实验一数字式电子秤实验模块-物体质量测量一．实验目的1.学习LabVIEW软件的使用；2.认识应变式力传感器的工作原理；3.掌握使用应变式传感器进行物体称重的方法；4.掌握标定称重实验台和修正测量误差的方法；二．实验原理数字式电子秤实验模块由应变式力传感器、信号调理电路板、底座、支架、托盘和外围封装设备构成。

其中，应变式力传感器由4片应变片塑封在桥臂的中间两侧，信号调理电路板为全桥电路。

当物体加到托盘后，4个应变片会受压发生形变，该形变量转换为电压量的变化,最后通过电桥电路及运算放大电路进行信号处理和输出。

如下图所示为数字式电子秤实验模块结构示意图。

数字式电子秤实验模块结构示意图数字式电子秤实验模块中的力传感器是电阻应变片。

电阻应变片是利用物体线性长度发生形变导致阻值发生改变的原理而制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。

测量电路普遍采用如下图所示的惠斯通电桥。

电阻应变片惠斯通电桥测量电路称重原理：使用标准砝码对称重模块进行标定，得到物体质量与输出电压之间的线性关系式。

然后利用该线性关系式进行未知质量的物体的测量。

三．需要的仪器和设备●计算机１台●LabVIEW实验脚本：数字式电子秤实验模块-物体质量测量.vi 1套●TS-DEW-1A应变式数字电子称模块 1套●砝码 1套●TS-INQ-8U USB多通道数据采集模块 1套●TS-TAB-B基础实验平台 1套四．实验步骤1.关闭面板总电源开关，将电子秤模块的电源线连接到基础实验平台的多路电源输出航空插头；2.将电子秤模块的信号线连接到USB多通道数据采集模块的通道1上；3.开启总电源，开启采集卡电源，如下图所示，在“数字式电子秤-物体质量测量程序VI”文件夹中打开“数字式电子秤实验模块-物体质量测量.vi”程序，建立实验环境。

4.通道选择“1”，采样频率选择“10KHz”,点击程序运行按钮启动测量程序。

5.在正式进行物体质量测量的过程中，应该先完成传感器的标定工作。

操作步骤为：首先，不在托盘上放置砝码，此时称重的质量为0，把“0”填入“质量（X1）”空格内，点击“标定1”按钮读取当前状况下的电压值；在托盘上放置500g的砝码，并在“质量（X2）”空格内填入“500”，然后点击“标定2”按钮读取当前状况下的电压值；点击“标定结果”完成称重传感器的标定。

数字式电子秤实验模块-物体质量测量程序界面6.标定完成后,即可对未知质量的物体进行测量，在测量过程中请勿超出传感器的量程（实验所用传感器量程为5Kg），以免损坏传感器。

7.在物体质量的测量过程中，记录实验数据，填入下表1中。

表1输出电压（mV）物体质量（g）8.如下图所示，根据实验数据在直角坐标系中绘制输出电压与物体质量之间的关系曲线，分析其线性度。

电压-质量关系曲线五．实验报告要求1.简述实验目的和原理；2.简述两点标定法标定称重传感器；3.详细描述压力传感器称重实验LabVIEW程序的设计思路；六．注意事项1.应变式力传感器可承受的最大质量为5Kg，实验时请勿超过此量程；2.不要冲击传感器或在其上施加过大的力，以免因过载而导致传感器损坏。

实验二超声波位移测量和红外位移测量实验一. 实验目的1.学习LabVIEW软件的使用。

2.认识超声波传感器和红外传感器的工作原理。

3.学习使用超声波传感器进行位移测量的方法。

4. 掌握使用红外传感器进行位移测量的方法。

二. 实验原理1.超声波传感器测量原理：超声波测距传感器包括有发射超声波和接收超声波的两部分装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器。

本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。

利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。

而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

超声波发射探头向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物会立即返回来，超声波接收探头收到反射波立即停止计时。

设超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2。

需要说明的是，超声波传感器发射的波束比较窄（<10°），反射后仍然很窄，如果被测物体被旋转放置，有可能反射波束会偏离出接收探头的位置，导致探头接收不到反射波信号，无法进行测距。

实验所使用超声波传感器的发射波频率是40KHz，它由单片机控制发射探头发射一组超声波脉冲后，输出电平由低电平转为高电平；等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由高电平转为低电平。

所以在实验的过程中，可以观察到随着反射板到探头的距离变化，传感器输出波形的“脉冲”宽度也会对应的发生变化，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。

另外，空气中的声音传播速度不是一个固定的值，在不同的温度下这个数据会有一些变化。

通常我们说的340m/s是一个近似数据，传播速度的修正公式为S=331.4×(1＋t/273）^0.5，t为空气温度。

作为常温下的测试，可以认为声速为346 m/s（按25℃计算）。

超声波传感器距离测量原理示意图2.红外传感器测量原理：红外传感器是基于三角测量原理设计的。

如下图左图所示，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束反射回来，反射的红外光线被CCD检测器接收以后，得到一个偏移值L。

利用三角关系，以知发射角度α，偏移距L，中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。

三角测量原理红外传感器电压与检测距离间关系当距离D足够小的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围。

这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。

当距离D很大时，L值就会很小。

这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。

要检测的物体越远，CCD的分辨率要求就越高。

输出电压与检测距离之间的关系如上图右图所示。

从图中可以看出，传感器与被探测物体之间的距离小于10cm的时候，输出电压急剧下降，这就要求测量时传感器与被探测物体之间距离应尽可能大于10cm。

此外，红外传感器的输出是非线性的。

如果采用线性拟合的方法进行数据标定，误差很大。

这里可以采用多项式拟合的方法。

假设有一个高阶的多项式函数y=a n x n+a(n-1)x(n-1)+…+ax+a0其中y代表距离，x代表红外传感器输出电压。

如果该函数能够逼近实际的待拟合的数据，那么就采用该多项式作为传感器的输出函数。

实际上，对于红外传感器来说，采用多项式函数拟合与采用线性最小二乘法拟合相比较，前者的误差大大减小。

三.实验仪器和设备1.计算机１台bVIEW软件 1套3.超声波红外位移测量实验模块 1个4.多通道数据采集模块 1套5.多路电源模块 1套四.实验步骤1.关闭多路电源模块的开关，关闭多通道数据采集模块的开关，以免带电插入传感器信号线和直流电源线。

将多路电源模块电源线接入交流电源220V。

2.将超声波位移测量对象的电源线（φ16五芯航插）连接至多路电源接口；将多通道数据采集模块电源线（φ16五芯航插）连接至多路电源接口。

3.将超声波传感器的信号输出线连接至数据采集模块的第1通道上。

4.开启总电源，开启多路电源模块开关，开启数据采集模块开关，开关开启后禁止带电插拔电源线和信号线。

5.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”，运行LabVIEW程序“超声波传感器—位移测量实验.vi”。

6.移动滑块来改变挡板到超声波之间的距离，观察采集到的数据信号波形。

结合超声波传感器的原理，解释波形变化的原因和规律。

7.读懂LabVIEW程序，如何采集超声波信号，如何并进行信号处理。

8.比较实验测得值与模块表面刻度尺读数之间偏差，多次移动滑块测量该偏差是否恒定。

9.如果偏差恒定，尝试在软件中对超声波测量的距离进行补偿，使测量更准。

超声波传感器—-位移测量实验LabVIEW程序界面10.单击“STOP”按钮停止程序运行。

首先关闭多通道数据采集模块开关，关闭多路输出电源模块开关，然后再拔超声波传感器的信号输出线，连接上红外传感器的信号输出线，打开多路输出电源模块电源开关、打开多通道数据采集模块开关11.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”，打开文件“红外位移测量模块_main.vi”。

程序界面下图所示。

红外位移测量模块主程序界面12.设置输入控件参数（1）通道选择设置为1（2）采样频率设置为1。

（3）采样长度设置为1024。

（4）多项式拟合阶数设置为4。

13. 单击运行按钮，程序开始运行。

14. 记录采样数据点。

(1)将挡板移动到距离红外传感器探头至少10cm外的位置。

(2)将刻度尺上面显示的数据输入到“刻度尺读数”控件里。

输入完成后，单击数据录入按钮，将刻度尺读数和传感器电压值记录到原始数据表格里。

注意，测量距离要按照逐渐递增或逐渐递减的顺序。

(3)继续向后移动挡板5cm，重复上一步的操作。

如此重复9次，记录10组数据。

15. 单击拟合按钮，进行多项式拟合。

观察拟合曲线的形状，如下图所示。

多项式曲线拟合后程序界面16. 滑动挡板，读取挡板与传感器探头距离，并与红外传感器的测量数据进行比较。

17. 单击STOP按钮，退出程序。

五. 实验报告要求1.简述超声波传感器和红外传感器的原理；2.依据超声波传感器的实验记录作数据分析；3.记录红外传感器多项式拟合曲线和红外传感器的测量误差。

六. 注意事项超声波传感器的有效测量距离是2cm~300cm。

实际距离若过小或过大可能导致测量误差增大，在测量过程中请保持在此距离以内。

避免信号线带电插拔，造成仪器或设备受损。

实验三电涡流传感器静态特性测距及误差分析实验一、实验目的1．了解和掌握电涡流传感器的特点；2．利用电涡流传感器进行传感器静态特性的测量；3．利用机械结构、传感器、数据采集卡、虚拟仪器平台构建测试系统。

二、实验原理1.电涡流位移传感器原理电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。

前置器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈中，线圈将产生一个高频电磁场。

当被测金属体靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，既电涡流。

该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。

这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。