2026年秋国开电大传感器与测试技术实验1-5答案

实验1温度测量一、实验目的掌握温度测量的硬件电路实现方法，以及测量所得信号的微机处理和显示方法。二、实验内容利用电阻式温度传感器构成的测温电路及LabJack硬件接口测量温度信号并传入微机中；利用LabView软件，设计虚拟仪器面板，将测得的信号通过显示器显示出来。三、实验原理1、测温电路图如下图所示：图SEQ图\*ARABIC1测温电路其中温度传感器可视为电流随温度变化的电流源，电路输出电压与温度成正比。2、测量电路输出的模拟电压通过labjack接口转化为数字信号输入微机中，这一AD转换功能由labjack硬件平台提供，labview软件内的labjack软件功能模块实现硬件接口的驱动和通信及信号处理等基本功能的实现。3.如图所示，当温度变化时，温度传感器产生一线性电流，在电阻RC1上形成响应的电压，该电压经过U2进行一级和二级放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的线性电压。四、实验步骤1．接线：将输出端AI1和GND用电线连接至labjack的AI1和GND端；2．调节硬件测温电路中的RC8电位器阻值(顺时针放大)，从而调节输入信号幅度和电路的放大倍数，确定电路的电压输出幅度与温度变化之间的比例关系；3．最终结果是：当温度升高时，响应的电压显示曲线也响应增大；反之亦然，当温度降低时，响应的电压显示曲线也响应减小；4．利用labview软件的设计平台及labjack提供的功能模块，设计温度监测及显示用虚拟仪器。五、实验结果设温度-电压曲线为，把温度传感器分别置入热水、温水和冷水中，其测量得到的温度值和电压值如下表所示：温度/573921电压/v6.15753.44051.8072根据测量得到的三组温度值，将其根据线性方程求解出对应的斜率和截距值：，根据中间温度值求得b值：根据平均值公式计算出：，将得到的具体温度-电压公式输入相应的通道（此处选择1通道）并保存退出。根据计算得到的公式计算测量值与实际值之间的误差：电压/v6.15753.44051.8072实际温度/573921计算温度/62.9538.9924.58误差/%10.440.02617.05根据表格计算结果发现误差小于20%，测量误差较少，实验结果具有可靠性。在labview程序中输入相应的计算公式，得到以下不同温度的测量值：温度/36.4238.6941.5544.4553.3157.7966.7496.63电压/v3.153.413.734.065.065.576.599.98六、实验总结在温度测量的实验中，进一步熟悉了Labjack的使用，因为有以前的学习基础，这个实验做起来比较顺手，是在原实验的基础上的提高跟增强。这次使用了一个现成的实验程序LJstream，在这个界面上选择一个示波器通道，然后在configurechannels里面输入计算得到的线性方程，然后就可以直接根据示波器上面的数值得到温度及电压值，其中会存在一定的误差，但在可接受范围之内。通过这个实验，增强了动手能力，对程序的计算处理有了进一步的了解。实验2位移测量实验实验目的：1．了解电容式传感器结构及其特点2．了解霍尔式传感器原理与应用3．了解电涡流传感器的工作原理和性能4．了解光纤位移传感器的工作原理和性能。基本原理：利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。实验所需部件：电容传感器、电容传感器实验模板、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源、导线若干。实验步骤：按图1－1安装示意图将测微头和电容传感器装于电容传感器模板上。将传感器引线插头插入实验模板的插座中。将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),RW调节到中间位置。图1－1电容传感器位移实验接线图接入±15V电源旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值V，填入表1－1。表1－1电容式传感器位移X与输出电压VX(mm)V(mv)根据表（1－1）数据，计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。霍尔传感器按图1－2安装。将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验模板的连接按图1－3进行连接。1、3为电源±4V,2、4为输出。开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表1－2。表1－2霍尔传感器位移X与输出电压VX（mm）V(mv)作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。图1－2霍尔传感器安装示意图表2－图1－3霍尔传感器位移――直流激励实验接线图7、根据图1－4安装电涡流传感器。8、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。9、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件，见图1－5。10、在测微头端部装上铁质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体。图1－4电涡流传感器安装示意图图1－5电涡流传感器位移实验接线图11、将实验模板输出端VO与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V。12、从主控台接入+15V直流电源到实验模板上标有＋15V的插孔中。13、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关,记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表1－3。表1－3电涡流传感器位移X与输出电压VX（mm）V(v)14、将原铁圆片换成铜圆片，重复上述步骤，进行被测体为铜圆片时的位移特性测试，记入表1－4。表1－4被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据X（mm）V(v)15、据表1－3、1－4数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度。16、根据图1－6安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T相接。图1－6光纤传感器安装示意图17、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图1－7。图1－7光纤传感器位移实验接线图18、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。19、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调RW使数显表显示为零。20、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表1－5。表1－5光纤位移传感器输出电压与位移数据X（mm）V(v)根据表1－5数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。实验3流量测量一、实验目的1、了解文透利流量计测流量的原理及其构造，掌握使用文透利流量计测流量的方法。2、实测并绘制文透利流量计的压差和流量的关系曲线。3、率定文透利流量计的流量系数μ值。4、掌握体积法测量流量的方法，并比较其与文透利流量计测流量的精度。二、实验原理文透利流量计：它由收缩段、喉道、扩散段组成。由于喉道断面收缩，断面平均流速加大动能变大，势能减小，则喉道的测压管水头与收缩段进口处的测压管水头便产生了水头差△h，该水头差△h与通过的流量存在着一个正比关系，Q=μk(△h)1/2。(k,μ均为系数)。故只需测出△h，就知流量Q。

据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文透利过水能力关系式：Q计算=(πd21/4){2g［(Z1+p1/γ)-(Z2+p2/γ)］}1/2/[(d1/d2)4-1]1/2式中K=(πd21/4)(2g)1/2/[(d1/d2)4-1]1/2△h=(Z1+p1/γ)-(Z2+p2/γ)=h1-h2+h3-h4系两断面测压管水头差。实际上由于阻力的存在，通过的实际流量Q实际恒小于Q计算。所以引入一无因次数μ=Q实际/Q计算(μ称为流量系数)，对计算所得的流量值，进行修正。

即Q实际=μQ计算=μk(△h)1/2

三、实验设备装有文透利量水计的小型自循环系统一套，四管连续压差计一台，秒表、量筒各一只(如下图)图3-1文透利实验装置图自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、恒压水箱；5、溢流板；6、稳水孔板；7、文透利实验管段；8、测压计气阀；9、四管测压计；10、接水器；11、回水管；12、流量调节阀四、实验步骤1、测记有关常数，并检查在出水阀全关时，测压管液面读数h1-h2+h3-h4是不是为0，不为0时，需查出原因并予排除。2、调整测压管液面高度，使调节阀全开时，各测压管液面处在滑尺读数范围内。3、打开调节阀，使测压管最高和最低液面在滑尺范围内差值最大，待水流稳定后，读取各测压管水面读数h1，h2，h3，h4，并用秒表、量筒测定流量。4、逐次略关小调节阀，改变流量，按上述步骤重复5～6次，每次调节阀门应缓慢。5、按逐次测出数值顺序，记录在实验记录表格内，并进行有关计算。6、如测压管内液面波动，应测时均值。7、实验结束，需按步骤1，校核压差计是否回零。五、注意事项1、在溢流板有溢流时方能进行实验；2、实验结束后，关闭电源开关(不要停在电源接通状态)；3、每次体积法测流量，量筒里的水要倒进接水器，不要倒在其它地方，以免循环用水不够。实验4基于CMOS图像传感器的图像测量一、实验系统及方案为了方便完成在设计阶段的单模块调试，实现遥感系统地面原理与性能测试，本文采用PC机模拟星上数据处理系统，利用CAN卡将CMOS相机与PC机相连，建立了一套CMOS遥感系统地面测试系统。本文采用德国VtschIndustrietechnikVT7034型恒温实验箱，在60～-5℃温度区间内，每下降5℃采集一组暗图像。热循环实验之所以按照从高温到低温的顺序进行，是因为实验所用恒温箱不能抽真空。如果反过来进行实验，尽管不断向恒温箱内充氮气，箱内微量空气中的水气仍可能凝结在相机上，影响实验结果。二、特征参数的提取1）平均暗输出平均暗输出是在没有光照的条件下图像传感器输出的平均灰度值，可由下式进行计算：其中：Ii，j是图像传感器在无光照条件下输出的暗图像灰度值矩阵，M、N是图像传感器像素阵列的行数和列数。2）暗不一致性理想情况下，在无光照的时候图像传感器的输出也应该是均匀的。但是图像传感器的像素间总是存在差异的，因此暗输出总有波动。波动的大小表明图像传感器像素性能的稳定性，计算方法是求出暗图像各像素输出灰度值的标准差其中各符号的含义与暗噪声计算式（5）相同。三、实验结果及分析按照2.1所述的方案进行实验，得到了CMOS相机在60～-5℃温度区间内平均暗输出以及暗不一致性随温度的变化曲线，分别如图5、图6所示。图5平均暗输出随温度的变化曲线图6暗不一致性随温度的变化曲线从图中可以看出，平均暗输出随着温度的升高大致呈上升趋势。当温度小于10℃时，平均暗输出上升速度较快;10～15℃上升趋缓;从15℃开始略有下降，到30℃时达到低谷，10～30℃之间，总的来说平均暗输出值变化比较平稳;30℃以上，平均暗输出值又以较快的速度上升。本文选用的CMOS图像传感器为256级灰度输出，实验中平均暗输出的变化范围为7.7567～10.1092。平均暗输出之所以随着温度的升高大致呈上升趋势，是因为温度升高，CMOS图像传感器及其外围电子器件的热噪声都会升高;而平均暗输出在10～30℃之间变化比较平稳，甚至在15～30℃之间略有下降，是因为CMOS图像传感器在设计上的特殊考虑保证了其在常温下具有最优的工作性能;这同时也说明了这套遥感系统的电噪声主要来源于CMOS图像传感器。暗不一致性随温度的变化不大，实验中其变化范围为0.6148～0.8542，比平均暗输出低一个数量级，可以忽略。实验中还测试了CMOS相机的耐低温性能。关机后将相机降温至-25℃，达到温度平衡后再升温至0℃，开机采集图像，分析其性能变化。实验测得经受低温后，CMOS相机在0℃下的平均暗输出为7.2323，比先前略有降低;暗不一致性为0.8781，比先前略有增大。由于实验中暗不一致性始终比平均暗输出低一个数量级，其变化相对平均暗输出可以忽略，所以这个结果说明关机状态下低温环境不会对CMOS相机的成像质量产生显著的不良影响。综上所述，本文设计的这套CMOS遥感相机在10～30℃之间平均暗输出变化平稳，暗不一致性可以忽略，有利于对成像质量的控制和校正，是理想的成像温度范围。四、结论与展望本文设计了一套纳型卫星CMOS遥感系统，体积为62mm&\o"TI社区"TImes;62mm&\o"TI社区"TImes;35mm，功耗小于0.6W，质量小于150g，采用10μm像素尺寸、1024&\o"TI社区"TImes;1024像素数目的CMOS图像传感器，光谱响应范围为400～800nm，配合焦距为50mm的镜头，在800km的太阳同步轨道上，可以实现大于150km&\o"TI社区"TImes;150km的地面覆盖面积和优于160m的地面分辨率，适于纳型卫星获取多光谱和彩色的普查信息。热循环实验表明，该CMOS遥感相机能够耐受空间环境中-25～60℃的卫星舱内温度变化，在10～30℃的温度范围内工作稳定，可通过地面测试数据对其在空间获取的图像进行校正补偿。由于国际上对CMOS图像传感器在航天领域的应用研究较少，所以设计出来的CMOS相机在上天之前，还需要研究其热真空性能和抗辐照性能，提出相应的补偿、加固措施。1/18实验5虚拟仪器实验实验一Labview基本操作1．实验目的熟悉LabVIEW软件的基本编程环境。2．实验内容创建一个VI程序，并将此程序保存为子VI。此VI要实现的功能是：当输入发动转速时，经过一定运算过程，输出发动机温度和汽车速度值。3．实验步骤（1）启动LabVIEW，创建一个VI。（2）在前面板中放置一个温度计控件，并修改控件标签名为发动机温度和设置最大值为100。该控件从“控件—经典—经典数值”子选项板中获得。（3）按同样的方法在前面板中放置一个仪表控件，并修改仪表控件的标签名为汽车速度，标尺刻度范围为0～150。（4）按同样的方法在前面板中放置一个数值输入控件，并修改控件标签名为发动机转速。（5）从“窗口”下拉菜单中选择“显示程序窗口”切换到程序框图窗口。（6）在程序窗口中创建乘法函数，该函数中函数选项板中的“函数—编程—数值”子选项板中选择，并和发动机转速输入控件连线，为乘法函数创建一个常量，修改为图中所示值。（7）按同样的方法创建加法函数、平方根函数和除法函数，并按图中所示修改常量值和连好线。（8）切换至前面板，在发动机转速控件中输入数值，点击运行按钮，运行VI程序。（9）修改图标为T/V以表示该子VI输出量为发动机温度和汽车速度，并保存为vi.vi。4．实验结果前面板为：程序框图为：5、实验心得体会这次实验给了我们实践的机会，虽然实验题目并不复杂，但实验过程融合了我们学习的方方面面的知识，我们的实践水平有了一定程度的提高，对labview有了更加深入的认识，同时更加体会到实践对于理论学习的推动作用，我们在理论学习时遇到的一些问题，可能在实践时有更深入的认识。Labview是一个强大的开发软件，一定程度弥补了我们c语言方面的缺陷，可视化的编程环境成为吸引我的亮点所在。

实验二典型信号虚拟发生器1．实验目的1、在理论学习的基础上，通过本实验熟悉正弦波、方波、三角波、锯齿波等几种典型信号的波形和参数特征，熟悉信号的时域波形变化趋势。2、掌握基本函数发生器运用。2．实验要求①利用基本函数信号发生器设计一个虚拟信号发生器；②分别测试正弦波，三角波，方波等三种不同波形③分别在不同频率，幅值，采样频率采样数据偏移量的情况测试上述波形④完成实验报告。3．实验步骤及内容1、建立一个新的VI，保存为‘姓名+信号发生器’。2、在程序框图中通过函数-信号处理-波形生成-基本函数发生器，放置一个基本函数信号发生器。3、在基本函数信号发生器的频率接线处单击鼠标右键，创建一输入控键。4、重复步骤3的操作，依次创建相应的输入按键。5、函数-执行过程控制-While循环，放置一个While循环。6、函数-执行过程控制-While循环，放置一个时间延迟，并设置延迟时间。7、在前面板中通过控件-图形显示控件-波形图，放置一个波形图。8、按实验指导书所示电路连线。4．实验结果测试的方波为：测试的三角波为：测试的正弦波为：程序框图为：实验过程中，分别在不同频率、幅值、采样频率、采样数据偏移量的情况测试上述波形：信号类型波形主要参数方波squarewave）三角波TriangleWave）正弦波sinewave）实验结果分析:1)

信号发生器实现了双通道输出信号的要求。可以同时输出基本信号和任意输入波形的信号。

2)

基本信号发生通道，可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波。可以随时进行切换，并可以通过可调控件来改变信号的幅值、频率、偏移量等。

3)

任意波形发生通道，可以按任意输入的函数输出信号，同时可调节粗调、精调控件来改变信号的幅值、频率、偏移量等4)

各通道之间互不干扰。信号之间切换顺畅，输出信号稳定、可控。5、实验心得体会

通过本次实验基本上掌握虚拟仪器的设计方法，认识到了Labview在工程应用中的强大潜力。提高了我在工程应用中创新设计的兴趣和在科研工作中的设计动手能力。

实验三典型信号频谱分析1．实验目的1、在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。2、了解信号频谱分析的基本方法及仪器设备。2．实验要求①Labview-PPT3，按提示完成程序框图与前面板的设计②公式设置X=X1+X2+X3③对不同波形采用不同函数进行FFT运算，填写实验数据④完成实验报告3．实验步骤及内容1.按实验二的方法，建立三个基本函数信号发生器；2.在程序框图中通过函数—Express—算术与比较—公式放置一公式编辑器，并设置为X1+X2+X3；3.在程序框图中通过函数—信号处理—波形测量—FFT放置一FFT运算器，并完成相应的设置。并完成各模块间的连线，得到实验指导书所示的程序框图。4.在前面板放置相应的显示控件，得到实验指导书所示的前面板操作图。5.运行程序，按要求完成测试任务。4．实验结果前面板：程序框图：实验过程中，将实验结果记录在下表：信号源信号1信号2信号3窗函数类型频率幅值类型频率幅值类型频率幅值正弦波方波三角波时域波形图频谱图相位图信号源信号1信号2信号3窗函数类型频率幅值类型频率幅值类型频率幅值时域波形图频谱图相位图信号源信号1信号2信号3窗函数类型频率幅值类型频率幅值类型频率幅值时域波形图频谱图相位图5、实验心得体会通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，这次的实验应该是所有的LabVIEW中最难的，用LabVIEW的处理函数来进行时域频域分析，这点要好好学习，是LabVIEW中的综合应用，要我们明白做这些程序的意义所在，这点很需要我们去学习体会。

实验四周期信号波形的合成和分解1、实验目的熟悉信号分析处理的使用2．实验要求1、熟悉信号分析与处理FFT、滤波器、公式运算器的使用2、创建一个VI程序，程序中需要使用函数信号发生器，波形图控件、幅度谱和相位谱函数以及加法函数，此VI要实现的功