测控专业 综合实验报告

湖南科技大学测控技术与仪器专业

专业综合实验报告

姓 名

学 号

成 绩

湖南科技大学机电工程学院

二〇一三 年 十一 月 十一 日

目录

一、液压泵站综合控制实验 . ........................................................................................... 3

（一）实验目的 . ....................................................................................................... 3

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 3

二、液压实验台PLC 控制实验 . ..................................................................................... 4

（一）实验目的 . ....................................................................................................... 4

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 4

三．振动测试与故障诊断综合实验（一） . ................................................................... 5

（一）实验目的 . ....................................................................................................... 5

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 5

四．振动测试与故障诊断综合实验（二） . ................................................................... 6

（一）实验目的 . ....................................................................................................... 6

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 6

五．基于虚拟仪器的自动控制原理综合实验 . ............................................................... 7

（一）实验目的 . ....................................................................................................... 7

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 7

六．基于虚拟仪器的传感器综合实验 . ........................................................................... 8

（一）实验目的 . ....................................................................................................... 8

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 8

七．地震仪器综合设计 . ................................................................................................... 9

（一） 实验目的 . ..................................................................................................... 9

（二）实验内容 . ....................................................................................................... 9

八．电法仪器综合设计 . ................................................................................................. 10

（一） 实验目的 . ................................................................................................... 10

（二） 实验内容 . ................................................................................................... 10

九、实验心得 . ................................................................................................................. 11

一、液压泵站综合控制实验

（一）实验目的

了解液压控制的装置，熟悉PLC 编程，并且了解PLC 控制在工业领域的发展。理

解液压装置的原理并且用于实践生活中去。

（二）实验内容

此实验是液压的测量实验用PLC 处理器控制来实现，液压PLC 综合控制实验室是

我公司根据高校机电一体化对气、电、液控制的教学大纲要求，在我公司专利产品YY-18

透明液压传动演示系统的基础上，综合了我公司气动PLC 与液压PLC 控制实验设备的

优点，采用了开放型综合实验台结构，广泛征求专家教授与老师的意见，经不断创新改

进研制而成的。是目前集气动控制技术、液压传动控制技术以及PLC 可编程序控制器

控制技术于一体的理想的综合性实验设备。实验时，它们可以相互辅成，交叉控制。可

以让学生直观、感性地对比、了解气、电、液各自具有的特点、特色、及优缺点等。

信号采集电路原理设计：

(1) 前置放大电路要求有阻抗匹配设计(前置放大器采用集成运放OP07、

采用电压负反馈设计、增益为10、50两档手动设计)

(2) 主放大器采用级联组合程控放大、增益动态范围为10至1500倍之内。

（增益程档位要求有30至40梯度之内，具体每档增益值不做具体

要求

但要求梯度增益呈线性）

(3) 主放大器末端输出值(Up-p)设计为5v ，如有溢出则在设计说明中明。

(4) 调理电路中要有工频滤波器设计。

液压实验元件均为透明有机材料制成，透明直观。便于了解掌握几十种常用液压

元件的结构、性能及用途。掌握几十种基本实验回路的工作过程及原理。实验时，组装

实验回路快捷、方便。同时，配备独立的继电器控制单元进行电气控制，简单实用。通

过与PLC 比较，，可以加深对PLC 可编程序控制器的了解及掌握。

本实验系统采用专用独立液压实验泵站，配直流电机无级调速系统，而且电机速度

控制系统内部具有安全限速功能，可以对输出的最高速度进行限制。同时配有数字式高

精度转速表，实时测量泵电机组的转速。并且配有油路压力调定功能，可以调定输出压

力油的安全工作压力。泵站配有多路压力油输出及回油，可同时对多路液压回路进行供

油回油。并采用闭锁式快速接头，以利于快速接通或封闭油路。实现油箱、油泵、直流

电机、直流电源及控制系统、转速测控一体化设计。

利用此套实验设备既可分别独立地进行液压控制相应的基本回路及其应用实验，以

及 PLC 编程及控制实验；同时，也可综合地进行相互配合的实验：如实现气-电控制，

气-液控制，电-液控制，以及气-电-液综合控制等。

指导老师 王启明

二、液压实验台PLC 控制实验

（一）实验目的

由于传统液压实验台采用继电器等元件作为控制系统的控制元件, 存在可靠性、灵

活性差等缺点, 利用PLC 对其进行改造, 不但扩大了液压实验台的功能范围, 提高了控制

系统的柔性, 可以学生在机电液综合控制等方面的综合能力, 还可以实现与计算机联网,

实现实验数据处理的自动化.

（二）实验内容 液压传动相对机械传动来说是一门新技术, 随着流体力学、自动控制、计算机技术

的不断发展, 液压传动技术也发展成为包括传动、控制、检测等技术在内的综合性的机

电液一体化技术, 在工业生产、设备控制等各个方面得到了广泛的应用. 在传统的液压系

统的控制中通常由继电器等构成, 但随着计算机技术、电力电子技术等的发展, 计算机及

电子电力控制技术在液压传动控制中也得到了广泛的应用, 以计算机技术为核心的PLC

技术自然在液压传动的控制中也得到了越来越多的应用.

根据液压实验台的控制系统可知, 在该液压实验台中, 操作人员发出的指令信号(按

钮信号) 、行程开关的反馈信号、时间继电器的定时信号是控制系统的输入信号, 而控

制系统的输出信号则是控制实验台中各电磁阀的电磁铁信号, 从而控制液压系统的液压

油流向, 达到控制系统的控制目的 .

根据选定的PLC, 对各输入输出接口进行分配, 以开关量作为输入输出的信号与PLC

的开关量输入输出端口直接相联, 对于回路的压力、温度、流量的测量和控制, 则通过压

力、流量、温度传感器转变为电压量后通过扩展的模拟量输入端口输入PLC, 一方面可以

通过RS232接口向上位计算机传输, 通过相应软件进行分析处理, 也可以直接通过PLC 中

的程序分析判断而向模拟量输出端口输出控制信号形成闭环控制. 利用可编程序控制

器作为液压实验台的控制核心, 。

PLC 控制液压实验台功能的实现以PLC 为控制核心的液压实验台, 可以作为液压元件

性能试验和液压回路试验的平台, 在硬件关系不变的情况下, 根据控制功能的逻辑要求,

在计算机上编制相应控制程序传送到PLC 中, 就可以实现不同的实验项目的控制要求.

下面以调速回路为例, 说明PLC 在液压系统实验中控制程序的编制.

具有可靠性高、抗干扰能力强, 灵活性好, 编程方便等特点, 从而在工业控制领域得

到了广泛的应用. 随着可编程控制器的技术的发展, 将其代替顺序控制器作为液压实验

台控制系统的核心, 不但能满足日益复杂的液压实验系统的控制要求, 而且作为开发新

的实验系统提供较大的柔性空间, 作为教学的液压实验系统更能充分发挥学生的主观能

动性, 满足开展创新性实验的需要.

指导老师 王启明

三．振动测试与故障诊断综合实验（一）

（一）实验目的

唯物史观认为，世界上的一切都在运动着，运动是物质存在的形式。人类认识物

质，就是认识物质的运动形式，只有通过运动才能认识各种物质的形态与性质。在物

质的运动中，振动和冲击是运动的主要形式．是自然界中广泛存在的现象。同世界上

一切事物无不具有两重性一样，振动和冲击也有两重性。当我们没有掌握振动与冲击

的规律时，它会给人类带来严重的危害，一旦当我们认识了它的规律，它又会变害为

利，给人类带来利益。

（二）实验内容

从力学观点讲，无论怎样复杂的机械设备或结构的物理特性参数，都是由质量、

弹簧刚度和阻尼这三种最简单、最基本的物理参数组成的，这几个参数都是结构的固有

特性。人们设计制作的机械系统或者统称为结构都是为了实现某种预想功能的。比如火

炮，是用来发射高速弹丸摧毁敌目标的，火车是用来运输乘客或货物的。要想使结构完

全按人们的预想目的准确地实现其功能，就得使结构具有良好的动态特征，使它能在特

定的环境激励条件下产生设想的响应。所谓结构的动态特性是指结构的模态参数，包括

固有态，即固有振型、固有频率和阻尼比。

系统要工作，必然要承受外部环境的各种激励。激励可以是力、位移、速度和加

速度。例如火炮工作时要承受高膛压的激励，汽车在公路上行驶时要受到路面高低不平

的道路激励。确定性激励的时域规律分为简谐激励、周期性激励和非周期性激励，非确

定性激励称为随机激励，按其统计规律又可分为平稳激励和非平稳激励，

由于各种结构具有不同的固有特性，在不同激励信号的作用下，其响应信号是非

常复杂的。响应信号分为线量响应和角量响应，分别可用位移、速度、加速度来描述。

不管是激励信号还是响应信号，均可在时域内、幅值域内、频域内进行描述。

对线性系统来说，激励、结构、响应三者之间有着确定的关系，知道其中两种数据信息，就可以求出第三种数据信息。

振动测试或称数据采集，是振动试验的主要内容之一，振动测试的目的和任务在于如实地获取数据信息，包括激励、结构、响应的有关数据信息以便直观了解激励状况、响应状况和结构特性。为了进一步了解激励、结构、响应最主要的特性或解决它们之间存在的一些问题，对测试数据就要作进一步处理和分析，以便揭示其最本质的东西或观察其主要矛盾。另外，环境试验、动态试验、振动诊断及控制都要用到实测的数据信息。因此，测试是振动试验最基本的环节。

对采集到的最基本最原始的信号，有的可以直接提供一些有用的信息，但这往往是十分有限的，远远不能满足振动分析及解决问题的需要，因此有必要进一步进行加工和处理，通过分析处理找出最有代表性的信息，掌握其中规律并以此来指导工程实践。由于信号的特性不同，要解决的工程问题也不同，因此，数据的分析处理方法也不同。归纳起来，可以在时域、频域．幅值域内对测试数据进行分析和处理。而且这三域之间是可以互相转换的。

指导老师 何宽芳

四．振动测试与故障诊断综合实验（二）

（一）实验目的

众所周知，设备在运转过程中都会不同程度地发生振动。对于木多数设备来说，当它们稳定工作时，振动有一个典型的极限值和一定的特性。而当设备内部的零件发生异常，即有缺陷时，振动的大小和振动的型式都会发生变化。这就表明，振动信号能真实地反映设备的运行状态。因此，对设备的振动进行测试和分析是掌握设备运行状态的重要手段之。

（二）实验内容

一、传感器

传感器的作用是采集机器的振动信号，并把这个信号转换成相应的电信号。传感器的输出电量和输入振动量的瞬时值之间保持一定的比例关系。

二，放大器

测振传感器的输出信号—般都是很微弱的。为了进行下一步的分析和记录，必须对此信号进行放大至足够的电平和功率。因而需要配有相应的放大器。除此作用外，一般放大器还

三、分析仪器

振动信号中包含了有关设备运行状态的大量信息。分析仪器就是将所测得的振动信号进行分解，以获得各个不同频率范围的信号。根据分析数据的特征，分析仪可分为模拟式和数字式两类。

四、记录仪器1. 磁带记单仪(磁带机) ，2. 电平记录仪

五、数据采集器

数据采集器是一种带计算机接口的智能比仪器：它和传感器、计算机三者组合在一起，成为一种新型的周期性监测系统。

六、仪器的配置

振动测试和分析的目的在于对设备运行状态进行科学地判断，对其存在问题的性质、原因及严重性作出判断，以便为检修提供可靠的依据。

一般来说，设备诊断分为两个层次：简易诊断和精密诊断。所谓简易诊断，就是通过测试和分析对设备是否处于正常状况做出迅速而准确地评价。共目的和作用在于对设备的劣化趋势进行判断。一般它是由现场人员进行的。精密诊断是对经简易诊断为有异常的设备做进一步的测试和分析，找出异常的原因和部位，并对其发展趋势作出判断和预报。其目的和作用是为检修决策提供依据。

指导老师 何宽芳

五．基于虚拟仪器的自动控制原理综合实验

（一）实验目的

用虚拟实验系统代替传统实验室, 用软件模拟实际硬件的全部功能。这样既可以节约成本, 又可以解决目前学院自动控制实验中存在的问题, 推动实验教学改革, 提高“自动控制原理” 课程教学效果。

（二）实验内容

随着虚拟仪器技术的发展, 采用NI 公司的LabVIEW 编程语言, 开发基于LabVIEW 虚拟实验系统, 同时把软件又是仪器的概念引入到了实验系统的设计中, 而不是单一的程序仿真。实验室的功能不再单一, 可面对更多课程的实验及课程设计向学生开放, 为学生提供更多的实践及创新机会, 让传统的实验室和先进的仿真软件结合起来, 这也正是各大高校实验改革的方向。LabVIEW 建立在易于使用的图形数据流编程语言———G 语言上, 大大简化了过程控制和测试软件的开发。但是在对各种算法的支持方面,LabVIEW 的工具箱非常有限, 这就限制了大型应用程序的快速开发。而MATLAB 以强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库, 为数学计算工具方面事实上的标准。因此LabVIEW 通过

ActvieX 自动化技术与MATLAB 进行混合编程, 达到了利用MATLAB 优化算法库的目的。将LabVIEW 与MATLAB 有机结合, 是一条开发智能虚拟仪器的有效途径。

根据自动控制原理实验教学大纲的要求, 本自动控制原理虚拟实验室共设计了10个实验, 内容涉及线性系统时域分析、线性系统的根轨迹、线性系统频域分析、线性系统串联校正、离散系统分析和非线性系统分析。从实验难易层次上可以分为基础性实验和设计性实验, 这样学生可以根据自身学习情况选择适当的实验, 促进了学生的学习。在LabVIEW 上设计系统前面板, 对应的后面板程序通过ActvieX 技术与MATLAB 进行混合编程, 利用MAT2LAB 编程方便的特点完成每个实验项目。

指导老师 周涵

六．基于虚拟仪器的传感器综合实验

（一）实验目的

传感器原理与应用是理工科学生的一门专业基础课 , 其教学内容与实验密切相关。如何将现代测试理论、方法与实践引入该课程的实验教学中是一个值得重视的问题。“虚拟仪器 (VI)”系统是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物。它从根本上更新了仪器的概念 , 具有传统仪器无法比拟的优势。它的出现是仪器发展史上的一场革命 , 代表着仪器发展的最新方向和潮流 ,是信息技术的一个重要领域 , 对科学技术 的发展和工业生产将产生不可估量的影响。

（二）实验内容

1. 热电偶实验模块（nextsense01），支持K 型，J 型热电偶，提供放大、滤波电路。本实验属于模拟实验模块，适用于Analog Slot ， 运行课程后可以自动识别模块占用的通道。

2. 热敏电阻实验模块（nextsense02），可完成热敏电阻教学实验，提供分压法，恒流源法两种热敏电阻调理电路，本实验属于模拟实验模块适用于Analog Slot。

3.RTD 热电阻实验模块（nextsense03），支持Pt100，Pt1000传感器，提供分压法，恒流源法两种热电阻调理电路，本实验属于模拟实验模块，适用于Analog Slot。

4. 光敏电阻实验模块（nextsense04），提供恒流源法调理电路，提供光敏电阻及光源以完成实验教学。本实验属于模拟实验模块，适用于Analog Slot。

5. 霍尔传感器实验模块（nextsense05），支持并提供线性、开关两种霍尔传感器及信号源，以完成实验教学。本实验内部包含模拟部分和数字部分，左侧数字实验模块适用于Digital Slot，右侧模拟实验模块，适用于Analog Slot，共占用两个插槽。

6. 交通灯实验模块（nextwire20），可完成交通灯数字逻辑设计，并支持LabVIEW 再开

发。本实验属于数字实验模块，适用于Digital Slot。

指导老师 周涵

七．地震仪器综合设计

（一）实验目的

理解物探仪器的工作原理，并且了解其应用价值，知道器用于地震超前测量的用处，了解新型科技用于生活以及工业领域。知道地震测量原理，以及物探测量用于其他领域，比如航空领域。

（二）实验内容

1：地震波勘探的基本原理

地震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时，遇到不同的波阻抗界面时，在界面处会发生反射，透射（折射）等现象，这些在不同波阻抗界面发生反射、透射（折射）的地震波可被排列于震源附近的检波器所接收，从而形成可用于地震解释的原始数据。

2：弹性介质和理论基础

某物体在外力作用下产生形变，当外力去掉之后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小，物体这种特性称为弹性，该介质称之为弹性介质。自然界大部分物质都可以在一定的外力作用下呈现出弹性的性质。

在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分为各向同性和各向异性两类。所有弹性性质和空间方向无关的称之为各向同性介质；反之则为各向异性介质。在矿井地震波勘探中，人工地震震源是在很短的时间内激发的脉冲式地震波，激发的能量对于探测前方的岩层和接收点处介质所产生的作用力较小，因此可以将它们看作弹性介质，并可以用弹性理论来研究地震波的传播问题。研究表明，大部分岩、煤的机制在地震勘探中都可以看作式各向同性介质，从而可以利用一些基本弹性理论来进行地震波研究。

在矿井地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在岩、煤介质中的传播规律，以探测前方地质构造和岩层的分布等。研究的理论中，通常把岩、煤介质看作各向同性的弹性介质，把地震波看作弹性波——即将不完全符合真实情况的问题简单化。

在矿井地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在岩、煤介质中的传播规律，以探测前方地质构造和岩层的分布等。研究的理论中，通常把岩、煤介质看作各向同性的弹性介质，把地震波看作弹性波——即将不完全符合真实情况的问题简单化。

所以常用的矿井地震波探测方法是使用的仪器为矿井地质探测仪KDZ1114-6A30。该仪器属于便携式多功能智能矿井资质探测仪，在功能设计上，集成了目前在矿井地震勘探中常用的八种勘探方法，可以进行各种类型的浅层地质构造勘探。本文使用的方法

为反射共偏移和单点探测。

指导老师 付国红

八．电法仪器综合设计

（一）实验目的

通过本实验学习，从实验与电路设计的角度出发，进一步了解激电法物探仪器系统的基本工作原理，掌握地球物理信息的采集方法和模拟信号调理电路工作原理。通过模拟信号调理电路的设计，掌握地球物理信息采集观测仪器仪表的研制的基本技能

（二）实验内容

它的优点是观测速度快，工作效率高、探测深度600-800米；轻便灵活，供电电流仅为时间域激电的1/10～1/20；受电流变化影响小，不需稳流；抗工业干扰能力强；自动消除电磁耦合效应；为判别激电异常源提供信息；经专家鉴定在频率域激电领域已达到国际领先水平。彩色大屏幕液晶显示，全中文界面，实时显示测量曲线。

广泛应用于金属与非金属矿产的资源勘探，及寻找地下水及工程地质等方面。既可进行地面所有装置的激电测量、电阻率测量，也可进行井中的连续激电测井和井中激电测量。井中测量 ，可达3000米的洞底；地面测量：固定或移动回线，电测深或剖面探析；地下测量：石英钟定时; 扁平洞侧推杆；小型到大型系统：适用于所有地震勘探野外工作主要分为现场踏勘、野外施工设计、试验及正式生产阶段。野外工作中的关键是地震勘探采集系统和工作方法，它决定着能否获得高信噪比、高分辨率、高保真度的原始资料。根据地震勘探所要解决的地质任务，野外分为二维地震勘探和三维地震勘探，三维地震勘探多用于地质条件复杂、构造幅度小、二维勘探无法解决的地区。相比之下三维勘探的工作量比二维勘探大得多，无论是设备还是人员的配备都大大超过二维勘探，相应于二维勘探组成二维地震队，相应于三维勘探组成三维的地震队。

电法仪器是DDJ-4A 型多功能电测仪：该仪器集24位A/D、ARM 等当今最新电子技术研制的新一代数字直流电法仪器，仪器的体积和重量显著缩小，主要技术指标及性能相当于当前国外同类仪器，在各种野外复杂环境下能更好地工作。广泛应用于金属与非金属矿产资源勘探、能源勘探、工程地质勘探、环境地质勘探、水文地质勘探，还能用于地热勘探等方面。仪器特点有整机体积小、功耗低。采用24 位AD 转换器及信号增强技术和数字滤波, 抗干扰能力强, 测量精度高。自动进行自然电位、漂移及电极极化补偿。不测量时，通道入口短路，防止长时间开路。供彩色大屏幕显示：汉字对话，不但能一次显示所有的测量参数，而且可显示观测曲线，使得测量结果直观明了。多参数测量：可测量并存储自然电位、一次电位和电流、视电阻率、视极化率、半衰时、衰减度、偏离度和综合参数等。具有掉电数据不丢功能，能存储1MB 数据并长期保存。用单片ARM 进行控制与数据处理。除RS232 接口、网口与计算机通讯传输数据外，增加了USB 接口可

以用U 盘拷贝数据文件。极距常数表──对所有装置，可预先存储多组不同极距常数，从而避免相同。

指导老师 付国红 九、实验心得

经过数字处理后的水平叠加时间剖面尽管能直观反映地下地质构造特征，但它毕竟不是地质剖面，为了给地质人员提供地质剖面或构造图以及岩性方面等地质信息，必须对地震时间剖面进行地质解释，也就是将地球物理信息转换为地质信息。因此，地震资料解释是地震勘探工作的最后一个环节，是出成果的阶段。地震资料解释是综合运用地质、钻探、测井及其它地球物理资料，根据地震波动力学和运动学特点进行分析对比，最后提交各种构造或岩性的地质图件。

通过在该矿的现场探测可以看出在巷道前方地质复杂的条件下通过有效的探测方式多种探测方式，多次探测验证可以有效的指导煤矿采掘及其他方面的安全生产。应该说，煤矿在日常生产过程中，存在较多影响矿井安全的地质构造及异常问题，完全依靠地质技术人员的经验，防范地质灾害的发生，其工作量和责任都十分重大，利用有效的辅助手段，既可减轻技术人员的工作压力，又可增加地质预测的准确率，取得较好的应用效果。

通过利用PLC 对液压实验台的进行改造, 可以扩大原有实验台的功能, 提高实验方案的灵活性, 与计算机进行联接, 可以实现数据处理的自动化. 改造后的实验台不仅能进行液压方面的实验, 还可以进行有关PLC 的实验, 使PLC 实验更加直观, 有利于培养学生在机电液综合控制等方面的综合能力.

现在科技发达，各种高科技的技术运用于生活工业领域当中，我们感受颇深。此实验中，两位老师精心为我们解释各种原理，各种现象，让我们恍然大悟。懂得了多种实验的原理在生活中的应用。我们也要加强专业知识，以便能够在今后的工作生活中应用进去，受益于这些新型科技的好处。

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