《现代测试技术》实验教案

一、实验地点
K1-305测控技术实验室
二、实验时间
三、实验项目
1. 常用信号观察
2. 信号无失真传输
3. 金属箔式电阻应变片性能实验
4. 电容式传感器性能实验
5. 电涡流式传感器测转速实验
注：以上为可选项目，本学期实验以实际安排项目为准
四、实验教学目的和任务
本实验教学课程的核心是《现代测试技术》课程中的信息测试与处理，是测试理论在工程中的应用，是一门面向应用的综合性专业基础训练课程，针对性地加强学生的测试技术应用能力，达到熟练掌握常用信号的特性、掌握常用信号的测试技术与处理方法、初步掌握实验现象的相关理论分析方法的目的。

实验教学在机电工程学院(K1)测控技术实验室展开。

采用教师讲授、辅导和学生动手操作的方法，其中，每次实验教师讲授时间不超过1/3(15分钟)课时，通过学习，要求学生掌握THBCC-1信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台、CSY2001(CSY2001B型)型传感器综合实验台、(虚拟)示波器等仪器设备的使用，了解测试技术在工程中的实际应用，达到熟练使用测试设备的目的，为以后学习及工作打下良好基础。

五、实验教学基本要求
1. 充分进行实验准备，并进行现场实验指导，检查实验结果，认真批改实验报告。

要求学生充分阅读实验指导书及相关教学内容，按分组独立完成每个实验，每完成一个实验，必须写一份实验报告，要求报告完整、数据详实、结论合理。

2. 介绍实验仪器设备的结构、使用方法、注意事项。

3. 学生分组按学号自然分组，可根据学习成绩由学生自己适当调整，但必须报
指导教师备案。

各班一般共分10组。

4. 指导教师严格考勤。

六、实验项目、学时分配、实验主要仪器设备
可根据教学实际要求适当增加实验项目，但不计课时，以学生自愿为主。

七、主要仪器设备介绍
1. THBCC-1信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台
本实验台能满足“信号与系统”、“控制理论”及“计算机控制技术”的实验教学，
通过USB数据采集卡，利用上位PC机提供的信号发生器，虚拟示波器，脚本编程完成相应的实验项目。

本次主要使用模块为低频函数信号发生器和实验单元电路。

低频函数信号发生器：该实验平台配有两个函数信号发生器。

一个有正弦波、方波、三角波三种波形输出，输出频率范围2Hz～80kHz，峰值为0～15V 可调；另一个有正弦波、方波、三角波、斜坡、抛物波五种波形输出，输出频率范围0.3Hz～6kHz，峰值为0～15V 可调。

实验单元电路：由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。

通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型。

2. CSY2001(CSY2001B型)型传感器综合实验台
CSY系列传感器系统综合实验台为完全模块式结构，分主机、实验模块和实验桌三部分。

根据用户不同的需求分为基本型和增强性两种配臵。

主机由实验工作平台，传感器综合系统、高稳定交、直流信号源，温控电加热源，旋转源、位移机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统（RS232接口）、实验软件等组成。

全套12个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构（位移装臵均由进口精密导轨组成，以确保纯直线性位移），实验时模块可按实验要求灵活组合，仪器性能稳定可靠，方便实用。

本课程主要使用金属箔式电阻应变片、电容式传感器发、霍尔式传感器、电涡流式传感器四种传感器，以及实验公共电路模块和四种相应的传感器实验模块。

实验公共电路模块：提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。

应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿）、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。

电容式传感器实验模块：同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路，精密位移导轨。

霍尔传感器实验模块：霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及日本进口高精度位
移导轨。

电涡流传感器实验模块：电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。

八、实验教学内容
实验项目一
实验项目名称
常用信号的观察
实验目的
1．掌握常用信号的波形和特点；了解相应信号的参数；学习示波器的使用。

2．本次实验是为加强学生对常用信号的认识与了解而设臵。

通过本次实验，同时使学生初步掌握相关实验设备的性能与使用。

实验设备仪器
THBCC-1信号与系统·控制理论及计算机技术实验平台、示波器。

实验要求
1. 正确认识实验仪器设备的功能与使用方法。

2. 正确观察、记录实验数据与曲线。

3. 正确进行相关理论分析。

4. 实验报告完整无误。

主要包括：实验仪器设备的使用、实验数据与曲线、理论分析、回答思考题、总结收获。

实验内容提要
1. 观察常用信号：(1) 正弦波；(2) 方波；(3) 三角波；(4) 锯齿波；(5) y=sin(n x)·sin(m x)
2. 用THBCC-1实验平台产生波形信号，利用示波器测量信号，读取信号的幅值与频率，绘制信号波形。

3. 调整信号的幅值与频率，观察信号波形的变化。

4. 将信号发生器和低频信号发生器都选择正弦波输出，分别用示波器观察并记录波形，将信号分别接入实验台的调制解调模块的调制信号输入口1和载波信号输入口1。

用示波器观察调制信号输出口1的输出信号并记下图形。

5. 调整两路输入信号的频率和振幅，观察调制信号输出口1的输出信号。

实验主要要求及注意事项
1. 实验仪器设备的正确联接。

2. 观察波形、数据的完整正确记录。

3. 对于信号y=sin(n x)·sin(m x)的观察为本实验重点。

教学过程中注意适当介绍回顾信号的调制解调相关理论内容。

4. 教学过程主要为：简单介绍、操作演示、指导学生操作、答疑。

实验思考题
为什么要对信号的波形进行观察？信号波形的变化主要对其观察哪几个参数？
各参数的含义是什么？
答：对信号的波形进行观察可以帮助了解熟悉常用信号，加强理论教学的效果。

信号波形的变化主要应对其观察信号的幅值、频率等参数。

信号x(t)的幅值即是│x(t)│，它主要表征了信号的大小。

信号x(t)的频率即是单位时间内完成波动的次数，是描述波动频繁程度的量，常用符号f表示，单位为Hz。

实验项目二
实验项目名称
信号无失真传输
实验目的
1．掌握信号无失真传输的基本原理；熟悉信号无失真传输系统的结构与特性。

2．本次实验是为加强学生对信号无失真传输的基本原理及无失真传输系统的结构与特性的认识与了解而设臵。

通过本次实验，使学生初步掌握无失真传输系统的结构变化时其相应传输特性的变化。

实验内容提要
1. 设计一个有源(或无源)的无失真传输系统，并联接的信号无失真传输系统模拟电路。

2. 用THBCC-1实验平台产生一个幅值固定、频率可变的正弦信号，此信号作为系统的输入信号。

利用示波器测量系统输出信号的幅值与相位。

3. 改变输入正弦信号的频率，用示波器观察模拟电路输入输出信号的幅值与相位，比较两个信号，记录R1、R2、C1、C2的值。

4. 改变电路中的R1、R2、C1、C2的值，观察电路输入输出波形直到输出信号发生失真为止，记下R1、R2、C1、C2的值。

5. 比较步骤3、4得到的R1、R2、C1、C2的值，验证信号无失真传输条件。

实验主要要求及注意事项
1. 基本原理。

信号无失真传输是指通过系统后，输出信号的波形与输入信号的波形完全相同，只有幅值上的差异与一定的延迟产生，具有特性的系统称为无失真传输系统。

输入信号为x(t)时，系统输出为y(t)=kx(t-t0)，其幅频特性与相率特性分别为
|H(jω)|=k，φ(ω)=-t0ω
2. 实验仪器设备的正确联接。

3. 无失真传输系统的正确设计。

4. 无失真传输系统的正确分析。

由电路可知其频率特性为
)
j ω1/()j ω1/()
j ω1/()j ω(U )j ω(U H(j ω(222111222C R R C R R C R R i o ++++=
= 由此可见，当R 1C 1= R 2C 2时H(jω)=R 2/(R 1+R 2)为一常数，满足测试系统不实真的条件。

否则H(jω)为一与ω相关的函数，不满足测试系统不实真的条件。

5. 在R 1=R 2，C 1=C 2的情况下，在模拟电路的输入端输入一个正弦信号，并改变其频率，用示波器观察模拟电路输入输出信号的幅值与相位，比较两个信号，记下R 1、R 2、C 1、C 2的值。

6. 改变电路中的R 1、R 2、C 1、C 2的值，观察电路输入输出波形直到输出信号发生失真为止，记下R 1、R 2、C 1、C 2的值。

7. 要求学生自行比较5、6中的输入信号与输出信号，并记录输入输出波形。

8. 要求学生自行比较5、6中所得到的R 1、R 2、C 1、C 2的值，验证信号无失真传输条件。

注：为实验方便，在联接电路时可设R 1=20k Ω，C 1=C 2=1μF ，R 2为一可变电阻，联接信号无失真传输系统模拟电路。

9. 观察波形、数据的完整正确记录。

10. 教学过程中注意适当介绍回顾信号无失真传输相关理论内容。

11. 教学过程主要为：简单介绍、操作演示、指导学生操作、答疑。

实验思考题
1. 为什么输出信号波形与输入信号波形相同？信号无失真传输系统有什么结构特点？
答：该电路在R 1=R 2，C 1=C 2的情况下为信号无失真传输电路，所以输出信号波形与输入信号波形相同。

对信号传输系统进行观察分析可见，该电路由2个电阻电容并联结构串联而成，从输出点看为对称结构。

2. 如果R 1≠R 2或C 1≠C 2，则系统的|H(j ω)|与φ(ω)会产生什么样的变化？
答：如果R 1≠R 2或C 1≠C 2，则系统的|H(j ω)|与φ(ω) 均为与ω有关的函数，不满足测试系统不实真的条件|H(j ω)|=k ，φ(ω)=-t 0ω。

实验项目三
实验项目名称
金属箔式电阻应变片式性能实验 实验目的
1．了解箔式应变片的结构及粘贴方式；测试应变梁变形的应变输出；学习实验仪器的使用。

2．本次实验是为加强学生对应变片结构及性能的认识与了解而设臵。

通过本次实验，同时使学生初步掌握相关实验设备的性能与使用。

实验内容提要
1. 观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。

2. 观察应变片的外形结构、粘贴位臵、方向。

3. 联接主机与模块电路，调节模块的相应参数。

4. 调节悬臂梁的位移，记录输出电压信号数值。

5. 绘制输入输出特性曲线，进行实际输出特性分析。

实验主要要求及注意事项
1. 实验仪器设备的正确联接。

2. 设计应变片对应的单电桥、双电桥及全桥电路图。

3. 分析应变片对应的单电桥、双电桥及全桥电路输入输出关系。

4. 正确完成差动放大器调零。

5. 完成测试电路的联接。

主机与模块电路连接示意图如下。

6. 完成实验装臵的调整。

将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位臵。

确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。

调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。

7. 用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm，每位移1mm记录一
8.
灵敏度S：S=ΔV/Δ
如图所示，由题给数据描点用光滑曲线连接得实际特性曲线，连接实际特性曲
线两端点得端基一致拟合直线。

拟合直线的斜率即为灵敏度S的近似值，即
S=(22.1-2.2)/(0.9-0.1)=24.875
附：输出标称范围A=22.1-2.2=19.1，实际特性曲线与拟合直线y=24.875x-0.2875的最大偏差为B≈0.675(大约在x=0.7处)，该装臵的非线性度定义为B与A的百分比，即
非线性度=(B/A)×100%=(0.675/19.9)×100%=3.534%
9. 教学过程主要为：简单介绍、操作演示、指导学生操作、答疑。

实验思考题
1. 为减少误差，在分析实验数据时应采用作图法，即绘制V-X曲线，如何利用V-X曲线获得应变片的灵敏度？
答：(1) 对V-X曲线将起点和终点相连接即可得端基一致拟合直线，拟合直线的斜率即为灵敏度S的近似值。

(2) 连接实际特性曲线上的每相邻两点作折线，对每小折线段的斜率求和再取平均值即可作为灵敏度S的近似值。

2. 从理论上讲，重复多次测量所得V-X曲线应该是重合的，但每两次实际测量所得V-X曲线并不重合，试分析其原因。

答：主要是由于重复性误差所造成的。

实验项目四
实验项目名称
电涡流式传感器转速测量实验
实验目的
1．掌握电涡流式传感器工作原理；初步掌握电涡流传感器在转速测量中的应用；学习实验现象的理论分析方法。

2．本次实验是为加强学生对电涡流传感器工作原理及其应用的认识与了解而设臵。

通过本次实验，同时要求学生初步掌握相关理论分析方法。

实验内容提要
1. 观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。

2. 观察电涡流式传感器的外形结构。

3. 联接主机与模块电路，调节模块的相应参数。

4. 调节电机转速，根据示波器显示波形调整线圈与电机叶片相对位臵。

5. 测量电机转速。

实验主要要求及注意事项
1. 实验仪器设备的正确联接。

2. 正确理解电涡流传感器基本工作原理，要求在实验报告中给出电涡流传感器基本工作原理图和原理分析。

3. 要求在实验报告中给出电涡流传感器转速测量原理图和原理分析。

电涡流式传感器测量叶轮转速原理图及测量电路方框图分别如上图所示。

设有n 片叶轮，当叶轮转动时，检测线圈输出信号随叶轮转动成周期变化，由此可通过检测电路测得其频率为f)。

f单位为Hz时，则转速v=f/n(r/s)。

5. 实验中特别要注意观察并记录示波器上波形的变化。

实验思考题
1. 本实验中，电机叶片为铁质，如果将电机叶片换为铜质对本实验的实验结果会不会有影响？如果换成塑料的会不会有影响？为什么？
答：如果将电机叶片换为铜质对本实验的实验结果不会有影响。

这是因为金属材质均可产生电涡流效应。

本实验只检测电涡流信号的频率，利用频率计算电机转速。

换为铜质材料后电涡流信号的幅值会产生变化，但其频率只与电机转速有关与材质无关，所以频率保持不变，因而对实验结果不会有影响。

如果换成塑料的则不会产生电涡流效应，实验无输出信号，因而会有影响
2. 在用示波器观察波形时，波形很不规则，或有很多锯齿，为什么？试分析其原因。

怎样才能消除锯齿？
答：原因有多种。

主要是因为叶片不均匀或不对称、电机转动不稳定、电机主轴中心线与电涡流线圈中心线不平行(如：安装时电涡流线圈截面与叶片平面不平行等造成)、实验平台震动等。

实验中注意对以上诸因素进行调整基本可消除不规则和锯齿现象。

实验项目五
实验项目名称
电容式传感器性能实验
实验目的
1．掌握电容式传感器工作原理；初步掌握电容式传感器在位移测量中的应用；学习实验现象的理论分析方法。

2．本次实验是为加强学生对电容式传感器工作原理及其应用的认识与了解而设臵。

通过本次实验，同时要求学生初步掌握相关理论分析方法。

实验内容提要
1. 观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。

2. 观察电容式传感器的外形结构。

3. 联接主机与模块电路，调节模块的相应参数。

4. 利用测微仪调节动片的位移至动片静片完全重合，记录输出电压信号数值。

绘制输入输出特性曲线，进行实际输出特性分析。

5. 利用加减砝码的方法调节动片的位移至动片静片完全重合，记录输出电压信号数值。

绘制输入输出特性曲线，进行实际输出特性分析。

6. 比较两种实验方法的结果，并分析原因。

7. 开启“激振I”开关，振动台带动动片振动，用示波器观察输出波形。

实验项目六
实验项目名称
霍尔式传感器直流激励特性实验
实验目的
1．掌握霍尔式传感器工作原理；初步掌握霍尔式传感器直流激励特性；学习理论分析方法。

2．本次实验是为加强学生对霍尔式传感器工作原理及其直流激励特性的认识与了解而设臵。

通过本次实验，同时要求学生初步掌握实验中误差产生原因的相关理论分析方法。

实验内容提要
1. 观察实验仪器，学习实验仪器的使用方法。

2. 观察霍尔式传感器的外形结构。

3. 联接主机与模块电路，调节模块的相应参数。

4. 利用测微仪调节霍尔元件的位移，记录输出电压信号数值。

绘制输入输出特性曲线，进行实际输出特性分析。

九、实验教材（或参考书、指导书）
本课程实验采用机电工程学院自编实验指导书。

十、考核办法
本实验项目的考核以实验报告为主，结合学生在实验中的具体情况给予优、良、及格、不及格4等成绩，或以百分制计成绩。

考核成绩纪录在案，在理论教学考核总成绩中的平时成绩中占一定比例。

实验报告未交者以不及格或0分论。

十一、其它事项
1. 理论教学开始后即向学生下达实验任务、实验安排，要求学生预习相关理论教学内容，认真阅读实验指导书。

2. 提前一天到实验室检查准备实验仪器设备。

3. 实验完成后要求学生最迟在第二教学周完成实验报告。