基于虚拟仪器的传感器实践

2.1.4　程序框图51
2.1.5　LabVIEW程序运行与调试技术54
2.1.6　LabVIEW数据流的理解56
2.1.7　程序框图中的条件结构和循环结构56
2.1.8　数组与簇57
2.1.9　波形显示控件61
2.1.10　子VI64
2.1.11　MathScript节点66
2.2　Multisim 13开发环境简介67
2.2.1　Multisim 13发展历程与特点67
2.2.2　Multisim 13安装方法69
2.2.3　Multisim 13用户界面70
2.2.4　Multisim 13电路仿真方法73
2.2.5　Multisim 13电路仿真实例78
2.3　数据采集系统与NI数据采集设备80
2.3.1　数据采集原理与采集测量系统组成80
2.3.2　NI myDAQ便携式学生实验平台简介83
2.3.3　NI myDAQ虚拟仪器软面板86
2.4　模拟信号不同输出模式和测量系统接线方式91
第3章　虚拟仪器设计应用实践94
3.1　LabVIEW基础设计94
3.1.1　模拟温度测量94
3.1.2　温度的实时采集与显示96
3.1.3　温度测量与分析97
3.1.4　具有报警功能的温度测量101
3.1.5　具有数据保存功能的温度测量104
3.2　LabVIEW的信号采集105
3.2.1　采样定理验证和采样频率选择105
3.2.2　量程范围和分辨率的选择106
3.2.3　仿真所需数据采集设备109
3.2.4　基于NI MAX的设备自检和采集任务创建111
3.2.5　基于DAQ助手的数据采集113
3.2.6　基于NI-DAQmx API的数据采集116
3.2.7　基于DAQ助手的模拟输出121
3.2.8　基于NI-DAQmx API的模拟输出123
3.2.9　基于MAX和NI-DAQmx API的数字输入输出126
3.3　LabVIEW信号分析与处理130
3.3.1　仿真信号产生与时域分析130
3.3.2　信号的频谱分析132
3.3.3　数字滤波器设计137
3.3.4　曲线拟合和非线性拟合142
3.4　基于GPIB接口的仪器控制测量系统147
3.5　基于LabVIEW软磁材料交流磁特性自动测试159
3.6　模拟滤波器设计和特性测试及数字滤波器类型比较166
第4章　传感器建模和调理电路设计与仿真176
4.1　电阻应变片称重电路设计与仿真176
4.1.1　设计任务176
4.1.2　模型建立与电路设计176
4.1.3　称重电路综合仿真178
4.2　霍尔传感器测量位移电路设计与仿真186
4.2.1　设计任务186
4.2.2　模型建立与电路设计186
4.2.3　电路仿真分析188
4.3　热电偶冷端补偿测温电路设计与仿真192
4.3.1　设计任务192
4.3.2　模型建立与电路设计192
4.3.3　测温电路综合仿真194
4.4　铂电阻测温电路设计与仿真198
4.4.1　设计任务198
4.4.2　模型建立198
4.4.3　恒压式铂电阻测温电路的设计与仿真199
4.4.4　电桥式铂电阻测温电路的设计与仿真207
4.4.5　双恒流源式铂电阻测温电路的设计与仿真210
4.5　电感传感器测距电路设计与仿真213
4.5.1　设计任务213
4.5.2　模型建立214
4.5.3　测距电路设计与仿真214
4.6　电容传感器测距电路设计与仿真220
4.6.1　设计任务220
4.6.2　模型建立221
4.6.3　测距电路的设计与仿真221
4.7　压力传感器压力测量电路设计与仿真226
4.7.1　设计任务226
4.7.2　模型建立与电路设计226
4.7.3　压力测量电路综合仿真228
4.8　AD590集成温度传感器测温电路设计与仿真230
4.8.1　设计任务230
4.8.2　模型建立231
4.8.3　测温电路设计与仿真231
第5章　基于虚拟仪器的综合拓展实践234
5.1　基于开关式光电传感器转速测量系统的设计与实现234
5.2　基于FFT的波形分解与合成的设计与实现235
5.3　基于频谱分析法和相关法测量相位差的设计与实现240
5.4　基于光纤位移传感器测距系统的设计与实现246
5.5　基于电阻应变片称重系统的实现248
5.6　基于差动变压器测距系统的设计与实现250
5.7　基于差动电容传感器测距系统的设计与实现252
5.8　晶体管电流特性自动测定的设计与实现254
5.9　基于AD590测温及其一阶动态惯性特性测定与改善的实现256
5.10　基于铂电阻Pt100高精度测温系统的设计与实现260
5.11　基于冷端自动补偿热电偶测温系统的设计与实现263
5.12　基于电涡流传感器测量振幅系统的设计与实现265
5.13　小型压缩机动静态压力和转速测试系统的设计与实现267
5.14　基于压电传感器的加速度、速度和位移测量系统的设计269
5.15　硅钢片铁损耗特性曲线的自动测试系统的设计与实现271
5.16　光电编码器测速和PID调速系统的设计与实现274
5.17　硅钢片交流磁特性自动测试系统的设计与实现278
附录A　相关仪器介绍281
附录B　相关传感器介绍290
参考文献293

.　　传感器技术实践要求单人单组独立完成，因此实验预习的充分程度是实验能否顺利进行的前提。实验预习的内容包括：
　　1) 通过阅读实验教材、课程教材和有关参考书，明确实验目的、步骤和要求，深入理解实验原理和测量方法。
　　2) 熟悉传感器结构和调理电路，了解电路使用之器件、集成电路型号和参数。
　　3) 列出测量数据表格和要观察的现象，初步估算或分析实验结果，了解实验中的注意事项。
　　4) 熟悉实验中通用和专用实验设备的性能及其使用方法。
　　（2） 实践操作要求
　　实践过程是培养学生实践能力的重要环节，也是决定实验成败的关键。实验中应注意以下几个环节：
　　1) 良好的安全操作习惯。
　　●对于实验者来说，首先观察各种传感器的结构和接线方式，再根据实验电路的特点，按先传感器后调理电路的步骤进行连线。较为简单的调理电路可以按照先接串联主回路，后并接入其他支路的方法进行。若有集成元件电路，以集成元件为中心，先按引脚节点连线，再连接其他元件。最后，连接输入输出仪器仪表时，应注意仪器仪表的极性、同名端和公共参考点的正确连接。
　　●接线时应尽量避免导线之间的相互缠绕和交叉，尽量减少各个接线端子或插孔的松动或脱落现象，保证电路各部分接触良好。
　　●在实验接线、改线或拆线时，无论是强电或弱电回路，应确保传感器和电路均为断电。
　　●接线完毕，需认真检查以确保实验线路以及电路参数调整无误后，方可接通电源。操作时，若发现实验仪器仪表或实验电路出现过热、异味、异响、火花等，应立即切断电源，请指导教师进行检查。
　　●注意仪器仪表使用允许的安全量程，在未知被测量大小时，应从仪表的最大量程开始，逐步减小量程进行测试。指针仪表读取数据时，应保证仪表的指针、刻度线和指针镜中影像三线重一，尽量准确地估算读数。
　　●严禁将两种或两种以上输出设备的输出线进行连接。例如，直流稳压电源与函数发生器、直流稳压电源与交流功率源之间。若贸然操作烧毁仪器仪表，则需根据实际情况酌情赔偿。
　　2) 实验数据记录。
　　根据实验步骤和要求，通过调节非电类物理量或输入设备，先定性地观察实验现象和数据分布趋势是否与预期结果一致，再定量地对数据进行逐一测量，依据实际情况随时调整。实验数据可记录在已绘制好的表格中，同时记录使用仪器仪表的相关量程或倍率，酌情记录数据个数，以确保后续数据处理的连续性和便利性。
　　3) 实验结果检查。
　　测试完毕后，应仔细检查实验数据的完整性，及时找出不合理或遗漏的数据，尽早补救。最后交指导教师审阅签字后，方可拆除线路，将实验仪器、实验装置、传感器、导线等整理整齐，复原归位。
　　4) 实验报告要求。
　　通过编写实验报告和整理实验数据，以及对本次实验工作的总结，可以进一步加深对所学理论知识的理解，凝练出自主实践的实验方法。实验报告要求文字简洁通顺，数据表格、图表图形清晰齐全，书写规范整洁，结论要有科学依据和分析过程。实验报告的具体内容包括：
　　●实验日期和地点。
　　●实验名称和实验目的。
　　●实验原理与说明简述。
　　●实验电路图与实验仪器仪表型号、规格。
　　●实验步骤及任务。
　　●实验数据、数据处理过程和步骤。
　　●误差分析。
　　●实验结论与心得体会。
　　●附录：经指导教师签字后的实验原始数据记录。
　　3.实践教学模式
　　实验室实验平台采用灵活开放式预约的方式，根据实验内容要求，先通过必做的基础实践实验掌握实验设备的使用、传感器特性测试方法、虚拟仪器编程设计方法，以及传感器调理电路设计仿真的方法；再依据科研方向，选做感兴趣的传感器实验；最后通过选做，构建一个综合拓展实验系统，将虚拟仪器、传感器技术、调理电路有机结合，构成完整的测试系统，并实现系统标定和性能评价等功能。
　　实践操作总学时为36学时，每个选做的基础实验和设计应用实验均为4学时，每个选做的综合拓展实验为8学时。推荐常用实践学时分配模式见表1。学生也可以根据自身掌握知识的情况，以及后续科研发展的需要，与指导教师商议对学时稍作调整。实验室根据实验设备的数量实行大循环式的实验安排，推荐的教学和实验流程为：课堂授课→学生在实验网站选择实验和预约时间→授课完毕后进入实验室→提交实验预习报告→先必做实验→再选做实验→最后综合拓展实验→提交实验报告→根据考核方式给出实验成绩（强化实验操作环节）。
　　表1推荐常用实践操作学时分配模式
　　序号 必做实验 选做实验 综合拓展实验 备注
　　11.1、1.2、3.1、3.2、3.3节（20学时）1.3~1.12节、3.4~3.6节和4.1~4.8节任选两节（8学时）5.1~5.17节任选一节（8学时）未掌握虚拟仪器设计的同学
　　21.1节或1.2节任选一节（4学时）1.3~1.12节、3.4~3.6节和4.1~4.8节任选六节（24学时）5.1~5.17节任选一节（8学时）熟练掌握虚拟仪器设计的同学
　　31.1节或1.2节任选一节（4学时）1.3~1.12节、3.4~3.6节和4.1~4.8节任选四节（16学时）5.1~5.17节任选两节（16学时）熟练掌握虚拟仪器设计和系统设计的同学
　　4.实践考核方法
　　实践成绩满分为60分，占总成绩的60%。实践预习报告和实践操作是评定实践成绩的重要部分，学生进入实验室需要提交实践预习报告；课程注重过程考核，通过操作过程中传感器和调理电路连接、实验设备使用、测量步骤和方法、实验测量结果等方面，来综合评价学生实践预习程度和实践操作过程成绩。以表1中的推荐常用实践操作学时分配模式1为例，实践成绩考核分配见表2，其中3.1~3.3节实验仅有实践操作分数。对于其他模式可以按照模式1进行重新分配，总分不变。
　　总实践成绩由所有的实践操作成绩和报告成绩综合确定。
　　表2实践操作学时分配模式1的实践成绩考核分配
　　实践成绩：60分 实践操作：36分 必做和选做实验：4×7=28分
　　综合拓展实验：8分
　　实践报告：24分 必做和选做实验：4×4=16分
　　综合拓展实验：8分
　　如发现实践预习报告或者实践报告有抄袭现象，无论是否为报告原创者，所有雷同的报告都要重写。对于态度不端正者，实践成绩以不及格处理。
　　编者