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      X-LAB 工程創新實驗平臺


      一、背景介紹

      隨著時代的發展,大學理工科專業的教學越來越重視對學生創新思維能力和動手操作能力的培養,以期培養出符合市場需求的新技術、新工藝和新產品的研發及工程技術人員,從而滿足現代化建設的需要。大學物理實驗作為理工科學生入校后的第一門實驗課程,它不是簡單地對物理理論課程進行實驗延伸,而是針對培養理工科學生的動手能力和良好素質而獨立開設的實驗課程,具有非常重要的作用。

      由于實際條件的限制,多數學校長期以來一直采用傳統的實驗教學方式:即教師講授實驗原理和測量方法,學生按部就班地操作并完成實驗報告。整個過程學生不需要多少思考,更不用說進行創新設計。同時,學生本身對這種實驗課程也往往不夠重視,多是抱著應付課程拿學分的態度,沒有多少興趣,積極性也不高,從而導致了傳統理工科物理實驗教學對學生創新思維能力培養不足的問題。針對這種狀況,我司積極響應學校關于加強實驗教學的號召,開發了“X-LAB工程創新實驗平臺”,配合學校開展理工科實驗教學的創新改革。  

       

      二、X-LAB工程創新實驗平臺”簡介

      “X-LAB工程創新實驗平臺X-LAB數據采集與分析軟件、測控中心(以智能測控主機為主,數控電源主機、信號源主機、虛擬示波器主機、溫控主機、步進電機驅動主機、光功率照度測試儀等等為輔助選配)、傳感器組件、應用模塊大部分組成。實驗中各物理量的實時數據可通過各種傳感器組件利用傳感技術將物理量轉化為電信號,再經過標準接口與測控中心相連將數據采集系統傳入計算機中,由此實現準確、高效的數據采集,最后通X-LAB數據采集與分析軟件對數據進行分析、處理和呈現。

      “X-LAB工程創新實驗平臺”可以作為大學物理、光電子技術、電子技術、傳感器技術等相關專業實驗教學設備。各工具模塊通過總線連接,實現彼此數據通信,所有工具模塊的數據都可以經過數據采集系統送入計算機進行處理,計算機可以控制任意工具模塊實現相關功能。系統可選用的傳感器有力、熱、光、電(電荷/電壓/電流)、磁等數十種。

      “X-LAB工程創新實驗平臺”自身也配套開發了一系列配套的實驗項目,從普通物理的基礎實驗到近代物理的拓展課題實驗再到光電子技術實驗,涵蓋了相關專業典型課程的大部分實驗內容。相應的儀器配件具有很強的組合性,可靈活搭建出多個不同的實驗項目,提高學生創新能力。  

       

      三、X-LAB工程創新實驗平臺”系統在教學上的優勢  

      1、實驗數據采集方式轉變,測量簡便多樣。

      “X-LAB工程創新實驗平臺”改變了數據的采集方式,使物理量的測量變得簡便。傳統的實驗教學中我們用儀器直接測出一些基本的物理量,其它很多物理量需要通過與若干個能直接測出來的物理量之間的函數關系計算出來,在這個過程中,需要掌握多種測量工具的使用,相應的測量方案很復雜,數據計算過程也比較繁瑣。“X-LAB工程創新實驗平臺”改變了這樣的測量方式,借助各類傳感器去直接采集實驗中各物理量的數據。

      尤其是在隨時間變化的物理量的測量中,能夠做到實時測量,不再需要諸多的儀器來配合測量,減少了對實驗裝置的要求,變間接測量為直接測量,簡化了操作步驟,降低了實驗操作的難度。傳統實驗儀器很難或無法測量的物理量在“X-LAB工程創新實驗平臺”中能夠很方便就測出來,拓寬了實驗系統的研究范圍。  

      2、實驗數據處理方式轉變,側重觀察分析。

      “X-LAB工程創新實驗平臺”利用計算機軟件對實驗數據進行處理和顯示,簡化了數據處理的過程,并可以以圖表、表格等格式將實驗數據輸出。傳統實驗教學中,學生課后需要花大量時間來進行數據處理,這個過程不僅繁瑣耗時,而且使學生形成了只要計算出最終結果就算完成了實驗的錯誤認識,導致學生缺乏對實驗結果的分析和思考。“X-LAB工程創新實驗平臺”利用X-LAB數據采集與分析軟件這個強大的分析工具來處理計算采集到的數據,最終的結果以圖表的形式同步顯示在計算機窗口中,可以使學生從繁重的數據處理工作中解放出來,引導學生將注意力轉向對實驗現象的觀察和實驗結果的分析上,培養學生觀察和分析的能力。同時由軟件處理得到的結果保證了計算過程的準確性,更有助于學生對實驗結果作出正確的判斷。  

      3、實驗工具組件種類豐富,靈活開設實驗。

      “X-LAB工程創新實驗平臺”配套實驗工具組件種類多,可靈活組合,有助于設計型創新實驗的開設。同時實驗項目涵蓋的范圍廣泛,配套的傳感器及工具模塊種類非常豐富,這些傳感器及工具模塊均可參與到多個不同實驗中,非常適合學生自己動手設計實驗,有助于提升理工科學生的主觀能動性,培養學生的科學探索精神和創新思維能力。

       

      四、X-LAB工程創新實驗平臺”系統組成 

      1、X-LAB數據采集與分析軟件

      為適應不同教學和學習風格,X-LAB數據采集與分析軟件平臺不僅提供固定的實驗軟件模塊,還能提供自定義實驗功能模塊,使用非常靈活,不論你是想按部就班的完成課程實驗,還是想自己研究創建新的實驗界面及報告,又或者希望定制一個具備特殊意義的實驗界面及報告,X-LAB數據采集與分析軟件都有能力滿足你的需求。
          功能特點:

      1)固定的實驗軟件模塊,更方便的操作使用體驗,可以隨著產品更新而不斷升級實驗內容。

      2)自定義實驗功能模塊:可以方便的創建實驗頁面,并對每個頁面獨立進項相關實驗設置和工具面板設置。

      3)撤銷/ 恢復:每個操作都可以進行撤銷/ 恢復,無需擔心操作出錯。

      4)簡單易用的表格:對應的工具按鈕可以對表格進行規劃。

      5)數據記錄方便:表格里面傳感器對應的數據對應實時顯示,并可以隨時方便記錄。

      6)實驗向導:可以引導學生一步一步完成實驗。

      7)設置向導:直觀的圖片設置向導可以引導學生容易的完成實驗接線及參數的設置。

       

      2、X-LAB工程創新實驗平臺測控中心

      X-LAB工程創新實驗平臺測控中心以智能測控中心主機為主,數控電源主機、信號源主機、虛擬示波器主機、溫控儀主機、步進電機驅動控制器、光功率照度測試儀主機等等為輔助選配,主機都可以單獨使用,隨著產品線的豐富,輔助主機會逐漸增加。所有的輔助主機都可以通過總線與數據采集模塊進行通信,實現各種數據交互,同時數據采集模塊可以采集各輔助模塊及傳感器組件的健康狀況及相關使用情況等等。模塊之間總線連接不需要借助數據線,模塊機箱頂部和底部設置有信號觸點,直接疊放即可。

       

      2.1  X-LAB智能測控中心

      ◆ 模擬輸入:兩通道四通道同時測量電壓。

      ◆ 光電門輸入:數字傳感器,如光電門和飛行時間(TOF)。傳感器自動識別連接,雙向通信。

      ◆ 數字協議傳感器輸入:連接帶通訊協議的GCPORT傳感器。采樣率取決于傳感器。


      2.2  X-LAB數控穩壓電源

      掉電預設值存儲,快捷調出預設值。

      TFT全彩觸摸液晶屏,可方便查看預設電壓、預設電流、輸出電壓、輸出電流、輸出功率等。輸出狀態提示區域可以方便的看出當前輸出開閉狀態、恒壓恒流輸出狀態、輸出是否正常、按鍵是否鎖定。在設定界面中還可以對過壓值、過流值、過功率值、數據組、液晶亮度等進行調整。所有設置過程通過觸摸屏控制,直觀方便。

      單獨使用時除了通過觸摸控制還可以通過配套上位機軟件在電腦端進行遠程控制讀取。X-LAB直流電源配套X-LAB智能測試與控制平臺使用時直接通過機箱觸點進行通信,可通過總線受控于X-LAB智能測試與控制平臺。

                                 

      2.3  X-LAB溫控儀

      TFT全彩觸摸液晶屏可實現溫度設置、風扇控制、溫度檢測等功能。

      溫控范圍:半導體制冷0~80℃,溫度控制精度:0.1℃。

      加熱:室溫~150℃,溫度控制精度:1℃。

       

      2.4  X-LAB光功率照度測試儀

      全彩觸摸液晶屏可實現波長校準設置、清零、探頭選擇等功能

      波長范圍:數字可見光探頭200~1100nm ,數字光纖功率計探頭800~1600nm

      測量范圍:數字可見光探頭-50~+20dB,數字光纖功率計探頭-70~+10dBm

      接口:mini DIN-8

      顯示分辨率:線性顯示:1%; 對數顯示:0.01dBm

       

      2.5  X-LAB步進電機控制器

      2軸步進電機控制;

      集穩壓電源、驅動器、控制器于一體,采用32位微處理器;

      TFT全彩觸摸液晶屏可實現各種菜單式操作,可作運行速度、加速度、歸零速度、回差、細分、步進當量等多種設置。每個軸可獨立設置參數;

      提供光電開關信號,先進的細分驅動設計,可達64細分,電流可調,確保電移臺處于最佳運行狀態;

      標準USB接口,可與計算機相連,通過計算機實現電動位移臺的操作,操作界面直觀,軟件功能豐富,開放源程序,提供二次開發平臺。

       

      2.6  X-LAB函數信號發生器

         頻率特性:正弦波頻率范圍0~60MHz

                   方波 三角波頻率范圍0~15MHz

                   方波上升時間15ns

                   脈寬范圍30ns-4000s

                   頻率最小分辨率0.01uHz

                   頻率準確度 ±20ppm

      頻率穩定度±1ppm/3小時

                  脈沖波 TTL數字波 任意波頻率范圍0~6MHz

       

         波形特性:波形種類正弦波、方波、三角波、脈沖波、偏正弦波、CMOS波、直流電平、半波、全波、正階梯波、反階梯波、噪聲波、指數升、指數降、多音波、辛克脈沖、洛倫茲脈沖和60種用戶自定義波形

                   垂直分辨率14

                   采樣率266M Sa/s

                   波形長度2048

         輸出特性:幅值范圍2mVpp~20Vpp(≤10MHz2mVpp~10Vpp10MHz~30MHz2mVpp~5Vpp(≥30MHz

                     分辨率1mV

                     輸出阻抗50Ω±10%

         直流偏置:-9.99V~9.99V (輸出>4V)、-2.5V~2.5V (0.4V<輸出≤4V)、-0.25V~0.25V (0<輸出≤0.4V)

                   相位調節范圍0~359.9°,分辨率0.1°

      3、X-LAB傳感器組件

          X-LAB科技與創新實驗室提供豐富的傳感器組件及實驗模塊。 

      傳感器模塊包括:光源(覆蓋紫外-紅外波段)、光度傳感器(覆蓋紫外-紅外波段)、光電門、光開關、PSD傳感器、四象限傳感器、光生電壓型傳感器、光生電流型傳感器、光敏電阻型傳感器、微弱光信號傳感器、紅外傳感器、光纖傳感器、電容傳感器、應變傳感器、溫濕度傳感器、電壓電流電荷傳感器、磁場傳感器、氣體傳感器、力學傳感器、速度加速度傳感器等數十種傳感器。


      4、X-LAB應用模塊

      應用模塊包括各種實驗專屬電路模塊、電路搭建模塊、實驗搭建結構組件、溫度源、運動系統等各種實驗配套模塊,可提供定制服務。



      五、實驗內容(可自選/可定制 

      第一部分

      光輻射測量實驗

      實驗一

      輻射量測量實驗

      實驗二

      光度量測量實驗

      第二部分

      光源測量實驗

      實驗一

      LED光源特性測量實驗

      實驗二

      光通信光源特性測量實驗

      實驗三

      半導體激光器特性測量實驗

      第三部分

      光電探測器測量實驗

      實驗一

      光敏電阻基本特性測量實驗

      實驗二

      光電二極管基本特性測量實驗

      實驗三

      光電三極管基本特性測量實驗

      實驗四

      硅光電池基本特性測量實驗

      實驗五

      APD光電二極管基本特性測量實驗

      實驗六

      PIN光電二極管基本特性測量實驗

      實驗七

      色敏光電二極管基本特性測量實驗

      實驗八

      光電倍增管基本特性測量及單光子測量實驗

      實驗九

      光電耦合開關基本特性測量及應用實驗

      實驗十

      一維PSD原理及應用實驗

      實驗十一

      二維PSD原理及應用實驗

      實驗十二

      太陽能電池基本特性測量及應用實驗

      實驗十三

      像增強器基本特性測量實驗

      實驗十四

      熱釋電傳感器原理及應用實驗

      第四部分

      光電檢測原理與應用實驗

      實驗一

      光電探測器輸出信號的信噪比匹配

      實驗二

      單光子計數實驗

      實驗三

      四象限探測器原理及光電定向實驗

      實驗四

      微型光纖光譜儀原理及組裝實驗(線陣CCD應用)

      實驗五

      電子散斑干涉測量實驗

      實驗六

      激光散斑微小位移測量實驗

      實驗七

      2D激光位移傳感測量實驗

      第五部分

      光學調制器原理及信號解調方法實驗

      實驗一

      電光調制實驗

      實驗二

      聲光調制實驗

      實驗三

      磁光調制實驗

      實驗四

      光源及光調制解調實驗

      第六部分

      成像器件與系統的性能測試及信號處理實驗

      實驗一

      黑白線陣CCD原理及應用實驗

      實驗二

      彩色線陣CCD原理及應用實驗

      實驗三

      彩色面陣CCD綜合實驗

      第七部分

      光電照明顯示應用實驗

      實驗一

      LED顯示應用綜合實驗

      實驗二

      LCD顯示應用綜合實驗

      實驗三

      OLED顯示應用綜合實驗

      第八部分

      光電技術設計與應用綜合實驗

      實驗一

      光電報警設計實驗

      實驗二

      紅外遙控設計實驗

      實驗三

      光電耦合開關應用設計實驗

      實驗四

      光伏發電應用設計實驗

      實驗五

      光電探測器照明燈控制設計實驗

      實驗六

      光電探測器光功率計照度計設計實驗

      實驗七

      光電探測器轉速測量設計實驗

      實驗八

      PSD應用設計實驗

      實驗九

      熱釋電報警器設計實驗

      實驗十

      光電探測器距離測量實驗

      實驗十一

      光電探測器溫度測量實驗

      實驗十二

      光電探測器顏色識別實驗

      實驗十三

      太陽能電池設計與應用實驗

      實驗十四

      光源調制與解調應用設計實驗

      實驗十五

      大功率LED光源驅動實驗

      實驗十六

      四象限傳感器應用電路設計實驗

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