综合物理实验讲义2024
综合物理实验讲义 2024
目录1LabVIEW使用基础2基于LabVIEW的空气热机实验123数字全息及实时光学再现16..4光速测量实验275传感器综合实验306 分光计的调整与应用447光电传感器综合实验588LED特性、太阳能电池特性及应用69
目 录 1 LabVIEW 使用基础 ··················································1 2 基于 LabVIEW 的空气热机实验 ·································· 12 3 数字全息及实时光学再现 ·········································· 16 4 光速测量实验 ······················································· 27 5 传感器综合实验 ···················································· 30 6 分光计的调整与应用 ··············································· 44 7 光电传感器综合实验 ··············································· 58 8 LED 特性、太阳能电池特性及应用································· 69
LabVIEW使用基础【实验目的】了解虚拟仪器的基本概念和特性，学习使用虚拟仪器开发工具LabVIEW，初步掌握使用LabVIEW软件和数据采集卡测量信号、分析处理数据的方法。【实验仪器】LabVIEW2014软件数据采集卡NIPCI-6014（最大采样率：200k/S：输入电压范围：土10V）接口板SC-2075、九孔万用电路板及导线、信号发生器、数字示波器、元件铁芯线圈（线圈匝数N1=50、N2=150；截面积A=80.0x×10-2cm2；有效长度L=6.0cm）脉搏传感器【实验原理】1虚拟仪器与LabVIEW现代测控系统的一个重要方向是计算机和仪器的结合。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机嵌入仪器中，就是所谓的智能化仪器。另一种方式是以通用计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）就是这种方式的典型代表。实际上仪器的数据分析与处理、输出与显示功能完全可以利用通用计算机系统实现，可以在计算机显示屏上虚拟传统仪器面板，并尽可能多地将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理功能，用计算机程序来完成。这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大特征。虚拟仪器基本组成如下图所示：软件数据采集卡传感器介介数据采集仪计算机系统LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台，发明者为杰夫·考度斯基（JeffKodosky），程序最初于1986年在苹果电脑上发表。LabVIEW早期是为了仪器自动控制所设计，至今转变成为一种逐渐成熟的高级编程语言。图形化程序与传统编程语言之不同点在于程序流程采用”数据流”概念打破传统思维模式，使得程序设计者在流程图构思完毕的同时也完成了程序的撰写。图形化的编程方式以及内置丰富的控件和函数，使得LabVIEW既可以作为快速测量、数据处理分析工具，也可以用做大型测控软件的开发工具。关于LabVIEW的编程方法可参考附录的几篇文档，也可以阅读相关的书籍。由于学时的限制，完成实验只需要掌握基础的编程方法即可。2模拟信号的采集使用虚拟仪器可以方便地测量各种电信号，在进行数据采集时，应根据被测信号的特点正确地设置数据采集仪的参数，这些参数都是通过软件来设置的。1）通道数据采集仪有多路模拟信号采集通道，可同时进行多路信号的采集。在使用时，应根据1/80
1 / 80 LabVIEW 使用基础 【实验目的】 了解虚拟仪器的基本概念和特性，学习使用虚拟仪器开发工具 LabVIEW，初步掌握使用 LabVIEW 软件和数据采集卡测量信号、分析处理数据的方法。 【实验仪器】 LabVIEW 2014 软件 数据采集卡 NI PCI-6014（最大采样率：200k/S；输入电压范围：±10V） 接口板 SC-2075、九孔万用电路板及导线、信号发生器、数字示波器、元件 铁芯线圈（线圈匝数 N1=50、N2=150；截面积 A=80.0×10-2cm2；有效长度 L=6.0cm） 脉搏传感器 【实验原理】 1 虚拟仪器与 LabVIEW 现代测控系统的一个重要方向是计算机和仪器的结合。粗略地说这种结合有两种方式， 一种是将计算机嵌入仪器中，就是所谓的智能化仪器。另一种方式是以通用计算机硬件及操 作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器（Virtual Instrument，简称 VI）就是这种方式 的典型代表。实际上仪器的数据分析与处理、输出与显示功能完全可以利用通用计算机系统 实现，可以在计算机显示屏上虚拟传统仪器面板，并尽可能多地将原来由硬件电路完成的信 号调理和信号处理功能，用计算机程序来完成。这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大 特征。 虚拟仪器基本组成如下图所示： LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚 拟仪器工程平台）是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台，发明者为杰夫·考 度斯基（Jeff Kodosky），程序最初于 1986 年在苹果电脑上发表。LabVIEW 早期是为了仪器 自动控制所设计，至今转变成为一种逐渐成熟的高级编程语言。图形化程序与传统编程语言 之不同点在于程序流程采用"数据流"概念打破传统思维模式，使得程序设计者在流程图构思 完毕的同时也完成了程序的撰写。 图形化的编程方式以及内置丰富的控件和函数，使得 LabVIEW 既可以作为快速测量、数 据处理分析工具，也可以用做大型测控软件的开发工具。关于 LabVIEW 的编程方法可参考附 录的几篇文档，也可以阅读相关的书籍。由于学时的限制，完成实验只需要掌握基础的编程 方法即可。 2 模拟信号的采集 使用虚拟仪器可以方便地测量各种电信号，在进行数据采集时，应根据被测信号的特点 正确地设置数据采集仪的参数，这些参数都是通过软件来设置的。 1） 通道 数据采集仪有多路模拟信号采集通道，可同时进行多路信号的采集。在使用时，应根据 软件 计算机系统 数据采集卡 数据采集仪 传感器
输入信号连接的通道号，在采集软件中选择相应的通道读取数据。2）输入范围输入范围是指数据采集仪所能测量的模拟信号的最小、最大值，每种数据采集仪都有一个允许输入的最大范围，实验中使用的数据采集卡的输入范围为土10V，应保证输入信号不超出这个范围，以避免数据采集仪损坏。同时设置数据采集仪的输入范围尽量接近实际信号的范围，一般情况下，数据采集仪输入范围设置的越小，采样精度越高。3）扫描速率扫描速率是指每秒完成一组指定通道数据采集的次数，它决定了在所有同时测量的通道中单位时间内所进行数据采集次数的总和，扫描速率决定了信号的采样频率。假设现在对一个模拟信号x(t)每隔△t时间采样一次。时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/△t被称为采样频率，单位是采样点数/每秒。举例来说，当设置扫描速率为100k/S，在只采集一个输入通道的数据时，数据采集仪每秒会测量105个点，采样频率为100kHz，如果同时采集2个通道的数据，数据采集仪每秒会测量两个通道各50k个点，即采样频率为50kHz。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。下图显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。合适的采样频率过低的采样频率需要注意的是，在使用虚拟仪器生成模拟电压对外输出时，由于输出信号也是离散的数据点，同样要注意采样率的影响。4）采样点数（LabVIEW软件中称为“待读取采样”）在使用虚拟仪器采集数据时，通常情况下，数据采集仪会采样完成一组数据后再传输给软件进行分析处理，采样点数决定了每个通道采集的数据个数。在连续测量时，需要通过软件控制采集仪循环测量。5）信号接入方式电信号的输入到数据采集仪时通常需要2根导线引入，根据信号输入方式不同，可分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型。差分测量系统差分测量系统中，信号输入端分别与一个模入通道相连接。数据采集卡可配置成差分测量系统。下图描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND（模拟输入地）的管脚就是测量系统的地。2/80
2 / 80 输入信号连接的通道号，在采集软件中选择相应的通道读取数据。 2） 输入范围 输入范围是指数据采集仪所能测量的模拟信号的最小、最大值，每种数据采集仪都有一 个允许输入的最大范围，实验中使用的数据采集卡的输入范围为±10V，应保证输入信号不 超出这个范围，以避免数据采集仪损坏。同时设置数据采集仪的输入范围尽量接近实际信号 的范围，一般情况下，数据采集仪输入范围设置的越小，采样精度越高。 3） 扫描速率 扫描速率是指每秒完成一组指定通道数据采集的次数，它决定了在所有同时测量的通道 中单位时间内所进行数据采集次数的总和，扫描速率决定了信号的采样频率。 假设现在对一个模拟信号 x(t) 每隔Δt 时间采样一次。时间间隔Δt 被称为采样间隔或 者采样周期。它的倒数 1/Δt 被称为采样频率，单位是采样点数/每秒。举例来说，当设置 扫描速率为 100k/S，在只采集一个输入通道的数据时，数据采集仪每秒会测量 105个点，采 样频率为 100kHz，如果同时采集 2 个通道的数据，数据采集仪每秒会测量两个通道各 50k 个点，即采样频率为 50kHz。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率， 那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。 如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。下 图显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。 合适的采样频率 过低的采样频率 需要注意的是，在使用虚拟仪器生成模拟电压对外输出时，由于输出信号也是离散的数 据点，同样要注意采样率的影响。 4） 采样点数（LabVIEW 软件中称为“待读取采样”） 在使用虚拟仪器采集数据时，通常情况下，数据采集仪会采样完成一组数据后再传输给 软件进行分析处理，采样点数决定了每个通道采集的数据个数。在连续测量时，需要通过软 件控制采集仪循环测量。 5） 信号接入方式 电信号的输入到数据采集仪时通常需要 2 根导线引入，根据信号输入方式不同，可分为 差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型。 差分测量系统 差分测量系统中，信号输入端分别与一个模入通道相连接。数据采集卡可配置成差分测 量系统。下图描述了一个 8 通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通 道间的转换。标有 AIGND（模拟输入地）的管脚就是测量系统的地
CHO+OCH2+ -CHT+0CHOCH2CHIAGND差分测量系统个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压范围限制了相对于测量系统地的输入电压波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的对地电压，以避免测量数据错误。参考地单端测量系统（RSE)一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。下图描绘了一个16通道的RSE测量系统。MU)CHO+0CHO.OCH1+CH20mentation AimplifierCH2+CH10CH15AIGND ISENS参考地单端测量系统无参考地单端测量系统无参考地单端测量系统(NRSE)在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。上图中说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。采集系统应按照信号接入方式正确配置信号接入方式。3铁磁材料的磁滞现象和磁滞回线3/80
3 / 80 差分测量系统 一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量 到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集 卡的共模电压范围限制了相对于测量系统地的输入电压波动范围。共模电压的范围关系到一 个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允 许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的对地电压，以避免测量数据错误。 参考地单端测量系统(RSE) 一个 RSE 测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系 统地 AIGND。下图描绘了一个 16 通道的 RSE 测量系统。 参考地单端测量系统 无参考地单端测量系统 无参考地单端测量系统(NRSE) 在 NRSE 测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个 参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。上图中说明了一个 NRSE 测量系统，其 中 AISENSE 是测量的公共参考端，AIGND 是系统的地。 采集系统应按照信号接入方式正确配置信号接入方式。 3 铁磁材料的磁滞现象和磁滞回线
铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间的关系的特征。B B/BmaCBH/fH--Hm-Hc-HmCOHHmHm1a-Br-Bm图1图2将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化。当磁场强度H由零增加时，磁感应强度B由零开始增加。H继续增加，B增加缓慢，这个过程的B一H曲线称为起始磁化曲线如图1中的oa段所示。当磁场强度H减小，B也跟着减小，但不按起始磁化曲线原路返回，而是沿另一条曲线（图1中ab段）下降，当H返回到零时，B不为零，而保留一定的值B，，即铁磁材料仍处于磁化状态，通常B,称为磁材料的剩磁。将磁化场反向，使磁场强度负向增加，当H达到某一值一H时，铁磁材料中的磁感应强度才为零，这个磁场强度一H称为磁材料的矫顽力。继续增加反向磁场强度，磁感应强度B反向增加。如图1cd段所示。当磁场强度由-H，增加到H，时，其过程与磁场强度从H，到-H，过程类似。这样形成一个闭合的磁滞回线。逐渐增加H，值，可以得到一系列的逐渐增大的磁滞回线，如图2所示。把原点与每个磁滞回线的顶端ai，a2，a3，a4"连接起来即得到基本磁化曲线。如图2中oa段所示。当H增加到一定程度时，磁滞回线两端较平，即H增BA加，B增加很小，在此时铁磁材料处于饱和状态。基本磁化曲线上的点与原点连线的斜率称为磁导率Ⅱ，BsB(1)Hμ=H在给定磁场强度条件下表征单位H所激励出的磁感应强μ-HH度B，直接表示材料磁化性能强弱。从磁化曲线上可以看Hs出磁导率并不是常数。当铁磁材料处于磁饱和状态时，磁导率减小较快。曲线起始点对应的磁导率称为初始磁导图 3率。磁导率的最大值称为最大磁导率。这两者反映μ一H曲线的特点。如图3所示。铁磁性材料的磁滞性是由于其分子热运动产生的。在交变磁化过程中，其磁畴在外磁场作用下不断转向，但它的分子热运动又阻止它转向，因此磁畴的转向跟不上外加磁场的变化，从而产生磁滞现象。交变磁化时，磁畴来回翻转，克服彼此间的阻力而产生的发热损耗称为磁滞损耗。可以证明，铁芯中的磁滞损耗与磁滞回线所围的面积正比。4/80
4 / 80 铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间的关系的特征。 图 1 图 2 将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化。当磁场强度H由零增加时, 磁感应强 度B由零开始增加。H继续增加，B增加缓慢，这个过程的B — H曲线称为起始磁化曲线， 如图1中的oa段所示。 当磁场强度H减小，B也跟着减小，但不按起始磁化曲线原路返回，而是沿另一条曲线 （图1中ab段）下降，当H返回到零时，B不为零，而保留一定的值 Br ，即铁磁材料仍处于 磁化状态，通常 Br 称为磁材料的剩磁。 将磁化场反向，使磁场强度负向增加，当H达到某一值 HC 时，铁磁材料中的磁感应 强度才为零，这个磁场强度 HC 称为磁材料的矫顽力。继续增加反向磁场强度，磁感应强 度B反向增加。如图1 cd段所示。 当磁场强度由 Hm 增加到 Hm 时，其过程与磁场强度从 Hm 到 Hm 过程类似。这样 形成一个闭合的磁滞回线。 逐渐增加 Hm 值，可以得到一系列的逐渐增大的磁滞回线，如图2所示。把原点与每个 磁滞回线的顶端a1，a2，a3，a4.连接起来即得到基本磁化曲线。如图2中oa段所示。 当Hm增加到一定程度时，磁滞回线两端较平，即H增 加，B增加很小，在此时铁磁材料处于饱和状态。 基本磁化曲线上的点与原点连线的斜率称为磁导率μ, H B (1) 在给定磁场强度条件下表征单位 H 所激励出的磁感应强 度 B，直接表示材料磁化性能强弱。从磁化曲线上可以看 出磁导率并不是常数。当铁磁材料处于磁饱和状态时，磁 导率减小较快。曲线起始点对应的磁导率称为初始磁导 率。磁导率的最大值称为最大磁导率。这两者反映μ－H 曲线的特点。如图 3 所示。 铁磁性材料的磁滞性是由于其分子热运动产生的。在交变磁化过程中，其磁畴在外 磁场作用下不断转向，但它的分子热运动又阻止它转向，因此磁畴的转向跟不上外加磁 场的变化，从而产生磁滞现象。 交变磁化时，磁畴来回翻转，克服彼此间的阻力而产生的发热损耗称为磁滞损耗。 可以证明，铁芯中的磁滞损耗与磁滞回线所围的面积正比。 HC Hm Bm Bm Hm HC Br Br a1 a2 a3 a4 Hm Hm H B－H 图 3
在交流电磁装置中磁滞损耗是十分有害的，必须尽量使之减小。因而通常使用磁滞回线比较“瘦”的材料作为铁芯。如图4所示，在待测样品上缠绕两组线圈，给其中一组线圈（N）加上交流电压，根据电磁感应定律，在另一组线圈（N2）上会产生感应电动势。当输入交流电压U时就产生交变的磁化电流i，，由安培环路定律可算得磁场强度HVinN1N,i为:H=(2)L交变的H样品中产生交变的磁感应强度B。假设被测样品的截面积是A，由法拉第电磁感应图4测试磁回线的原理图定律可知，在线圈N2中将产生感应电压：=N,AdBdeV=N,(3)dtdt.vdt由上式可得：B=(4)N,A由式（2）、（4）可知，通过测量励磁电流i、感应电压v就可得到H、B的变化关系。对于励磁电流的测量，可以在励磁电路中串联一个电阻，使用数据采集卡测量电阻两端的电压就可得到电流值，感应电压可直接通过数据采集卡测量，再通过积分运算得到磁感应强度B。【实验内容】1.信号测量系统测试使用NI公司的DAQmx软件可以方便地检测数据采集系统的各个模块是否正常。运行“NIMAX”软件，在左侧列表中双击“设备和接口”条目，再单击条目下的“NIPCI-6014”。然后在右侧窗口中单击工具栏中的“测试面板”，弹出如下图所示的窗口。分别在“模拟输入”、“模拟输出”、“数字I/O”页面中进行以下测试：激式面板：NIPCl-6014"Dev1X换拟输入模拟编出数字I/O计数器VO者名值与采样图表自动缩能图表区Dev1/aiY修证区入放S最大输入限制最小翁入限制柔样率(0-）待读取采样3000开始停止关闭帮助5/80
5 / 80 在交流电磁装置中磁滞损耗是十分有害的，必须尽量使之减小。因而通常使用磁滞 回线比较“瘦”的材料作为铁芯。 如图 4 所示，在待测样品上缠绕两组线圈，给其中一组线圈（N1）加上交流电压， 根据电磁感应定律，在另一组线圈（N2）上会产生感应电动势。 当输入交流电压U ~ 时就产生交变的磁化电 流 1i , 由安培环路 定律可算得 磁场强 度 H 为: L N i H 1 1 （2） 交变的 H 样品中产生交变的磁感应强度 B。 假设被测样品的截面积是 A，由法拉第电磁感应 定律可知，在线圈 N2中将产生感应电压： 2 2 d dB v N N A dt dt （3） 由上式可得： 2 vdt B N A （4） 由式（2）、（4）可知，通过测量励磁电流 i、感应电压 v 就可得到 H、B 的变化关系。 对于励磁电流的测量，可以在励磁电路中串联一个电阻，使用数据采集卡测量电阻两端 的电压就可得到电流值，感应电压可直接通过数据采集卡测量，再通过积分运算得到磁感应 强度 B。 【实验内容】 1. 信号测量系统测试 使用 NI 公司的 DAQmx 软件可以方便地检测数据采集系统的各个模块是否正常。运行 “NI MAX”软件，在左侧列表中双击“设备和接口”条目，再单击条目下的“NI PCI-6014”。 然后在右侧窗口中单击工具栏中的“测试面板”，弹出如下图所示的窗口。分别在“模拟输 入”、“模拟输出”、“数字 I/O”页面中进行以下测试： 图 4 测试磁滞回线的原理图
1）模拟输入连接信号发生器的输出信号到接口板SC-2075的模拟输入通道中，接口板上标识为“ANALOGINPUTS”区域为模拟输入通道，有2路BNC插座（分别标识为CHI、CH2），可选用任意1路使用。界面中的参数设置应注意：“通道名”应按照实际连接方式选择，如信号连接的是CH1通道，应选择“Dev1/ai1”代表设备1的模拟输入通道1。“模式”选择“连续”，输入配置可选择“差分”或“NRSE”。“最大输入限制”、“最小输入限制”应根据输入信号的最大电压、最小电压设置，可简单设置为数据采集卡允许的最大范围：10V，-10V。使用中应注意不能施加超出土10V的电压到采集卡。“采样率”应根据被测信号的频率设置，根据采样定理，采样率至少是信号频率的2倍，如果要较好地还原信号波形，采样率至少是信号频率的10倍以上。“待读取采样”的设置值决定了波形图表中显示的数据长度，如被测信号频率为500Hz（周期2ms），采样率设置为5000Hz（即间隔0.2ms采样一个点，每秒采样5000个点），待读取采样设置为200（点）时，波形图表中会显示200个数据点，200×0.2ms=40ms长度（即20个周期）的波形。通常LabVIEW在数据显示、运算时都是针对一组数据点进行的，每组数据点的长度是由待读取采样数决定，上面的例子中，如果待读取采样设置过小，波形图表中显示的波形不到一个周期的话，就无法正确地测量出信号的周期、峰峰值。点击“开始”按钮，观察波形图表中显示的波形与信号发生器的设置是否一致。改变输入信号参数，调整软件界面中采样率、待读取采样的设置值，观察这些参数对波形图表中显示波形的影响，加深对这些参数的理解。2）模拟输出连接数字示波器到数据采集卡的模拟输出通道中，接口板上标识为“ANALOGOUTPUTS”区域为模拟输出通道，有2路BNC插座（分别标识为CHO、CHI）。配置软件分别产生直流电压和正弦波信号，用示波器观察波形及参数是否与设置值一致。3）数字I/O将接口板的电源开关SW1拨动到“INTERNAL”档（本节实验完成后拨回到“OFF”档），在软件界面中设置数字端口为输出模式，改变各线状态，观察接口板SC-2075上的相应LED灯的亮灭。2.模拟信号测量使用信号发生器分别输出正弦波、方波：输入到数据采集系统中，启动LabVIEW程序新建一个VI，编写VI测量输入信号。要求在窗口中显示波形图，并使用LabVIEW内置的函数测量信号的峰峰值、频率、周期等参数，在软件界面上显示出测量结果。列表记录测量结果并与信号发生器设置值比较，分析偏差原因。注意：在设置信号发生器的输出信号频率和幅度时应考虑数据采集卡的最高采样率和输入电压范围的限制。【提示】1）LabVIEW编写的程序称为VI，每个VI都包含2个窗口：前面板和程序框图。前面板类6 / 80
6 / 80 1） 模拟输入 连接信号发生器的输出信号到接口板 SC-2075 的模拟输入通道中，接口板上标识为 “ANALOG INPUTS”区域为模拟输入通道，有 2 路 BNC 插座（分别标识为 CH1、CH2）， 可选用任意 1 路使用。 界面中的参数设置应注意： “通道名”应按照实际连接方式选择，如信号连接的是 CH1 通道，应选择“Dev1/ai1”， 代表设备 1 的模拟输入通道 1。 “模式”选择“连续”，输入配置可选择“差分”或“NRSE”。 “最大输入限制”、“最小输入限制”应根据输入信号的最大电压、最小电压设置，可简 单设置为数据采集卡允许的最大范围：10V，-10V。使用中应注意不能施加超出±10V 的电 压到采集卡。 “采样率”应根据被测信号的频率设置，根据采样定理，采样率至少是信号频率的 2 倍， 如果要较好地还原信号波形，采样率至少是信号频率的 10 倍以上。 “待读取采样”的设置值决定了波形图表中显示的数据长度，如被测信号频率为 500Hz （周期 2ms），采样率设置为 5000Hz（即间隔 0.2ms 采样一个点，每秒采样 5000 个点），待 读取采样设置为 200（点）时，波形图表中会显示 200 个数据点，200×0.2ms=40ms 长度（即 20 个周期）的波形。 通常 LabVIEW 在数据显示、运算时都是针对一组数据点进行的，每组数据点的长度是 由待读取采样数决定，上面的例子中，如果待读取采样设置过小，波形图表中显示的波形不 到一个周期的话，就无法正确地测量出信号的周期、峰峰值。 点击“开始”按钮，观察波形图表中显示的波形与信号发生器的设置是否一致。 改变输入信号参数，调整软件界面中采样率、待读取采样的设置值，观察这些参数对波 形图表中显示波形的影响，加深对这些参数的理解。 2） 模拟输出 连接数字示波器到数据采集卡的模拟输出通道中，接口板上标识为“ANALOG OUTPUTS”区域为模拟输出通道，有 2 路 BNC 插座（分别标识为 CH0、CH1）。 配置软件分别产生直流电压和正弦波信号，用示波器观察波形及参数是否与设置值一 致。 3） 数字 I/O 将接口板的电源开关 SW1 拨动到“INTERNAL”档（本节实验完成后拨回到“OFF”档）， 在软件界面中设置数字端口为输出模式，改变各线状态，观察接口板 SC-2075 上的相应 LED 灯的亮灭。 2. 模拟信号测量 使用信号发生器分别输出正弦波、方波，输入到数据采集系统中，启动 LabVIEW 程序， 新建一个 VI，编写 VI 测量输入信号。要求在窗口中显示波形图,并使用 LabVIEW 内置的函 数测量信号的峰峰值、频率、周期等参数，在软件界面上显示出测量结果。 列表记录测量结果并与信号发生器设置值比较，分析偏差原因。 注意：在设置信号发生器的输出信号频率和幅度时应考虑数据采集卡的最高采样率和输 入电压范围的限制。 【提示】 1） LabVIEW 编写的程序称为 VI，每个 VI 都包含 2 个窗口：前面板和程序框图。前面板类
似于传统仪器的面板，用于操作输入和结果显示，程序框图类似干仪器的内部装置。VI的编写主要就是在前面板窗口布置控件（如开关、输入框、波形图），在程序框图布置函数并在函数的端口之间连线。按下Ctrl+E键可在2个窗口之间切换，在窗口的空白处单击鼠标右键可弹出控件列表和函数列表。2）LabVIEW中有完整的控件和函数的说明，在帮助菜单中可查阅。按下Ctrl+H键可打开“即时帮助”窗口，打开后，鼠标移动到控件或函数上时会显示相应的说明。3）使用数据采集卡的所有功能都可以用函数中的"DAQ助手”（在“测量I/O->DAQmx-数据采集”中）完成。在程序框图窗口中添加一个“DAQ助手”后，会自动弹出设置窗口，需要设置的参数和实验内容1基本相同，其中“采集模式”应设为“连续采样”，设置完成后会弹出“确认自动创建循环”对话框，选择“是”后会自动在VI中添加一个While循环，DAO助手是在While循环中的，这样的话程序才能持续运行。后续再增加的函数也应放置在While循环中。4）显示被测信号波形可使用控件“波形图”（在前面板中添加），将DAO助手的“数据”端口和波形图的端口之间连线就可显示出采集到的数据。控件“波形图”中的图形可缩放、平移，鼠标在“波形图”区域单击右键，在弹出菜单中，取消“自动调整X（Y）标尺”然后单击坐标轴上的首、尾刻度数据，可直接修改坐标轴刻度。5）新建的“波形图”的会默认使用两位小数显示数据，可修改为需要的显示位数。在波形图中，单击右键，选择属性。按如下方式修改。+区图形属性：波形图研观显示格式曲线标尺游标说明信息数据绑定快捷键1、选择显示格式页面口时间（X轴）类型位数精度类型6日可浮点A精度位数3、选择要修改的科学计数法口隐藏无效零自动格式坐标轴SIe口以3的整数倍为高的指数形式口使用最小域宽十进制。图十六进制4、修改数据位数八进制区左侧填充空格二进制绝对时间相对时间2、选中默认编默认编辑模式辑模式高级编辑模式确定取消帮助6）在“波形图”中的右键菜单，选择“导出”可将波形保存为数据文件或图片。7）在波形图中也可以增加游标图例，实现类似数字示波器中的光标读数功能。在波形图的鼠标右键菜单中选中：“显示项”>“游标图例”，面板上会出现游标窗口。然后在游标窗口中，单击右键，创建游标（单曲线或多曲线模式），游标可在曲线上任意拖动，显示所在点的数据。可按需要创建多个游标。8）可使用游标读数的方法或是LabVIEW内置的函数自动测量出信号的峰峰值、频率等参7/80
7 / 80 似于传统仪器的面板，用于操作输入和结果显示，程序框图类似于仪器的内部装置。VI 的编写主要就是在前面板窗口布置控件（如开关、输入框、波形图），在程序框图布置 函数并在函数的端口之间连线。按下 Ctrl+E 键可在 2 个窗口之间切换，在窗口的空白处 单击鼠标右键可弹出控件列表和函数列表。 2） LabVIEW 中有完整的控件和函数的说明，在帮助菜单中可查阅。按下 Ctrl+H 键可打开 “即时帮助”窗口，打开后，鼠标移动到控件或函数上时会显示相应的说明。 3） 使用数据采集卡的所有功能都可以用函数中的“DAQ 助手”（在“测量 I/O->DAQmx-数据 采集”中）完成。在程序框图窗口中添加一个“DAQ 助手”后，会自动弹出设置窗口， 需要设置的参数和实验内容 1 基本相同，其中“采集模式”应设为“连续采样”，设置 完成后会弹出“确认自动创建循环”对话框，选择“是”后会自动在 VI 中添加一个 While 循环，DAQ 助手是在 While 循环中的，这样的话程序才能持续运行。后续再增加的函数 也应放置在 While 循环中。 4） 显示被测信号波形可使用控件“波形图”（在前面板中添加），将 DAQ 助手的“数据”端 口和波形图的端口之间连线就可显示出采集到的数据。控件“波形图”中的图形可缩放、 平移，鼠标在“波形图”区域单击右键，在弹出菜单中，取消“自动调整 X（Y）标尺”， 然后单击坐标轴上的首、尾刻度数据，可直接修改坐标轴刻度。 5） 新建的“波形图”的会默认使用两位小数显示数据，可修改为需要的显示位数。在波形 图中，单击右键，选择属性。按如下方式修改。 6） 在“波形图”中的右键菜单，选择“导出”可将波形保存为数据文件或图片。 7） 在波形图中也可以增加游标图例，实现类似数字示波器中的光标读数功能。在波形图的 鼠标右键菜单中选中：“显示项”->“游标图例”，面板上会出现游标窗口。然后在游标 窗口中，单击右键，创建游标（单曲线或多曲线模式），游标可在曲线上任意拖动，显 示所在点的数据。可按需要创建多个游标。 8） 可使用游标读数的方法或是 LabVIEW 内置的函数自动测量出信号的峰峰值、频率等参 2、选中默认编 辑模式 1、选择显示格式 ⻚⾯ 3、选择要修改的 坐标轴 4、修改数据位数
数，如“Express”>“信号分析”栏目下的“幅值和电平测量”、“信号的时间与瞬态特性测量”函数。3.周期电信号的傅里叶分析任意波形的周期信号均可用傅里叶级数表示，傅里叶级数的各项代表了不同频率的正弦或余弦信号，即任何波形的周期信号都可以看成是这些谐波的叠加。如50%占空比方波的傅里叶级数展开为：4A(11f(0)=sinot+=sin30t+=sin50t+元（53式中A为方波振幅，の为圆频率06D7表明方波中只包含奇次谐波成分（n=1,3,5,），11方波的频谱图这些谐波的振幅比为：1：3 5信号的谐波分析是一种常用的信号分析手段，本节实验是利用快速傅立叶变换(FFT)的计算方法对采集到的信号进行谐波分析。设置信号发生器分别输出方波、三角波信号。编写VI采集信号发生器输出的信号，并进行FFT变换，绘出频谱图，测量记录主要谐波（振幅大于基波振幅的5%）的振幅和频率，与理论值比较。测量中应注意采样频率对测量结果的影响，可调整采样频率观察频谱图的变化，加深对采样定理的理解。【提示】1）使用LabVIEW函数“频谱测量”（在“Express->信号分析”中）可完成信号的FFT变换，输出频谱图。LabVIEW提供的范例“ExpressVI－频谱测量”展示了对一个仿真信号进行频谱测量的方法，也可通过修改此范例来编写VI，打开范例文件可通过菜单：帮助->查找范例->分析，信号处理和数学->FFT和频率分析。2）波形图的初始坐标轴名称是固定的，鼠标单击坐标轴名称可以进行编辑，修改为需要的名称。3）在通过数值运算的方式（如FFT）对周期性信号进行分析处理时，总是截取一段数据（信号）进行运算，如果截取的信号长度不是周期的整数倍显然会对结果有影响，实验中可以通过调整“待读取采样”的设置值使得每次处理的信号长度是周期的整数倍（波形图中显示的是整数个方波）。但这种方法在实际的测量系统中是很难实施的，通常使用的方法是对采集的信号先用窗函数预处理，“频谱测量”函数中也内置了多种窗函数，可尝试使用，在LabVIEW的“帮助”中可查阅到相关说明。4）对谐波幅度和频率的测量，可在频谱图上增加游标，通过游标读取各个谐波成分的幅度和频率值。4.交流励磁法测量材料的磁导率1）如下图所示连接测量电路，使用O信号发生器输出幅值10V、30HzNidDN2信号发生器的正弦波作为交流电源，在励磁回路中串联一个电阻R，通过测YR量R两端的电压得到励磁电流-样品的值。为避免R过大限制了励8/80
8 / 80 数，如“Express”->“信号分析”栏目下的“幅值和电平测量”、“信号的时间与瞬态特 性测量”函数。 3. 周期电信号的傅里叶分析 任意波形的周期信号均可用傅里叶级数表示，傅里叶级数的各项代表了不同频率的正弦 或余弦信号，即任何波形的周期信号都可以看成是这些谐波的叠加。如 50%占空比方波的 傅里叶级数展开为： 4 1 1 ( ) sin sin 3 + sin 5 3 5 A f t t t t 式中 A 为方波振幅， 为圆频率 表明方波中只包含奇次谐波成分（n=1,3,5,.）， 这些谐波的振幅比为： 1 1 1: : 3 5。 信号的谐波分析是一种常用的信号分析手段，本节实验是利用快速傅立叶变换(FFT)的 计算方法对采集到的信号进行谐波分析。 设置信号发生器分别输出方波、三角波信号。编写 VI 采集信号发生器输出的信号，并 进行 FFT 变换，绘出频谱图，测量记录主要谐波（振幅大于基波振幅的 5%）的振幅和频率， 与理论值比较。 测量中应注意采样频率对测量结果的影响，可调整采样频率观察频谱图的变化，加深对 采样定理的理解。 【提示】 1） 使用 LabVIEW 函数“频谱测量”（在“Express->信号分析”中）可完成信号的 FFT 变 换，输出频谱图。LabVIEW 提供的范例“Express VI – 频谱测量”展示了对一个仿真信 号进行频谱测量的方法，也可通过修改此范例来编写 VI，打开范例文件可通过菜单：帮 助->查找范例->分析，信号处理和数学->FFT 和频率分析。 2） 波形图的初始坐标轴名称是固定的，鼠标单击坐标轴名称可以进行编辑，修改为需要的 名称。 3） 在通过数值运算的方式（如 FFT）对周期性信号进行分析处理时，总是截取一段数据（信 号）进行运算，如果截取的信号长度不是周期的整数倍显然会对结果有影响，实验中可 以通过调整“待读取采样”的设置值使得每次处理的信号长度是周期的整数倍（波形图 中显示的是整数个方波）。但这种方法在实际的测量系统中是很难实施的，通常使用的 方法是对采集的信号先用窗函数预处理，“频谱测量”函数中也内置了多种窗函数，可 尝试使用，在 LabVIEW 的“帮助”中可查阅到相关说明。 4） 对谐波幅度和频率的测量，可在频谱图上增加游标，通过游标读取各个谐波成分的幅度 和频率值。 4. 交流励磁法测量材料的磁导率 1） 如下图所示连接测量电路，使用 信号发生器输出幅值10V、30Hz 的正弦波作为交流电源，在励磁 回路中串联一个电阻 R，通过测 量 R 两端的电压得到励磁电流 的值。为避免 R 过大限制了励 样 品 R 信号发生器 ～ 方波的频谱图