传感器技术与应用 实验指导书.doc

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1、传感器技术及应用实验指导书陈益民 岳克宁广东工业大学信息工程学院二九年四月修订前 言传感器技术及应用课程配套开设了8学时的实践性实验环节，目的在于检验学生对传感器理论知识的掌握程度，引导学生将理论知识应用到实践中，并将电子技术、测试技术、计算机技术与传感器技术融合在一起，拓宽传感技术的应用领域，逐步建立工程应用的概念。通过实验，帮助广大学生加强对书本知识的理解，培养学生实际动手能力,增强学生对各种不同的传感器及测量原理如何组成测量系统有直观而具体的感性认识；培养学生对材料力学、电工学、物理学、计算技术等知识的综合运用能力；同时在实验的进行过程中通过信号的拾取、转换、分析，掌握作为一个科技工作者

2、应具有的基本的操作技能与动手能力。传感器实验全部安排在“CSY型传感器系统综合实验仪”上进行。实验一实验三为必做实验，实验四为选做实验；实验五为综合性实验，该综合性实验课内学时只安排学时，因此实验方案及程序设计要求在实验课外时间完成。目 录实验一 金属箔式应变片及转换电路性能 3实验二 电容式传感器静特性测试与动特性观测 9实验三 霍尔传感器的应用位移及振幅测量 13实验四 振动信号的多种传感器测量与比较（选做） 18实验五 工程量的多传感器测量与信号分析处理（综合性） 24附录一 CYS型传感器系统综合实验仪使用指南 34附录二 CYS综合实验仪信号处理常用模块电路原理图 38 附录三 PC

3、I-6024E数据采集卡的安装检验与参数设置实验一 金属箔式应变片及转换电路性能实验项目名称：金属箔式应变片及转换电路性能实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、 实验目的1、了解应变片的测试原理与应用领域；2、掌握应变片测试方法及典型转换电路原理；3、通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态特性性能指标的过程和方法。二、 实验内容和要求1、观察金属箔式应变片的结构、贴片方式以及接桥方式；2、测试应变梁变形时的应变输出；3、比较应变片不同接桥方式对电桥输出结果的影响。4、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与

4、组成。三、 实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：悬臂梁及金属箔式应变片；电桥模块；差动放大器；直流稳压电源（4档）；测微头；毫伏表。2、若干接插连接实验导线。3、万用表（非必需）。四、 实验方法、步骤及结果测试一）实验原理应变片是最常用的测力传感元件。当使用应变片进行测试时，首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当测件受力发生变形，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值也随之发生相应变化。之后，再通过测量转换电路，将电阻值变化转换成电压信号输出显示。直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂电阻阻值乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。若设电桥桥

5、臂的四个电阻初始值分别为：R1R2R3R4R，当测试体表面产生变形，则其电阻的相对变化率分别为R1/R1、R2/R2、R3/R3和R4/R4。当使用一个应变片时，可组成半桥单臂电桥，在电阻变化量R较小的情况下，电桥输出电压为U0；当使用二个应变片差动联接，组成半桥双臂电桥，则有U0；而用四个应变片组成全桥形式，则输出电压为U0。由此可见，半桥单臂、半桥双臂和全桥电路的灵敏度是依次增大的。通过本实验，可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂、半桥双臂电桥和全桥的原理及工作性能。二）实验步骤及结果测试1、仪表及电路调零任何测试仪器或仪表，在使用前均需调零。本实验需要调零的部件是毫伏表、直流电桥和差动放大

6、器。毫伏表调零。将综合实验仪上的毫伏表输入端对地短接，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短接线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。差动放大器调零。开启仪器电源，将差动放大器增益调至适中位置（调节旋钮旋到中位附近），差动放大器的“、”输入端用实验线对地短路，放大器输出端接毫伏表或数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压至零。然后拔掉短接实验线。注意：调零后，放大器增益调节旋钮和“调零”电位器的位置不要改变。若两者任一旋钮位置有变，需重新进行调零。2、半桥单臂接桥方式测试接桥。按图半桥单臂电桥测试接线原理图，将实验模块用实验线连接成测试电桥。

7、桥路中R1、R2、R3（因实验设备不同，实验设备上的电阻标记可能有差异）和W为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为箔式应变片（可任选悬臂梁上、下面上的任一金属箔式应变片作为工作片）。直流激励电源为4。图1 半桥单臂电桥测试接线原理图测微头置位。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上。初始时，测微头一般位于悬臂梁上方，不与梁接触。测微头置位，即是调节测微头旋转，通过顶杆使应变梁处于基本水平状态。此时可认为悬臂梁上的应变片不受力，其电阻为应变片初始值。直流电桥平衡调整确定按图1接线无误后，开启仪器电源，并预热数分钟。调整直流电桥WD电位器，使测试系统电压输出为零。此时可认为电桥处于平衡状态。加载测试

8、a、旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上或向下的移动，以水平状态下输出电压为零。测微头每转一圈，对应垂直移动0.5mm，相应记录差动放大器的一个输出电压值。向上或向下各移动5mm，记录十组数据，填入下表：位移x(mm)电压V(mv)b、以与相反的旋转方向（反向加载），用同样的方法测试，记录数据，填入下表：位移x(mm)电压V(mv)3、半桥双臂接桥方式测试保持差动放大器增益不变，将R1换成为与应变片R工作状态相反的另一应变片，形成半桥双臂电桥，调好零点，用同样方法，测出数据，填入下表：位移x(mm)电压V(mv)4、全桥接桥方式测试保持放大器增益不变，将R3、R2两个电阻换成另两片应变片，接成一个

9、直流全桥电路，调好零点，将测出数据填入下表：位移x(mm)电压V (mv)注意事项：l 接通电源前，应仔细检查各电路连接是否正确，防止电源和信号源短路。l 用应变片组桥时应注意各应变片的受力状态。l 毫伏表和差动放大器使用前都要调零。l 显示仪表量程宜从高档转换到低档，信号幅值宜从小到大。五、 实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求执行。2、在同一坐标纸上，绘出以上每种测试条件下的测量数据(输入输出)x曲线，绘出数据表格要标明物理量和单位。3、分析实验数据，依此计算传感器的灵敏度和线性度？并认真绘制出传感器性能曲线。4、比较三种接桥方法的灵敏度。5、对实验中存在的问题、进一

10、步的想法等进行讨论。六、 思考题1、若要计算系统的回程误差，测试数据该如何处理？2、图中，若R和R1R3均为应变片，接桥时未能接成差动形式，系统能否正常工作？为什么？3、实验中，在电桥的三种状态（半桥单臂、半桥双臂和全桥）下测试，为什么要求保持差动放大器的增益不变？实验二 电容式传感器静特性测试与动特性观测实验项目名称：电容式传感器静特性测试与动特性观测实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、 实验目的1、掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。2、掌握电容传感器特性的实验测试方法。3、了解电容式传感器的工程应用。二、 实验内容和要求1、观察传感器综合实验仪上

11、电容式传感器的结构型式。2、了解电容变换器的转换原理（参见附录二）。3、电容式传感器静特性测试。4、电容式传感器动态测试。5、进行实验前，先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”，了解该设备的基本结构与组成。三、 实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：电容式传感器；电容变换器；差动放大器；低通滤波器；低频振荡器；测微头。毫伏表或数字电压表。2、双线示波器及实验连接导线若干。四、 实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法根据两金属极板间电容的计算式CS，可知电容式传感器有三种型式。本实验仪器中为差动变面积型，电容传感器由两组定片和一组动片组成。

12、当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组定片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为两差动式电容。若将上层定片与动片形成的电容设为CX1，下层定片与动片形成的电容设为CX2，当将CX1和CX2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容接入其它转换电路）时，则电路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。电容式传感器的实验原理框图如下：图2 电容传感器实验原理框图二）实验步骤及结果测试1、相关仪表和电路调零差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。2、电容传感器静态特性测试按图2原理接线。将电容变换器的增益调至适中。电容变换器的转换原理图详见附录二。旋动测微头，使测微头

13、与振动台接触，并带动振动台移动。当电容动片位于两电容定片对称位置时，此时差动放大器输出应为零。以此为起点，向上或向下每次0.5mm（测微头旋转一圈）移动动片，直至动片与一组定片全部重合为止。记录数据，并作出xV曲线。位移x(mm)电压V (mv)以相反方向逐步旋转测微头至初始位置，用与相同方法，记下x (mm)及V (mv)。位移x(mm)电压V (mv)3、电容传感器动态特性观测将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线；接通激振器I（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低通和差放输出波形，并记录波形。改变激振器I频率，重复观测，注意波形的变化。注意事项l 电容动片与两定片之间的片间距离

14、须相等，必要时可稍作调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。l 如果用示波器观察到差动放大器输出端波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减少。五、 实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等特性指标。4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。六、 思考题1、实验原理图2中，信号处理过程是先滤波再放大，能否先放

15、大再滤波？观察两种状态下的波形输出。2、拟合直线的选取方法有哪几种？不同拟合直线得出的传感器静态特性指标的数值会一致吗？此时该如何合理评价传感器的特性？实验三 霍尔传感器的应用位移及振幅测量实验项目名称：霍尔传感器的应用位移及振幅测量实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、 实验目的1. 了解霍尔位移传感器的工作原理与结构，学会用霍尔传感器进行位移测试；2. 了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。二、 实验内容和要求1、观察传感器系统综合实验仪上霍尔位移传感器的结构；2、直流激励下，用霍尔位移传感器进行静态位移测试；3、直流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试

16、；4、交流激励下，用霍尔位移传感器进行振动测试；5、进行实验前，先预习信号幅值调制的原理。三、 实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用模块包括：直流稳压电源；霍尔传感器；电桥；差动放大器；毫伏表；测微头；移相器；相敏检波器；低通滤波器；音频振荡器。2、双线示波器；3、接插连接实验导线若干。四、 实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法实验台上的霍尔传感器，由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当保持霍尔元件的控制电流恒定，在与霍尔元件控制电流相垂直的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上下移动时，输出的霍尔电势U0取决于其在磁场中的位移

17、量x，即U0kx，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的位移量。二）实验步骤及结果测试1、霍尔传感器静态位移测试相关仪表和电路调零差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。按图3直流激励接线；图3霍尔传感器静态位移测试原理图旋转测微头，使测微头顶杆与振动圆盘接触。调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件基本位于梯度磁场中间位置。开启电源，调节测微头和电位器W，使差放输出为零。上、下移动测微头各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表。 位移x(mm)电压U0 (mv)2、直流激励下霍尔传感器振动测试仍按图3直流激励接线，使系统调零。并松开测微头，使其脱离振动台。将低频振荡器接“激

18、振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。进一步提高低频振荡器振幅，用示波器观察差动放大器输出波形，当波形出现顶部消峰时，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电压已不再随位移量的增加而线性增加。改变激振器I频率，进行观测，注意波形的变化。记录输出波形。3、交流激励下霍尔传感器振动测试按图4交流激励接线。图中180为交流电源，从音频振荡器相应端取得。调节电桥与移相器，提压振动圆盘，使低通滤波器输出电压正负对称。接通低频振荡器，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，并加以描述。图4交流激励下霍尔传感器振动测试原理图分别记录差动放大器输出、相敏检波器输出、低通滤波器输出波形

19、。五、 实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上扼要书写实验原理、实验方法和步骤；3、根据直流激励下静态位移测试数据，在坐标纸上绘出霍尔位移传感器实验曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度。4、在交流激励下的振动测试中，观察记录到了各环节输出波形变化规律，给出相应合理的解释。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。六、 思考题1、霍尔元件用作位移测量时，为什么只允许工作在梯度磁场范围？2、解释在激励源为交流且信号变化也是交变时需采用相敏检波器的原因？实验四 振动信号的多种传感器测量与比较实验项目名称：振动信号的多种传感

20、器测量与比较实验项目性质：普通实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时一、实验目的1. 振动信号的获取可用不同类型的传感器，但不同类型的传感器有其适用范围和场合。本次实验用三种不同传感器对振动台振动信号检测，旨在实验中观察了解其适应范围；2. 了解电涡流传感器、磁电式传感器和压电式传感器在振动检测中的测试方法及工程应用。二、实验内容和要求1、电涡流传感器的振动测试。了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性及测试方法；2、磁电式传感器的振动测试。了解磁电式传感器结构、原理及实际应用：振动位移、速度、加速度的检测；3、压电式传感器的振动测试。了解压电加速度计的结构、原理和工作特性，掌握

21、压电式加速度计的实际应用：振动加速度的直接检测。三、实验主要仪器设备和材料1、CYS型传感器系统综合实验仪本次实验所用公共模块包括：直流稳压电源；差动放大器；电压频率表（或毫伏表）；低频振荡器；低通滤波器。此外，用不同传感器进行测试时还用到以下模块。a、电涡流传感器测振：电涡流传感器、电涡流变换器；b、压电式传感器测振：压电式传感器、电荷放大器（或电压放大器）；c、磁电式传感器测振：磁电式传感器。2、双线示波器和接插连接实验导线若干。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法1、电涡流传感器振动测试原理电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产

22、生涡电流，涡电流的大小影响线圈的阻抗，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、磁导率、厚度、温度以及与线圈的距离x有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗只与x距离有关。将阻抗变换经涡流变换器变换成电压输出，则输出电压是距离x的单值函数。当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。电涡流传感器的实验原理接线图如下：图5 电涡流传感器与涡流变换器的连接2、磁电式传感器的振动测试原理磁电式传感器是一种能将非电量的变化转为感应电动势的传感器，所以也称为感应式传感器。根据电磁感应定律，W匝线圈中的感应电动势

23、e的大小决定于穿过线圈的磁通的变化率：eWd/dt。仪器中的磁电式传感器由动铁与感应线圈组成，永久磁钢做成的动铁产生恒定的直流磁场，当动铁与线圈有相对运动时，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势，e与磁通变化率成正比，是一种动态测量用传感器。磁电式传感器的实验原理接线图如下：图6 磁电式传感器实验原理图3、压电式传感器的振动测试原理压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，会在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的检测。压电式传感器的接线图及实验原理如下：图7 压电加速度传感器与电荷放大器连接 图8 压电传感器实验原理图二）实验

24、步骤及结果测试1、电涡流传感器振动测试观察a、将电涡流线圈支架转一角度，置于圆盘振动台上方，线圈与圆盘面平行，固定在一个合适位置，使圆盘振动时不碰擦传感器为好。b、电涡流线圈与涡流变换器按图5连接，涡流变换器输出端接示波器。另外，低频振荡器接“激振”。开启电源，调节振荡频率和幅度，观察输出波形。c、记录波形和读取振动信号周期。2、磁电式传感器的振动测试观察a、按图6所示接线。磁电式传感器端口接差动放大器两输入端，差动放大器输出端接示波器。b、开启电源，加入激励使圆盘振动台振动，调节振荡频率和幅度，观察输出波形的变化。c、由低至高调节悬臂梁振动频率，观察所测波形的变化趋势。d、将“激振”与“磁电

25、”端接线互换，接通低频振荡器，观察差动放大器的输出波形。并与原磁电式传感器波形比较。由d可得出结论：磁电式传感器是一种磁电、电磁转换的双向式传感器。3、压电式传感器的振动测试观察a、观察压电式加速度传感器的结构：由双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧，引出电极组装于塑料外壳内。b、按图7、图8接线，低频振荡器输出接“激振II”端。c、开启电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。d、使悬臂梁慢慢趋于谐振状态（悬臂梁振幅最大），观察示波器所测到波形的峰峰VP-P的变化趋势。e、调低悬臂梁振动频率，观察所测波形的变化趋势。4、比较测试a、用双线示波器的通道1和通道2，分别接入（电涡流磁

26、电、电涡流压电、磁电压电）两种不同传感器转换电路的输出信号，观察同时测试同一振动信号时的波形（幅值、频率和相位）输出。b、调节激振器激振频率，观察比较不同传感器的输出波形。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上扼要书写实验原理、实验方法和步骤；3、从实验步骤所列的4项实验中，通过观察分析可分别获得怎样的结论？给出相应合理的解释。4、电涡流传感器与磁电式传感器测振输出信号的比较。5、对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。六、思考题1、传感器实验仪上的电涡流式传感器，除了能够用作振动测试之外，还可能用来测量哪些物理量?2、如何理解压电加速度传感器是一

27、种对外力作用敏感的传感器？3、当振动频率很低时，可否选用压电式传感器测振？4、如何理解磁电式传感器是一种磁电、电磁转换的双向式传感器？实验五 工程量的多传感器测量与信号分析处理实验项目名称：工程量的多传感器测量与信号分析处理实验项目性质：综合实验所属课程名称：传感器原理与设计实验计划学时：2学时+课外学时一、实验目的1、把传感技术、计算机接口技术、信号分析处理、测控系统设计等课程内容融合为一体，通过实际操作，掌握工程测试与分析的步骤及方法。2、了解典型计算机测试分析系统的组成及软硬件基本框架。3、学习LABVIEW的编程方法。熟悉基于LABVIEW平台的计算机数据采集程序设计与调试方法。4、掌

28、握LABVIEW信号分析功能模块的使用方法。5、传感器系统综合实验仪的多种传感器信号的数据采集与信号分析处理。二、实验内容和要求1、通过课外资料阅读和上网资料查询，了解PCI-6024E数据采集卡的技术性能参数，数据采集卡连接电缆引脚功能定义等。2、通过实验观察分析，了解基于数据采集卡进行数据采集的计算机测试系统硬件组成原理和基本构架。3、选取传感器系统综合实验仪上的多种传感器（至少23种），制订实验方案，搭建测量某些工程量的实验系统。4、进行PCI-6024E数据采集卡的参数设置；5、选取易用、中级或高级数据采集模块进行图形化编程，实现模拟信号采集；6、进行信号波形的时域指标测量与显示。7、

29、进行信号波形的频域分析测量与显示。以上内容的第2项、第3、5项的“搭建实验系统”和“模拟信号采集”以及第67项的“测量与显示”部分在实验学时内完成；在课外时间要求完成第1项和其它几项内容的软件编程部分；第4项内容在实验室进行教学演示。三、实验主要仪器设备和材料1. CYS型传感器系统综合实验仪；2. 安装了LABVIEW软件的计算机一台；3. NI公司PCI-6024E数据采集卡一块；4. 数据采集卡接口板和68针扁平电缆一条；5. 教学演示盒一个。6. 连接导线若干条。四、实验方法、步骤及结果测试一）实验原理及方法传感器系统综合实验仪上有多种型式的传感器，也有相应的各种传感器转换电路。而且可

30、借助实验仪产生多种工程量（如位移、速度、加速度、力、转速、振动、温度等），并可将它们转换为相应的电压信号。这些电信号输出通道，可接入接口端子板相应的通道，再通过专用68针扁平电缆，就可与数据采集卡相应通道建立起联系。计算机测试系统的基本原理框图如图9所示。图9 计算机测试系统的基本原理框图 硬件系统建立后，需要进行软件编程。本次实验的软件编程平台是基于LABVIEW，借助它的数据采集功能模块和信号分析功能模块，以图形化语言编程，相对简单。二）实验步骤及结果测试 1、传感器系统的调试 按实验一实验四的实验原理和方法，选择传感器系统综合实验仪上的23种传感器，并将其接入相应的转换电路，通过适当的调

31、节，使其输出电压能随被测工程量变化。上述调试完成后，断掉传感器实验仪电源和计算机电源！将上述传感器信号输出口接入接口端子板的适当通道。连接68针扁平电缆。 2、计算机正常启动后，运行LABVIEW软件。 3、运行Measurement & Automation，进行PCI-6024E数据采集卡的参数设置（参见附录三）；4、传感器信号的数据采集。LabVIEW中的传统数据采集函数位于后面板FunctionsNI MeasurementData Acquisition ，包括模拟输入、模拟输出、数字输入输出、计数器、校准与设置、信号调理、传统DAQ通道。如图10所示。模拟数据采集函数按功能划分为不

32、同的等级： a、易用函数 图10 LabVIEW的数据采集函数 易用函数执行最简单的数据采集操作，通常由中级函数构成，只提供最基本的输入输出接口。b、中级函数中级函数由高级函数构成，比易用函数给用户更多的对错误进行处理的机会。c、实用函数实用函数由中级函数组成，比易用函数具有更多的输入输出参数，具备更多的硬件操作功能，能够更有效地控制硬件。图11 LabVIEW的不同模拟数据采集d、高级函数高级函数是对数据采集驱动程序最底层地接口，很少使用。当需要使用某些易用函数或中级函数不具备的特殊数据采集功能是，就有必要使用高级函数，它从数据采集驱动程序返回最多的状态信息。下面以使用传统数据采集方法进行数

33、据采集为例说明各种函数的使用方法。（1） 单通道数据采样（使用易用函数）图12 单通道数据采集示例将传感器产生的信号连接到数据采集卡的一个通道，软件就从一个输入通道读取波形数据。使用NI MeasurementData AcquisitionAnalog Input函数子模板中的易用模拟输入函数AI Acquire Waveform,程序如下，设置合适的通道、采样率和采集点数即可。（2）多通道数据采集a、使用易用函数使用Analog Input函数子模板中的易用模拟输入函数AI Acquire Waveforms，程序如下，设置合适的通道、采样率和采集点数即可。图13 使用易用函数的多通道数据

34、采集示例注：此程序可同时采集三个通道的数据波形，在前面板设置通道时可以写为0：2，表示从0通道到2通道。b、使用中级函数使用Analog Input函数子模板中的中级模拟输入函数AI Config.vi，AI Start.vi,AI Read.vi,AI Clear.vi, 程序如下，在前面板设置合适的通道以及相关参数即可。它可以把几个通道的波形同时在一个示波器里显示。图14 使用中级函数的多通道数据采集示例注：在前面板设置通道时可写一个或多个通道都可以。c、使用实用函数使用Analog Input函数子模板中的中级模拟输入函数AI Continuous Scan.vi程序如下，在前面板设置合

35、适的通道以及相关参数即可。可以把几个通道的波形同时显示在同一示波器里。图15 使用实用函数的多通道数据采集示例d、使用高级函数使用Analog Input函数子模板中的高级模拟输入函数AI Control.vi，AI SingleScan.vi, 程序中AI config.vi为中级函数的VI，用于设置采集通道等参数。程序如下：图16 使用高级函数的多通道数据采集示例 5、传感器信号的测量与分析处理信号的测量包括测量信号的时域特征如幅值、均值、方差、相关函数等等。信号的分析处理包括对信号进行数字滤波，加窗处理，谱分析（频谱分析、功率谱分析、频率响应函数分析、相干函数分析）等。以下的程序采用中级

36、函数进行数据采集，利用Extract Single Tone Information（在FunctoinAnalyze Wave MeasurementsExtract Single Tone Information）测量0通道信号的幅值、频率、相位，利用Spectral Measurements（在FunctoinAnalyze Wave MeasurementsSpectral Measurements）进行幅频分析、相频分析、功率谱分析。图17 采用中级函数进行数据采集并进行信号分析示例 注：利用LABVIEW进行信号的分析和处理，要更多地了解这方面的内容请查看LABVIEW所提供的例子

37、程序。五、实验报告要求1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；2、在理解基础上扼要书写实验原理、实验方法和步骤；3、正确绘出本次实验基于数据采集卡进行传感器数据采集的测试系统硬件组成框图。细化传感器部分，包括：选用何种传感器及选用何种转换电路？信号接入采集卡的具体通道说明等内容；4、实验中实现模拟信号采集的数据采集模块编程及实验结果说明；5、信号时域、频域分析时所用功能模块说明及实验结果分析；6、实验中存在的问题、进一步的想法等进行分析讨论。六、思考题1、 目前的传感器信号数据有哪几种类型？2、 目前常见的计算机测试系统有哪几种类型？选用数据采集卡需要考虑哪些方面的因素？3、 NI公司

38、的PCI-6024E数据采集卡有哪些主要技术参数？4、 利用LABVIEW进行模拟信号数据采集有哪几种方式？有何特点？各适合于什么场合？5、 传感器信号进入测试系统，同时也可能将干扰引入。如何提高计算机测试系统的抗干扰能力？附录一 CYS型传感器系统综合实验仪使用指南CYS型传感器系统综合实验仪，是用于测控技术与仪器、机械电子工程、电子技术应用等相关专业课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、信号处理电路和显示仪表于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书提供的数种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验

39、者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本实验仪器上举一反三开发出新的实验内容。综合实验仪外型结构参见下图图片，主要由传感器实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。附图1-1 CYS型传感器系统综合实验仪外形一、 传感器实验工作台位于仪器顶部工作台左边是一副平衡式悬臂梁，梁上装有应变片、热敏式、PN结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。平衡梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。压电加

40、速度计：位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装载透明塑料外壳中。实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈所安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。电感式传感器（差动变压器）：由初级线圈Li和两个次级线圈L0绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围10mm。电容传感器：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围3mm。磁电式传感器：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/(m/s)。霍尔式传感器：HZ-1半导体霍尔片置于两个半环形

41、永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围3mm。电涡流式传感器：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围mm。两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。两只测微头分别装在左右两边的支架上。二、 信号及显示部分位于仪器上部面板低频振荡器：130Hz输出连续可调，P-P值20V，最大输出电流0.5A，Li端插口可提供用作电流放大器。音频振荡器：0.4KHZ10KHz输出连续可调，VP-P值为2

42、0V，180，0为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。直流稳压电源：15V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A。2V10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。数字式电压频率表：3位半显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度50mv，频率显示5HZ20KHz。指针式直流毫伏表：测量范围500mv、50mv、5mv三档，精度2.5%。三、 处理电路位于仪器下部面板电桥：用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1、R2、R3为350标准电阻，WD为直流调节电位器，W为交流调节电位器。差动放大器：增益可调比例直

43、流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1100倍。光电变换器：提供红外发射、接收、稳辐、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的光强型光纤传感器。电容变换器：由高频振荡、放大和双电桥组成。移相器：允许输入电压20VP-P，移相范围40（随频率有所变化）。相敏检波器：极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5VP-P，允许最大输入电压20VP-P。电荷放大器：电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。电压放大器：增益5倍的高阻放大器。涡流变换器：变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。

44、温度变换器：根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。四、 使用仪器注意事项1、 本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路作定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。2、 使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下脚处的开关控制处理电路的15V工作电源，进行实验时请勿关掉。3、 指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响实验测试。4、 仪器工作时需良好的接地，以减少干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。5、 实验时请非常注意各实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，加热是时“15V”电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。实验工作台上各传感器部分如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。6、 本实验仪需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度040。附录二：CYS综合实验仪信号处理常用模块电路原理图下面列出了CYS综合实验仪常用电路的原理图，有兴趣的同学可参考。附录三 数据采集卡PCI-6024E的安装检验与参数设置1、数据采集卡PCI-6024E的安装安装数据采集卡前请关