20XX年测试技术基础实验报告.docx
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20XX年测试技术基础实验报告
20XX年测试技术基础实验报告
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。
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。
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。
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。
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，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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实验十一扩散硅压阻式压力传感器压力测量
一、实验目的：
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Ei，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。
UOdEdi 式中d为元件两端距离。
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
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。
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—输出Uo曲线。
计算灵敏度L=ΔU/ΔP，非线性误差δf，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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目录
测试技术基础实验简介.............................2实验一直流电桥实验.............................3实验二交流全桥称重实验........................10实验三交流全桥动态特性测试....................16实验四典型传感器技术指标标定及测量.............20实验五光敏电阻特性测试实验....................27实验六光敏电阻应用——声光双控LED实验.........30实验七红外热释电传感器实验....................32实验八硅光电池特性测试实验....................34实验九振动参数测试实验........................39实验十转速测量和控制实验......................44实验十一扩散硅压阻式压力传感器压力测量.........48实验十二智能调节仪温度控制实验................51实验十三集成温度传感器的温度特性实验...........54实验十四铜热电阻温度特性测试实验..............58实验十五PN结温度特性测试实验..................62实验十六E型热电偶测温实验.....................66实验十七K型热电偶冷端温度补偿实验.............72实验十八信号分析与处理........................75附录一.........................92附录二.................................94
1
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、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。
2
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。
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：
Rk （1-1）R式中
R为电阻丝电阻相对变化；Rk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
3
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
U0E4R/R （1-2）
1R12R1R100%。
2RE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
EkER （1-3）22RR为电阻丝电阻相对变化；k为应变灵敏系数；Rl为电阻丝长度相对变化；
lE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。
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 （1-4）RR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。
将电位器Rw3调到增益最大位置，调节电位器Rw4使电压表显示为0V。
关闭主控台电源。
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
5
。
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，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、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：
eNd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：
UHKHIB，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。
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。
转速控制原理如下图所示。
同相放大转速设定智能调节仪e1△ee2VF/VF霍尔传感器nPID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：
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、+15V、+16V、+20V、+24V驱动转动源；
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，重复上面步骤。
图10-3转速测量
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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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实验七红外热释电传感器实验
一、实验目的
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～1000μm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～1000μm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。
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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实验八硅光电池特性测试实验
一、实验目的：
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。
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
eVkTIIs（eeV1）Isexp1
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结两端的电流可下确定：
IIs（eeVkTeV1）IpIsexp1Ip
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，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，选择测量模式。
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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、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、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度的，有多个
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