磁电流的大小，R可选取10欧左右电阻。由于信号发生器的普通输出端口的内阻较大（50Q），可使用功率输出端口，以保证提供足够大的电压使样品能进入磁饱和状态。连接R两端及N2的两端到数据采集卡的两个模拟电压输入通道，设计VI测量励磁电流、感应电压，磁感应强度，同时显示出磁滞回线。2）保持信号发生器输出信号的频率不变，幅度从3V开始逐点增大到最大值，使得励磁电流逐步增大，逐点记录不同大小的磁滞回线顶点的值，根据记录的数据绘出基本磁化曲线，进一步求出磁导率曲线。线圈参数：匝数N1=50、N2=150；截面积A=80.0×10-2cm；有效长度L=6.0cm）3）（拓展内容）材料的磁导率、磁滞特性、磁滞损耗都与励磁信号的频率有关。试研究这些量随频率的变化关系。【提示】1）测量过程中需要使用1块数据采集卡同时测量2路电压信号，在VI编写时不能用2个“DAQ助手”，而应该在1个“DAQ助手中选择2个模拟电压通道（按住Ctrl键时鼠标单击）同时进行采样。2）2路电压同时采集时，“DAQ助手"输出的数据中包含2路电压信号，可使用函数“拆分信号”（在“Express->信号操作”中）将2路信号分离。3）对感应电压求积分运算可使用函数“积分x(t)”（在“数学->积分与微分”中）。这个函数有5个输入端口，其中“初始条件”、“最终条件”、“积分方法”可悬空，使用默认参数，“X”应连接感应电压数据，“dt”应连接实际采样率的倒数，即相邻两个数据点的时间间隔。4）显示磁滞回线时，由于曲线的x、y轴均是非等间隔数据，应使用控件"ExpressXY图”或"XY图"。5）由于计算积分时，输入的数据长度不能保证是信号周期的整数倍，积分的结果会包含一个直流分量，而且每次积分的直流分量大小不同，造成磁滞回线在Y轴方向周期性移动。可以使用函数“均值”（在函数数学>概率与统计”中）求出这个直流分量的大小。将积分结果与其相减，去除其影响。5.脉冲信号应用—脉宽调制（PWM）控制LED发光强度LED是一种低压高效发光器件，其发光强度由流过的电流大小决定，改变电流就可以改变其发光强度。在实际的应用中，改变电流的常用方法有两种，一是将可变电阻（通常使用晶体管或场效应管）与LED串联，串联电阻的阻值可改变电流大小：二是使用占空比可变的脉冲信号驱动LED，通过改变占空比调节电流大小。由于串联电阻会有热损耗，目前更多的采用方法二调节LED亮度。1）编写VI，控制数据采集卡的计数器输出脉冲，输出脉冲的占空比在10%～90%之间可调。用示波器测量输出信号，检测是否符合预期。PCI-6014型数据采集卡有两路计数器输出，物理端口分别标识为Ctr0Out、Ctr1Out，可通过软件配置使用其中任意一路。SC-2075接口板上标识为Ctr0Out、Ctr1Out的为信号正极，信号的负极为GND。计数器输出接口位于接口板中部长条型插座上，连线时按下对应端口位置橙色块，将铜芯线插入小孔，松开橙色块即可卡住导线。2）使用计数器输出信号驱动LED时，为防止电流过大，可以在回路中串联一个510欧的电阻。改变输出信号的占空比，观察LED亮度的变化。3）编写VI，通过一个旋钮控制LED的亮度变化。9/80
9 / 80 磁电流的大小，R 可选取 10 欧左右电阻。 由于信号发生器的普通输出端口的内阻较大（50Ω），可使用功率输出端口，以保证提 供足够大的电压使样品能进入磁饱和状态。 连接 R 两端及 N2 的两端到数据采集卡的两个模拟电压输入通道，设计 VI 测量励磁电 流、感应电压，磁感应强度，同时显示出磁滞回线。 2） 保持信号发生器输出信号的频率不变，幅度从 3V 开始逐点增大到最大值，使得励磁电 流逐步增大，逐点记录不同大小的磁滞回线顶点的值，根据记录的数据绘出基本磁化曲 线，进一步求出磁导率曲线。 线圈参数：匝数 N1=50、N2=150；截面积 A=80.0×10-2cm2；有效长度 L=6.0cm） 3） （拓展内容）材料的磁导率、磁滞特性、磁滞损耗都与励磁信号的频率有关。试研究这 些量随频率的变化关系。 【提示】 1） 测量过程中需要使用 1 块数据采集卡同时测量 2 路电压信号，在 VI 编写时不能用 2 个 “DAQ 助手”，而应该在 1 个“DAQ 助手”中选择 2 个模拟电压通道（按住 Ctrl 键时鼠标 单击）同时进行采样。 2） 2 路电压同时采集时，“DAQ 助手”输出的数据中包含 2 路电压信号，可使用函数“拆分 信号”（在“Express->信号操作”中）将 2 路信号分离。 3） 对感应电压求积分运算可使用函数“积分 x(t)”（在“数学->积分与微分”中）。这个函 数有 5 个输入端口，其中“初始条件”、“最终条件”、“积分方法”可悬空，使用默认参 数，“X”应连接感应电压数据，“dt”应连接实际采样率的倒数，即相邻两个数据点的 时间间隔。 4） 显示磁滞回线时，由于曲线的 x、y 轴均是非等间隔数据，应使用控件“Express XY 图” 或“XY 图”。 5） 由于计算积分时，输入的数据长度不能保证是信号周期的整数倍，积分的结果会包含一 个直流分量，而且每次积分的直流分量大小不同，造成磁滞回线在 Y 轴方向周期性移动。 可以使用函数“均值”（在函数“数学->概率与统计”中）求出这个直流分量的大小。将积 分结果与其相减，去除其影响。 5. 脉冲信号应用——脉宽调制（PWM）控制 LED 发光强度 LED 是一种低压高效发光器件，其发光强度由流过的电流大小决定，改变电流就可以 改变其发光强度。在实际的应用中，改变电流的常用方法有两种，一是将可变电阻（通常使 用晶体管或场效应管）与 LED 串联，串联电阻的阻值可改变电流大小；二是使用占空比可 变的脉冲信号驱动 LED，通过改变占空比调节电流大小。由于串联电阻会有热损耗，目前 更多的采用方法二调节 LED 亮度。 1） 编写 VI，控制数据采集卡的计数器输出脉冲，输出脉冲的占空比在 10%～90%之间可调。 用示波器测量输出信号，检测是否符合预期。 PCI-6014 型数据采集卡有两路计数器输出，物理端口分别标识为 Ctr0Out、Ctr1Out，可 通过软件配置使用其中任意一路。SC-2075 接口板上标识为 Ctr0Out、Ctr1Out 的为信号 正极，信号的负极为 GND。计数器输出接口位于接口板中部长条型插座上，连线时按 下对应端口位置橙色块，将铜芯线插入小孔，松开橙色块即可卡住导线。 2） 使用计数器输出信号驱动 LED 时，为防止电流过大，可以在回路中串联一个 510 欧的 电阻。改变输出信号的占空比，观察 LED 亮度的变化。 3） 编写 VI，通过一个旋钮控制 LED 的亮度变化
【提示】1）控制数据采集卡输出脉冲信号同样可以使用函数“DAQ助手”。2）驱动LED的脉冲信号频率较低时，可明显看到LED闪烁的现象，在调节占空比时应保持脉冲信号的频率始终保持在一个较大的值，避免LED闪烁，3）将LabVIEW范例库中的“计数器-连续输出”例程做少量修改可快捷实现PWM信号输出，只需将程序框图中“DAOmx通道”删除（同时删除多余的连线和控件），该例程就可运行了。6.人体脉搏信号的测量与分析（选做）脉搏波信号是重要的人体生理信号，评价人体心血管系统生理状态的重要依据。在临床医学上，完整的脉搏波序列可以直接或者间接计算出脉率、血氧、血压等b生理参数。由于脉搏信号是随着心脏A的搏动而产生的，信号比较微弱，采集的信号有许多来自外界的干扰，如受呼吸和皮肤接触滑动影响产生的基ni线漂移，人体电位变化引起的于扰h2h350Hz工频干扰等。消除或减小干扰4e:是准确获取脉搏信号中有效信息的前+t/s+t提。米t213脉搏波综合了心脏射血活动规律和传播途中的动脉、血液等生理病理图5脉搏信号波形信息，而这些信息又集中体现在一些特征参数上面。脉搏信号最重要的几个特征参数包括平均脉率、主波幅度、降中峡幅度、重搏波幅度以及这几个特征点在脉搏波形中的相对时值，如图5所示。快速准确地提取这些特征信息也有重要的意义。目前常用的减噪和特征信号提取的方法有低通滤波、50Hz陷波、小波滤波、FFT分析、小波滤波、幅值检测等。利用LabVIEW内置的丰富波形处理算法，可以快速构建脉搏波的分析方法并评估效果。1）脉搏信号的采集与存储编写一个采集模拟电压并存储波形数据到磁盘文件的VI。将脉搏传感器的检测面（硅胶面）贴在手腕脉搏处，用轧带缠绕压紧。连接脉搏传感器需要的3.3V直流电源，脉搏传感器的信号连到采集卡的模拟输入通道，运行VI采集数据。测量时应将手臂平放在桌上，尽可能保持平稳。2）波形数据处理编写VI读取保存在文件中的脉搏数据，尝试设计减小噪声、提取特征信息的方法并评估效果。【提示】1）使用LabVIEW函数“写入测量文件”、“读取测量文件”（在“文件I/O”中）可方便地将数据写入多种格式的文件及从文件中读取数据。范例库中的有两个范例：TDMS快速读取数据（时域）、TDMS快速写入数据（时域），演示了这两个函数的使用方法。10 /80
10 / 80 图 5 脉搏信号波形 【提示】 1） 控制数据采集卡输出脉冲信号同样可以使用函数 “DAQ 助手”。 2） 驱动 LED 的脉冲信号频率较低时，可明显看到 LED 闪烁的现象，在调节占空比时应保 持脉冲信号的频率始终保持在一个较大的值，避免 LED 闪烁。 3） 将 LabVIEW 范例库中的“计数器-连续输出”例程做少量修改可快捷实现 PWM 信号输 出，只需将程序框图中“DAQmx 通道”删除（同时删除多余的连线和控件），该例程就 可运行了。 6. 人体脉搏信号的测量与分析（选做） 脉搏波信号是重要的人体生理信号，评价人体心血管系统生理状态的重要依据。在临床 医学上，完整的脉搏波序列可以直接 或者间接计算出脉率、血氧、血压等 生理参数。由于脉搏信号是随着心脏 的搏动而产生的，信号比较微弱，采 集的信号有许多来自外界的干扰，如 受呼吸和皮肤接触滑动影响产生的基 线漂移，人体电位变化引起的干扰， 50Hz 工频干扰等。消除或减小干扰， 是准确获取脉搏信号中有效信息的前 提。 脉搏波综合了心脏射血活动规律 和传播途中的动脉、血液等生理病理 信息，而这些信息又集中体现在一些 特征参数上面。脉搏信号最重要的几个特征参数包括平均脉率、主波幅度、降中峡幅度、重 搏波幅度以及这几个特征点在脉搏波形中的相对时值，如图 5 所示。快速准确地提取这些特 征信息也有重要的意义。 目前常用的减噪和特征信号提取的方法有低通滤波、50Hz 陷波、小波滤波、FFT 分析、 小波滤波、幅值检测等。利用 LabVIEW 内置的丰富波形处理算法，可以快速构建脉搏波的 分析方法并评估效果。 1) 脉搏信号的采集与存储 编写一个采集模拟电压并存储波形数据到磁盘文件的 VI。 将脉搏传感器的检测面（硅胶面）贴在手腕脉搏处，用轧带缠绕压紧。连接脉搏传感器 需要的 3.3V 直流电源，脉搏传感器的信号连到采集卡的模拟输入通道，运行 VI 采集数据。 测量时应将手臂平放在桌上，尽可能保持平稳。 2) 波形数据处理 编写 VI 读取保存在文件中的脉搏数据，尝试设计减小噪声、提取特征信息的方法并评 估效果。 【提示】 1） 使用 LabVIEW 函数“写入测量文件”、“读取测量文件”（在“文件 I/O”中）可方便地 将数据写入多种格式的文件及从文件中读取数据。范例库中的有两个范例：TDMS 快速读取 数据（时域）、TDMS 快速写入数据（时域），演示了这两个函数的使用方法
附录1：SC-2075接口板接线端子图??6#11890o2?①④3O?OPA①19UA?21学22?2?1ESeries Connector9.Legend16 Product Name21200Series Connector10PowerLEDStatusIndicators17AssemblyNumber3DCPowerJack11AnalogOutput BNCs18Prototyping BreadboardArea4+5VPowerSelectSwitchSW112Analog InputBNCs19Control SpringTerminals5Fuses13TriggerBNC29 CounterSpringTerminals6SerialNumber14 Analog Input Banana Plugs21 DIO Spring Terminals10-5VPotentiometer15DCPowerOutputBananaPlugs22DIOLEDStatusIndicators8AnalogInputSpringTerminals11/80
11 / 80 附录 1： SC-2075 接口板接线端子图
基于LabVIEW的空气热机实验(选做）热机是将热能转换为机械能的机器。历史上对热机循环过程及热机效率的研究，曾为热力学第二定律的确立起了奠基性的作用。斯特林1816年发明的空气热机，以空气作为工作介质，是最古老的热机之一。虽然现在已发展了内燃机，燃气轮机等新型热机，但空气热机结构简单，便于帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容。【实验原理】空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主要由高温区，低温区，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞、位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电加热或酒精灯加热方式，位移汽缸左边外围有散热器（图中未显示），构成低温区。工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与位移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。汽缸位移活塞飞轮....-热源连杆一通气管工作活塞低温区高温区)DSS4h5a当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图11a所示：进入高温区的气体温度升高，使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，如图11b所示，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能：工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸内气体向低温区流动，如图11c所示：进入低温区的气体温度降低，使汽缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图11d所示。在一次循环过程中气体对外所作净功等于p-V图所围的面积。根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理，对于循环过程可逆的理想热机，热机效率：A91-Q2_T-T_AT7=TT,99112 /80
12 / 80 基于 LabVIEW 的空气热机实验 （选做） 热机是将热能转换为机械能的机器。历史上对热机循环过程及热机效率的研究，曾为热 力学第二定律的确立起了奠基性的作用。斯特林 1816 年发明的空气热机，以空气作为工作 介质，是最古老的热机之一。虽然现在已发展了内燃机，燃气轮机等新型热机，但空气热机 结构简单，便于帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容。 【实验原理】 空气热机的结构及工作原理可用图 1 说明。热机主要由高温区，低温区，工作活塞及 汽缸，位移活塞及汽缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。 热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞、位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为 工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气 管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电加热或酒精灯加热方式，位移汽缸左边外围有散 热器（图中未显示），构成低温区。 工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活 塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与位 移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值时， 它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。 图 1 空气热机工作原理 当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图 11 a 所示；进入高温区的气体温度升高，使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，如图 11 b 所示，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移， 使汽缸内气体向低温区流动，如图 11 c 所示；进入低温区的气体温度降低，使汽缸内压强 减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图 11 d 所示。在一次 循环过程中气体对外所作净功等于 p-V 图所围的面积。 根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理，对于循环过程可逆的理想热机，热机效 率： 1 1 1 2 1 1 2 1 - - T T T T T Q Q Q Q A 飞轮 工作活塞 位移活塞 连杆 汽缸 热源 低温区 高温区 通气管
式中A为每一循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从绝对温度为T的热库吸收的热量，Q2为热机每一循环向绝对温度为T2的热库放出的热量。实际的热机都不是理想热机，由热力学第二定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机，其效率不可能高于理想热机，故实际的热机效率：ATn≤T.卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机；就温度而言，应尽量提高冷热源的温度差。根据“傅里叶定律”公式：d0=-2oq=dsaxq——x方向的热流密度，单位W/m2;Q——x方向的热流量，单位WS垂直于热流方向的导热面积，单位m?：入—导热系数，单位W/(m-K)：aT一x方向的温度变化率，单位K/m；ax可知，在几何结构不变的前提下，从高温热库吸收的热流量O与公T成正比。单位时间内热机循环n次，一次循环吸收的热量为Q1，则单位时间内吸收的热量即热流量Q=nQ1，于是nO，与△T成正比，由此可知热机每一循环从高温热库吸收的热量O正比于△TIn。再结合热机效率的定义式n=A/Q1，于是有：nAno△Tn，A，T及△T均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/AT，观察它与△TIT的关系，若随着△TITi的增大，nA/△T也逐渐增大，意味着热机效率n也逐渐增大，说明卡诺定理指出的“通过提高冷热源的温度差来提高热机效率”的途径是正确的，即间接验证了卡诺定理。当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩和转速计算得到，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下，可测量计算出不同负载大小时热机实际输出功率。【实验仪器】仪器主要包含：空气热机实验仪、空气热机电加热器电源、数据采集器及LabVIEW编写的专用软件等。图2为电加热型空气热机实验仪示意图，飞轮下部装有双光电门，上边的一个用以定位工作活塞的最低位置（校准用），下边一个用以测量飞轮转动角度。汽缸内的气体体积随工作活塞的位移而变化，而工作活塞的位移与飞轮的位置有对应关系，在飞轮边缘均匀排列45个挡光片，采用光电门信号上下沿均触发方式，飞轮每转4度给出一个信号，由光电门信号可确定飞轮位置，进而计算汽缸内的气体体积。压力传感器通过管道在工作汽缸底部与汽缸连通，测量汽缸内的压力。在加热器内装有温度传感器，测量高温区温度。低温端的温度传感器测量低温区温度。底座上的三个插座分别输出转速/转角信号、压力信号和高低温端温度信号，使用专门的线和数据采集器相连，传送实时的测量信号。电加热器上的输入电压接线柱连接到电加热器电源的电压输出正负极上。13 / 80
13 / 80 式中 A 为每一循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从绝对温度为 T1的热库吸收的热量， Q2为热机每一循环向绝对温度为 T2的热库放出的热量。 实际的热机都不是理想热机，由热力学第二定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机， 其效率不可能高于理想热机，故实际的热机效率： T1 T 卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽量接近可 逆机；就温度而言，应尽量提高冷热源的温度差。 根据“傅里叶定律”公式： x T S Q q d d q——x 方向的热流密度，单位 W/m2； Q——x 方向的热流量，单位 W； S——垂直于热流方向的导热面积，单位 m2； ——导热系数，单位 W/(mK)； x T ——x 方向的温度变化率，单位 K/m； 可知，在几何结构不变的前提下，从高温热库吸收的热流量 Q 与 ΔT 成正比。单位时间 内热机循环 n 次，一次循环吸收的热量为 Q1，则单位时间内吸收的热量即热流量 Q=nQ1， 于是 nQ1与 ΔT 成正比，由此可知热机每一循环从高温热库吸收的热量 Q1 正比于 ΔT/n。再 结合热机效率的定义式 η=A/Q1，于是有： T nA n，A，T1及 ΔT 均可测量，测量不同冷热端温度时的 nA/ΔT，观察它与 ΔT/T1的关系， 若随着 ΔT/T1 的增大，nA/ΔT 也逐渐增大，意味着热机效率 η 也逐渐增大，说明卡诺定理指 出的“通过提高冷热源的温度差来提高热机效率”的途径是正确的，即间接验证了卡诺定理。 当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩和转速计算得到，且热机实际输出功 率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下，可测量计算出不同负载大小时热机实际输出 功率。 【实验仪器】 仪器主要包含：空气热机实验仪、空气热机电加热器电源、数据采集器及LabVIEW编 写的专用软件等。 图 2 为电加热型空气热机实验仪示意图，飞轮下部装有双光电门，上边的一个用以定位 工作活塞的最低位置（校准用），下边一个用以测量飞轮转动角度。 汽缸内的气体体积随工作活塞的位移而变化，而工作活塞的位移与飞轮的位置有对应关 系，在飞轮边缘均匀排列 45 个挡光片，采用光电门信号上下沿均触发方式，飞轮每转 4 度 给出一个信号，由光电门信号可确定飞轮位置，进而计算汽缸内的气体体积。 压力传感器通过管道在工作汽缸底部与汽缸连通，测量汽缸内的压力。在加热器内装有 温度传感器，测量高温区温度。低温端的温度传感器测量低温区温度。底座上的三个插座分 别输出转速/转角信号、压力信号和高低温端温度信号，使用专门的线和数据采集器相连， 传送实时的测量信号。电加热器上的输入电压接线柱连接到电加热器电源的电压输出正负极 上