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2014年测试技术基础实验报告


目录 测试技术基础实验简介 ............................. 2 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八 实验九 实验十 实验十一 实验十二 实验十三 实验十四 实验十五 实验十六 实验十七 实验十八 附录一 附录二 直流电桥实验 ............................. 3 交流全桥称重实验 ........................ 10 交流全桥动态特性测试 .................... 16 典型传感器技术指标标定及测量............. 20 光敏电阻特性测试实验 .................... 27 光敏电阻应用——声光双控 LED 实验......... 30 红外热释电传感器实验 .................... 32 硅光电池特性测试实验 .................... 34 振动参数测试实验 ........................ 39 转速测量和控制实验 ...................... 44 扩散硅压阻式压力传感器压力测量......... 48 智能调节仪温度控制实验 ................ 51 集成温度传感器的温度特性实验........... 54 铜热电阻温度特性测试实验 .............. 58 PN 结温度特性测试实验 .................. 62 E 型热电偶测温实验 ..................... 66 K 型热电偶冷端温度补偿实验 ............. 72 信号分析与处理 ........................ 75 (数据采集 DAQ) ......................... 92 (PID) ................................. 94
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测试技术基础实验简介
本实验所用的实验平台是将传感器、 检测技术及计算机控制技术有机的结合 的, 开发成功的新一代传感器系统实验设备—— “THSRZ-2 型传感器系统综合实 验装置” 。学习和了解的传感器有金属应变传感器、差动变压器、差动电容传 感器、霍尔位移传感器、扩散硅压力传感器、光纤位移传感器、电涡流传感器、 压电加速度传感器、 磁电传感器、 PT100、 AD590、 K 型热电偶、 E 型热电偶、 Cu50、 PN 结温度传感器、NTC、PTC、气敏传感器(酒精敏感,可燃气体敏感) 、湿敏传 感器、光敏电阻、光敏二极管、红外传感器、磁阻传感器、光电开关传感器、霍 尔开关传感器等。 同时利用各种传感器相关的实验模块做相关的实验更好的了解 各种传感器的性能以及特征。 本实验的独特之处还在于,所有的数据以及实验结果不再用示波器进行显 示,而是采用 NI 公司的数据采集卡,通过强大的 Labview 软件,将所需数据以 及结果在电脑上显示,这样做不仅更加方便,尤其重要的是,可以对所得数据进 行分析处理,使得结果分析更简单化、准确化。 通过相关的实验,学生可以获得: 1. 对各种传感器的性能及适用范围加深认识和了解; 2. 了解电桥、相敏检波器、移相器、V/I、F/V 转换电路等多种处理电路的 作用及适用情况; 3. 熟悉标定、测量等常见的实验方法,初步了解设计实验的方法; 4. 掌握数据采集以及 labview 软件编程,学会自己设计简单的程序。

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实验一 直流电桥实验
一、实验目的:
金属箔式应变片的应变效应,单臂、半桥、全桥测量电路工作原理、性能。

二、实验仪器:
应变传感器实验模块、托盘、砝码、试验台(数显电压表、正负 15V 直流电源、正负 4V 电源) 。

三、实验原理:
电阻丝在外力作用下发生机械变形,电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,关系式:

式中

?R 为电阻丝电阻相对变化; R

?R ?k ? R

(1-1)

k 为应变灵敏系数;

??

?l 为电阻丝长度相对变化。 l

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件。如图 1-1 所示,将四 个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧, 弹性体受到压力发生形变, 应变 片随弹性体形变被拉伸,或被压缩。当受到压力时,上面二个应变片被拉伸,下面二个应变 片则被压缩。

图 1-1 双孔悬臂梁式称重传感器结构图

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通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化,电桥的作用完成电阻到电压的比 例变化, (1) 单臂电桥:如图 1-2 所示 R5=R6=R7=R 为固定电阻,与应变片一起构成一个单臂电 桥,其输出电压

U0 ?

E ? 4

?R / R 1 ?R 1? ? 2 R
1 ?R ? ? 100 % 。 2 R

(1-2)

E 为电桥电源电压;
式(1-2)表明单臂电桥输出为非线性,非线性误差为 L= ?

(2) 半桥:不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,如图 1-3。电桥输出灵敏度 提高,非线性得到改善,当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时,半桥的输出电压为

U0 ?
式中

E ? k ? ? E ?R ? ? 2 2 R

(1-3)

?R 为电阻丝电阻相对变化; k 为应变灵敏系数; R ?l ? ? 为电阻丝长度相对变化; l
E 为电桥电源电压。

式(1-3)表明,半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。 (3)全桥:全桥测量电路中,将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边,不同的 接入邻边,如图 1-4,当应变片初始值相等,变化量也相等时,其桥路输出 Uo= E ? 式中 E 为电桥电源电压。

?R R

(1-4)

?R 为电阻丝电阻相对变化; R
式(1-4)表明,全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差得到进一步改善。 (4) 比较:根据式(1-2)、(1-3)、(1-4)电桥的输出可以看出,在受力性质相同的情况下, 单臂电桥电路的输出只有全桥电路输出的 1/4, 而且输出与应变片阻值变化率存在线性误差; 半桥电路的输出为全桥电路输出的 1/2。半桥电路和全桥电路输出与应变片阻值变化率成线 性。

四、实验内容与步骤:
1.应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的 R1、R2、R3、R4 上。
4

R1、R3 为梁上部电阻,R2、R4 为梁下部电阻,当悬臂梁一端加重物时,R1、R3 受拉力, R2、R4 受压力。 2.差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源,检查无误后,合上主控台电源开关, 将差动放大器的输入端 Ui 短接并与地短接,输出端 Uo2 接数显电压表(选择 2V 档) 。将电 位器 Rw3 调到增益最大位置(顺时针转到底) ,调节电位器 Rw4 使电压表显示为 0V。关闭 主控台电源。 (Rw3、Rw4 的位置确定后不能改动)拔掉差动放大器输入端的短接线。

图 1-2 单臂电桥面板接线图

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图 1-3 单臂实验结果参考

3.按图 1-2 连线,将应变式传感器的其中一个应变电阻(如 R1)接入电桥与 R5、R6、 R7 构成一个单臂直流电桥。 加托盘。电桥输出接到差动放大器的输入端 Ui,检查接线无误后,合上主控台电源开 关,调节 Rw1 使电压表显示为零。 4.在应变传感器托盘上放置一只砝码,读取数显表数值,依次增加砝码和读取相应的 数显表值,直到 200g 砝码加完,记下实验结果,填入下表中单臂一列。 5. 保持差动放大电路不变,仿照步骤 3,分别按图 1-4,1-6 将应变电阻连接成半桥和 全桥电路,做半桥和全桥性能实验,并将实验数据记录在下表中。 6.连接 NI 数据采集卡和转接板,将数据采集卡与电脑用数据线连接,开启实验台电 源和数据采集卡开关,运行”measurement&automation”察看输入通道在转接板上的对应位置 (AI0~68,AI1~33,GND~67) 。GND 接输出端地线,AI0 接输出端 Uo2。

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图 1-4 半桥面板接线图

图 1-5 半桥实验结果参考

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图 1-6 全桥面板接线图

图 1-7 全桥实验结果参考

五、实验报告:
1.根据实验所得数据分别计算单臂、半桥、全桥系统灵敏度 S=ΔU/ΔW(ΔU 输出电 压变化量,ΔW 重量变化量) ,并与 LabVIEW 所得结果作对比(要求三个截图) 。 实验数据记录表 重量/g 电压/mV 单臂 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

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半桥 全桥

六、注意事项:
实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器,量程为 1kg,最大超程量为 120%。 因此,加在传感器上的压力不应过大,以免造成应变传感器的损坏!

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实验二 交流全桥称重实验
一、实验目的:
1、了解交流全桥电路的原理,了解信号调理和信号处理的基本方法,理解移相器、相 敏检波器和低通滤波器的原理。通过本实验加深对交流电桥、信号调制与解调、滤波和放大 概念的理解。 2、能够通过改变交流全桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度,掌 握测试信号的基本流程,熟练使用基本的信号测试工具。

二、实验仪器:
移相器、相敏检波器、低通滤波器实验模块,应变传感器实验模块,±15V 电源,音频 信号源,NI6251 采集卡、装有 labview 和 NI 采集卡驱动的计算机。

三、实验原理:
图 2-2 是交流全桥的一般形式。当电桥平衡时, Z2 Z 4 ? Z1Z3 ,电桥输出为零。若桥臂 阻抗相对变化为 ?Z1 / Z1 、 ?Z2 / Z2 、 ?Z3 / Z3 、 ?Z4 / Z4 ,则电桥的输出与桥臂阻抗的相 对变化成正比。 交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度, 传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。 交 流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。 在一般情况下, 交流电 桥的供桥电源必须具有良好的电压波形和频率稳定度。实验室一般采用 5~10KHz 音频交流 电源作为交流电桥电源。这样,电桥输出将为调制波,外界工频干扰不易从线路中引入,并 且后接交流放大电路简单而无零飘。 采用交流电桥时,必须注意到影响测量误差的一些因素,例如,电桥中元件之间的互感 影响、无感电阻的残余电抗、临近交流电路对电桥的感应作用、泄露电阻以及元件之间、元 件与地之间的分布电容等。

图 2-1 应变传感器实验装置 10

图 2-2 交流电桥

图 2-3 交流全桥示意图

图 2-4

交流全桥接线图

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四、实验步骤:
1、连接 NI 数据采集卡和转接板,将数据采集卡与电脑用数据线连接,开启实验台电 源和数据采集卡开关,运行”measurement&automation”察看输入通道在转接板上的对应位置 (AI0~68,AI1~33,GND~67) 2、将音频信号源

Us1 0? (左边信号源)输入 AI0,调节信号源频率和幅度旋钮,使得信

号源输出 1kHz,Vp-p=6V 正弦信号,如图 2-5 所示。

图 2-5

音频信号源峰峰值和频率调节

3、按图 2-4 正确接线,图中的示波器我们用数采卡取代,将相敏检波器的输 出接入采集卡AI0通道,低通滤波器的输出接AI1通道。 4、 调节 Rw3 到最大, 差分放大电路输入短路, 调节 Rw4 使 Uo2 输出为零 (用 主控箱上的数显表检测) 。 5、调节电桥直流调平衡电位器 Rw1,使系统输出基本为零,并用 Rw2 进一 步细调至零。 6、打开 NI 数采卡开关,运行 Labview 程序“示波器” ,在 Labview 程序中观 察波形。 7、用手轻压应变梁到最低,调节“移相”旋钮使检敏检波器 Uo 端波形成为首 尾相接的全波整流波形如图 2-6 所示。然后放手,悬臂梁恢复至水平位置,再调 节电桥中 Rw1 和 Rw2 电位器,使系统输出电压为零,此时桥路的灵敏度最高。

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图 2-6 调节交流全桥灵敏度

8、 装上砝码盘, 分别以每次 20g 增加砝码的重量, 分别测出交流全桥输出值, 如图 2-7 所示,然后从 200g 每次递减 20g 砝码测量交流全桥输出值,填入下表 m(g) 20g 40g 60g 80g 100g 120g 140g 160g 180g 200g V (mv) m(g) 200g 180g 160g 140g 120g 100g 80g 60g 40g 20g V (mv)

图 2-7

重量为 20 克时测重波形图

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图 2-7

重量为 200 克时测重波形图

m(g) 20g 40g 60g 80g 100g 120g 140g 160g 180g 200g V (mv) m(g) 200g 180g 160g 140g 120g 100g 80g 60g 40g 20g V (mv) 9、将音频信号源 Us1 0? 频率调到 2K 赫兹,重复步骤 8。 10、实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。 五、实验报告: 1.用交流全桥实验装置测试砝码重量,将实验结果填入下表,并附上实验 截图(至少 3 副) 。计算出交流全桥的灵敏度( k ? ?M / ?V )和线性误差。 2.分析信号源频率和幅度以及移相器对交流全桥灵敏度的影响。
实验数据记录表

音频信号源 f ? 1kHz m(g) 20g 40g 60g 80g 100g 120g 140g 160g 180g 200g V (mv) m(g) 200g 180g 160g 140g 120g 100g 80g 60g 40g 20g V (mv)

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音频信号源 f ? 2kHz m(g) 20g 40g 60g 80g 100g 120g 140g 160g 180g 200g V (mv) m(g) 200g 180g 160g 140g 120g 100g 80g 60g 40g 20g V (mv)

六、注意事项: 1、轻压应变梁之前要检查限程螺钉是否已安装在应变梁底部; 2、主控箱上要统一地,将主控箱上的音频信号源地与正负 15V 电源地连接 起来。

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实验三
一、实验目的:

交流全桥动态特性测试

了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法,进一步熟练使用 NI 数据采集卡,掌握 一种测量梁的固有频率的方法。通过本实验进一步加深对电桥、信号调制与解调、滤波和放 大概念的理解。

二、实验仪器:
振动源,信号源,移相器/相敏检波/低通滤波模块,应变传感器实验模块,±15V 电源, NI6251 采集卡,装有 labview 和 NI 驱动的计算机。

三、实验原理:
应变传感器模块电桥的交流电源 e 由高频的信号源提供, 振动源的交流电源由低频信号 源驱动,振动梁的根部贴有四个应变片,将四个应变片接入电路则构成一个交流全桥,其输
?

u?e
出为:

?

?R R

用交流电桥测量交流应变信号时, 桥路输出为一调制波。 当双平行振动梁被不同频率的 信号激励时,起振幅度不同,贴于应变梁表面的应变片所受应力不同,电桥输出信号大小也 不同,若激励频率与梁的固有频率相同时则产生谐振,此时电桥输出信号最大,根据这一原 理可以找出梁的固有频率。

图 3-1 振动梁实验装置

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提示:用数据采集 卡代替示波器

图 3-2 梁固有频率测试接线图

四、实验内容与步骤:
1、按照交流全桥性能测试实验连接电路,如图 3-2 所示,由于自动梁上已经安装上应 变片,所以不用模块上的应变电阻,改用振动梁上的应变片,通过导线连接到振动源源板的 “应变输出” 。四个应变电阻通过导线接到了应变传感器模块的虚线全桥上。此时应将连接 到左上角应变片上的导线拔掉。 2、重复称重实验,先将差分放大器短接,使得差分输出为 0,将振动梁轻压到底,调 节移相旋钮使得示波器出现全波整流波形,如图 3-3 所示,这时系统灵敏度最高。

图 3-3 灵敏度调节

3.将信号源 Us2 低频振荡器输出接入振动台激励源插孔,同时接到主控台上的频率表,调 节低频信号源输出幅度和频率使振动台明显有振动。

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4.低频振荡器幅度调节不变,改变低频振荡器输出信号的频率(用频率/转速表监测) ,用 上位机检测频率改变时低通滤波器输出波形的电压峰-峰值,如图 3-4 所示,填入下表。

图 3-4 振动梁固有频率测试

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f(Hz) 14 Vpp(mV) 40

15 50

16 56

17 60

18 91

19 368

20 70

21 45

22 40

23 38

5.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。

五、实验报告:
用交流全桥实验装置测试振动梁的固有频率,将实验结果填入下表并附上共振时的截图。 实验数据记录表

f(Hz) Vpp(mV)

14

15

16

17

18

19

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六、注意事项:
进行此实验时低频信号源幅值旋钮约放在 3/4 位置为宜。

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实验四
一、实验目的:

典型传感器技术指标标定及测量

(1) 深入理解电容式位移传感器、光线传感器和电涡流传感器的工作原理、基本结构、 性能及应用。 (2) 掌握测量典型位移传感器标定方法和最小二乘法误差数据处理方法及获得方法。 (3) 掌握利用典型位移传感器(电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器)测量厚度的 方法。

二、实验内容及原理:
实验过程中, 同学可以从电容传感器、 光纤传感器和电涡流传感器中自由选择一种传感 器进行标定和检测, 有兴趣的同学也可以把这三种传感器都进行试验, 更好的理解典型传感 器的标定以及其在测厚(距)方面应用的区别。下面分别讲述这三种传感器的工作原理。 (1)电容式传感器是一种将被测量的变化转换成电容量的变化,经电路处理再变换成 电压量输出的一种测量装置, 通过检测输出电压的变化来获得被测量的信息。 电容传感器具 有结构简单、测量精度高、动态响应快、非接触等优点,广泛应用于位移、液位、振动等测 量之中。 在一般工作状态下,电容传感器极板间的位移变化和输出电压近似成线性关系,

y ? kx ? b , k 为灵敏度。每种电容传感器的灵敏度不同,在测量之前都需要进行标定,灵
敏度标定准确与否直接影响测量精度。 (2)反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理所下:光纤采用Y型结 构,两束光纤一端合并在一起组成光纤探头,另一端分为两支,分别作为光源光纤和接收光 纤。光从光源耦合到光源光纤,通过光纤传输,射向反射面,再被反射到接收光纤,最后由 光电转换器接收,转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。 当反射表面位置确定后, 接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。 显 然,当光纤探头紧贴反射面时,接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增 加,接收到的光强逐渐增加,到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移 传感器是一种非接触式测量,具有探头小,响应速度快,测量线性化(在小位移范围内)等 优点,可在小位移范围内进行高速位移检测。 (3)电涡流传感器就是能静态和动态地非接触,高线性度,高分辨力地测量被测金属 导体距探头表面的距离。 它是一种非接触的线性化计量工具。 电涡流位移传感器能准确测量 被测体 (必须是金属导体) 与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。探头、 (延伸电缆)、 前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,
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在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠 近,则这一磁场能量会全部损失;当有被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应 电流, 电磁学上称之为电涡流, 与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的 交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗) , 这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到 金属导体表面的距离等参数有关。 通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性, 则 线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率 б、磁导率 ξ、尺寸因子 τ、头部体 线圈与金属导体表面的距离 D、 电流强度 I 和频率 ω 参数来描述。 则线圈特征阻抗可用 Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制 τ, ξ, б, I, ω 这几个参数在一定范围 内不变,则线圈的特征阻抗 Z 就成为距离 D 的单值函数,虽然它整个函数是一非线性的,其 函数特征为"S"型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。于此,通过前置器电子线路的处 理, 将线圈阻抗 Z 的变化, 即头部体线圈与金属导体的距离 D 的变化转化成电压或电流的变 化。 输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化, 电涡流传感器就是根据这一原 理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

三、实验要求:
1) 2) 根据传感器的输出信号波形变化确定传感器的线性工作范围; 用给定的虚拟仪器软件完成传感器的标定, 求出灵敏度及最小二乘拟合非线性度和端点 连线非线性度; 3) 熟练使用虚拟仪器软件 Labview 进行编程, 用给定的标定模板编写数据处理程序, 并用 编写的程序进行标定; 4) 用给定的相对测量程序模板编写相对测量程序, 并用自己编写的程序重新完成工件厚度 的相对测量,根据测量数据分析工件误差。

四、实验装置:
传感器与检测技术实验台(电容传感器实验模板、光纤传感器实验模块、电涡流传感器 实验模板、电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器、数显表、± 15V 电源、± 4V 电源、NI 采集卡、PC 机、Labview 等虚拟仪器软件) 。

五、实验步骤:
1. 电容传感器的标定

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1)

搭建电容传感器标定系统。按照图 4-1 将电容传感器安装在电容传感器试验模板上,输 出信号通过采集卡接入计算机。输出信号同时接数显表.

图 4-1 电容传感器的安装

2)

确定传感器的线性工作范围。调整螺旋测微器,改变传感器测头位置,在数显表上观察 输出信号的变化,确定传感器的线性工作范围。

3)

a、使用给定软件标定 利用给定软件对电容传感器进行标定。 把传感器位置调整在最佳线性工作范围的一个

端点处,把此位置设定为初始位移值。转动工作台上的测微头,使传感器的测头调动的步长 设为一固定量值(一般为 1mm) ,并记录此时传感器输出电压。按照同样的方法,测得整个 范围内标定点的数据。 采用最小二乘法和端点连线求出传感器的灵敏度和非线性度, 并对两 种处理方法的结果进行比较。 b、传感器技术指标标定及检测系统的使用 在标定完成后可使用软件的测量功能任选以物品进行厚度测量。

图 4-2

传感器技术指标标定及检测系统的前台界面

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图 4-3 传感器技术指标标定及检测系统的后台界面

图 4-4

最小二乘法标定(模拟数据)

检测软件用 Labview 开发,用来标定典型传感器的技术指标,包括:线性度、灵敏度、 均方差等。 (见图 4-4) 。同时该软件还具有测量功能,可以根据标定产生的数据拟和所产生 的参数测量位移量。 软件前台界面分为:显示区、设置区、标定数据区、测量数据区等区域,在不同的应用 场合需要设置不同的参数或从相应的区域得到关心的数据。 2. 光纤传感器的标定

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1)与图 4-1 类似将光纤传感器安装在光纤传感器实验模块上,其两束光纤插入光纤传感器 实验模块左上角黑色圆柱中的两个孔中, 输出信号经采集卡连入计算机, 同时接入数显电压 表。 2)确定传感器的线性工作范围。调整螺旋测微器,改变传感器测量头位置,在数显表上观 察输出信号的变化,确定传感器的线性工作范围。 3)a、使用给定软件标定 利用给定软件对光纤传感器进行标定。 把传感器位置调整在最佳线性工作范围的一个 端点处,把此位置设定为初始位移值。转动工作台上的测微头,使传感器的测量头调动的步 长设为一固定量值(一般为 0.1mm) ,并记录此时传感器输出电压。按照同样的方法,测得 整个范围内标定点的数据。 采用最小二乘法和端点连线求出传感器的灵敏度和非线性度, 并 对两种处理方法的结果进行比较。 b、传感器技术指标标定及检测系统的使用 在标定完成后可使用软件的测量功能任选以物品进行厚度测量。 3. 电涡流传感器的标定 1)与图 4-1 类似将电涡流传感器安装在电涡流传感器实验模块上,电涡流传感器的两个插 头插入电涡流传感器实验模块中间的两个插孔, 输出信号经采集卡连入计算机, 同时接入数 显电压表。 2)确定传感器的线性工作范围。调整螺旋测微器,改变传感器测头位置,在数显表上观察 输出信号的变化,确定传感器的线性工作范围。 3)a、使用给定软件标定 利用给定软件对电涡流传感器进行标定。 把传感器位置调整在最佳线性工作范围的一 个端点处,把此位置设定为初始位移值。转动工作台上的测微头,使传感器的测头调动的步 长设为一固定量值(一般为 0.1mm) ,并记录此时传感器输出电压。按照同样的方法,测得 整个范围内标定点的数据。 采用最小二乘法和端点连线求出传感器的灵敏度和非线性度, 并 对两种处理方法的结果进行比较。 b、传感器技术指标标定及检测系统的使用 在标定完成后可使用软件的测量功能任选以物品进行厚度测量。

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六、实验报告:
1、根据软件做出拟合曲线(要求截图) 。 2、最小二乘法和端点连线法确定的非线性度有什么关系?在什么情况下一致? 3、相对测量和绝对测量相比有哪些优点和缺点? 4、.比较测试系统灵敏度的实际值与理论值,简要讨论差别产生的主要影响因素。 5、由实验结果计算出线性度。

七、实验注意事项:
1、信号接入计算机前,一定要大致估计其量值大小,避免超过 A/D 输入范围,以免损坏硬 件。 2、对电涡流传感器进行标定时,实用的挡板一定是金属导体以产生电涡流最终实现距离的 测量。 3、对电容传感器进行标定时,如果步长为 1mm 时实验结果不太理想,同学们可以调节一 下电容传感器实验模块的旋钮或者将步长增大。





由于该软件主要具有标定和测量两大功能,所以下面分功能具体说明。 ① 标定功能 该功能主要完成对未知技术指标传感器的标定。 设置区: ? ? ? ? 选择标定模式; 输入初始位移量:传感器初始相对于边界的距离; 选择数据拟和方式:最小二乘法或端点法; 根据实验需要设置位移间隔量: 每次使传感器移动固定位移量, 可以根据实际情况 设定。 显示区: ? ? ? 每次移动位移间隔量的位移时,点击“标定采集”按钮采集此时的电压值; 采集不同位移时的 10 个电压值; 在 Waveform Graph 上将会根据你所选择的数据拟和方式显示不同的标定曲线。

标定区: ? 当采集完 10 个电压值时,电压值将会一同显示出来,便于记录下来用手工或其他
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软件检测实验结果的准确性; ? ? 数据的线性度、均方差; 拟合直线的 k(灵敏度) 、b(非线性度) 。

② 测量功能 该功能主要完成运用上述标定得到的参数测量位移量。 设置区: ? ? ? 选择测量模式; 输入初始位移量:非常重要; 选择数据拟和方式:运用最小二乘法或端点法得到的 k、b 来计算位移。

测量区: ? ? ? 点击“测量采集”按钮; 得到此位移时的电压值; 得到此时的位移值。

③ 软件使用注意事项 ? ? 请先设置好各项参数以后再运行程序,中途改变参数无效; 由于各实验平台与传感器误差等,结果以相应操作后产生的实际数据为准;

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实验五
一、实验目的:

光敏电阻特性测试实验

1、了解光敏电阻的基本原理和特性。 2、掌握使用本仪器测定光敏电阻的特性。

二、实验设备:
光电传感器实验模块、直流稳压电源、恒流源、万用表,计算机
5-1 光敏电阻原理结构

三、实验原理:
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应。在无光照时,光敏电阻具有很高的阻值,在有光照 时,当光子的能量大于材料的禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出 电子—空穴对,使电阻降低;入射光愈强,激发出的电子—空穴对越多,电阻值越低;光照 停止后,自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。光敏电阻通常是用半导体材 料CdS或CdSe等制成,图5-1为光敏电阻的原理结构,它是由涂于玻璃底板上的一薄层半导 体物质构成, 半导体上装有梳状电极。 由于存在非线性, 因此光敏电阻一般用在控制电路中, 不适用作测量元件。光敏电阻的光照度—电阻值的典型特性曲线如下图所示,

光敏电阻照度—电阻特性曲线图

低照度a区曲线斜率较大,中间照度区b区可近似视为直线区,也是光敏电阻的主要工作区, 因而光电流随着光照度增长较快,在高照度区,电阻值随照度下降慢,光电流随照度增长也 变慢。本实验用恒流源控制光敏电阻上的电流大小,从而改变光敏电阻光照度的大小。发光 二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式确定: P=ηEpI/e 其中,η为发光效率,Ep为光子能量,e为电子电荷常数。输出光功率与驱动电流呈线性

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关系,因此本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。

四、实验内容与步骤:
1、光敏电阻置于光电传感器模块上的暗盒内,其两个引脚引出到面板上。暗盒的另一 端装有发光二极管,通过驱动电流控制暗盒内的光照度。 2、如图5-2连接实验台恒流源输出到光电传感器模块驱动LED,电流大小通过直流毫安 表内测检测,用万用表的欧姆档测量光敏电阻阻值。

图5-2 光敏电阻试验电路连接图

3、 打开 LabVIEW 程序“光敏电阻特性测试实验”, 在步长中输入每次采样输入电流的变 化量为 2mA。 4、开启实验台电源,通过改变LED的驱动电流,按设定的步长调节驱动电流的大小,并 将光敏电阻阻值记录到电阻值一栏中,点击采样,经过十次采样后得到得到电阻-电流曲线, 如图5-2所示。确定光敏电阻的线性工作区域 5、根据确定下的光敏电阻的线性工作区域确定初始位移,步长,重复上述试验得到电 阻-电流曲线及灵敏度等信息如图6-3所示。

图5-3a 未确定线性工作区时电流-电阻关系曲线

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图5-3b

确定线性工作区时电流-电阻关系曲线

图5-4

光敏电阻特性测试系统的后台界面

五、实验报告:
1、根据实验数据,做光敏电阻阻值-电流(RG-I)曲线。 2、确定光敏电阻的线性工作区域

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实验六 光敏电阻应用——声光双控 LED 实验
一、实验目的:
了解光敏电阻和声波传感器的原理与应用。

二、实验仪器:
光电传感器实验模块、恒流源

三、实验原理:
利用声波在声场中的物理特性而研制的声波传感器, 能将声音信号转换成电信号。 它的 工作原理是当膜片受到声波的压力, 并随着压力的大小和频率的不同而振动时, 膜片极板之 间的电容量就发生变化。与此同时,极板上的电荷随之变化,从而使电路中的电流也相应变 化,负载电阻上也就有相应的电压输出,从而完成了声电转换。 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应。在无光照时,光敏电阻具有很高的阻值,在有 光照时,电阻率降低,电阻值也降低;入射光愈强,电阻值越低;光照停止后,自由电子与 空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。 利用这两种传感器组成的声光检测系统在安防, 楼宇等领域有着广泛的应用。 本实验模 拟楼道灯的声光双控系统,实验原理图如下:

图 6 声光双控 LED 原理图

光敏电阻 RG 处于光照环境时,RG 为低电阻,Q4 截止,LED1 不亮;光敏电阻 RG 无 光照时,RG 为高阻抗,由于 R2 的偏置使 Q4 仍处于截止状态;此时若有声波信号经声波传 感器 BM 拾取, Q3 有很强的音频信号输入, 使 Q4 处于饱和状态, Q5 也处于饱和状态, LED1 亮,同时对 C3 充电,使 LED1 延时 10S 左右熄灭。

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四、实验内容与步骤:
1、光敏电阻置于光电传感器模块上的暗盒内,其两个引脚引出到面板上。 2、打开实验台电源,将± 15V 电源接入传感器应用实验模块。 3、0~20mA 恒流源接 LED 两端,调节 LED 驱动电流改变暗盒内的光照强度,说话或 者敲击桌面发出声音,观察 LED1 的状态。 4、调节 Rw,改变系统的灵敏度,重复步骤 3 观察实验现象有什么不同。

五、实验报告:
根据观察到的实验现象,思考小区楼道灯的工作原理。

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实验七
一、实验目的

红外热释电传感器实验

了解红外热释电传感器的基本原理和特性。

二、实验设备
红外传感器实验模块、示波器

三、实验原理
红外线,是一种人眼看不见的光线。任何物体,只要它的温度高于绝对零度,就有红外 线向周围空间辐射。红外线是的波长范围大致在 0.75~1000μ m 的频谱范围内。红外线的 物理本质是热辐射。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,红外线的能量就越强。波长 在 0.1~1000μ m 之间的红外辐射被物体吸收时,可以显著地转化成热能。 热释电效应发生于非中心对称结构的极性晶体。 当温度发生变化时, 热释电晶体出现正 负电荷相对位移, 从而在晶体两端表面产生异号束缚电荷。 热释电红外传感器就是一种具有 极化现象的热晶体,晶体的极化强度(单位表面积上的电荷)与温度有关。当红外辐射照射 到已经极化的热晶体薄片表面时,引起薄片温度升高,使其极化强度降低,表面电荷减少, 这相当于释放一部分电荷,所以叫做热释电型传感器。

图 7-1

热释电红外探测器工作原理示意图

热释电传感器探头表面的滤光片使传感器对 10μm 左右的红外光敏感,安装在传感器前 的菲涅耳透镜是一种特殊的透镜组, 每个透镜单元都有一个不大的视场, 相邻的两个透镜单 元既不连续也不重叠, 都相隔一个盲区, 它的作用是将透镜前运动的发热体发出的红外光转 变成一个又一个断续的红外信号,使传感器能正常工作。

四、实验内容与步骤
1、连接主机与实验模块电源线,传感器模块输出接示波器。 2、 开启主机电源, 待传感器稳定后, 人体从传感器探头前移过, 观察输出信号电压变化,

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再用手放在探头前不动, 输出信号不会变化, 这说明热释电传感器的特点是只有当外界的幅 射引起传感器本身的温度变化时才会输出电信号, 即热释电红外传感器只对变化的温度信号 敏感,这一特性就决定了它的应用范围。 (注意:若夏天或环境温度接近人体正常体温,红 外传感器很难检测到人体的移动) 3、试验传感器的探测视场和距离,以验证菲涅透镜的功能 4、将电压比较器的输出 Uo 接报警电路的输入 Ui,重复步骤二。

五、实验报告
1.简述红外热释电传感器的工作原理。 2. 思考红外热释传感器的适用情况与范围。

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实验八
一、实验目的:

硅光电池特性测试实验

1.深入理解光敏二极管的工作原理、基本结构、性能及应用。 2.了解 NI 数据数采卡的基本使用 3.了解利用虚拟仪器进行信号处理的方法

二、实验仪器:
光电传感器实验模块、恒流源、直流稳压电源、数显单元、NI 数据采集卡、计算机等

三、实验原理:
硅光电池是一个大面积的光电二极管,它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电 能,因此,可用作光电探测器和光电池,被广泛用于太空和野外便携仪器等的能源。 光敏二极管也叫光电二极管。 光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的, 它的核心 部分也是一个 PN 结,和普通二极管相比,在结构上不同的是,为了便于接受入射光照,PN 结面积尽量做的大一些,电极面积尽量小些,而且 PN 结的结深很浅,一般小于 1 微米。 光电二极管主要是利用物质的光电效应, 即当物质在一定频率的照射下, 释放出光电子 的现象。当光照射半导体材料的表面时,会被这些材料内的电子所吸收,如果光子的能量足 够大,吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面,这种电子称为光电子,这种现 象称为光电子发射,又称为外光电效应。当外加偏置电压与结内电场方向一致,PN结及其附 近被光照射时,就会产生载流子(即电子-空穴对) 。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的 作用下,电子被拉向N区,空穴被拉向P区而形成光电流。当入射光强度变化时,光生载流子 的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。 这种变化在入射光强度很大的动态范 围内仍能保持线性关系。

图8-1 光敏二极管原理结构图

硅光电池的基本结构如图9-2所示,当半导体PN结处于零偏或者反偏时,在它们的结合 面耗尽区存在一个内电场,当有光照时,入射光子把处于介带中的束缚电子激发到导带,激 发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N区和P区, 当在PN结两端加负载时就有一光电 子流流过负载。

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图8-2 硅光电池结构示意图

当没有光照射时,光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是
eV kT

I ? I s (e

? ? eV ? ? ? 1) ? I s ?exp? ? ? 1? ? ? kT ? ?

式中I为流过二极管的总电流,Is为反向饱和电流,e为电子电荷,k为玻耳兹曼常量,T为工 作绝对温度,V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压,I随V指数增长,称为正向电 流;当外加电压反向时,在反向击穿电压之内,反向饱和电流基本上是个常数。 当有光照时,流过PN结两端的电流可由下确定:

I ? I s (e

eV kT

? ? eV ? ? ? 1) ? I p ? Is ?exp? ? ? 1? ? Ip ? ? kT ? ?

式中I为流过光电二极管的总电流,Is为反向饱和电流,V为PN结两端电压,T为工作绝对 温度,Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到,当光电二极管处于零偏时,V=0,流过PN 结的电流I=Ip;当光电二极管处于负偏时(在本实验中取V=-4V) ,流过PN结的电流I=Ip-Is。 因此,当光电二极管用作光电转换器时,必须处于零偏或负偏状态。

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图8-3

光电二极管光电信号接收框图

图8-3是光电二极管光电信号接收端的工作原理框图,光电二极管把接收到的光信号转 变为与之成正比的电流信号, 再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。

四、实验内容与步骤:
1、 如图 8-4 所示,光敏二极管置于光电传感器模块上的暗盒内, 其两个引脚引到面板上。 通过实验导线将光电二极管接到光电流/电压转换电路的 VD 两端、光电流/电压转换输出接 数据采集卡 AI0 通道。 2、打开实验台电源,将± 15V 电源接入传感器应用实验模块。将光电二极管“+”极接地 或者-4V。

图 8-4

试验接线图

3、0~20mA 恒流源接 LED 两端,调节 LED 驱动电流改变暗盒内的光照强度。 4、 打开 LabVIEW 程序“硅光电池特性测试实验”, 在步长中输入每次采样输入电流的变 化量(一般设为 1mA) ,选择测量模式(零偏/负偏) 。

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5、运行“硅光电池特性测试实验”按照设定的步长调节恒流源的输出,改变 LED 的光照 强度,按下“采样”采集对应的电压值,经过十次采样后得到得到电压-电流曲线,如图 8-5 所示;

图 8-5a 硅光电池特性测试系统的前台界面

图 8-5b

硅光电池特性测试系统的前台界面

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图 8-6

硅光电池特性测试检测系统的程序图

五、实验报告:
1、根据计算机采集处理得到的关系图比较光敏二极管在零偏和负偏状态下输出的不同 之处,思考产生差别的原因。并通过查阅资料了解光敏二极管在这两种状态下的用途。 2、加强对光敏二极管的原理和特性的理解,掌握最小二乘线性拟合方法。 3、说明光敏二极管和普通二极管在结构,原理和使用方法上的差别。

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实验九 振动参数测试实验
一、实验目的:
1. 掌握机械系统或结构振动参数的测试方法; 2. 掌握传感器(差动变压器式) 、激振器等常用振动测试设备的使用方法; 3. 了解 NI 数据数采卡的基本使用; 4. 了解用虚拟仪器进行信号处理的方法。

二、需用器件与单元:
JCY-2 振动源、信号源、差动变压器模块、相敏检波模块、直流稳压电源、数显单元、NI 数据采集卡(USB6251) 、LABVIEW 软件。

三、基本原理:
振动测试是对物体结构参数的测试,是对结构的固有频率、阻尼、振型的测试。因而, 应对被测对象施加激振力,使其产生振动,测量振动的位移、速度等,得到结构的力学动态 特性。实际上,一个机械系统的振动模型是多自由度的(即多振型) ,有多个固有频率,在 幅频特性曲线上会出现许多“振峰” 。一般,系统的特性与激振方式、测点布置无关。多自 由度线性振动系统中, 任何一点的振动响应, 可认为是反映该系统多个自由度系统响应的叠 加。对于小阻尼系统,在某个固有频率附近与其相对应的该阶振动响应特别大,以致可以忽 略其它各阶振动响应。本实验仅测试系统的固有频率。 本实验用差动变压器测量振动信号,差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线 圈和线圈骨架等。初级线圈作为差动变压器激励用,相当于变压器的原边。次级线圈由两个 结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成, 形成变压器的副边。 传感器随着被测体移动 时, 由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化, 其中一 支次级感应电势增加,另一支感应电势则减小,将两只次级反向串接,就引出差动输出。其 输出电势能反映出被测物体的移动量。 在测试过程中,为了得到最佳的测量效果,需要对差动传感器进行对中,使得差动传感 器的连接杆处于线圈正中间,如图 9-1 所示。

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图 9-1 差动变压器示意图

四、实验步骤:
1. 将差动变压器按图 9-2 安装在振动源单元上;

图 9-2 差动变压器安装示意图

2.

将差动变压器的输出线连接到差动变压器模块上,并按图 10-3 连线。检查无误后, 打开固定稳压电源开关;

图 9-3 差动变压器测振幅系统接线图

3.

振动源输入接低频振荡信号源 Us2,调节 Us2 信号源频率,使振动源振动较为明显

40

(幅值大约可达到 10mm 左右) 。在调节的时候注意将振动台支架以及振动传感器 的固定螺钉拧松,否则由于摩擦不对中等原因,振幅不能达到较大值。同时,调 节差动传感器的上下位置,使调制后的信号有良好的波形。 4. 将“差动变压器实验模块”输出(调制后的信号)与数据采集卡模拟输入端的 AI0 通道连接,同时将“低通滤波器”输出(解调后的信号)与数据采集卡模拟输入 端的 AI1 通道连接。打开 LABVIEW 程序“振动测量” , 如图 9-4 所示,可以看 到 LABVIEW 前面板左侧从上到下依次是调幅波的时域波形、频谱和对数谱,右 侧是解调后的时域波形、频谱和对数谱。运行该程序,调节 Us1 信号源的频率和幅 值,观察调制波和解调波的波形和频谱。观察信号调制和解调的过程。

图 9-4 调制和解调信号波形图

5.

运行 LABVIEW 程序“系统动态特性测量” ,从 5Hz 到 30Hz(可用实验台的频率/ 转速表粗略量取)调节信号源 Us2 频率,依次采样,得到振动系统的频率响应曲线 和固有频率,由于系统在 11Hz-15Hz 之间幅值变化较大,采集时幅值间隔取小一
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些,其他区间幅值变化不大,幅值间隔取大一些。采集完成之后可以得到系统的 幅频特性曲线,振幅最大处的频率即系统的固有频率。如图 9-5 所示。

图 9-5 系统动态特性测量

五、实验报告:
1. 在实验报告中附上你所做出的 LABVIEW 前面板波形截图。 2. 哪些因素影响振动源的振幅?实验过程中是否遇到问题, 你是如何分析和解决这些 问题的。 3. 图 9-2 中铁片和钢珠分别起到了什么作用? 4. 在所有实验模块中“JCY-2 振动源实验模块”质量是最大的,试分析原因。

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附:程序框图

图 9-6 系统动态特性测量程序框图

图 9-7 系统动态特性测量程序框图

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实验十 转速测量和控制实验
一、实验目的:
1、了解磁电式、霍尔、光电测量转速原理; 2、了解 PID 转速控制原理以及实现方法。

二、需用器件与单元:
磁电式传感器、霍尔传感器、光电传感器、转动源、频率/转速表、直流源 5-24V;智能调 节仪、信号转换模块、NI 数据采集卡(USB6251) 、LABVIEW 软件。

三、基本原理:
1. 磁电式测速原理:基于电磁感应原理,N 匝线圈所在磁场的磁通变化时,线圈中感应 电势: e ? ? N

d? 发生变化,因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时,每转一周线圈感应电 dt

势产生 N 次的变化,通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。 2. 霍尔测速原理:利用霍尔效应表达式:U H ? K H IB ,当被测圆盘上装有 N 只磁性体 时,转盘每转一周磁场变化 N 次,霍尔电势就同频率相应变化,输出电势通过放大、 整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。 3. 光电测速原理:光电转速传感器有反射型和透射型两种,本实验装置为透射型,传感 器端部有发光管和光电池,发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上,并转 换成电信号。由于转盘上有等间距的 6 个透射孔,转动时将获得与转速及透射孔数有 关的脉冲,将电脉计数处理即可得到转速值。 4. 转速控制原理: 利用霍尔传感器检测到的转速频率信号经 F/V 转换后作为转速的反馈 信号,该反馈信号与智能调节仪的设定转速比较后进行数字 PID 运算,调节电压驱动 器,改变直流电动机电枢电压,使电机的转速逐渐趋近设定转速(设定值 1500 转/分 —2500 转/分) 。转速控制原理如下图所示。 智能调节仪 转速设定 e1 △e e2 同相放大 V F/V F 霍尔传感器 n PID 调节 I 电压驱动 Vo 电机电枢 n 转盘

图 10-1 转速控制原理框图

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四、实验步骤:
(一)转速测量实验 1、 按 10-2 图安装磁电感应式传感器。传感器底部距离转动源约 4-5mm,磁电式传感 器的两根输出线同时接到频率/转速表和采集卡 AI1 通道。

图 10-2 磁电式传感器安装示意图

2、 打开实验台电源,选择不同档位电压+5V、+6V、+8V、+10V、+12V(正极接+6V, 负极接-6V) 、+15V、+16V、+20V、+24V 驱动转动源(注意正负极,否则烧坏电 机) ; 3、 运行 LABVIEW 程序“转速测量” ,依次选择上述电压源,待电机转速稳定后,按 下“采样”采集对应的转速和电压值,得到电压-转速曲线,如图 10-3 所示; 4、 将传感器换成霍尔式和光电式(+5V 和地线都要接到实验台上) ,重复上面步骤。

图 10-3 转速测量

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(二)转速控制实验 1. 选择智能调节仪的控制对象为转速,并按图 4 连线。开启控制台总电源,打开智能调 节仪电源开关。 2. 短按 SET 键,进入智能调节仪 A 菜单,仪表靠上的窗口显示“SU” ,靠下窗口显示待 设置的设定值。当 LOCK 等于 0 或 1 时使能,设置转速的设定值(参考值 1500-2500) 。 3. 长按 SET 键 3 秒以上,进入智能调节仪 B 菜单,靠上窗口显示“dAH” ,靠下窗口显 示待设置的上限报警值(参考值 5000) 。上限报警时仪表右上“AL1”指示灯亮。 4. 继续短按 SET 键,靠上窗口显示“ATU” ,靠下窗口显示待设置的自整定开关,控制 转速时无效。 5.继续短按 SET 键,靠上窗口显示“P” ,靠下窗口显示待设置的比例参数值(参考值 600) 。 6. 继续短按 SET 键,靠上窗口显示“I” ,靠下窗口显示待设置的积分参数值(参考值 100) 。 7. 继续短按 SET 键,靠上窗口显示“LOCK” ,靠下窗口显示待设置的锁定开关, “0”允 许 A、B 菜单, “1”只允许 A 菜单, “2”禁止所有菜单。继续短按 SET 键,回到初始状态。 8. 经过一段时间(20 分钟左右)后,转动源的转速可控制在设定值,控制精度±2%。

图 10-4 转速控制实验连线图

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五、实验报告:
1、分析转速测量实验的误差来源和对数据结果的影响。 2、观察实验并思考三个传感器中哪一个是光电传感器(自己动手安装的那个?透明支 架那个?还是黑色支架那个?) ,说明你的判断依据。 3、转速自动控制的试验中使转速达到设定值大约用了多少时间?分析 PID 参数对转速 智能调节的影响, 实验过程中哪一组 PID 参数组合可以使转速准确高效的达到设定值? 实验过程中是否遇到问题,你是如何分析和解决这些问题的。

附:程序框图

图 10-5 转速测量实验程序框图

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实验十一
一、实验目的:

扩散硅压阻式压力传感器压力测量

1、了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法、基本结构、性能及应用。 2、掌握扩散硅压阻式压力传感器标定方法和最小二乘法误差数据处理方法及获得方法

二、实验仪器:
压力传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V、±15V、NI 数据采集卡、计算机等。

三、实验原理:
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法,摩托罗拉公司设计出 X 形硅压 力传感器如图 11-1 所示:在单晶硅膜片表面形成 4 个阻值相等的电阻条。并将它们连接成 惠斯通电桥,电桥电源端和输出端引出,用制造集成电路的方法封装起来,制成扩散硅压阻 式压力传感器。 扩散硅压力传感器的工作原理:在 X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电 流 i ,如图 11-1 所示,当敏感芯片没有外加压力作用,内部电桥处于平衡状态,当有剪切力 作用时,在垂直电流方向将会产生电场变化 E ? ?? ? i ,该电场的变化引起电位变化,则在 端可得到被与电流垂直方向的两侧压力引起的输出电压 Uo。

U O ? d ? E ? d ? ?? ? i
式中 d 为元件两端距离。

(13-1)

实验接线图如图 11-2 所示,MPX10 有 4 个引出脚,1 脚接地、2 脚为 Uo+、3 脚接+5V 电源、4 脚为 Uo-;当 P1>P2 时,输出为正;P1<P2 时,输出为负。

图 11-1 扩散硅压力传感器(MPX10)原理图

四、实验内容与步骤:
1.使用压力传感器模块,如图 11-2 所示。接入+5V、±15V 直流稳压电源,模块输出 端 Vo2 接控制台上数显直流电压表,选择 20V 档,打开实验台总电源。 2.调节 Rw2 到适当位置并保持不动,用导线将差动放大器的输入端 Ui 短路,然后调 节 Rw3 使直流电压表 200mV 档显示为零,取下短路导线。 3.检查气室和活塞是否连接紧密,将气室 1、 2 的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后, 使两个气室的压力相对大气压均为 0,气压计指在“零”刻度处,将 MPX10 的输出接到差
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动放大器的输入端 Ui,调节 Rw1 使直流电压表 200mv 档显示为零。(如果调不到零请重新 调节 Rw2) 4、 打开 LabVIEW 程序“扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验”, 在步长中输入每次 采样输入电压的变化量(一般设为 0.01MP) 。 5、运行“扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验” 保持负压力输入 P2 压力零不变, 按照设定的步长增大正压力输入 P1 的压力,按下“采样”采集对应的电压值,经过十次采样 后得到得到电压压力曲线,如图 11-3 所示; 6.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。

五、实验报告:
根据实验所得数据,计算压力传感器输入 P(P1-P2)—输出 Uo 曲线。计算灵敏度 L= Δ U/Δ P,非线性误差δ f,与计算机计算得到的误差进行对比得出结论,并理解最小二乘法 拟合方法。

图 11-2 扩散硅压力传感器接线图

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附:程序框图:

图 11-3a 扩散硅压力传感器检测系统的前台界面

图 11-3b 扩散硅压力传感器检测系统的后台界面

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实验十二
一、实验目的:

智能调节仪温度控制实验

了解 PID 智能模糊加位式调节温度控制原理。

二、实验仪器:
智能调节仪、PT100、温度源

三、实验原理:
1.位式调节 位式调节(ON/OFF)是一种简单的调节方式,常用于一些对控制精度不高的场合作温 度控制,或用于报警。位式调节仪表用于温度控制时,通常利用仪表内部的继电器控制外部 的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。 2.PID 智能模糊调节 PID 智能温度调节器采用人工智能调节方式, 是采用模糊规则进行 PID 调节的一种先进 的新型人工智能算法,能实现高精度控制,先进的自整定(AT)功能使得无需设置控制参 数。在误差大时,运用模糊算法进行调节,以消除 PID 饱和积分现象,当误差趋小时,采 用 PID 算法进行调节,并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化, 具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。 3.温度控制基本原理 由于温度具有滞后性,加热源为一滞后时间较长的系统。本实验仪采用 PID 智能模糊+ 位式双重调节控制温度。 用报警方式控制风扇开启与关闭, 使加热源在尽可能短的时间内控 制在某一温度值上, 并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来, 可节约实 验时间。 当温度源的温度发生变化时,温度源中的热电阻 Pt100 的阻值发生变化,将电阻变化量 作为温度的反馈信号输给 PID 智能温度调节器,经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值 比较再进行数字 PID 运算输出可控硅触发信号(加热)和继电器触发信号(冷却) ,使温度 源的温度趋近温度设定值。PID 智能温度控制原理如图 12-1 所示。

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图 12-1 PID 智能温度控制原理框图

四、实验内容与步骤:
1.在控制台上的“智能调节仪”单元中“输入”选择“Pt100” ,并按图 12-2 接线(注 意:PT100 的两根同色线接在试验台上的同色接口中) 。 2.将“+24V 输出”经智能调节仪“继电器输出” ,接加热器风扇电源,打开调节仪电 源。 3. 按住 键 3 秒以下, 进入智能调节仪 A 菜单, 仪表靠上的窗口显示温度设定 “ ” , ”

靠下窗口显示待设置的设定值。当 LOCK 等于 0 或 1 时使能,设置温度的设定值,按“ 可改变小数点位置,按 再按 或 键可修改靠下窗口的设定值。否则提示“

”表示已加锁。

3 秒以下,回到初始状态。 键 3 秒以上,进入智能调节仪 B 菜单,靠上窗口显示“ ”可改变小数点位置,按 或 ” ,靠下窗口显

4.按住

示待设置的上限偏差报警值。按“

键可修改靠下窗口的

上限报警值。温度达到设定温度值+上限偏差报警值时仪表右上“AL1”指示灯亮。 (参考值 0.5) 5.继续按 按 、 键 3 秒以下,靠上窗口显示“ ” ,靠下窗口显示待设置的自整定开关,

设置, “0”自整定关, “1”自整定开,开时仪表右上“AT”指示灯亮。 键 3 秒以下,靠上窗口显示“dP” ,靠下窗口显示待设置的仪表小数点位 或 键可修改靠下窗口的比例参数值。 (参考值 1)

6.继续按 数,按“

”可改变小数点位置,按

7.继续按 按“

键 3 秒以下,靠上窗口显示“P” ,靠下窗口显示待设置的比例参数值, 或 键可修改靠下窗口的比例参数值。

”可改变小数点位置,按

8.继续按 按“

键 3 秒以下,靠上窗口显示“I” ,靠下窗口显示待设置的积分参数值, 或 键可修改靠下窗口的积分参数值。

”可改变小数点位置,按

9.继续按 按“

键 3 秒以下,靠上窗口显示“d” ,靠下窗口显示待设置的微分参数值, 或 键可修改靠下窗口的微分参数值。
52

”可改变小数点位置,按

10、继续按 值,按“

键 3 秒以下,靠上窗口显示“T” ,靠下窗口显示待设置的输出周期参数 或 键可修改靠下窗口的输出周期参数值。

”可改变小数点位置,按

11、继续按

键 3 秒以下,靠上窗口显示“SC” ,靠下窗口显示待设置的测量显示误 ”可改变小数点位置,按 或 键可修改靠下窗口的测量显示误差

差修正参数值,按“

修正参数值。 (参考值 0) 12、继续按 数值,按“ 考值 100%) 13、按照上述步骤将温度控制在 50 度。 键 3 秒以下,靠上窗口显示“UP” ,靠下窗口显示待设置的功率限制参 或 键可修改靠下窗口的功率限制参数值。 (参

”可改变小数点位置,按

图 12-2 实验接线 图

五、实验报告:
PID 调节中各参数(比例、积分、微分系数)对控制效果的影响

53

实验十三
一、实验目的:

集成温度传感器的温度特性实验

了解常用的集成温度传感器(AD590)基本原理、性能与应用。

二、实验仪器:
智能调节仪、PT100、AD590、温度源、温度传感器实验模块

三、实验原理:
集成温度传感器 AD590 是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一 芯片上的温度传感器。其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠;不足的是测温范 围较小、使用环境有一定的限制。AD590 能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出,在 一定温度下,相当于一个恒流源,一般用于-50℃-+150℃之间温度测量。温敏晶体管的 集电极电流恒定时,晶体管的基极-发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管 Ub 电 压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。本实验仪采用电流输出型集成温度传感器 AD590,在一定温度下,相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的 干扰,具有很好的线性特性。AD590 的灵敏度(标定系数)为 1 ? A/K,只需要一种+4V~ +30V 电源(本实验仪用+5V) ,即可实现温度到电流的线性变换,然后在终端使用一只取 样电阻(本实验中为传感器调理电路单元中 R6=100Ω )即可实现电流到电压的转换,使用 十分方便。电流输出型比电压输出型的测量精度更高。

四、实验内容与步骤:
1.重复温度控制实验,将温度控制在 500C,在另一个温度传感器插孔中插入集成温度 传感器 AD590。 2.将±15V 直流稳压电源接至温度传感器实验模块。温度传感器实验模块的输出 Uo2 分别接主控台直流电压表。 3.将温度传感器模块上差动放大器的输入端 Ui 短接,调节电位器 Rw4 使直流电压表 显示为零。 4.拿掉短路线,按图 14-1 接线,并将 AD590 两端引线按插头颜色(一端红色,一端 蓝色)插入温度传感器实验模块中(红色对应 a、蓝色对应 b) 。温度传感器实验模块的输出 Uo2 接数据采集卡(数据采集卡的 68、67 号端子分别为正、负极) 5.将 R6 两端接到差动放大器的输入 Ui。
54

6. 打开温度传感器特性测试软件。 7. 设置好参数后运行该软件(模式选择:采集标定模式,升温,温度下限 55℃,温度 上限 120℃) 。

图 13-1 实验接线图

8.改变温度源的温度每隔 50C 点击一次标定采集按钮(从 550C 开始采集) 。直到温度 升至 1200C。采集结束后,软件自动停止运行。

55

图 13-2 集成温度传感器升温时特性曲线

9.选择降温,从 1200C 开始,每隔 50C 采集一个数据,直到 550C,软件自动停止运行, 并显示出升温降温时采集的两组数据。

56

图 13-3 集成温度传感器升温降温特性曲线

10.软件选择测量模式,改变温度源的温度,点击测量采 集按钮。此时采得一个电压值,对应的我们得到该电压对应 的温度值,从而实现温度的测量。

图 13-4 温度测量

五、实验报告
1、由软件中记录的传感器升温时的数据做出拟合曲线,并计算非线性误差,并与软件 生成结果做比较。 2、由软件中记录的升温降温数据计算在此范围内集成温度传感器的回程误差。

57

实验十四 一、实验目的:

铜热电阻温度特性测试实验

了解铜热电阻测温基本原理与特性。

二、实验仪器:
智能调节仪、温度源、温度传感器模块、铂热电阻 Pt100、铜热电阻 Cu50、±15V 电源、 数显单元。

三、实验原理:
铜热电阻以金属铜作为感温元件。它的特点是:电阻温度系数较大、价格便宜、互换 性好、固有电阻小、体积大。使用温度范围是-50℃~150℃,在此温度范围内铜热电阻与温 度的关系是非线性的。如按线性处理,虽然方便,但误差较大。通常用下式描述铜热电阻的 电阻与温度关系:

Rt ? R0 1 ? At ? Bt 2 ? Ct 3

?

?

式中, R0 ——温度为 0℃时铜热电阻的电阻值,通常取 R0 =50Ω 或 R0 =100Ω ;

Rt ——温度为 t℃时铜热电阻的电阻值;
t——被测温度; A,B,C 为常数,当 W100=1.428 时,A=4.28899×10-3℃-1,B=-2.133×10-7℃-2,C=1.233× 10-9℃-3。 铜热电阻体结构如图 14-1 所示,通常用直径 0.1mm 的漆包线或丝包线双线绕制,而后 浸以酚醛树脂成为一个铜电阻体,再用镀银铜线作引出线,穿过绝缘套管。铜电阻的缺点是 电阻率较低,电阻体的体积较大,热惯性也较大,在 100℃以上易氧化,因此只能用于低温 以及无侵蚀性的介质中。

1-引出线

2-补偿线阻 图 14-1

3-铜热电阻丝 铜热电阻体结构

4-引出线

铜热电阻 Cu50 的电阻温度特性(分度表)见表 14-1。

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表 14-1 铜热电阻分度表(分度号:Cu50;单位:Ω ) 温度 (℃) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 50.00 52.14 54.28 56.42 58.56 60.70 62.84 64.98 67.12 69.26 71.40 73.54 75.68 50.21 52.36 54.50 56.64 58.78 60.92 63.05 65.19 67.33 69.47 71.61 73.75 75.90 50.43 52.57 54.71 56.85 58.99 61.13 63.27 65.41 67.54 69.68 71.83 73.97 76.11 50.64 52.78 54.92 54.07 59.20 61.34 63.48 65.62 67.76 69.90 72.04 74.18 76.33 50.86 53.00 55.14 57.28 59.42 61.56 63.70 65.83 67.97 70.11 72.25 74.40 76.54 51.07 53.21 55.35 57.49 59.63 61.77 63.91 66.05 68.19 70.33 72.47 74.61 76.76 51.28 53.43 55.57 57.71 59.85 61.98 64.12 66.26 68.40 70.54 72.68 74.83 76.97 51.50 53.64 55.78 57.92 60.06 62.20 64.34 66.48 68.62 70.76 72.80 75.04 77.19 51.71 53.86 56.00 58.14 60.27 62.41 64.55 66.69 68.83 70.97 73.11 75.26 77.40 51.93 54.07 56.21 58.35 60.49 62.63 64.76 66.96 69.00 71.18 71.33 76.47 77.62 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

四、实验内容与步骤:
铜热电阻 Cu50 调理电路如图 14-2 所示。

图 14-2

铜热电阻 Cu50 调理电路原理图

59

1.重复温度控制实验,将温度源的温度设定在 500C,在温度源另一个温度传感器插孔 中插入 Cu50 温度传感器。 2.将±15V 直流稳压电源接至温度传感器实验模块。温度传感器实验模块的输出 Uo2 接主控台直流电压表和数据采集卡(数据采集卡的 67、68 号端子分别为正、负极) 。打开实 验台及智能调节仪电源。 3.短接模块上差动放大器的输入端 Ui,调节电位器 Rw4 使直流电压表显示为零。 4.拿掉短路线,按图 15-2 接线,并将 Cu50 传感器的三根引出线(同颜色的两个端子 短接)插入温度传感器实验模块中“Rt” 。两端。并将 R7 和一个 100Ω 电阻 R7’并联。 5.将+5V 直流电源接到电桥两端,电桥输出接到差动放大器的输入 Ui,调节平衡电位 器 Rw2,使输出 Uo2 为 0。 6.按实验温度控制实验设置智能调节仪参数,并打开温度传感器特性实验软件,设置 好参数后运行该软件(模式选择:采集标定模式,升温,温度下限 550C,温度上限 1300C) 。 改变温度源的温度每隔 50C 点击一次标定采集按钮,直到温度升至 1300C。采集结束后,软 件自动停止运行(如图 14-3) 。

图 14-3 铜热电阻特性曲线 60

7. 选择降温,从 1300C 开始,每隔 50C 采集一个数据,直到 550C,软件自动停止运行, 并显示出升温降温时采集的两组数据(如图 14-4) 。

图 14-4 铜热电阻升温降温特性曲线

五、实验报告:
1.根据软件表中所记录数据,绘制 Vo(V)- t(℃)实验曲线,并计算非线性误差。 2.根据软件表中所记录数据,绘制升温降温曲线,并计算铜热电阻的回程误差。 3.为什么我们希望敏感元件的输出具有良好的线性度?

61

实验十五
一、实验目的:
掌握 PN 结测量温度的方法

PN 结温度特性测试实验

二、实验仪器:
智能调节仪、温度源、温度传感器实验模块(二) 、PT100、PN 结温度传感器、±15V 稳压电源

三、实验原理:
理想 PN 结的正向电流 If 和正向压降 UF 存在如下近似关系:

I f ? I s exp (

eU F ) kT

(15-1)

其中:e 为电子电荷;k 为为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;Is 为反向饱和电流。Is 是 一个和 PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数,可以证明

Is ? CT ? exp[ ?

eUs (0) ] kT

(15-2)

其中:C、γ 是与结面积、掺杂浓度有关的常数;Us(0)为绝对零度时 PN 结材料的 导带底和价带顶的电势差; 将式(15-2)代入式(15-1) ,且两边取对数得:

k C kT U F ? Us(0) ? ( ln )T ? ln T ? ? U I ? U nI e IF e
其中 U I ? Us(0) ? ( ln

(15-3)

k e

C )T IF

, U nI ? ?

kT ln T ? e

式(15-3)是 PN 结温度传感器的基本方程。令 IF=常数,则正向压降只随温度而变。 在恒流供电的条件下,PN结的UF 对T的关系取决于线性项UI,即正向压降几乎随温 度的升高而线性下降,这就是PN结测温的根据。

四、实验步骤:
1.重复智能调节仪温度控制实验接线,将 PN 结温度传感器插入温度源并按图 16-1 接入 度传感器实验模块(二) 。

62

图 15-1 PN 结传感器接线原理图

2.从主控台接 15V 直流稳压电源接至温度传感器实验模块(二) 。 3. 打开温度传感器特性测试软件。 4. 设置好参数后运行该软件(模式选择:采集标定模式,升温,温度下限 55℃,温度 上限 120℃) 。 5.改变温度源的温度每隔 5 C 点击一次标定采集按钮(从 55 C 开始采集) 。直到温度升 至 120 C。采集结束后,软件自动停止运行。
0 0 0

63

图 15-2 PN 结传感器升温时特性曲线

6.选择降温,从 120 C 开始,每隔 5 C 采集一个数据,直到 55 C,软件自动停止运行, 并显示出升温降温时采集的两组数据。

0

0

0

64

图 15-3

PN 结传感器降温特性曲线

7.软件选择测量模式,改变温度源的温度,点击测量采集按钮。此时采得一个电压值, 对应的我们得到该电压对应的温度值,从而实现温度的测量。

五、实验报告
1、由软件中记录的传感器升温时的数据做出拟合曲线,并计算非线性误差,并与软件生 成结果做比较。 2、由软件中记录的升温降温数据计算在此范围内集成温度传感器的回程误差。

六、注意事项
在本实验中,采用的是硅材料 PN 结,温度测量范围为-50℃~150℃。

65

实验十六
一、实验目的:
了解 E 型热电偶的特性与应用

E 型热电偶测温实验

二、实验仪器:
智能调节仪、PT100、E 型热电偶、温度源、温度传感器实验模块

三、实验原理:
热电偶传感器的工作原理 热电偶是一种使用最多的温度传感器,它的原理是基于 1821 年发现的塞贝克效应,即 两种不同的导体或半导体 A 或 B 组成一个回路,其两端相互连接,只要两节点处的温度不 同,一端温度为 T,另一端温度为 T0,则回路中就有电流产生,见图 16-1(a) ,即回路中 存在电动势,该电动势被称为热电势。

图 16-1(a)

图 16-1(b)

两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。 当回路断开时,在断开处 a,b 之间便有一电动势 ET,其极性和量值与回路中的热电势 一致,见图 16-1(b) ,并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时,称 A 为正极,B 为负极。实 验表明,当 ET 较小时,热电势 ET 与温度差(T-T0)成正比,即 ET=SAB(T-T0) (1)

SAB 为塞贝克系数,又称为热电势率,它是热电偶的最重要的特征量,其符号和大小取 决于热电极材料的相对特性。 热电偶的基本定律: (1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路, 不论导体的截面积和长度如何, 也不论各处的温度分 布如何,都不能产生热电势。 (2)中间导体定律

66

用两种金属导体 A,B 组成热电偶测量时,在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测 量温差电势 EAB(T,T0) ,而这些导体材料和热电偶导体 A,B 的材料往往并不相同。在这 种引入了中间导体的情况下,回路中的温差电势是否发生变化呢?热电偶中间导体定律指 出:在热电偶回路中,只要中间导体 C 两端温度相同,那么接入中间导体 C 对热电偶回路 总热电势 EAB(T,T0)没有影响。 (3)中间温度定律 如图 17-2 所示,热电偶的两个结点温度为 T1,T2 时,热电势为 EAB(T1,T2) ;两结点 温度为 T2,T3 时,热电势为 EAB(T2,T3) ,那么当两结点温度为 T1,T3 时的热电势则为 EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T3)=EAB(T1,T3) 式(2)就是中间温度定律的表达式。譬如:T1=0℃,T2=40℃,T3=100℃,则 EAB(0,40)+EAB(40,100)=EAB(0,100) (3) (2)

图 16-2 热电偶的分度号: 热电偶的分度号是其分度表的代号(一般用大写字母 S、R、B、K、E、J、T、N 表示) 。 它是在热电偶的参考端为 0℃的条件下,以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。 表 16-1
温度 (℃) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.000 0.591 1.192 1.801 2.419 3.047 3.683 4.329 1 0.059 0.651 1.252 1.862 2.482 3.110 3.748 4.394 2 0.118 0.711 1.313 1.924 2.544 3.173 3.812 4.459 3 0.176 0.770 1.373 1.985 2.057 3.237 3.876 4.524

E 型热电偶分度表(分度号:E,单位:mV)
热电动势(mV) 4 0.235 0.830 1.434 2.047 2.669 3.300 3.941 4.590 5 0.295 0.890 1.495 2.109 2.732 3.364 4.005 4.655 6 0.354 0.950 1.556 2.171 2.795 3.428 4.070 4.720 7 0.413 1.011 1.617 2.233 2.858 3.491 4.134 4.786 8 0.472 1.071 1.678 2.295 2.921 3.555 4.199 4.852 9 0.532 1.131 1.739 2.357 2.984 3.619 4.264 4.917

67

80 90 100 110 120 130 140 150

4.983 5.646 6.317 6.996 7.683 8.377 9.078 9.787

5.047 5.713 6.385 7.064 7.752 8.447 9.149 9.858

5.115 5.780 6.452 7.133 7.821 8.517 9.220 9.929

5.181 5.846 6.520 7.201 7.890 8.587 9.290 10.000

5.247 5.913 6.588 7.270 7.960 8.657 9.361 10.072

5.314 5.981 6.656 7.339 8.029 8.827 9.432 10.143

5.380 6.048 6.724 7.407 8.099 8.842 9.503 10.215

5.446 6.115 6.792 7.476 8.168 8.867 9.573 10.286

5.513 6.182 6.860 7.545 8.238 8.938 9.614 10.358

5.579 6.250 6.928 7.614 8.307 9.008 9.715 10.429

四、实验内容与步骤:
1.选择智能调节仪的“输入选择”为“Pt100” ,将温度传感器 PT100 接入“PT100 输 入” (同色的两根接线端接兰色,另一根接黑色插座) ,打开实验台总电源。并记下此时的实 验室温度 T2。 2.重复实验 Pt100 温度控制实验,将温度控制在 500C,在另一个温度传感器插孔中插 入 E 型热电偶温度传感器。 3. 将±15V 直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。 温度传感器实验模块的输出 Uo2 分别接主控台直流电压表和数据采集卡 68(正)和 67(负)端子。 4.将温度传感器模块上差动放大器的输入端 Ui 短接,调节 Rw3 到最大位置,再调节 电位器 Rw4 使直流电压表显示为零。 5.拿掉短路线,按图 16-3 接线,并将 E 型热电偶的两根引线,热端(红色)接 a,冷 端(绿色)接 b。

68

图 16-3 实验接线图

6. 打开温度传感器特性测试软件。 7. 设置好参数后运行该软件(模式选择:采集标定模式,升温,温度下限 550C,温度 上限 1200C) 。 8.改变温度源的温度每隔 50C 点击一下标定采集按钮 (从 550C 开始采集)。直到温度 升至 1200C(如图 16-4 所示) 。

69

图 16-4 E 型热电偶升温时特性曲线

9. 选择降温,从 1200C 开始,每隔 50C 点击标定采集按钮,直到 550C,软件自动停止 运行,并显示出升温降温时采集的两组数据(如图 16-5) 。

70

图 16-5

E 型热电偶升温降温曲线

10.软件选择测量模式,改变温度源的温度,点击测 量采集按钮。此时采得一个电压值,对应的我们得到该 电压对应的温度值,从而实现温度的测量。

图 16-6 温度测量

五、实验报告:
1.根据软件所记录的实验数据,作出 UO2-T 曲线,分析 E 型热电偶的温度特性曲线, 计算其非线性误差。 2. 由软件中记录的升温降温数据计算在此范围内温度传感器的回程误差。 3. 根据中间温度定律和 E 型热电偶分度表, 用平均值计算出差动放大器的放大倍数 A。

71

实验十七
一、实验目的:

K 型热电偶冷端温度补偿实验

了解热电偶冷端温度补偿的原理和方法

二、实验仪器:
智能调节仪、PT100、K 型热电偶、温度源、温度传感器实验 模块

三、实验原理:
热电偶冷端温度补偿的方法有:冰水法、恒温槽法和电桥自动 补偿法(图 17-1) ,电桥自动补偿法常用,它是在热电偶和测温仪 表之间接入一个直流电桥,称冷端温度补偿器,补偿器电桥在 0℃时
图 17-1

达到平衡(亦有 20℃平衡) 。当热电偶自由端温度升高时(>0℃)热电偶回路电势 Uab 下降, 由于补偿器中,PN 呈负温度系数,其正向压降随温度升高而下降,促使 Uab 上升,其值正 好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势,达到补偿目的。

四、实验内容与步骤:
1.重复 Pt100 温度控制实验,将温度控制在 500C,在另一个温度传感器插孔中插入 K 型热电偶温度传感器。 2. 将±15V 直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。 温度传感器实验模块的输出 Uo2 接主控台直流电压表和数据采集卡 68(正)和 67(负)端子。 3.将温度传感器模块上差动放大器的输入端 Ui 短接,调节 Rw3 到最大位置,再调节 电位器 Rw4 使直流电压表显示为零。 4. 拿掉短路导线, 按图 17-2 接线, 并将 K 型热电偶的两个引线分别接入模块 两端(红接 a,蓝接 b) ;调节 Rw1 使温度传感器输出 UO2 电压值为 AE2。 (A 为差动放大 器的放大倍数、E2 为 K 型热电偶 50℃时对应输出电势). 5.打开温度传感器特性测试软件。 6. 变温度源的温度每隔 5℃点击一次采集按钮。 直到温度升至 120℃ (如图 17-3 所示) 。

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图 17-2 实验接线图

图 17-3 K 型传感器特性曲线

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五、实验报告:
1.根据软件中记录数据,作出(UO2/A)-T 曲线。并与分度表进行比较,分析电桥自 动补偿法的补偿效果。 2.冷端补偿一般有哪些方法 K 型热电偶分度表(分度号:K,单位:mV) 温 度 0 (℃) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 0.039 0.437 0.858 1.244 1.652 2.064 2.477 2.892 3.307 3.722 4.137 4.549 4.960 5.368 5.774 6.177 0.079 0.477 0.879 1.285 1.693 2.105 2.519 2.933 3.349 3.764 4.178 4.600 5.001 5.409 5.814 6.218 0.119 0.517 0.919 1.325 1.734 2.146 2.560 2.975 3.390 3.805 4.219 4.632 5.042 5.450 5.855 6.258 0.158 0.557 0.960 1.366 1.776 2.188 2.601 3.016 3.432 3.847 4.261 4.673 5.083 5.190 5.895 6.298 0.198 0.597 1.000 10407 1.817 2.229 2.643 3.058 3.473 3.888 4.302 4.714 5.124 5.531 5.936 6.338 0.238 0.637 1.041 1.4487 1.858 2.270 2.684 30100 3.515 3.930 4.343 4.755 5.161 5.571 5.976 6.378 0.277 0.677 1.081 1.480 1.899 2.312 2.726 3.141 3.556 3.971 4.384 4.796 5.205 5.612 6.016 6.419 0.317 0.718 1.122 1.529 1.940 2.353 2.767 3.183 3.598 4.012 4.426 4.837 5.2340 5.652 6.057 6.459 0.357 0.758 1.162 1.570 1.981 2.394 2.809 3.224 3.639 4.054 4.467 4.878 5.287 5.693 6.097 6.499 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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实验十八 信号分析与处理
一、实验目的:
1、掌握周期信号频谱分析方法; 2、掌握非周期信号频谱分析方法; 3、加深对采样定理和频谱混叠的理解; 4、加深对加窗、泄漏等概念的理解; 5、掌握不同类型滤波器的应用场合,加深对滤波器性能及各项参数的理解; 6、了解 IIR 和 FIR 滤波器的优缺点。 7、掌握功率谱分析的方法。 8、了解自相关分析方法的原理,掌握其基本使用方法。 9、掌握概率密度函数分析方法 10、掌握互相关分析的原理及其应用

二、实验原理:
1.信号采样遇到的问题及解决办法 (1)采样问题。若要使带限信号不丢失信息,采样频率必须满足采样定理,否则将出现 频率混叠现象; (2)截断问题。信号截断以后产生能量泄露是必然的,从采样定理可知,无论采用多高 的采样频率,只要信号一经截断,就不可避免的混叠。为了减少频谱能量泄露,可采用不同 的窗函数对信号进行截断; (3)频谱表示问题。实际中大多将模拟信号以正弦函数为基函数展开,此时谐波幅值与 计算结果的关系为

c0 ?

X(0) N

ck ?

2 X(k)(k ? 1 ? (N / 2 ? 1)) N

如果将模拟信号以复指数函数展开,此时谐波幅值 Fk 与 FFT 计算结果的关系为

Fk ?

1 X(k)(k ? 0 ? N / 2) N

(4)对于非周期信号,理论上应当具有连续的频谱,但数字谱分析是用的 DFT 来近似
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的,是用频谱的抽样值逼近连续频谱值。分析的结果只能看到有限(N)个频谱值,每一个 间隔中间的频谱都看不到。把这种现象称为“栅栏效应” 。 对于上述问题可以采用如下方法予以解决 a) 采样问题。非周期信号频谱宽度是无限的,采样过程若不能满足采样定理的要求, 必然引起频谱混叠现象,提高采样率可以降低混叠; b) 截断问题。对模拟信号的截断将出现频谱泄漏现象,选择合适的窗函数 ? n 可以降 低泄漏; c) 频谱表示问题。非周期信号的频谱是连续的,以频谱密度函数 X( j?) 和 X(f ) 形势 表示, X(f ) 与 FFT 计算结果 X(k) 的关系为

X(kf1 ) ? X(f )

f ? kf1

? Ts X(k)

式中, Ts 为采样时间, f1 ? NTs 。上式说明利用 FFT 计算非周期信号的频谱只能得到有限 个离散值,不能得到相邻两个谱线之间的频率上的频谱,这一现象即为“栅栏现象” 。通过 缩小相邻两谱线间距的方法来降低“栅栏现象”的影响,但需要增加采样点数,即增加 N。 对于瞬态信号,可以通过在原信号采样序列的尾部补零的方法抑制“栅栏效应” 。利用插值 方法可以由 X(kf1 ) 有近似得到 X(f ) 。 d) 加窗效应。[F]=1/(NT)

式中:[F]为频谱的分辨力,N 为采样点数,T 抽样周期。NT 实际上就是信号在时域上 的截断长度。减小加窗效应: (1) 加长数据的截断长度,即增加数据点数 N (2) 在所得到的截断数据末端补零,增加截断长度。 2.信号处理的常用方法 (1)自相关分析

自相关函数是

?

的偶函数 ,即 Rx (? ) ? Rx ( ?? )

当 ? ? 0 时,自相关函数具有极大值,且等于信号的均方值。 无限长信号的自相关函数

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无限长非周期函数:由有限时间信号的周期趋于无穷大时获得。 为了使所得到的 Rx (? ) 的表达式不发散,定义心自相关函数:

1 Rx (? ) ? T0
周期函数的自相关函数为

?

T0 2 T ? 0 2

x(t ) x(t ? ? )dt (T0 ? ?)

Rx (? ) ?

1 T 2 T x(t ) x(t ? ? )dt ? ? T 2

周期信号的自相关函数是 ? 的周期函数,周期为 T。 当 ? ? 0 或 T 的整数倍时, Rx (? ) 达到最大值。 2 概率密度函数 概率密度函数是指一个随机信号的瞬时值落在指定区间 ( x, x ? ?x) 内的概率对 ?x 比 值的极限值。 概率密度函数 p ( x) 则定义为:

概率密度函数示意图:

如果概率密度函数 fX(x)在一点 x 上连续,那么累积分布函数可导,并且它的导 数: 由于随机变量 X 的取值 只取决于概率密度函数的积分,所以概率密度函数在个别 点上的取值并不会影响随机变量的表现。更准确来说,如果一个函数和 X 的概率密度 函数取值不同的点只有有限个、可数无限个或者相对于整个实数轴来说测度为 0(是一 个零测集),那么这个函数也可以是 X 的概率密度函数。 3 自功率谱

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设 x(t)为一零均值的随机过程,且 x(t)中无周期性分量,则其自相关函数 Rx (? ) 在当

? ?? 时有
Rx (? ? ?) ? 0
该自相关函数 Rx (? ) 满足傅里叶变换的条件
?

?

?

??

Rx (? ) d? ? 0 对其作傅里叶变换可得

S x ( f ) ? ? Rx (? )e? j 2? f ? d?
??

其逆变换为:

Rx (? ) ? ? S x ( f )e? j 2? f ? df
??

?

Sx ( f ) 为 x(t)的自功率谱密度函数,简称自谱或功率谱
功率谱 Sx ( f ) 与自相关函数 Rx (? ) 之间是傅里叶变换对的关系,亦即

Rx (? ) ? Sx ( f )
(1) 当随机信号均值为零时,自相关函数和自功率谱密度函数互为傅立叶变换对。 (2) 自功率谱密度有明确的物理含义:当 ? ? 0 时, Sx ( f ) 曲线与频率轴 f 所包围的 面积就是信号的平均功率。另外, Sx ( f ) 还表明了信号的功率密度沿频率轴的 分布状况,因此称 Sx ( f ) 为自功率谱密度函数。 5 互相关分析 对于各态历经过程,可定义时间变量 x(t)与 y(t 的互协方差函数为:

Cxy (? ) ? E[{x(t ) ? ?x }{y(t ? ? ) ? ? y }]
? lim 1 T {x(t ) ? ? x }{ y (t ? ? ) ? ? x }dt T ?? T ?0

? Rxy (? ) ? ?x ? y
式中:

Rxy (? ) ? lim

1 T x(t ) y (t ? ? )dt T ?? T ?0

称 x(t)与 y(t)的互相关函数,自变量 ? 称为时移。 互相关函数表示的是两个时间序列之间和同一个时间序列在任意两个不同时刻的

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取值之间的相关程度,即互相关函数是描述随机信号 x(t),y(t) 在任意两个不同时刻 t1, t2 的取值之间的相关程度。描述两个不同的信号之间的相关性的函数,这两个信号不 一定是随机信号。 5.滤波器原理及应用 滤波器的功能就是允许信号中特定频率成分通过,而其它频率成分不能通过或受到较 大的抑制。滤波器中,把信号能够通过的频率范围称为通带;信号受到很大抑制的频率范围 称为阻带; 通带和阻带之间的分界频率称为截止频率。 理想滤波器在通带内的电压增益为常 数,在阻带内的电压增益为零,而实际滤波器的通带和阻带之间存在一定的过渡带,在使用 中应选择合适的截止频率。 本实验中利用不同类型的滤波器实现信号中特定频率分量的提取以及对信号中噪声成 分进行剔除。

三、实验内容与步骤:
1.常用信号及频谱分析 (1)打开信号分析与处理实验系统,在面板上点击周期信号及频谱选项,进入周期信号 及频谱分析模块。

图 18-1 20Hz 正弦信号及频谱

(2)选择信号类型为正弦波、频率为 20Hz、幅值为 1、采样频率为 1000Hz、采样点 数为 1000,观察信号时域波形及频谱(如图 18-1 所示) 。 (3)保持采样频率 1000Hz、采样点数 1000、幅值 1 不变,分别将频率设置为 30Hz、 40Hz、50Hz、60Hz,120Hz、200Hz,观察信号时域波形及频谱变化情况; (4)保持采样频率 1000Hz、采样点数 1000 不变,信号频率设为 20Hz,分别将幅值设
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置为 1、2、5、10,观察信号时域波形及频谱变化情况; (5)保持信号频率为 20Hz、采样频率为 1000Hz、幅值为 1 不变,分别将采样点数设 置为 1000、500、200、100、50,观察信号时域波形及频谱变化情况; (6)分别选择信号类型为三角波、方波、锯齿波,重复步骤(2)—(5) ,观察信号时 域波形及频谱变化情况。 2.周期脉冲信号及频谱 (1)打开信号分析与处理实验系统,点击在面板上周期脉冲信号及频谱选项进入周期 脉冲信号及频谱分析模块。 (2)设置采样频率为 1000Hz、幅值为 1、脉冲宽度为 0.01s,观察信号时域波形及其 频谱(如图 18-2 所示) ;

图 18-2 周期为 0.2s,脉宽 0.01s 时,周期脉冲信号的频谱

(3)保持采样频率为 1000 Hz、幅度为 1,分别将脉冲宽度设置为 0.02s、0.03s、0.04s、 0.05s、0.06s、0.07s、0.08s、0.09s,观察信号时域波形及频谱变化情况; (4) 保持采样频率为 1000 Hz、 脉冲宽度为 0.01s 条件下, 分别将幅值设置为 0.1s、 0.2s、 0.5s 观察信号是与波形及频谱变化情况。 3.非周期信号及其频谱 (1)打开信号分析与处理实验系统,点击面板上非周期信号及频谱选项,进入非周期
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信号及频谱分析模块。 (2)选择信号类型矩形脉冲,设置脉冲宽度为 5s、幅值为 5V、记录时间 100s,观察 信号时域波形及其频谱(如图 18-3 所示) ;

图 18-3 矩形脉冲信号及频谱

(3)其它参数不变,改变脉冲宽度,观察信号时域波形及频谱变化情况; (4)信号类型选择三角脉冲,重复步骤 2、3,观察信号时域波形及频谱变化情况。 4.采样定理及混叠现象 (1)打开信号分析与处理实验系统,点击面板上采样定理及混叠现象分析选项,进入 采样定理及混叠现象分析模块; (2)设置信号一、二、三、四的频率分别为 50Hz、150 Hz、250 Hz、200 Hz,采样频 率为 1000 Hz、采样点数为 1000,观察信号时域波形及频谱(如图 18-4 所示) ;

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图 18-4 采样定理及混叠现象

(3) 在采样点数不变条件下 (1000) , 分别将采样频率设置为 800 Hz、 600 Hz 、 500 Hz、 450 Hz、400 Hz、350 Hz、300 Hz、250 Hz、150 Hz 、100 Hz、50 Hz,观察信号时域波形 及频谱的变化情况; (4)在采样频率不变条件下(1000) ,分别将采样点数设置为 800、600、500、450、 400、350、300、250、150、50,观察信号时域波形及频谱变化情况; (5)保持采样频率为 1000 Hz、采样点数为 1000 不变,将信号频率设置为其它值,观 察信号时域波形及频谱变化情况。 5.信号加窗及泄漏现象 (1)打开信号分析与处理实验系统,点击面板上信号加窗及泄漏现象选项,进入信号加 窗及泄漏现象分析模块; (2) 设置窗类型为矩形窗、占空比为 50%、信号类型为正弦波、幅值为 1、频率为 20Hz、 采样频率为 1000Hz, 观察原始信号与加窗后信号的时域波形及频谱 (如图 18-5 所示) ;

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图 18-5 正弦波加矩形窗时的频谱泄露现象

(3)在信号类型为正弦波、幅值为 1、频率为 20Hz、采样频率为 200 Hz 条件下,分 别将窗类型设置为矩形窗、Hanning 窗、Hamming 窗、Blackman 窗、高斯窗,观察信号加 不同类型窗函数后波形及频谱变化情况; (4)将信号类型设置为方波、三角波、锯齿波,重复步骤(3) ,观察加窗后信号时域 波形及频谱变化情况。 6.滤波去噪及选频 (1)打开信号分析与处理实验系统,点击面板上滤波去噪及选频分析选项,进入滤波 去噪及选频分析模块; (2)选择加入白噪声,选择滤波器类型为低通滤波器、上限截止频率为 22Hz,信号一 类型为正弦波、幅值为 1、频率为 20Hz,信号二频率为 0Hz。观察原始信号和滤波后信号 的时域波形及频谱(如图 18-6 所示) 。 (3)将滤波器类型设置为高通滤波器,下限截止频率为 18Hz,其它设置与(2)中相 同,观察原始信号和滤波后信号的时域波形及频谱变化情况;

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图 18-6 低通滤波器去除噪声

(4)将滤波器类型设置为带通滤波器,上限截止频率为 22Hz、下限截止频率为 18Hz, 观察原始信号和滤波后信号的时域波形及频谱变化情况; (5)改变滤波器类型为带阻滤波器,重复步骤(4) ; (6)改变原始信号类型及频率,重复步骤(1)—(5) 。 (7)选择不加入白噪声; (8)设置滤波器类型为低通滤波器、上限频率为 12Hz,信号一类型为正弦波、幅值为 1、频率为 10Hz,信号二频率为 80Hz,其它设置与信号一相同。观察原始信号和滤波 后信号的时域波形及频谱(如图 18-7 所示) 。 (9)将滤波器类型设置为高通滤波器,下限频率为 78Hz;其它设置与(8)中相同, 观察原始信号和滤波后信号的时域波形及频谱变化。 (10)将滤波器类型设置为带通滤波器,设置下限频率为 8Hz、上限频率为 12Hz,观 察原始信号和滤波后信号的时域波形及频谱变化。

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图 18-7 低通滤波器选频

(11) 将滤波器类型设置为带阻滤波器, 观察原始信号和滤波后信号的时域波形及频谱 变化; (12)改变信号一与信号二的类型,重复步骤(8)—(11) ,观察原始信号和滤波后信 号的时域波形及频谱变化变化情况。 7、数字滤波器 (1)打开信号分析与处理实验系统,点击面板上 IIR 滤波器与 FIR 滤波器选项,进入 IIR 滤波器与 FIR 滤波器模块; (2)信号一设置为正弦信号、10Hz、幅值为 1V,信号二设置为正弦信号、50Hz、幅 值为 1V。选择 IIR 滤波器,IIR 滤波器选择低通滤波器、低截止频率 15Hz、阶数设置 为 1(如图 18-8 所示) ,改变阶数,观察滤波后信号频谱图的变化。 (3)选择 FIR 滤波器,参数低通、最低通带 15Hz,改变抽头数,观察滤波后信号频谱 图的变化。

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图 18-8

IIR 滤波器与 FIR 滤波器

8、功率谱分析 (1)打开功率谱分析系统,选择不同的波形,固定频率 10Hz,幅值 1 不变,观察自功 率谱,幅值普、功率谱。 (2)固定函数为正弦波形,更改信号的频率 10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz,固定 幅值为 1,观察自功率谱,幅值普、功率谱。 (3)固定函数为正弦波形,更改信号的幅值分别为 1、3、5、7、9,固定信号的频率为 10Hz,观察自功率谱,幅值普、功率谱。 (4)固定函数为正弦波形,固定频率 10Hz,幅值 1 不变,再改变,采样频率和采样点 数,观察自功率谱,幅值普、功率谱。

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图 18-9

功率谱

9、自相关分析 (1) 打开自相关分析系统,选择不同的波形,固定频率 10Hz,幅值 1 不变,观察自相 关分析后的波形。 (2)固定函数为正弦波形,更改信号的频率 10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz,固定 幅值为 1,观察自相关分析后的波形。 (3)固定函数为正弦波形,更改信号的幅值分别为 1、3、5、7、9,固定信号的频率 为 10Hz,观察自相关分析后的波形。

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图 18-10

自相关分析

10、概率密度函数 (1) 打开概率密度系统,点击运行,观察信号和概率密度函数的曲线,更改信号的频 率 10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz,固定幅值为 1,观察概率密度函数图。 (2)固定函数为正弦波形,更改信号的幅值分别为 1、5、10、15、20,固定信号的 频率为 10Hz,观察概率密度函数图。 (3) 点击更该信号按钮, 观察信号和概率密度函数的曲线, 此时信号为一个随机信号, 改变偏移量,观察概率密度函数图。

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图 18-11

概率密度函数

11、互相关分析 (1) 打开互相关分析系统,点击运行,观察信号和概率密度函数的曲线,固定含噪声信 号幅值为 1,不含噪声的信号幅值为 1,频率为 10Hz,更改含噪声信号的频率 10Hz、20Hz、 30Hz、40Hz、50Hz,观察概率密度函数图。 (2) 固定含噪声信号频率为 10Hz,不含噪声的信号幅值为 1,频率为 10Hz,更改含噪 声信号的幅值为 1、5、10、15、20,观察概率密度函数图。 (3) 固定不含噪声信号频率为 10Hz,含噪声的信号幅值为 1,频率为 10Hz,更改含噪 声信号的幅值为 1、5、10、15、20,观察概率密度函数图。 (4)固定不含噪声信号幅值为 1,含噪声的信号幅值为 1,频率为 10Hz,更改含噪声信 号的频率 10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz,观察概率密度函数图。

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图 18-12

互相关分析

四、实验报告:
(1)比较 1 中几种常见信号频谱分析结果及改变各参数时信号时域波形及频谱的变化 情况, 验证实验原理中阐述的幅值关系, 讨论各参数的变化对信号时域波形及频谱的影 响; (2)比较 2 中不同参数条件下所得频谱分析结果,讨论周期矩形脉冲信号频谱特点及 各参数的变化对信号时域波形及频谱的影响, 查阅相关资料给出谱线间隔和带宽各是由 有哪些参数决定。 (3)比较 3 中各参数(幅值和脉宽)对矩形脉冲信号和三角脉冲信号频谱的影响,各 参数相同时观察矩形脉冲信号与三角脉冲信号频谱的不同点,查阅相关资料给出原因; (4)比较 4 中不同采样频率及采样点数条件下,信号时域波形及频谱的变化情况,讨 论并总结采样定理及混叠现象产生的条件及如何避免混叠; (5)比较 5 中对信号加不同类型窗后信号时域波形及频谱的不同,观察泄漏现象,并 给出所选各窗的优缺点(如主瓣和旁瓣宽度和高度、泄漏情况等) ; (6)比较 6 中不同类型滤波器滤波结果,讨论其应用场合及使用中滤波器参数设置应
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遵循什么原则; 比较不同类型滤波器噪声剔除效果, 讨论如何根据噪声频率范围选择何 种滤波器以及如何设置滤波器参数; 观察阶数及抽头数对滤波器滤波效果的影响,根据实验现象及相关资料,给出 IIR 和 FIR 滤波器的优缺点。 (7)简单阐述一下实验 8 中,幅值普、功率谱、自功率谱之间算法的不同。 (8) 阐述实验 9 自相关波形什么会有一个先变大、在变小的过程,在大的趋势下为什 么会有一个周期性的波形。 (9)简单阐述当信号为正弦是概率密度函数形状的原因与随机信号的时改变偏移量, 概率密度函数的变化。

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附录一(数据采集 DAQ)
NI 测量设备(例如, M 系列多功能 I/O (MIO) DAQ 设备) ,附带有 NI-DAQ 驱动软 件 , 它 是 由 VI 、 ANSI C 和 .NET 函 数 组 成 的 库 。 用 户 可 通 过 NI LabVIEW 、 NI LabVIEWSignalExpress、 NI LabWindows?/CVI? 或 Microsoft Visual Studio .NET 等应用软 件调用该程序库,对 NI 测量设备进行编程。 驱动软件的应用程序接口(API) 是由 VI、函 数、类和属性组成的库,方便用户为设备创建应用程序。

通道和任务 物理通道和虚拟通道
物理通道是测量和发生模拟信号或数字信号的接线端或管脚。虚拟通道是包括了名称、 物理通道、输入端连接、信号测量或生成的类型以及换算信息在内的一组属性设置。在 NI-DAQmx 中,任何测量活动都需使用虚拟通道。在 NI-DAQmx 中使用 DAQ 助手可配置 通道和测量任务。后者可通过 MAX 或 NI 应用软件打开。关于 NI-DAQmx 的更多信息,见 DAQ 助手帮助和 MAX 帮助。也可在自定义的程序中使用 NI-DAQmx API 配置虚拟通道。 在传统 NI-DAQ(Legacy)及前期版本中,可使用 MAX 配置虚拟通道,以记录在不同测量活 动中使用的通道。

任务
任务是 NI-DAQmx 中的一个重要概念,指一个或多个具有定时、触发等属性的虚拟通 道。从概念上来说,任务就是信号测量或信号发生。可将所有配置信息设置和保存在一个任 务中并用于某个应用程序。

全局虚拟通道和局部虚拟通道
在 NI-DAQmx 中,虚拟通道可以是任务的一部分,也可以独立于任务。位于任务内的 通道是局部虚拟通道。位于任务外的通道是全局虚拟通道。可在 MAX 或自定义应用软件中 创建全局虚拟通道并在 MAX 中保存这些通道。 全局虚拟通道可用于任何应用程序或添加到 多个不同的任务中。 一旦全局虚拟通道发生改变, 则所有引用了该全局虚拟通道的任务都将 受到影响。必须保存全局虚拟通道使改动生效。多数情况下使用局部虚拟通道更为简便。

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打开DAQ助手
DAQ助手可在NI应用软件或MAX中打开。DAQ助手打开时将出现一个向导,提示用户提供 创建新任务所需要的信息。向导完成后,将打开DAQ助手,此时可就定时、触发、测量相 关的设置和换算开始配置。

在MAX 中通过DAQ 助手配置任务
按照下列步骤,在 MAX 中通过 DAQ 助手创建任务: 1. 在 MAX 中右键单击数据邻居,并选择新建,打开 DAQ 助手。 2. 在新建窗口中,选择 NI-DAQmx 任务并单击下一步。 3. 选择获取信号或生成信号。 4. 选择 I/O 类型(例如,模拟输入)和测量类型(例如,电压) 。 5. 选择要使用的物理通道并单击下一步。 6. 命名任务,单击完成。 7. 配置单个通道。 分配给任务的每个物理通道都有虚拟通道名称。 选定通道后,才 能修改输入范围和设置。 单击显示详细信息,可查看物理通道的相关信息。 配置任务的定 时和触发。 单击测试。 例如, 我们要检测下 NI 采集卡各接线端子间是否连接好 (labview 中生成一个信号送到 输出引脚,再由输入引脚采集输出引脚的信号,检查采集到的信号是否与原信号相符) 。 具体做法: 1. 在程序面板选择 while 结构, express 中选择仿真信号模块,确定其配置参数,然后 点确定; 2. 选择 express 中的 DAQ 输出模块,确定其配置,选择生成信号-模拟输出-电压-选择 通道-完成; 3. 选择 express 中的 DAQ 输入模块,确定配置,选择采集信号-模拟输入-电压-选择通 道-完成; 4. 在前面板上添加两个波形显示模块,右键选择图形显示控件中的波形图,再在程序 面板上分别将波形图和输入 DAQ、仿真信号模块连接起来; 5. 运行,观察两个波形图的差别。

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附录二(PID)
PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称 PID 控制,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握, 或得不到精确的数学模型时, 控制理论的其它技术 难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控 制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来 获得系统参数时,最适合用 PID 控制技术。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积 分、微分计算出控制量进行控制的。

比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 偏差 一旦产生,控制器立即就发生作用即调节控制输出,使被控量朝着减小偏差的方向变化,偏 差减小的速度取决于比例系数 Kp,Kp 越大偏差减小的越快,但是很容易引起振荡,尤其是 在迟滞环节比较大的情况下,Kp 减小,发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯 的比例控制存在稳态误差不能消除的缺点。这里就需要积分控制。

积分(I)控制
在积分控制中, 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统, 如果在进入稳态后存在稳态误差, 则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。 为了 消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间 的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动 控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可 以使系统在进入稳态后无稳态误差。实质就是对偏差累积进行控制,直至偏差为零。积分控 制作用始终施加指向给定值的作用力,有利于消除静差,其效果不仅与偏差大小有关,而且 还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来,一起算总帐。

微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大 惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解 决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是 零。

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