傳感器與檢測技術(shù)-實驗指導(dǎo)書2012

1、 檢測與轉(zhuǎn)換實驗指導(dǎo)書傳感器與檢測技術(shù)實驗指導(dǎo)書適用專業(yè): 測控、信息工程 課程代碼: 6001369 總學(xué)時: 總學(xué)分: 編寫單位: 測控技術(shù)與儀器系 編 寫 人: 林 艷 審 核 人: 審 批 人: 批準(zhǔn)時間: 年 月 日目 錄 實驗一 箔式金屬應(yīng)變片性能及單臂、半橋、全橋性能比較與半導(dǎo)體應(yīng)變片性能比較試驗（實驗代碼1）3實驗二 熱電式傳感器熱電偶、熱敏電阻測溫試驗（實驗代碼2）6實驗三 基于上位機(jī)檢測的光電測速、測頻率綜合實驗（實驗代碼3）9實驗四 基LABVIEW的霍爾式傳感器的直流激勵特性綜合實驗（實驗代碼4）12 實驗五 數(shù)字存儲示波器原理和應(yīng)用（實驗代碼5）15實驗六 溫度檢測與

2、控制系統(tǒng)綜合實驗 （實驗代碼6） 19 附錄1：成績考核辦法23 附錄2：推薦教材、參考書23 實驗一 箔式應(yīng)變片性能及單臂、半橋、全橋性能比較與半導(dǎo)體應(yīng)變片性能比較試驗 一、 實驗?zāi)康暮腿蝿?wù) 1 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式；2 測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出；3 比較各橋路間的輸出關(guān)系；4 比較金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的各種的特點。二、 實驗內(nèi)容1 測量直流單臂，半橋和全橋的輸出特性；2  比較溫度對單臂，半橋和全橋性能的影響；3  對單臂、半橋和全橋的靈敏度，線性度進(jìn)行比較；4 采用單臂電橋進(jìn)行測量，對金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片進(jìn)行靈敏度的比較。三、 實驗儀器、設(shè)備及材

3、料 直流穩(wěn)壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應(yīng)變片、測微頭、（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表。 四、 實驗原理1. 金屬箔式應(yīng)變片性能及單臂、半橋、全橋性能本實驗說明箔式應(yīng)變片及單臂直流電橋的原理和工作情況。應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，當(dāng)測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。優(yōu)點: 穩(wěn)定性和溫度特性好；缺點: 靈敏度系數(shù)小。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，

4、電阻的相對變化率分別為R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，當(dāng)使用一個應(yīng)變片時，；當(dāng)二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應(yīng)變片組成二個差動對工作，且R1R2R3R4R，。4V RR24V R3 R1WDV圖1.1 單臂電橋測試原理圖由此可知，單臂，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。單臂電橋測試原理如圖1.1所示。如果 R1R2R3R4，則從上式中可以看出電橋中相鄰兩臂的應(yīng)變片受力應(yīng)相反。2. 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。對于長l，截面積S，電阻率的條形半導(dǎo)體應(yīng)變片，在軸向力F作用下： 應(yīng)變靈敏系數(shù) 式中，E 半導(dǎo)體應(yīng)變片材料的彈性模

5、量；L 半導(dǎo)體晶體材料的縱向壓阻系數(shù)，與晶向有關(guān)。特點：靈敏系數(shù)高（其靈敏度是金屬應(yīng)變片的幾十倍），可測微小應(yīng)變，機(jī)械遲滯和橫向效應(yīng)小，體積小。但溫度穩(wěn)定性差，靈敏系數(shù)非線性大，需補(bǔ)償。五、 主要技術(shù)重點、難點測試方法的理解和運(yùn)用。六、 實驗步驟1調(diào)零。開啟儀器電源，差動放大器增益置100倍（順時針方向旋到底），“、”輸入端用實驗線對地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線。調(diào)零后電位器位置不要變化，調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。2按圖1.1將實驗部件用實驗線連接成測試橋路。橋路中R1、R2、R3、和WD為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，R為金屬箔式應(yīng)變

6、片（可任選上、下梁中的一片工作片）。直流激勵電源為±4V。3確認(rèn)接線無誤后開啟儀器電源，并預(yù)熱數(shù)分鐘。測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)使應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài)。調(diào)整電橋WD電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。4旋動測微頭，帶動懸臂梁分別作向上和向下的運(yùn)動，以懸臂梁水平狀態(tài)下電路輸出電壓為零為起點，向上和向下移動各5mm，測微頭每移動0.5mm記錄一個差動放大器輸出電壓值，并列表。5. 半導(dǎo)體應(yīng)變片單臂電橋測試：保持差動放大器增益不變，按圖1.1將實驗部件用實驗線連接成測試橋路，將圖1.1中的R換為半導(dǎo)體應(yīng)變片，重復(fù)金屬箔式單臂電橋的步驟；位移mm電壓V6. 直流半橋：保持差動放大器增

7、益不變，將R2換成與應(yīng)變片R工作狀態(tài)相反的另一金屬箔式應(yīng)變片，（若R拉伸，換上去的應(yīng)為壓縮片）形成半橋。重復(fù)單臂電橋的步驟；7 直流全橋：保持差動放大器增益不變，將R1換成與應(yīng)變片R工作狀態(tài)相反的另一金屬箔式應(yīng)變片，（若R拉伸，換上去的應(yīng)為壓縮片），將 R3換成與應(yīng)變片R工作狀態(tài)相同的另一金屬箔式應(yīng)變片，形成全橋。重復(fù)單臂電橋的步驟。七、 實驗報告要求1. 用表格形式列出金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)；2. 分別在坐標(biāo)紙上繪出三種情況下的輸出特性曲線（X-V曲線）并在同一坐標(biāo)紙上描出此三條曲線，討論三種情況下的線性誤差，靈敏度；3. 用表格形式列出半導(dǎo)體應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙

8、上繪出金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋和半導(dǎo)體應(yīng)變片單臂電橋情況下的輸出特性曲線（X-V曲線）并在同一坐標(biāo)紙上描出此二條曲線，以便比較靈敏度，討論這二種情況下的線性誤差，靈敏度。例：直流單臂電橋1、  數(shù)據(jù)表2、X-V曲線3、最大線性誤差式中為非線性誤差。輸出值與理論直線的最大偏差絕對值。此處理論曲線取兩端點的連線。滿量程輸出VHVL為上下限標(biāo)稱值之差的絕對值，此處下限VL0所以VH。4、  靈敏度此處近似為輸出特性曲線兩端點連接直線的斜率。最后在同一坐標(biāo)紙上作出三種情況下的輸出特性曲線。通過以上比較可以得出什么樣的結(jié)論？并回答為什么應(yīng)變片傳感器常采用半橋式或全橋形式？5、重復(fù)以上步

9、驟，比較半導(dǎo)體應(yīng)變片和金屬箔式應(yīng)變片，通過以上比較可以得出什么樣的結(jié)論？并回答為什么采用半導(dǎo)體應(yīng)變片來測量微應(yīng)變？為什么盡管金屬應(yīng)變片的靈敏度很小，但仍在許多場合得到應(yīng)用？八、 實驗注意事項1實驗前應(yīng)檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應(yīng)盡量使用較短的接插線，以避免引入干擾； 2接插線插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導(dǎo)線斷裂；3穩(wěn)壓電源不要對地短路；4. 進(jìn)行上述實驗時激勵電壓，差動放大器增益、測微頭起始點位置等實驗條件必須一致，否則就無可比性。九、 思考題 1. 為什么需要將放大器增益放到最大后再進(jìn)行調(diào)零？2. 應(yīng)變片的安裝位置如何？3. 半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點是什么

10、？4. 增益放在什麼位置好？5. 你怎樣確定零點、量程和測量范圍？實驗二 熱電式傳感器熱電偶、熱敏電阻測溫試驗 一、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù) 1、觀察了解熱電偶的結(jié)構(gòu)；2、熟悉熱電偶的工作特性；3、學(xué)會查閱熱電偶分度表；4、了解熱敏電阻的特性；5、比較熱電偶和熱敏電阻的特性。二、實驗內(nèi)容1. 采用K型熱電偶進(jìn)行測溫2. 并通過計算算出環(huán)境溫度對溫度測量的影響；3. 采用熱敏電阻進(jìn)行測溫；4. 比較熱電偶和熱敏電阻的測溫特點、三、實驗儀器、設(shè)備及材料 熱電偶、熱敏電阻RT、溫度變換器、加熱器、差動放大器、電壓表、溫度計（自備）。 四、 實驗原理1、熱電偶測溫：熱電偶是熱電式傳感器的一種，它可將溫度變化轉(zhuǎn)化

11、成電勢的變化，其工作原理是建立在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)上的。即將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路，如果兩個結(jié)點的溫度不同，回路中將產(chǎn)生一定的電流（電勢），其大小與材料的性質(zhì)和結(jié)點的溫度有關(guān)。因此只要保持冷端溫度t0不變，當(dāng)加熱結(jié)點時，熱電偶的輸出電勢E會隨溫度t變化，通過測量此電勢即可知道兩端溫差，從而實現(xiàn)溫度的測量。本儀器中熱電偶為銅康銅熱電偶（K型）。2、熱敏電阻測溫：熱敏電阻是熱電式傳感器的一種，它可將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻變化以達(dá)到測量溫度的目的。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料制成的熱敏元件，它具有靈敏度高，可以應(yīng)用于各領(lǐng)域的優(yōu)點。熱電偶一般測高溫線性較好，熱敏電阻則用于200以下溫度較為方便。本實驗

12、中所用熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)。其定義為熱敏電阻在其自身溫度變化1時，電阻值的相對變化量，可用下式表示為：式中B為熱敏電阻常數(shù)。本實驗所用的熱敏電阻B=3200K。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻其特性可以表示為： 式中RT、RT0分別為溫度T和T0時的電阻值。因此當(dāng)溫度變化時，熱敏電阻阻值的變化將導(dǎo)致由運(yùn)放組成的壓/阻變換電路的輸出電壓變化，其關(guān)系可表示為： 式中UT、U T0分別為溫度T和T0時的壓/阻變換電路的輸出電壓值。根據(jù)上面兩式：五、 主要技術(shù)重點、難點熱電偶的冷端處理，所測溫度的計算與修正。六、 實驗步驟1、熱電偶的測溫試驗步驟1) 調(diào)節(jié)差動放大器輸出為零。開啟儀器總電源并將儀器左下角的

13、7;15V電源開關(guān)置于“開”的位置。差動放大器增益置100倍（順時針方向旋到底） “+、-”輸入端用實驗線對地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線。調(diào)零后，差動放大器的兩個電位器的位置不要變化；2) 將熱電偶接入差動放大器的雙端輸入，記錄數(shù)字表顯示的電壓值Ut；3) 打開加熱開關(guān)，觀察差動放大器輸出電壓的變化，每隔1-2分鐘記錄一次電壓值，待溫度不再上升時（達(dá)到相對的熱穩(wěn)定狀態(tài)），記錄電壓表讀數(shù)，并求出溫度值；4) 本儀器上熱電偶是由兩支銅康銅熱電偶串接而成，熱電偶的冷端溫度為室溫，放大器的增益為100倍，計算熱電勢時均應(yīng)考慮進(jìn)去。用溫度計讀出熱

14、電偶參考端所處的室溫t1； E（t , to） = E（t , t1） + E（t1 , to） 實際電動勢 測量所得電勢 溫度修止電動勢式中E為熱電偶的電動勢，t為熱電偶熱端溫度，to為熱電偶參考端溫度為0，t1為熱電偶參考端所處的溫度。查閱銅康銅熱電偶分度表，求出加熱端溫度t； 圖2.1 熱電偶測溫電路2、熱敏電阻的測溫試驗步驟Rt測溫電橋放大電路VF圖2.2 熱敏電阻測溫電路1) 觀察裝于懸臂梁上封套內(nèi)的熱敏電阻，將熱敏電阻接入溫度變換器RT端口，調(diào)節(jié)“增益”旋鈕，使加熱前電壓輸出U0端的輸出電壓值盡可能大但不超量程，記錄U RT0值；2) 用溫度計測出環(huán)境溫度，記錄T0值。（用國際溫標(biāo)

15、）；3) 打開加熱器，觀察溫度變換器輸出電壓的變化情況。每隔1分鐘，盡可能同時測出熱電偶、熱敏電阻傳感器的輸出電壓，記入數(shù)據(jù)表。直至電壓穩(wěn)定；4) 根據(jù)計算熱電偶的穩(wěn)定溫度值T, 計算第5點的溫度值T1。七、 實驗報告要求1、 記錄熱電偶（UE t）、熱敏電阻（UR t）測量數(shù)據(jù)：室溫t=_序號12345測量值UE/VVETUR/VVRT1VRT計算值熱電偶計算最后的穩(wěn)定溫度值T熱敏電阻計算該點的溫度值T12、畫出測溫的電路并進(jìn)行相關(guān)說明，本試驗將兩熱電偶串聯(lián)使用，說明所測的溫度的特點；3、 算出熱電偶所處的穩(wěn)定狀態(tài)溫度，詳細(xì)列出所有算法并說明理由；4、 說明環(huán)境

16、溫度對熱電偶測溫的影響，提出對冷端的處理方法；5、 說明負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻溫度特性，說明其測溫的特點。八、 實驗注意事項1. 本儀器所使用的熱電偶是由兩只銅-康銅熱電偶串接而成的，熱電偶的冷端為室溫，熱端在懸臂梁上。放大器的增益為100倍，計算熱電勢時應(yīng)考慮進(jìn)去。2. 因為儀器中差動放大器放大倍數(shù)100倍，所以用差動放大器放大后的熱電勢并非十分精確，因此查表所得到的熱端溫度也為近似值。3. 盡可能同時測出熱電偶、熱敏電阻的輸出電壓，記入數(shù)據(jù)表。九、 思考題 1、  熱電偶分度表是如何做出回來的？2、為何將兩熱電偶串聯(lián)使用？3、  熱敏電阻有什么特點？實驗三

17、基于上位機(jī)檢測的光電測速、測頻率綜合實驗一、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù) 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，轉(zhuǎn)速測量是一個很重要的問題。通過該試驗，達(dá)到以下綜合目的：1、了解光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理；2、掌握光電測速的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；3、學(xué)會通過測量脈沖計算轉(zhuǎn)速；4、了解計算機(jī)測速的基本環(huán)節(jié)；5、了解光電轉(zhuǎn)速中環(huán)境光對測速的影響。二、實驗內(nèi)容1. 采用光電轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測速；2. 采用頻率計通過測量光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖計算轉(zhuǎn)速；3. 采用示波器通過測量光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖計算轉(zhuǎn)速；4. 通過數(shù)據(jù)采集板，經(jīng)過RS232與計算機(jī)通信進(jìn)行速度的測量與顯示。5. 采用人為干擾的方法，觀察環(huán)境光對光電測速的影響。三、實驗儀器、設(shè)備及

18、材料 光電傳感器、光電變換器、測速電機(jī)及轉(zhuǎn)盤、電壓 / 頻率表2KHZ檔、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)。圖3.1 光電傳感器（光電耦合器）四、 實驗原理圖3.2 采用頻率計的測量系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強(qiáng)度變化的電子器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻斷時，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號。其工作原理如圖4.1所示。 光電式傳感器由獨(dú)立且相對放置的光發(fā)射器和收光器組成，通過光發(fā)射器和收光器之間并阻斷光線時，傳感器輸出信號。圖3.3 采用示波器的測量系統(tǒng)信號盤結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，盤上共有 2個齒，將信號盤與電機(jī)安裝在一起，使其隨電機(jī)轉(zhuǎn)動；傳感器固定在支架上，垂直于轉(zhuǎn)速盤

19、，當(dāng)轉(zhuǎn)速盤旋轉(zhuǎn)時，光電傳感器就輸出矩形脈沖信號，每2個脈沖對應(yīng)電動機(jī)1轉(zhuǎn)。信號盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。圖3.2采用頻率計通過測量光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖計算轉(zhuǎn)速；圖3.3采用示波器測轉(zhuǎn)速。光敏晶體管的特性：圖3.4 硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管圖3.5 硅和鍺光敏管的光譜特性圖3.6 光電脈轉(zhuǎn)換電路光電信號的轉(zhuǎn)換：光電耦合器（如圖3.6中虛線所示）將速度信號轉(zhuǎn)換為電脈沖，再進(jìn)行放大和整形，光電脈沖轉(zhuǎn)換電路如圖3.6所示。轉(zhuǎn)速的計算：在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個數(shù) (即頻率)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間T (min)，計數(shù)器計取的

20、脈沖個數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為N (rmin)，則 f-=pN60，際轉(zhuǎn)速值N=60 fp。計算機(jī)測試：CSY系列傳感器綜合測試儀負(fù)責(zé)提供底層的多種傳感器的測試信號；數(shù)據(jù)采集卡完成信號的放大、A/D轉(zhuǎn)換并通過RS232串口將CSY系列傳感器實驗儀的測試信號送入計算機(jī)，如圖3.7所示。RS232CSY型傳感器實驗儀數(shù)據(jù)采集卡PC機(jī)（測試平臺）圖3.7 基于PC機(jī)的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集卡已安裝于儀器內(nèi)部，其信號輸入端即為儀器上電壓/頻率表的VI端。十二位A/D轉(zhuǎn)換，精度為1/2048，量程分200Mv、1V、10V三檔，可以根據(jù)實驗采集電壓范圍選擇量程，以獲得較高精度

21、。采集速度分單次和連續(xù)兩種模式，連續(xù)采集主要是對動態(tài)信號，速度1-7檔從20000次/秒100次/秒，用戶可以根據(jù)動態(tài)信號的頻率選定采集速度。通訊約定（串行口RS232）：波特率2400，1位停止位，無奇偶校驗。安裝：數(shù)據(jù)采集卡使用計算機(jī)的COM14口進(jìn)行通訊，故計算機(jī)上的其他串行設(shè)備的安裝必須做到：BIOS中的設(shè)置正確，中斷號不能和通信口所占用的中斷號相沖突?！稗D(zhuǎn)速”測試最低轉(zhuǎn)速為7.62轉(zhuǎn)/秒，信號頻率（脈沖信號）均要通過“轉(zhuǎn)速”插口送入采集卡中。上位測試界面如圖3.8所示。圖3.8 基于虛擬示波器的上位測試界面五、主要技術(shù)重點、難點對測試系統(tǒng)的整體把握。六、實驗步驟1、 光電傳感器“光電

22、”端接光電變換器 端，VF端接示波器和電壓/頻率表2KHZ；2、注意安裝好光電傳感器位置，勿與信號盤盤面相擦；3、開啟電源，打開電機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用頻率法和周期法進(jìn)行測速：1）采用頻率測量法：將VF端接電壓/頻率表2KHZ，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n1,測得頻率f1；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n2,測得頻率f2,分別算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速；2）采用周期法：將VF端接示波器，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n1,測得具有一定周期T1的方波；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n2, 測得具有一定周期T2的方波,分別算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,并測出方波的幅值。注意：步驟1）和2）可同時進(jìn)行，用示波器觀察光電轉(zhuǎn)換器VF端，讀出波形頻率，與頻率表所示頻率比較； 4、觀察老師做微機(jī)檢測與轉(zhuǎn)換的演示

23、試驗：將CSY實驗儀器的通信電纜與PC機(jī)的COM口相連接，在PC機(jī)上打開測試界面，將VF端接電壓/頻率表2KHZ，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n1,觀察PC機(jī)所測得頻率f1；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n2, 觀察PC機(jī)所測得頻率f2,與前兩種測試的方法相對比；5、人為干擾：通過手電將一較強(qiáng)光源照射儀器轉(zhuǎn)盤上方，觀察測試方波是否正常。低速中速高速脈沖幅值頻率測試法測試周期測試測試七、實驗報告要求1、分別記錄好采用頻率、周期測量法所測的數(shù)據(jù)，分別算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速并說明計算原理，并測脈沖的幅值，比較波器與頻率表的測試結(jié)果，說明測量差別的原因； 2、 說明微機(jī)檢測系統(tǒng)的構(gòu)成以及測試原理；3、 說明人為干擾產(chǎn)生的現(xiàn)象，從光

24、敏晶體管的頻譜特性入手分析其原因，說明光電傳感器在一般的環(huán)境下測量不受日光影響的原因；4、 說明本測試系統(tǒng)對速度的分辨力，并提出提高其分辨力的方法。八、實驗注意事項光電傳感器勿與信號盤盤面相擦，否則易使電機(jī)堵轉(zhuǎn)。九、思考題 1、 CSY實驗儀器的速度信號是如何提供的？2、微機(jī)檢測系統(tǒng)是如何構(gòu)成的？通信的速度對測試有何影響？3、如果要想提高測試的分辨率，應(yīng)采用什么樣的措施？ 實驗四 基LABVIEW的霍爾式傳感器的直流激勵特性綜合實驗 一、 實驗?zāi)康暮腿蝿?wù) 1 了解霍爾式傳感器的工作原理；2 熟悉霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)； 3 學(xué)會用霍爾傳感器做靜態(tài)位移測試；4 了解基于LABVI

25、EW的測試系統(tǒng)構(gòu)成。二、 實驗內(nèi)容1 測量霍爾式傳感器的直流激勵特性；2 通過霍爾式傳感器進(jìn)行位移的測量；3  練習(xí)如果確定測試范圍；4 進(jìn)行LABVIEW的測試系統(tǒng)的演示實驗。三、 實驗儀器、設(shè)備及材料 直流穩(wěn)壓電源、電橋、霍爾傳感器、差動放大器、電壓表、測微頭。 四、 實驗原理在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，VH稱為霍爾電壓：VH KHIB霍爾元件一旦制成，KH為常數(shù)。霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾傳感

26、器是由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成，當(dāng)霍爾元件通以恒定的電流時，霍爾元件就有電勢輸出。如圖4.1 (a)所示的兩塊永久磁鐵相同極性相對放置，將霍爾元件置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個位置可以作為位移的零點。當(dāng)霍爾器件在Z軸方向位移DZ時，霍爾器件有一電壓UH輸出，其輸出特性如圖9-20(b)所示。只要測出UH值，即可得到位移的數(shù)值。位移傳感器的靈敏度與兩塊磁鋼間距離有關(guān)，距離越小，靈敏度越高。一般要求其磁場梯度大于0.03Tmm，這種位移傳感器的分辨率優(yōu)于10-6m。如果浮力、壓力等參數(shù)的變化能轉(zhuǎn)化為位移的變化，便可測出液位、壓力等參數(shù)。本設(shè)計中通過調(diào)節(jié)測微頭來調(diào)節(jié)霍

27、爾器件在磁場中的位移。其測量推導(dǎo)如下：VH KHIBB = k B xVH KHI k B xK= KH I k BVH = K x 圖4.1 霍爾位移測量測量原理圖如圖4.2所示。WDR2V差放 電壓表圖4.2 測量原理圖基于LABVIEW的測試：所謂虛擬儀器就是以計算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機(jī)的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)，其中最有代表性的圖形化編程軟件就是美國NI公司推出的Labview(laborat

28、ory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺)。CSY系列傳感器實驗儀自帶數(shù)據(jù)采集卡，其廠家自行開發(fā)了一個很簡單的數(shù)據(jù)采集上位界面，但難以滿足多種測試與數(shù)據(jù)處理功能。本實驗充分利用現(xiàn)有的CSY系列傳感器實驗儀，通過串口與計算機(jī)通信，并在LabVIEW軟件環(huán)境下實現(xiàn)傳感器信號采集與顯示，并可將MATLAB與LabVIEW相結(jié)合，利用其強(qiáng)大的計算功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、曲線擬合、結(jié)果判定等功能，提升了傳統(tǒng)儀器的性能，實現(xiàn)了儀器功能的開放。CSY系列傳感器綜合測試儀負(fù)責(zé)提供底層的多種傳感器的測試信號；數(shù)據(jù)采集卡完成信號

29、的放大、A/D轉(zhuǎn)換并通過RS232串口將CSY系列傳感器實驗儀的測試信號送入計算機(jī)。在LabVIEW下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器，通過編制軟件可以在有限的設(shè)備基礎(chǔ)上實現(xiàn)虛擬儀器VI(Virtual Instrument)的各種自定義功能，大大擴(kuò)展了儀器的功能。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖4.4 虛擬電壓表前面板RS232CSY型傳感器實驗儀數(shù)據(jù)采集卡PC機(jī)（LABVIEW測試平臺）圖4.3 基于LABVIEW的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測試所設(shè)計的虛擬電壓表如圖4.4所示。五、 主要技術(shù)重點、難點零點和測試范圍的確定。六、 實驗步驟1調(diào)零。開啟儀器電源，差動放大器增益置100倍（順時針方向旋到底），“、”輸

30、入端用實驗線對地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線。調(diào)零后電位器位置不要變化。如需使用毫伏表，則將毫伏表輸入端對地短路，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針居“零”位。拔掉短路線，指針有偏轉(zhuǎn)是有源指針式電壓表輸入端懸空時的正常情況。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源；2. 按圖4.2接線；裝上測微頭，調(diào)節(jié)振動圓盤上、下位置，使霍爾元件位于梯度磁場中間位置；3. 將差動放大器增益放在適度的位置（認(rèn)真理解“適度”的含義）；4. 開啟電源，調(diào)節(jié)電橋WD，使差放輸出為零；5. 上、下移動振動臺，使差放正負(fù)電壓輸出對稱；6上、下移動測微頭各3.5mm，每變化0.5mm讀取相應(yīng)的電

31、壓值。7. 如所測的數(shù)據(jù)不對稱，應(yīng)重新調(diào)整零點再測；8. 最后將測微頭的移動范圍超過3.5mm，觀察將出現(xiàn)什么現(xiàn)象；9. 觀察老師做基于LABVIEW的測試的演示實驗：將CSY實驗儀器的通信電纜與PC機(jī)的COM口相連接，在PC機(jī)上打開LABVIEW的測試界面，調(diào)出如圖4.4所示虛擬電壓表進(jìn)行測試。七、 實驗報告要求1. 上、下移動測微頭各3.5mm，每變化0.5mm讀取相應(yīng)的電壓值并記入下表，作出VX曲線，求出靈敏度及線性。X(mm)V(v)2. 說明為了使使差放正負(fù)電壓輸出對稱，如何確定測量的零點；3. 說明如何調(diào)節(jié)“適度”的差動放大器增益；4. 如將測微頭的移動至極限位置，分析觀察的現(xiàn)象；

32、5. 說明基于LABVIEW的測試系統(tǒng)的構(gòu)成以及測試原理，列舉其優(yōu)越性。八、 實驗注意事項直流激勵電壓須嚴(yán)格限定在2V，絕對不能任意加大，以免損壞霍爾元件。九、 思考題 1. 霍爾元件的可測量那些量？2. 集成霍爾傳感器有什么特點？3. 基于LABVIEW的測試系統(tǒng)與CSY儀器廠家設(shè)計的計算機(jī)測試有什么相同點？各有什么特點？實驗五 電子計數(shù)器測頻和測周的原理一、實驗?zāi)康娜蝿?wù)1. 了解頻率測量的基本原理。2. 了解電子計數(shù)器測頻/測周的基本功能。3. 熟悉電子計數(shù)器的使用方法。 二、實驗內(nèi)容1. 頻率測量，并了解測頻方式下：閘門時間與測量分辨率關(guān)系。2. 周期測量，并了解測周方式下：時標(biāo)、周期倍

33、增與測量分辨率關(guān)系。三、實驗器材1. 計算機(jī) 臺2. SJ-8002B電子測量實驗箱 臺3. Q9連接線 根四、實驗原理1.測頻原理所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間變化的次數(shù)。電子計數(shù)器是嚴(yán)格按照fN/T的定義進(jìn)行測頻，其對應(yīng)的測頻原理方框圖和工作時間波形如圖5-1 所示。從圖中可以看出測量過程：輸入待測信號經(jīng)過脈沖形成電路形成計數(shù)的窄脈沖，時基信號發(fā)生器產(chǎn)生計數(shù)閘門信號，待測信號通過閘門進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)，即可得到其頻率。若閘門開啟時間為T、待測信號頻率為fx，在閘門時間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)值為N，則待測頻率為 fx = N/T (5-1)若假設(shè)閘門時間為1s，計數(shù)器的值為1000，則待測信號頻率

34、應(yīng)為1000Hz或1.000kHz，此時，測頻分辨力為1Hz。圖5-1 測頻原理框圖和時間波形2.測周原理由于周期和頻率互為倒數(shù)，因此在測頻的原理中對換一下待測信號和時基信號的輸入通道就能完成周期的測量。其原理如圖5-2所示。 圖5-2 測周原理圖待測信號Tx通過脈沖形成電路取出一個周期方波信號加到門控電路，若時基信號(亦稱為時標(biāo)信號)周期為To，電子計數(shù)器讀數(shù)為N，則待測信號周期的表達(dá)式為 （5-2）例如：fx = 50Hz，則主門打開1/50Hz（= 20ms）。若選擇時基頻率為fo = 10MHz，時基To0.1us，計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為 = 200000 個，如以ms為單位，則計數(shù)器

35、可讀得20.0000(ms) ，此時，測周分辨力為0.1us。五、實驗步驟1實驗準(zhǔn)備（1）按照圖5-3所示的方法連線，S602接“no”端。 （2）先打開實驗箱電源，電源指示燈“亮”。然后在PC機(jī)上運(yùn)行主界面程序，如圖58所示，再從主界面進(jìn)入“電子測量實驗室”，其界面如圖54所示，最后選擇實驗二，軟件則自動打開了電子計數(shù)器測頻和測周的界面。圖53 實驗連接框圖圖54 主程序界面2. 按如圖5-6所示,連接實驗系統(tǒng)。圖5-6 實驗平臺及實驗器材連接圖說明：被測輸入信號有兩種接法，一種是如圖5-6所示的，由外接信號發(fā)生器連接實驗箱測頻輸入fx的BNC插座；一種是如圖5-6所示的，由實驗箱上的信號源

36、Aout1(或Aout2)連接實驗箱測頻輸入fx的BNC接頭，并用示波器監(jiān)測輸入信號的幅度和頻率大小。然后按照電子計數(shù)器測頻/測周實驗運(yùn)行電子計數(shù)器程序進(jìn)行測量。4.電子計數(shù)器的面板如圖5-7所示。圖5-7 虛擬電子計數(shù)器面板使用說明：（1）當(dāng)選擇測頻/測周按鈕置“測頻”時，可選“閘門時間”分別為：1ms,10ms,100ms,1s,10s，時標(biāo)選擇旋鈕不使能；（2） 當(dāng)選擇測頻/測周按鈕置“測周”時，可選“周期倍乘”分別為：×1，×10，×100，×1000，×10000。時標(biāo)選擇旋鈕可選10MHz,1MHz,100KHz,10KHz,1KH

37、z。（3）當(dāng)選擇“自動”按鈕時，測頻/測周按鈕、時標(biāo)選擇旋鈕和測頻/測周按鈕不使能，將自動根據(jù)被測信號與中界頻率的大小關(guān)系來確定采用測頻或測周方式，并顯示相關(guān)內(nèi)容。注意：在“測周”模式下，若選擇大的周期倍乘系數(shù)，測量低頻信號時，測量時間回很長。5.電子計數(shù)器測頻/測周實驗（1） 利用實驗箱上的信號源產(chǎn)生不同頻率的信號，波形可分別為方波、正弦波、三角波，幅度為1V5V,由虛擬電子計數(shù)器對其進(jìn)行“測頻”，選擇不同的閘門時間，對測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。記錄測量的頻率值，并填入表5-1：表5-1 信號頻率閘門時間10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz1MHz1ms10ms0.1s1s10s（

38、2） 利用實驗箱上的信號源產(chǎn)生不同頻率的信號，由虛擬電子計數(shù)器對其進(jìn)行“測周”，選擇不同的周期倍乘，對測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。記錄測量的周期值，并填入表5-2：表5-2信號周期周期倍乘0.1s(10Hz)10ms(100Hz)1ms(1kHz)0. 1ms(10kHz)10us(100kHz)1us(1MHz)1101001000可不做10000可不做可不做（3）利用實驗箱上的信號源產(chǎn)生不同頻率的信號，由虛擬電子計數(shù)器對其進(jìn)行測量，選擇“自動方式”，觀察儀器自動選擇的“測頻或測周”模式，記錄測量的頻率值和周期值選擇不同的周期倍乘，對測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析，并填入表5-3：表1-5信號頻率10H

39、z100Hz1kHz10kHz100kHz1MHz測頻/測周模式實測頻率實測周期六、思考和練習(xí)1、分析以上測量數(shù)據(jù)，在電子計數(shù)器測頻過程中，閘門時間對測量分辨力有何影響？2、時標(biāo)選擇對電子計數(shù)器測周分辨力有何影響？實驗六 數(shù)字存儲示波器原理和應(yīng)用一、實驗?zāi)康娜蝿?wù)1了解示波測量的基本原理。2熟悉虛擬數(shù)字存儲示波器的操作，對幾種典型電壓波形進(jìn)行參數(shù)測量并觀察雙蹤波形的顯示。二、實驗內(nèi)容1測量周期信號的幅值、頻率。2、非周期信號的測量、存儲、回放。三、實驗器材1SJ-8002B電子測量實驗箱 1臺2計算機(jī) 1臺3信號源（也可以使用本實驗箱的DDS信號源） 2臺四、實驗原理1數(shù)字示波器原理數(shù)字存儲示波

40、器是用 A/D 變換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后把數(shù)據(jù)存儲在半導(dǎo)體存儲器 RAM 中。當(dāng)有需要時，將 RAM 中存儲的內(nèi)容調(diào)出，通過 LCD 用點陣或連線的方式再現(xiàn)波形，其原理框圖可以參考圖61。在這種示波器中信號處理和信號顯示功能是分開的，它的性能主要取決于進(jìn)行信號處理的AD、RAM 和微處理器的性能。由于采用 RAM 存儲器，可以快寫數(shù)慢讀數(shù)，使得即使在觀察緩慢信號時也不會有閃爍現(xiàn)象。2虛擬數(shù)字存儲示波器組成圖61 虛擬數(shù)字存儲示波器虛擬示波器將計算機(jī)和測量系統(tǒng)融合于一體，用計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件的功能，用計算機(jī)的顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器物理面板。通過相關(guān)的軟件可以設(shè)計出的操作方便

41、、形象逼真的儀器面板，不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的功能，而且具有存儲、再現(xiàn)、分析、處理波形等特點，還可以進(jìn)行各種信號的處理、加工和分析，完成各種規(guī)模的測量任務(wù)。而且儀器的體積小、耗電少，方便攜帶，可以在不同的計算機(jī)上使用。因此，在SJ-8002B中，也引用了虛擬數(shù)字存儲示波器的原理來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。其中的信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、存儲數(shù)據(jù)的SRAM以及控制邏輯都在是實驗平臺中，計算機(jī)主要起到了數(shù)據(jù)的處理和顯示的作用。3SJ-8002B電子測量實驗箱示波器硬件結(jié)構(gòu)（1）測試范圍及采集參數(shù)調(diào)整范圍測試電壓幅度范圍：20V20V（峰峰值）測量頻率范圍：1Hz1MHz采樣時鐘：timebase序號0123456

42、789采樣時鐘20M20M20M20M20M20M20M20M20M20Mtimebase序號10111213141516171819采樣時鐘10M5M2.5M1M500K250K100K50K25K12.5K可程控增益：Div序號0123456789通道總增益20105210.50.20.10.050.02數(shù)據(jù)緩存深度：64KB對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯示波形的峰值、平均值、有效值和頻率、周期等參數(shù)。（2）硬件原理圖 圖62 SJ8002B示波器硬件原理圖圖62為示波器模塊的原理框圖。由圖可見，高速采集的雙通道是完全獨(dú)立的，因此可以完成多種不同的測試任務(wù)，實現(xiàn)虛擬雙蹤數(shù)字存儲示波器的各種功能。4 數(shù)據(jù)處理根據(jù)采集的波形數(shù)據(jù)，計算出被測信號的有效值、均值、峰值、頻率。離散信號的電壓平均值及峰值的數(shù)學(xué)表達(dá)