NI ELVIS专业综合实验指导书
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一
NI ELVIS是NI公司为高校特别开发的一个实验系统。可以自由得在ELVIS平台上设计各种电路，运行NI的软件和硬件。NI ELVIS既有已开发好的仪器功能，又可在此平台上使用LabVIEW和数据采集卡开发新的仪器功能，设计新的实验。下面的演示将包含现有仪器功能的演示及新实验的开发这两部分的内容。
2、经检查电路连接正确无误后，给电路加直流10V电压，调节R9在J1上用高精度万用表检测电压，直到J1输出电压为零。此时完成调理电路的调零和传感器的电压补偿。
3、将传感器固定在水平物上，固定时将传感器的固定端固定在水平板上且除了固定点外其他任何部分不可与板接触。固定传感器时传感器方向箭头朝下。如图3－5
Ω
350±50
1000±200
绝缘阻抗
MΩ
≥5000
50V DC
激励电压
V(DC/AC)
≤6
≤10
工作温度
℃
-10~+50
安全超载
%FS
150
全电桥电路由四个电阻组成，如图3－3所示：桥臂电阻R1，R2，R3和R4，其中两对角点AC接电源电压U1=E（+10V），另两个对角点BD为桥路的输出U0，桥臂电阻为应变电阻。R1R4=R2R3时，电桥平衡如图3 A所示，则测量对角线上的输出U0为零。当传感器受到外界物体重量影响时，电桥的桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡如图3 B，则测量对角线上有输出，U0≠0且在压力较小时输出电压和所承受压力呈线性关系F∞U0。
–Linear, dB scales
图2－7
任意波型发生器
图2－8
电流电压分析仪
Features:
–+/- 10 V, +/- 10 mA
–Two point and three point capability
–Current or voltage control
–Data Storage
图2－9
图1－1
可直接使用的仪器功能
•信号分析
示波器,动态信号分析(频谱仪),波特图分析仪,电流-电压分析仪
•直流测量
数字万用表
•信号源
信号发生器(手动或程控),任意波型发生器
•计时/数字量
频率,时间间隔,数字I/O
•直流电源
+5V, +15V / -15V, 0->+-12V可变(手动或程控)
ELVIS总面板
图3－4信号调理电路
本电路采用单电源供电，方便电源的获取。供电电压可以8～15V直流稳压电源。电路中传感器的电压从2和4脚输出mV级电压，经C1和C2去除电路中存在的高频噪声干扰。其中放大部分可采用普通四运放如LM324或者LM084都可以满足要求。运放U1B、U1C和U1D组成一个仪用放大器具有高输入阻抗、共模抑止性能优异，双端输入，同时通过调节R1改变放大器的放大倍数以适应连接不同传感器的要求。放大倍数Au＝（R2＋R3）/R1。调节R5可以对仪器调零。R7和R8的电阻相等且运放U1A工作在射级跟随器状态所以U1A输出的电压为1/2Vcc。
图3－5传感器方向箭头
4、在传感器放物端放一个200克的砝码，调节R1使J1的输出电压约1V。待砝码去除后调节R9再一次使得J1输出电压为零。
5、把J1的负极连接到ACH0-端，把J1的正极连到ACH0+。
6、LabVIEW编程，主要完成信号的获取和秤的功能的实现。其中LabVIEW前面板如图6，主程序如图7，事件0为超时如图8，事件1调零如图9，事件2为退出程序如图10，事件3为200g校准如图11。
A电桥平衡B电桥失去平衡
图3－3全电桥电路连接
设四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时，两个桥臂电阻增加△R，而另外两个桥臂的电阻减少，减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。这里假设△R远小于R，并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为：
U0= E*( R+△R+△RT)/( R-△R+△RT+R+△R+△RT)- E*( R-△R+△RT)/( R+△R+△RT+R-△R+△RT)= E*△R/（R+△RT）
图2－6
虚拟动态信号分析仪(频谱分析仪)
•eatures
–Frequency and time domain plots
–Frequency range based on E series board sampling rate
–Averaging modes
–Data Storage
–Markers, Auto Scaling
砝码重量（g）
5
10
20
40
80
160
320
500
秤显示（g）
计算系统的均方差为
六、思考题
1、系统产生非线性主要的原因有那些？
2、四个应变片在秤重传感器上是如何排列？为什么这样排?
3、电路中有调零，在软件上也有调零，两种调零有何联系和区别？
七、注意事项
1、秤重传感器上所加重无应严格按照量程范围内。
2、秤重传感器的激励电压应在8V～12V之间推荐10V，电压过大将烧毁秤重传感器。
图6虚拟电子秤
图7 LabVIEW主程序
图8事件超时
图9调零程序
图10程序结束事件
图11校准程序
7、启动用已编LabVIEW程序，设置设备号0、通道号2、采样间隔20、平均次数100。然后点击‘运行’按钮此时程序开始采集数据，当无重物放在秤重传感器的秤重端时点击调零可以使电子秤调零。然后加重为200g的砝码待数值显示稳定后点击校准按钮。
图3－1、虚拟电子秤框图
（1）传感器
传感器采用的是CZA-106型秤重传感器，此传感器是由四片应变片组成的全桥型传感器。秤重传感器外形结构如图3－2所示：
图3－2秤重传感器外形结构
CZA-106秤重传感器指标如表3－1
表3－1CZA-106秤重传感器指标
量程
kg
0.5、1、3、
5、10、15
备注
综合精度
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光照射下，释放出光电子的现象。如果当光照射金属，金属氧化物或半导体材料的表面时，被这些材料内的电子所吸收，当光子能量足够大（大于材料的禁带宽度ΔEg，通常本征半导体的禁带宽度ΔEg≈1ev）。吸收光子后的电子（称为光电子）挣脱原子束缚并逸出材料表面，这种现象为光电子发射，又称外光电效应。（基于这种原理工作的光电器件有光电倍增管等。）而有些物质受到光的照射时，其内部原子释放的电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加。（即物体的电阻率发生变化或产生电动势，前者称光电导效应，后者为光生伏特效应。）基于这种原理工作的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管、三极管等。
0.01
输出灵敏度
mV/V
0.5 ±0.15
1±0.15
非线性
%FS
0.05
滞后
%FS
0.05
重复性
%FS
0.05
蠕变
%FS
0.1
10in
零点漂移
%FS
0.1
60min
零点温度漂移
%FS/10℃
0.2
灵敏度温度漂移
%FS/10℃
≤0.3
零点输出
%FS
±1.0
输入阻抗
Ω
350±50
1000±200
输出阻抗
光电传感器通常由四部分组成，如图4-1所示。其中，1x表示被测量能直接引起光量变
化的检测方式，2x表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。
图4－1
[实验目的]
1．了解光电传感器测量转速的原理，掌握其测量转速的方法。
2．了解光纤传感器测量转速的原理，掌握其测量转速的方法。
[实验原理]
1．光电效应。
5．利用虚拟仪器平台快速构建电子秤。
二、实验内容
1．分析测重传感器的结构原理。
2．设计电桥前端信号调理电路，得到和声卡相接口的电平。
3．用LabVIEW编程从声卡取得数据，并设计电子秤的各项功能。
三、基本原理
虚拟电子秤由以下五个部分组成：传感器、稳压电源、信号调理、电子秤软件。其原理框图如图3－1所示：
通过此调理电路最终把传感器输出的电压放大到0～5V之间以便于和声卡相连接。
四、实验器材
直流稳压源
面包板及相应元器件
秤重传感器500g
10g～200g砝码套装
ELVIS
五、实验步骤
1、按照电路原理图4在面包板上连好电路。其中相应的参数为R1＝10K、R2＝R3＝5K、R4＝R5＝1K、R6＝20K、R7＝R8＝100K、R9＝10K；C1＝C2＝0.01uF；四运放为LM324。秤重传感器CZA-106引线定义红－电源正、黑－电源负、黄－输出正、绿－输出负。
•Features
–Frequency and phase plots
–Frequency range and step control
–Logarithmic or linear frequency spacing
–Data Storage
–Cursors, Auto Scaling
–Ch 0 response, Ch 1 stimulus
图1－2
虚拟示波器
•Features:
–Up to 1.25 MHz Sampling rate (DAQ-6070)
–12 bit vertical resolution
–100 mV-10 V full scale
–Analog or digital trigger
–数据存储
图1－3
可直接得到测试结果
面包板功能
图2－10
控制面板功能
开关电源功能选择程控电源函数信号发生器万用表示波器
图2－11
二
一、实验目的
1．了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理，放大器性能。
2．通过实验，可以理论联系实际，增加学生对传感器的感性认识。
3．掌握一些基本传感器的使用方法，深化理论知识。
4．能够设计信号放大电路。
三
光纤传感器和光电传感器都是光敏传感器。光纤传感器和光电传感器的物理机理和测量转速的方法各不相同。光电传感器以光电转换器件为传感元件，主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。光电转化器可用于检测直接引起光量变化或转化成光量变化的非电量。它具有非接触、响应快、性能可靠等优点。自光电效应发现至今，光电器件得到飞速的发展和广泛的应用。常用的光电效应转换器件有光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管和三极管、CCD等。这里只简介基于半导体内光电效应的光电转换器件光敏二极管和三极管。
IABC=IADC=0.5I
有重力作用时，仍有
IABC=IADC= 0.5I
则电桥的输出为：
USC= 0.5I*(R+△R+△RT)-0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R
即USC= I*△R式(2)
因此，采用恒流源供电，电桥的输出与温度无关。因此，一般采用恒流源供电。
（2）信号调理
传感器上输出的电压微弱，需要进行放大满足声卡模数转换的要求。为了准确测量，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，和较高的抑制共模干扰的能力，设计如下信号调理电路如图3－4所示。
虚拟数字万用表
Features :
•Measurements
–Volts DC, AC
–Current DC, AC
–Resistance
–Capacitance
–Diode tester
–Audible Continuity tester
•Autoranging
•3+ digit precision
8、测量电桥输出电压于重量的关系
按照表格重量，把砝码放在秤重端。测量秤重传感器输出电压完成下表并画图。
砝码重量（g）
0
10
20
40
80
160
320
500
输出电压（V）
（1）传感器的零点漂移电压
（2）传感器经直线拟合后计算均方差为
10、测量系统线性度
按照表格重量，把砝码放在秤重端。记录秤显示重量完成下表并画图。
即U0= E*△R/（R+△RT）式(1)
说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关，还与温度有关。如果△RT=0，则电桥的电源电压E恒定时，电桥的输出与△R/R成正比。当△RT≠0时，即使电桥的电源电压E恒定，电桥的输出与△R/R也不成正比。对于恒流源供电：供电电流为I，设四个桥臂的电阻相等，则
图1－4
虚拟信号发生器
•Features:
–手动或程控
–Sine, triangle, square waveforms/正弦波,方波,三角波
–Frequency Sweep /扫频功能
–TTL sync pulse out /同步输出
–AM, FM modulation /调幅,调频
图2－5
•虚拟波特图分析仪
2．光敏二极管和光敏三极管基本工作原理。
光敏二极管的PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图4-2所示，处于反向偏置的PN结在无光照时显高阻特性，反向暗电流很小，一般为nA（纳安）数量级；当光照时，结区产生电子一空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反方向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。光照时的反向电流基本上与光强成正比。光敏三极管可看作是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路如图4-3所示。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，再被晶体三极管放大。当晶体管电流增益为β时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β倍。
NI ELVIS是NI公司为高校特别开发的一个实验系统。可以自由得在ELVIS平台上设计各种电路，运行NI的软件和硬件。NI ELVIS既有已开发好的仪器功能，又可在此平台上使用LabVIEW和数据采集卡开发新的仪器功能，设计新的实验。下面的演示将包含现有仪器功能的演示及新实验的开发这两部分的内容。
2、经检查电路连接正确无误后，给电路加直流10V电压，调节R9在J1上用高精度万用表检测电压，直到J1输出电压为零。此时完成调理电路的调零和传感器的电压补偿。
3、将传感器固定在水平物上，固定时将传感器的固定端固定在水平板上且除了固定点外其他任何部分不可与板接触。固定传感器时传感器方向箭头朝下。如图3－5
Ω
350±50
1000±200
绝缘阻抗
MΩ
≥5000
50V DC
激励电压
V(DC/AC)
≤6
≤10
工作温度
℃
-10~+50
安全超载
%FS
150
全电桥电路由四个电阻组成，如图3－3所示：桥臂电阻R1，R2，R3和R4，其中两对角点AC接电源电压U1=E（+10V），另两个对角点BD为桥路的输出U0，桥臂电阻为应变电阻。R1R4=R2R3时，电桥平衡如图3 A所示，则测量对角线上的输出U0为零。当传感器受到外界物体重量影响时，电桥的桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡如图3 B，则测量对角线上有输出，U0≠0且在压力较小时输出电压和所承受压力呈线性关系F∞U0。
–Linear, dB scales
图2－7
任意波型发生器
图2－8
电流电压分析仪
Features:
–+/- 10 V, +/- 10 mA
–Two point and three point capability
–Current or voltage control
–Data Storage
图2－9
图1－1
可直接使用的仪器功能
•信号分析
示波器,动态信号分析(频谱仪),波特图分析仪,电流-电压分析仪
•直流测量
数字万用表
•信号源
信号发生器(手动或程控),任意波型发生器
•计时/数字量
频率,时间间隔,数字I/O
•直流电源
+5V, +15V / -15V, 0->+-12V可变(手动或程控)
ELVIS总面板
图3－4信号调理电路
本电路采用单电源供电，方便电源的获取。供电电压可以8～15V直流稳压电源。电路中传感器的电压从2和4脚输出mV级电压，经C1和C2去除电路中存在的高频噪声干扰。其中放大部分可采用普通四运放如LM324或者LM084都可以满足要求。运放U1B、U1C和U1D组成一个仪用放大器具有高输入阻抗、共模抑止性能优异，双端输入，同时通过调节R1改变放大器的放大倍数以适应连接不同传感器的要求。放大倍数Au＝（R2＋R3）/R1。调节R5可以对仪器调零。R7和R8的电阻相等且运放U1A工作在射级跟随器状态所以U1A输出的电压为1/2Vcc。
图3－5传感器方向箭头
4、在传感器放物端放一个200克的砝码，调节R1使J1的输出电压约1V。待砝码去除后调节R9再一次使得J1输出电压为零。
5、把J1的负极连接到ACH0-端，把J1的正极连到ACH0+。
6、LabVIEW编程，主要完成信号的获取和秤的功能的实现。其中LabVIEW前面板如图6，主程序如图7，事件0为超时如图8，事件1调零如图9，事件2为退出程序如图10，事件3为200g校准如图11。
A电桥平衡B电桥失去平衡
图3－3全电桥电路连接
设四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时，两个桥臂电阻增加△R，而另外两个桥臂的电阻减少，减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。这里假设△R远小于R，并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为：
U0= E*( R+△R+△RT)/( R-△R+△RT+R+△R+△RT)- E*( R-△R+△RT)/( R+△R+△RT+R-△R+△RT)= E*△R/（R+△RT）
图2－6
虚拟动态信号分析仪(频谱分析仪)
•eatures
–Frequency and time domain plots
–Frequency range based on E series board sampling rate
–Averaging modes
–Data Storage
–Markers, Auto Scaling
砝码重量（g）
5
10
20
40
80
160
320
500
秤显示（g）
计算系统的均方差为
六、思考题
1、系统产生非线性主要的原因有那些？
2、四个应变片在秤重传感器上是如何排列？为什么这样排?
3、电路中有调零，在软件上也有调零，两种调零有何联系和区别？
七、注意事项
1、秤重传感器上所加重无应严格按照量程范围内。
2、秤重传感器的激励电压应在8V～12V之间推荐10V，电压过大将烧毁秤重传感器。
图6虚拟电子秤
图7 LabVIEW主程序
图8事件超时
图9调零程序
图10程序结束事件
图11校准程序
7、启动用已编LabVIEW程序，设置设备号0、通道号2、采样间隔20、平均次数100。然后点击‘运行’按钮此时程序开始采集数据，当无重物放在秤重传感器的秤重端时点击调零可以使电子秤调零。然后加重为200g的砝码待数值显示稳定后点击校准按钮。
图3－1、虚拟电子秤框图
（1）传感器
传感器采用的是CZA-106型秤重传感器，此传感器是由四片应变片组成的全桥型传感器。秤重传感器外形结构如图3－2所示：
图3－2秤重传感器外形结构
CZA-106秤重传感器指标如表3－1
表3－1CZA-106秤重传感器指标
量程
kg
0.5、1、3、
5、10、15
备注
综合精度
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光照射下，释放出光电子的现象。如果当光照射金属，金属氧化物或半导体材料的表面时，被这些材料内的电子所吸收，当光子能量足够大（大于材料的禁带宽度ΔEg，通常本征半导体的禁带宽度ΔEg≈1ev）。吸收光子后的电子（称为光电子）挣脱原子束缚并逸出材料表面，这种现象为光电子发射，又称外光电效应。（基于这种原理工作的光电器件有光电倍增管等。）而有些物质受到光的照射时，其内部原子释放的电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加。（即物体的电阻率发生变化或产生电动势，前者称光电导效应，后者为光生伏特效应。）基于这种原理工作的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管、三极管等。
0.01
输出灵敏度
mV/V
0.5 ±0.15
1±0.15
非线性
%FS
0.05
滞后
%FS
0.05
重复性
%FS
0.05
蠕变
%FS
0.1
10in
零点漂移
%FS
0.1
60min
零点温度漂移
%FS/10℃
0.2
灵敏度温度漂移
%FS/10℃
≤0.3
零点输出
%FS
±1.0
输入阻抗
Ω
350±50
1000±200
输出阻抗
光电传感器通常由四部分组成，如图4-1所示。其中，1x表示被测量能直接引起光量变
化的检测方式，2x表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。
图4－1
[实验目的]
1．了解光电传感器测量转速的原理，掌握其测量转速的方法。
2．了解光纤传感器测量转速的原理，掌握其测量转速的方法。
[实验原理]
1．光电效应。
5．利用虚拟仪器平台快速构建电子秤。
二、实验内容
1．分析测重传感器的结构原理。
2．设计电桥前端信号调理电路，得到和声卡相接口的电平。
3．用LabVIEW编程从声卡取得数据，并设计电子秤的各项功能。
三、基本原理
虚拟电子秤由以下五个部分组成：传感器、稳压电源、信号调理、电子秤软件。其原理框图如图3－1所示：
通过此调理电路最终把传感器输出的电压放大到0～5V之间以便于和声卡相连接。
四、实验器材
直流稳压源
面包板及相应元器件
秤重传感器500g
10g～200g砝码套装
ELVIS
五、实验步骤
1、按照电路原理图4在面包板上连好电路。其中相应的参数为R1＝10K、R2＝R3＝5K、R4＝R5＝1K、R6＝20K、R7＝R8＝100K、R9＝10K；C1＝C2＝0.01uF；四运放为LM324。秤重传感器CZA-106引线定义红－电源正、黑－电源负、黄－输出正、绿－输出负。
•Features
–Frequency and phase plots
–Frequency range and step control
–Logarithmic or linear frequency spacing
–Data Storage
–Cursors, Auto Scaling
–Ch 0 response, Ch 1 stimulus
图1－2
虚拟示波器
•Features:
–Up to 1.25 MHz Sampling rate (DAQ-6070)
–12 bit vertical resolution
–100 mV-10 V full scale
–Analog or digital trigger
–数据存储
图1－3
可直接得到测试结果
面包板功能
图2－10
控制面板功能
开关电源功能选择程控电源函数信号发生器万用表示波器
图2－11
二
一、实验目的
1．了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理，放大器性能。
2．通过实验，可以理论联系实际，增加学生对传感器的感性认识。
3．掌握一些基本传感器的使用方法，深化理论知识。
4．能够设计信号放大电路。
三
光纤传感器和光电传感器都是光敏传感器。光纤传感器和光电传感器的物理机理和测量转速的方法各不相同。光电传感器以光电转换器件为传感元件，主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。光电转化器可用于检测直接引起光量变化或转化成光量变化的非电量。它具有非接触、响应快、性能可靠等优点。自光电效应发现至今，光电器件得到飞速的发展和广泛的应用。常用的光电效应转换器件有光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管和三极管、CCD等。这里只简介基于半导体内光电效应的光电转换器件光敏二极管和三极管。
IABC=IADC=0.5I
有重力作用时，仍有
IABC=IADC= 0.5I
则电桥的输出为：
USC= 0.5I*(R+△R+△RT)-0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R
即USC= I*△R式(2)
因此，采用恒流源供电，电桥的输出与温度无关。因此，一般采用恒流源供电。
（2）信号调理
传感器上输出的电压微弱，需要进行放大满足声卡模数转换的要求。为了准确测量，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，和较高的抑制共模干扰的能力，设计如下信号调理电路如图3－4所示。
虚拟数字万用表
Features :
•Measurements
–Volts DC, AC
–Current DC, AC
–Resistance
–Capacitance
–Diode tester
–Audible Continuity tester
•Autoranging
•3+ digit precision
8、测量电桥输出电压于重量的关系
按照表格重量，把砝码放在秤重端。测量秤重传感器输出电压完成下表并画图。
砝码重量（g）
0
10
20
40
80
160
320
500
输出电压（V）
（1）传感器的零点漂移电压
（2）传感器经直线拟合后计算均方差为
10、测量系统线性度
按照表格重量，把砝码放在秤重端。记录秤显示重量完成下表并画图。
即U0= E*△R/（R+△RT）式(1)
说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关，还与温度有关。如果△RT=0，则电桥的电源电压E恒定时，电桥的输出与△R/R成正比。当△RT≠0时，即使电桥的电源电压E恒定，电桥的输出与△R/R也不成正比。对于恒流源供电：供电电流为I，设四个桥臂的电阻相等，则
图1－4
虚拟信号发生器
•Features:
–手动或程控
–Sine, triangle, square waveforms/正弦波,方波,三角波
–Frequency Sweep /扫频功能
–TTL sync pulse out /同步输出
–AM, FM modulation /调幅,调频
图2－5
•虚拟波特图分析仪
2．光敏二极管和光敏三极管基本工作原理。
光敏二极管的PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图4-2所示，处于反向偏置的PN结在无光照时显高阻特性，反向暗电流很小，一般为nA（纳安）数量级；当光照时，结区产生电子一空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反方向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。光照时的反向电流基本上与光强成正比。光敏三极管可看作是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路如图4-3所示。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，再被晶体三极管放大。当晶体管电流增益为β时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β倍。