导率，形状，有无缺陷或提离间隙等外界条件发生变化时，涡流及涡流产生的反磁场也将发生变化，从而线圈的阻抗也随之发生变化。通过探头线圈阻抗变化便可分辨金属元件于非金属元件。

(二).测试系统组成

霍尔传感器光电传感器电涡流传感器

研华U S B4704数据采集卡

L a b v i e w软件

利用霍尔传感器测量环形输送带的小磁铁经过的频率，以测量其转速；

利用光电传感器测量环形输送带上的元件的总个数；

利用电涡流传感器测量环形输送带上金属元件的个数；

利用研华U S B4704数据采集卡收集数据A I信号以及D I 信号；

利用L a b v i e w软件对采集到的数据进行分析与调试。

三、硬件的选用

（一）元器件选用

1. 元器件选用

环形输送带，若干金属和非金属元件，研华US B4704数据采集卡，霍尔传感器，光电传感器。电涡流式传感器，若干导线，P C电脑

环形输送带，是欧鹏有限公司生产用于实验，环形输送带上共方12个方形金属和非金属元件供测量使用。

研华US B4704数据采集卡，US B-4702/4704是低成本的U S B数据采集模块。您不再需要打开机箱安装D A Q模块。只要插上模块，然后得到的数据。它的简单而有效的。可靠和足够坚固的工业应用，但足够便宜，家庭项目，US B-4702/4704是最完美的方式添加到任何U S B功能的计算机测量与控制能力。从US B 端口获得所有所需的电力，因此不断要求没有外部电源连接。

U S B-4702/4704的特点，他们是最具成本效益的实验室或生产线的测试和测量工具的有效选择S B- 4704 - AE 通道8 S E /4变化分辨率12位采样率48 kS /s的单极性输入（V）- 模拟输

出分辨率12位数字I /O 数字量输入通道8 数字输出通道8 定时器/计数器分辨率32位。

在本次实训中测环形输送带的转速和元件个数中用到了

A I0，D I2，D I4,接地口。

用A I接口进行采集霍尔传感器传输的模拟信号，在经过l a bvi e w处理得到一系列的方波，在经过程序处理后输出环形输送带的转速。

D I2，与D I4口分别是采集电涡流传感器，光电传感器传输数据。D I2，D I4口接收的是数字信号，由l a bv i e w处理得到金属元件和元件总个数。

（二）硬件电路设计（设计图纸，实物连接图照片）

四、软件设计

1．软件设计流程图

这次实训是利用l ab vi e w设计测量软件

软件平台是借助虚拟仪器软件问(La b V IE W)在计算机上搭建的虚拟测试系统。La b V IE W是实验室虚拟仪器工作平台

(1a bo r at or y v i rt u al i ns t r um en t en gi．ne e r i N gwo r kb e nc h)的简称，是美国国家仪器公司(N a．t i on al In s t rum e nt s)推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境．La b V IE W是一种程序开发环境，类似于C和BA S IC开发环境，但是La b V IE W与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而La b V IE W使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。La b V IE W软件是N I设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。La b V IE W开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。是目前国际上唯一的编泽型图形化编程语言。其编写的程序称为虚拟仪器程序(简称V I)，主要包括前面板(即人机界面)和框图程序两部分。前面板

用于模拟真实仪器的面板作，可设置输入数值、观察输出值及实

现图表、波形、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，

相当于传统程序的源代码．用于传送前面板输入的命令参数到仪

器以执行相应的操作。La b V IE W采用层次化结构．用户可以把创建的V I程序当作子程序调用。以创建更复杂的程序。用它编写方框图程序时，只需从对应的模块中选用相应的图标．然后再以线

条相互连接。即可实现数据的传输。该测试仪就是借助

La b V IE W．仿照真实仪器面板设计前面板．并通过La b V IE W中的D A Q助手及有关功能模块，编写框图程序。测试仪主要功能为脉搏信号的采集及数据存储和对采集存储的信号进行回放分析。根

据此要求，在hb VIE W前面板窗口中，选取有关控件及波形显示

器件．并借助L a b V I E W的工具模版，设计、架构测试仪前面板；在对应的框图程序窗LI．通过DA Q助手进行有关采集参数的设置．通过Wri t e La b V IE W M e a su r em en t模块实现对信号的保存．它将信号波形以数据点的形式存放于文件中．文件的扩展名为l v m。整个采集、显示过程由循环结构控制．选择A pp en d t o fi l e就可以将每个循环采集到的数据连成为长达40 s的完整过程记录。同放部分是通过R e a d f ro m s D r e ad sh e et f i l e模块读取文件路径框中给出的存放数据文件来实现波形的回放．以采样频率128 Hz、采样长度40 s为设定值。借助有关运算模块．进行脉率的测算。从而在测试仪前面板上实现脉搏波形的采集、数据存储、波形回放、频

谱分析、脉率显示、异常情况警示等功能。

2．程序设计

采集程序，信号处理。。。总程序框图，运行界面截图

这是实验中测得的数据，此时环形传感器转速为7.6r/m i n，由于此时传感器速度大于7r/m i n，所以这时报警灯亮，如果转速小于7r/m i n，则报警灯不亮。此时可以看出元件共有12个，金属元件有7个，在下面是由霍尔传感器测得的方波，在这次将采样频率调到4000，采样点数调到4000.

五、小结

通过本次传感器与测试技术技能实习，让我学到很多的没学过的知识，并且学会了和同学们一起团结合作完成了一件事情。这对我以后的人生道路有很大的帮助。

我们实训的第一天，老师让我们分成小组，每个组8个人，让我们每

个组选一个题目进行试验。我们组抽到的题目是环形输送带的测转速,计件。刚开始拿到题目不知道从哪下手，不过经过老师的一步一步的

指导，从安装L a b v i e w到测数据慢慢有了头绪。L a b v i e w

软件的使用应该是整个实验的关键，这个软件在我们

上传感器的课程上学过，不过在课上自己以为这个用

不到就没好好的学习。到用时才知道这个软件是有多

么的重要。

所以我们就只有问别的同学或自己上网查资料来学习

这个软件。这个软件学的差不多了就开始进行测量了。在电脑上进行数据的采样与分析。我们小组每个人都

进行了分工，每个人都完成一小部分的工作量，有的

同学把外面的线连接起来，有的同学在电脑上进行数

据的处理。

在这中间我们也遇到了许多的问题，我们通过组内的

讨论和商量，有的小问题得到解决，有的难的问题无

法解决，我们就找到老师帮我们看看，再给我们讲解

里面的一些用到的知识。直到我们所有的人明白其中

的道理。

通过本次的试验，我们从一无所知到了解所有的知识，有一种满满的成就感。短短几天的技能实习结束了，我们学会了团结与怎么克服困难。