虚拟仪器仪表综合实验装置实验指导书.docx

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虚拟仪器仪表综合实验装置实验指导书

实验一温度传感器实验

一、实验目的

掌握温度传感器的特性、工作原理及其应用。

二、实验原理

实验电路图如图1-2所示，R2用作加热电阻，R3为负温度系数热敏电阻NTC，用来检测加热温度的变化，R3、R4、R5、R6组成全桥电路，当J1的1-2端、J2的1-2端断开时，则桥路后面的精密仪器放大器的输入电压为0，此时可以通过调节电位器RW对放大电路进行调0；当J1的1-2端、J2的1-2端接通时，则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大，从而在Uo的输出端得到随加热温度变化而变化的电压信号。

本实验中的温度传感器采用了热敏电阻，热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC（NegativeTemperaturecoefficientThermistor）和正温度系数热敏电阻PTC（PositiveTemperatureCoefficientThermistor），临界温度系数热敏电阻CTR（CriticalTemperatureResistor）三种，本实验用的是负温度系数热敏电阻NTC，NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于

之间的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为：

，式中，R0是在25

时或其他参考

温度时的电阻，

是热力学温度（K），B称为材料的特征

温度，其值与温度有关，主要用于温度测量。

NTC和PTC的特征曲线如图1-1所示：

图1-1

图1-2

三、实验设备

万用表、温度传感器调理模块。

四、实验内容与步骤

1．将“温度传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上；

2.在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）；

3、进行调理电路的调零：

先将“温度传感器调理模块”的拨动开关拨向下方（此时模块上的灯暗）；用短路帽短接此模块上J1、J2下方的两个插脚，再调节电位器RW，用万用表测量

的两端，使输出电压为零；再把短路帽切换到J1、J2上方的两个插脚。

4、调零完成之后，再把拨动开关拨向上方（模块上的灯亮），此时电阻R2处于加热状态，用万用表测量

的两端，在加热过程中，观测并记录输出电压的变化情况。

五、思考题

归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。

六、实验报告要求

1、整理实验数据，分析热敏电阻NTC的阻值随温度变化的情况；

2、画出热敏电阻NTC的温度特征曲线。

实验二金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、实验目的

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、实验原理

应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。

传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。

可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图2-2应变式传感器安装示意图

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。

金属的电阻表达式为：

（1）

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长

，横截面积相应减小

，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变

，故引起电阻值变化

。

对式

（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

（2）

式中的

为电阻丝的轴向应变，用

表示，常用单位

（1

=1×

）。

若径向应变为

，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比

表示为

，因为

=2（

），则

（2）式可以写成：

（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。

称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，

受两个因素影响，一个是（1+

），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是

，是材料的电阻率

随应变引起的（称“压阻效应”）。

对于金属材料而言，以前者为主，则

，对半导体，

值主要是由电阻率相对变化所决定。

实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。

通常金属丝的灵敏系数

=2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。

在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。

通过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值

，而根据应力应变关系

（4）

式中σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。

通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。

电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

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元件，通过它转换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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压U=EKε/4，式中E为电桥供电电压，K为应变灵敏系数。

应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。

图2-1应变式传感器信号调理实验电路图

三、实验设备

THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。

四、实验内容与步骤

1．将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）

2．检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：

将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。

关闭主控台电源。

（注意：

当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。

）

3．按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图2-3所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，使数显表显示约为零（万用表2V档测量）。

4．在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表2-1，关闭电源。

表2-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量（g）

20

40

60

100

120

140

160

180

200

80

电压（v）

0.2

0.4

0.6

1

1.2

1.38

1.57

1.68

1.88

0.8

74107

L,d,d,,,d,,,,

图2-3应变式传感器单臂电桥实验接线图

5．根据表1-1计算系统灵敏度

（

输出电压的变化量，

重量变化量）

和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中

（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：

yFS满量程输出平均值,此处为200g。

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

六、实验报告要求

1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2．从理论上分析产生非线性误差的原因。

实验三金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的

1．掌握半桥的工作原理。

2．比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、实验原理

把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝U=EKε/2。

三、实验设备

传感器实验箱

（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件中应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤

1．接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：

将图2-1的输入端Ui两端均与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。

关闭主控台电源。

（注意：

当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。

）

2．根据图3-1接线。

R1、R2为实验模板上的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，所标的箭头表示受力方向，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验二中的步骤

图3-1应变式传感器半桥实验接线图

4、5，将实验数据记入表3-1，计算灵敏度

，非线性误差

。

若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。

则应更换应变片。

表3-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mV）

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

六、思考题

1．半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：

（1）对边？

（2）邻边？

2．桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：

（1）电桥测量原理上存在非线性？

（2）应变片应变效应是非线性的？

（3）调零值不是真正为零？

七、实验报告要求

1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2．分析为什么半桥的输出灵敏度比单臂电桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。

实验四金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

掌握全桥测量电路的原理及优点。

二、实验原理

全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝

。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。

三、实验设备

THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。

四、实验内容与步骤

1．根据4-1接线，实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表4-1；进行灵敏度和非线性误差计算。

表4-1全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mV）

图4-1应变式传感器全桥实验接线图

实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

七、实验报告要求：

1．根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。

2．比较单臂、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。

实验五电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的

了解电容式传感器的结构及其特点。

二、实验原理

平板电容器电容C＝

，它的三个参数

、S、d中，保持两个参数不变，只改变其中一个参数，则可用于测量谷物干燥度（

变）、测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。

变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响。

圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。

）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：

（1）

式中

——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；

——外圆筒内半径和内圆柱外半径。

当两圆筒相对移动

时，电容变化量

为：

（2）

于是，可得其静态灵敏度为：

（3）

可见灵敏度

与

有关，

越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度

与灵敏度无关，但

不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。

本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，如图5-1所示，此结构可以消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。

其安装示意图如图5-2所示

图5-1圆柱形差动式电容传感器示意图图5-2圆柱形差动式电容传感器实验装置安装示意图

电容式传感器调理模块的电路图如图5-3所示

图5-3

三、实验设备

THVZ-1型传感器实验箱、电容传感器、测微头、万用表、信号调理挂箱、电容式传感器调理模块。

四、实验步骤

1．将“电容传感器调理模块电路图”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）；

2．将电容式传感器引线插头插入信号调理挂箱“电容式传感器调理模块”旁边的黑色九芯插孔中；

3．调节“电容式传感器调理模块”上的电位器Rw1，逆时针调节Rw1使旋到底。

用万用表测量此模块上输出两端的电压Uo；

4．旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移量X与输出电压Uo，填入表5-1。

表5-1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

Uo（mv）

五、实验注意事项

1．传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

2．做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。

六、思考题

简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。

七、实验报告要求

1．整理实验数据，根据所得的实验数据画出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法画出拟合直线，计算该传感器的非线性误差

。

2．根据实验结果，分析引起这些非线性误差的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。

实验六霍尔传感器测转速实验

一、实验目的

掌握霍尔传感器的测速原理与应用。

二、实验原理

霍尔、光电传感器安装示意图如图6-1所示，霍尔传感器位于转盘的右上方，利用霍尔效应表达式：

UH=KHIB，当被测电机转盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。

每转一周霍尔电势就同频率相应变化，其输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。

图6-1霍尔、光电传感器安装示意图

三、实验设备

CPU模块、静态显示模块、THVZ-1型传感器实验箱、霍尔转速传感器、转动源、转动源电源2—24V。

四、实验步骤及内容

1、霍尔传感器及转动源已经安装于THVZ-1型传感器实验箱上，其中霍尔转速传感器位于转动源的右边。

2、把CPU模块、静态显示模块分别插放到相应的实验挂箱所在位置；

3、在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）

4、将+5V直流源加于霍尔传感器的电源端。

5、将面板上的0~30V稳压电源调节到8V，接入THVZ-1型传感器实验箱上的转动电源处。

6、用示波器观测霍尔传感器的输出端的波形。

7、通过2号导线及1号导线及“信号接口挂箱”上的“信号转接口”将“THVZ-1型传感器实验箱”上的“霍尔输出”端的信号接入到“CPU模块”的T0端，同时用短路帽短接“CPU模块”的J3、J6的1-2端、J11的2-3端。

8、安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到“CPU模块”的单片机插座中；打开电源开关，打开仿真器电源

9、启动计算机，打开伟福仿真软件，进入仿真环境。

选择仿真器型号、仿真头型号、CPU类型；选择通信端口，测试串行口。

10、打开“转速测量表.ASM”源程序，阅读、理解程序。

编译无误后，运行程序，观察转速表的数值变化。

11、调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化的同时用示波器观察霍尔转速传感器输出端的波形及其频率的变化情况，观察转速表数值的变化。

五、注意事项

1、转动源的正负输入端不能接反；

2、转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。

3、转动源的输入电压不可低于6V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘。

4、加入霍尔传感器的+5V直流电源线与地线之间不能接反。

六、思考题

根据上面实验观察到的波形，分析为什么方波的高电平比低电平要宽。

七、实验报告要求：

1、进一步阅读、理解程序；并画出程序流程图

2、对霍尔传感器应用的体会

实验七光电传感器测转速实验

一、实验目的

掌握光电传感器测量转速的原理及方法。

二、实验原理

霍尔、光电传感器安装示意图如图6-1所示，光电式转速传感器安装于电机转盘的左方，光电式转速传感器有反射型和透射型两种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电信号，由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。

三、实验设备

CPU模块、静态显示模块、THVZ-1型传感器实验箱、光电转速传感器、直流电源+5V，转动源电源。

四、实验步骤

1、光电转速传感器及转动源已经安装于THVZ-1型传感器实验箱上，其中光电式转速传感器位于转动源的左边。

2、把CPU模块、静态显示模块分别插放到相应的实验挂箱所在位置；

3、在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）

4、将+5V直流电源加于光电传感器的电源端。

5、将面板上的0~30V稳压电源调节到8V，接入THVZ-1型传感器实验箱上的转动电源处。

6、用示波器观测光电输出端的波形。

7、通过2号导线及1号导线及“信号接口挂箱”上的“信号转接口”将“THVZ-1型传感器实验箱”上的“光电输出”端的信号接入到“CPU模块”的T0端，同时用短路帽短接“CPU模块”的J3、J6的1-2端、J11的2-3端。

8、安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到“CPU模块”的单片机插座中；打开电源开关，打开仿真器电源

9、启动计算机，打开伟福仿真软件，进入仿真环境。

选择仿真器型号、仿真头型号、CPU类型；选择通信端口，测试串行口。

10、打开“转速测量表.ASM”源程序，阅读、理解程序。

编译无误后，运行程序，观察转速表的转速的变化。

11、调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化的同时用示波器观察光电传感器输出端的波形及其频率的变化情况，并记录波形及频率值，观察转速表的转速的变化。

五、注意事项

1、转动源的正负输入端不能接反；

2、转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。

3、转动源的输入电压不可低于6V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘。

六、思考题

根据上面实验观察到的波形，分析为什么方波的高电平比低电平要宽。

七、实验报告要求：

1、简述光电式转速传感器测速原理。

实验八模拟多路开关实验

一、实验目的

1、掌握模拟多路开关的实验方法

2、掌握模拟多路开关在模拟量输入通道中的应用。

二、实验电路图及编程说明

实验电路图请参考实验指导书附录中的“模拟量输入通道模块电路图”部分，在此模块中，MPC508（U1）为8通道多路开关，其引脚图如图8-2及主要功能说明如下：

INn（n=1～8）为8通道模拟量输入端，A0、A1、A2为通道选择控制端，EN为使能端，它们之间的关系见真值表8-1所示。

要访问MPC508多路开关，只要通过MOVX指令对端口地址（0000H～07FFHX围中的一个地址）写数据，从而选通相应的通道。

三、实验内容及步骤

1、本实验需要用到的实验模块包括：

模拟量输入通道模块、译码模块、CPU模块；

2、把上述模块分别插放到相应的实验挂箱所在位置；

3、在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（注：

电源的大小及正负极性不能接错），然后，用信号扁平线连接实验所需挂箱上的信号插座JP26、JP20。

4、安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到“CPU模块”的单片机插座中；打开电源开关，打开仿真器电源

5、启动计算机，打开伟福仿真软件，进入仿真环境。

选择仿真器型号、仿真头型号、CPU类型；选择通信端口，测试串行口。

6、打开文件夹“智能仪器部分软件”中的“多路开关实验.ASM”源程序，编译无误后，按照图8-1设置断点,再分别点击全速运行图标

，可以看到“模拟量输入通道模块”的LED灯的点亮情况；并用万用表分别测量CH0～CH7与OUT1的两端，看是否是导通的，其导通阻值约为240Ω。

四、源程序

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

MOVDPTR,#07FFH;选择输入通道地址

MOVA,#00000000B;选择CH0通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#00100000B;选择CH1通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#01000000B;选择CH2通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#01100000B;选择CH3通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#10000000B;选择CH4通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#10100000B;选择CH5通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#11000000B;选择CH6通道

MOVXDPTR,A

MOVA,#11100000B;选择CH7通道

MOVXDPTR,A

SJMP$

END

图8-1

表8-1

图8-2

实验九可编程增益放大器实验

一、实验目的

掌握可编程增益放大器在模拟量输入通道中的应用。

二、实验电路图及编程说明

实验电路图请参考实验指导书附录中的“模拟量输入通道模块电路图”部分，在此模块中，AD526（U2）为可编程增益放大器，其引脚图9-2及主要功能说明如下：

A2、A1、A0、B四端为控制增益的代码输入端，

、

为使能端，VIN端为信号输入端，VOUT端为信号输出端，它们之间的关系见真值表9-1，通过编程可以很方便的设置1、2、4、8、16不同的增益。

要访问AD526可编程增益放大器，只要通过MOVX指令对端口地址（0800H～0FFFHX围中的一个地址）写数据，从而选择对信号不同的放大倍数。

三、实验内容及步骤

1、本实验需要用到的实验模块包括：

模拟量输入通道模块、译码模块、CPU模块；

2、把上述模块分别插放到相应的实验挂箱所在位置；

3、在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（注：

电源的大小及正负极性不能接错），然后，用信号扁平线连接实验所需挂箱上的信号插座JP26、JP20；

4、在CH0端加入0.2V的直流电压（丛主控屏的可调直流稳压电源接入），可通过“信号接口挂箱”上的信号转接口将电压信号接入CH0端；

5、安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到“CPU模块”的