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