2020-09-27X-LAB 工程创新实验平台

一、背景介绍

随着时代的发展，大学理工科专业的教学越来越重视对学生创新思维能力和动手操作能力的培养，以期培养出符合市场需求的新技术、新工艺和新产品的研发及工程技术人员，从而满足现代化建设的需要。大学物理实验作为理工科学生入校后的门实验课程，它不是简单地对物理理论课程进行实验延伸，而是针对培养理工科学生的动手能力和良好素质而独立开设的实验课程，具有非常重要的作用。

由于实际条件的限制，多数学校长期以来一直采用传统的实验教学方式：即教师讲授实验原理和测量方法，学生按部就班地操作并完成实验报告。整个过程学生不需要多少思考，更不用说进行创新设计。同时，学生本身对这种实验课程也往往不够重视，多是抱着应付课程拿学分的态度，没有多少兴趣，积极性也不高，从而导致了传统理工科物理实验教学对学生创新思维能力培养不足的问题。针对这种状况，我司积极响应学校关于加强实验教学的号召，开发了“X-LAB工程创新实验平台”，配合学校开展理工科实验教学的创新改革。  

 

二、“X-LAB工程创新实验平台”简介

“X-LAB工程创新实验平台”由X-LAB数据采集与分析软件、测控中心（以智能测控主机为主，数控电源主机、信号源主机、虚拟示波器主机、温控主机、步进电机驱动主机、光功率照度测试仪等等为辅助选配）、传感器组件、应用模块四大部分组成。实验中各物理量的实时数据可通过各种传感器组件利用传感技术将物理量转化为电信号，再经过标准接口与测控中心相连将数据采集系统传入计算机中，由此实现准确、高效的数据采集，最后通X-LAB数据采集与分析软件对数据进行分析、处理和呈现。

“X-LAB工程创新实验平台”可以作为大学物理、光电子技术、电子技术、传感器技术等相关专业实验教学设备。各工具模块通过总线连接，实现彼此数据通信，所有工具模块的数据都可以经过数据采集系统送入计算机进行处理，计算机可以控制任意工具模块实现相关功能。系统可选用的传感器有力、热、光、电（电荷/电压/电流）、磁等数十种。

“X-LAB工程创新实验平台”自身也配套开发了一系列配套的实验项目，从普通物理的基础实验到近代物理的拓展课题实验再到光电子技术实验，涵盖了相关专业典型课程的大部分实验内容。相应的仪器配件具有很强的组合性，可灵活搭建出多个不同的实验项目，提高学生创新能力。  

 

三、“X-LAB工程创新实验平台”系统在教学上的优势  

1、实验数据采集方式转变，测量简便多样。

“X-LAB工程创新实验平台”改变了数据的采集方式，使物理量的测量变得简便。传统的实验教学中我们用仪器直接测出一些基本的物理量，其它很多物理量需要通过与若干个能直接测出来的物理量之间的函数关系计算出来，在这个过程中，需要掌握多种测量工具的使用，相应的测量方案很复杂，数据计算过程也比较繁琐。“X-LAB工程创新实验平台”改变了这样的测量方式，借助各类传感器去直接采集实验中各物理量的数据。

尤其是在随时间变化的物理量的测量中，能够做到实时测量，不再需要诸多的仪器来配合测量，减少了对实验装置的要求，变间接测量为直接测量，简化了操作步骤，降低了实验操作的难度。传统实验仪器很难或无法测量的物理量在“X-LAB工程创新实验平台”中能够很方便就测出来，拓宽了实验系统的研究范围。  

2、实验数据处理方式转变，侧重观察分析。

“X-LAB工程创新实验平台”利用计算机软件对实验数据进行处理和显示，简化了数据处理的过程，并可以以图表、表格等格式将实验数据输出。传统实验教学中，学生课后需要花大量时间来进行数据处理，这个过程不仅繁琐耗时，而且使学生形成了只要计算出最终结果就算完成了实验的错误认识，导致学生缺乏对实验结果的分析和思考。“X-LAB工程创新实验平台”利用X-LAB数据采集与分析软件这个强大的分析工具来处理计算采集到的数据，最终的结果以图表的形式同步显示在计算机窗口中，可以使学生从繁重的数据处理工作中解放出来，引导学生将注意力转向对实验现象的观察和实验结果的分析上，培养学生观察和分析的能力。同时由软件处理得到的结果保证了计算过程的准确性，更有助于学生对实验结果作出正确的判断。  

3、实验工具组件种类丰富，灵活开设实验。

“X-LAB工程创新实验平台”配套实验工具组件种类多，可灵活组合，有助于设计型创新实验的开设。同时实验项目涵盖的范围广泛，配套的传感器及工具模块种类非常丰富，这些传感器及工具模块均可参与到多个不同实验中，非常适合学生自己动手设计实验，有助于提升理工科学生的主观能动性，培养学生的科学探索精神和创新思维能力。

 

四、“X-LAB工程创新实验平台”系统组成 

1、X-LAB数据采集与分析软件

为适应不同教学和学习风格，X-LAB数据采集与分析软件平台不仅提供固定的实验软件模块，还能提供自定义实验功能模块，使用非常灵活，不论你是想按部就班的完成课程实验，还是想自己研究创建新的实验界面及报告，又或者希望定制一个具备特殊意义的实验界面及报告，X-LAB数据采集与分析软件都有能力满足你的需求。
    功能特点：

1）固定的实验软件模块，更方便的操作使用体验，可以随着产品更新而不断升级实验内容。

2）自定义实验功能模块：可以方便的创建实验页面，并对每个页面独立进项相关实验设置和工具面板设置。

3）撤销/ 恢复：每个操作都可以进行撤销/ 恢复，无需担心操作出错。

4）简单易用的表格：对应的工具按钮可以对表格进行规划。

5）数据记录方便：表格里面传感器对应的数据对应实时显示，并可以随时方便记录。

6）实验向导：可以引导学生一步一步完成实验。

7）设置向导：直观的图片设置向导可以引导学生容易的完成实验接线及参数的设置。

 

2、X-LAB工程创新实验平台测控中心

X-LAB工程创新实验平台测控中心以智能测控中心主机为主，数控电源主机、信号源主机、虚拟示波器主机、温控仪主机、步进电机驱动控制器、光功率照度测试仪主机等等为辅助选配，主机都可以单独使用，随着产品线的丰富，辅助主机会逐渐增加。所有的辅助主机都可以通过总线与数据采集模块进行通信，实现各种数据交互，同时数据采集模块可以采集各辅助模块及传感器组件的健康状况及相关使用情况等等。模块之间总线连接不需要借助数据线，模块机箱顶部和底部设置有信号触点，直接叠放即可。

 

2.1  X-LAB智能测控中心

◆ 4通道模拟输入：在两个通道上以10MHz的频率同时测量电压；在四个通道上以1MHz的频率同时测量电压。量程：±20 V差分输入，输入阻抗：1 MΩ。输入保护：±250 V连续，分辨率：14-bit。可选电压增益：X1、 X10、 X100,、 X1000。

◆ 4通道光电门输入：数字传感器，如光电门和飞行时间（TOF）。传感器自动识别连接。0-5V TTL电平，双向通信。

◆ 4通道数字协议传感器输入：连接带通讯协议的GCPORT传感器。采样率取决于传感器。

◆ 函数信号发生器：波形：正弦、三角形、变频宽比方波。频率范围：0.001 Hz至500 kHz，1mHz分辨率。振幅范围：±10V，分辨率：2.5 mV，12-bit DAC。输出电流：10 V时50 mA。

 

2.2  X-LAB数控直流稳压电源

掉电预设值存储，快捷调出预设值。

TFT全彩触摸液晶屏，可方便查看预设电压、预设电流、输出电压、输出电流、输出功率等。输出状态提示区域可以方便的看出当前输出开闭状态、恒压恒流输出状态、输出是否正常、按键是否锁定。在设定界面中还可以对过压值、过流值、过功率值、数据组、液晶亮度等进行调整。所有设置过程通过触摸屏控制，直观方便。

单独使用时除了通过触摸控制还可以通过配套上位机软件在电脑端进行远程控制读取。X-LAB直流电源配套X-LAB智能测试与控制平台使用时直接通过机箱触点进行通信，可通过总线受控于X-LAB智能测试与控制平台。

 输出电压：0~30V  

恒流输出电流值：0~3A

OCP设置电流值：0~3A  

五位电流显示

分辨率：0.1mA                                    

2.3  X-LAB温控仪

TFT全彩触摸液晶屏可实现温度设置、风扇控制、温度检测等功能。

温控范围：半导体制冷0℃~80℃，温度控制精度：0.1℃。

加热：室温~150℃，温度控制精度：1℃。

 

2.4  X-LAB光功率照度测试仪

全彩触摸液晶屏可实现波长校准设置、清零、探头选择等功能

波长范围：数字可见光探头200~1100nm ，数字光纤功率计探头800~1600nm

测量范围：数字可见光探头-50~+20dB，数字光纤功率计探头-70~+10dBm

接口：mini DIN-8

显示分辨率：线性显示：1%； 对数显示：0.01dBm

 

2.5  X-LAB步进电机控制器

2轴步进电机控制；

集稳压电源、驱动器、控制器于一体，采用32位微处理器；

TFT全彩触摸液晶屏可实现各种菜单式操作，可作运行速度、加速度、归零速度、回差、细分、步进当量等多种设置。每个轴可独立设置参数；

提供光电开关信号，的细分驱动设计，可达64细分，电流可调，确保电移台处于运行状态；

标准USB接口，可与计算机相连，通过计算机实现电动位移台的操作，操作界面直观，软件功能丰富，开放源程序，提供二次开发平台。

 

2.6  X-LAB函数信号发生器

   频率特性：正弦波频率范围0~60MHz

             方波 三角波频率范围0~15MHz

             方波上升时间≤15ns

             脉宽范围30ns-4000s

             频率最小分辨率0.01uHz

             频率准确度 ±20ppm

频率稳定度±1ppm/3小时

            脉冲波 TTL数字波 任意波频率范围0~6MHz

 

   波形特性：波形种类正弦波、方波、三角波、脉冲波、偏正弦波、CMOS波、直流电平、半波、全波、正阶梯波、反阶梯波、噪声波、指数升、指数降、多音波、辛克脉冲、洛伦兹脉冲和60种用户自定义波形

             垂直分辨率14位

             采样率266M Sa/s

             波形长度2048点

   输出特性：幅值范围2mVpp~20Vpp（≤10MHz）2mVpp~10Vpp（10MHz~30MHz）2mVpp~5Vpp（≥30MHz）

               分辨率1mV

               输出阻抗50Ω±10%

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

             相位调节范围0~359.9°，分辨率0.1°

3、X-LAB传感器组件

    X-LAB科技与创新实验室提供丰富的传感器组件及实验模块。 

传感器模块包括：光源（覆盖紫外-红外波段）、光度传感器（覆盖紫外-红外波段）、光电门、光开关、PSD传感器、四象限传感器、光生电压型传感器、光生电流型传感器、光敏电阻型传感器、微弱光信号传感器、红外传感器、光纤传感器、电容传感器、应变传感器、温湿度传感器、电压电流电荷传感器、磁场传感器、气体传感器、力学传感器、速度加速度传感器等数十种传感器。

4、X-LAB应用模块

应用模块包括各种实验专属电路模块、电路搭建模块、实验搭建结构组件、温度源、运动系统等各种实验配套模块，可提供定制服务。

五、实验内容（可自选/可定制） 

部分	光辐射测量实验
实验一	辐射量测量实验
实验二	光度量测量实验
第二部分	光源测量实验
实验一	LED光源特性测量实验
实验二	光通信光源特性测量实验
实验三	半导体激光器特性测量实验
第三部分	光电探测器测量实验
实验一	光敏电阻基本特性测量实验
实验二	光电二极管基本特性测量实验
实验三	光电三极管基本特性测量实验
实验四	硅光电池基本特性测量实验
实验五	APD光电二极管基本特性测量实验
实验六	PIN光电二极管基本特性测量实验
实验七	色敏光电二极管基本特性测量实验
实验八	光电倍增管基本特性测量及单光子测量实验
实验九	光电耦合开关基本特性测量及应用实验
实验十	一维PSD原理及应用实验
实验十一	二维PSD原理及应用实验
实验十二	太阳能电池基本特性测量及应用实验
实验十三	像增强器基本特性测量实验
实验十四	热释电传感器原理及应用实验
第四部分	光电检测原理与应用实验
实验一	光电探测器输出信号的信噪比匹配
实验二	单光子计数实验
实验三	四象限探测器原理及光电定向实验
实验四	微型光纤光谱仪原理及组装实验（线阵CCD应用）
实验五	电子散斑干涉测量实验
实验六	激光散斑微小位移测量实验
实验七	2D激光位移传感测量实验
第五部分	光学调制器原理及信号解调方法实验
实验一	电光调制实验
实验二	声光调制实验
实验三	磁光调制实验
实验四	光源及光调制解调实验
第六部分	成像器件与系统的性能测试及信号处理实验
实验一	黑白线阵CCD原理及应用实验
实验二	彩色线阵CCD原理及应用实验
实验三	彩色面阵CCD综合实验
第七部分	光电照明显示应用实验
实验一	LED显示应用综合实验
实验二	LCD显示应用综合实验
实验三	OLED显示应用综合实验
第八部分	光电技术设计与应用综合实验
实验一	光电报警设计实验
实验二	红外遥控设计实验
实验三	光电耦合开关应用设计实验
实验四	光伏发电应用设计实验
实验五	光电探测器照明灯控制设计实验
实验六	光电探测器光功率计照度计设计实验
实验七	光电探测器转速测量设计实验
实验八	PSD应用设计实验
实验九	热释电报警器设计实验
实验十	光电探测器距离测量实验
实验十一	光电探测器温度测量实验
实验十二	光电探测器颜色识别实验
实验十三	太阳能电池设计与应用实验
实验十四	光源调制与解调应用设计实验
实验十五	大功率LED光源驱动实验
实验十六	四象限传感器应用电路设计实验