实验指导书感测技术.docx

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实验指导书感测技术

CSY2001型传感器系统综合实验台使用说明1

实验一光电传感器特性及应用5

实验二温度热电式传感器测温实验15

实验三金属箔式应变计特性及应用20

实验四电感式传感器特性及应用24

实验五霍尔式传感器特性及应用28

CSY2001型传感系统综合实验平台使用说明

实验平台主要部件：

传感器实验平台装有气敏、电容、PSD光电位置、热释电红外、光电（光断续器）、光电阻、集成温度、半导体热敏、铂热电阻、PN结温敏、热电偶、电涡流、磁电、压电加速度、霍尔、湿敏（RH、CH）、电感、双孔悬臂梁称重、半导体应变、金属箔式应变、MPX扩散硅压阻、光纤位移、光栅等二十余种经典和新型的传感器（传感器的种类可根据用户的需要增减）。

以及进行实验所需的两副双平行悬臂梁和螺旋测微仪、位移平台、温控电加热炉、支架、平台、旋转测速电机等，传感器接口位于仪器面板下侧排列。

主机面板功能：

直流稳压电源：

+2V~+10V分五档输出，最大输出电流1.5A

+15V、+9V（12V）、激光电源，最大输出电流1.5A

音频信号源：

0.4KHz-10KHz输出连续可调，最大VP-P值20V

00、1800端口反相输出

00、LV端口功率输出，最大输出电流1.5A

1800端口电压输出，最大输出功率300mw

低频信号源：

1Hz~30Hz输出，连续可调，最大输出电流1.5A，最大VP-P值20V，激振I、II的信号频率源。

转换开关的作用：

当倒向V0侧，低频信号源正常使用，V0端输出低频信号，倒向Vi侧，断开低频信号电路，Vi作为电流放大器输入端，输出端仍为V0端。

电压/频率表：

位数字表、电压显示0~2V、0~20V两档，频率显示0~2KHz、0~20KHz两档，灵敏度≤50mv。

温控电加热器：

由热电偶控温的300W电加热炉，最高炉温400℃，实验控温200℃。

提供温度传感器热源及热电偶测温、标定及应变传感器加热等功能。

通信接口：

标准RS232口，提供实验仪与计算机通信接口。

数据采集卡：

12位A/D转换，信号输入端为电压/频率表的“IN”端。

气压源：

电动气泵，气压输出≤20KP；手动加压气囊；气压表：

满量程40KP。

整套仪器共有实验模块14个，实验模块电源统一为四芯标准接口。

CSY2001型传感器实验台传感器性能、参数指标：

气敏传感器（MO3），对酒精敏感，测量范围10-2000ppm灵敏度RO/R>5

电容式传感器：

2001型:

平行变面积差动式电容，线性范围≥3mm。

热释电红外传感器：

光谱范围7~15μm,光频响应0.5~10HZ。

光电传感器：

红外发光管、光敏三极管及施密特整形电路组成的光断续器。

光电阻：

半导体材料制成的光敏传感器，阻值随光照强度而变。

集成温度传感器：

电流型集成温度传感器，测量范围-55-200℃。

热电偶：

标准热电偶镍铬—镍硅（K分度），温控热电偶镍铬—铜镍（E分度）。

半导体热敏电阻：

MF51，负温度系数，测温范围-50-300℃。

铂热电阻：

Pt100测温范围≤650℃。

PN结温敏二极管：

测温范围-40-150℃，精度1%。

光纤位移传感器：

双支Y型导光型光纤传感器，线性范围1.5mm。

电涡流传感器：

量程0-3mm,由扁平线圈和多种金属涡流片组成。

磁电传感器：

灵敏度0.4V/m/S，动铁与线圈组成。

霍尔传感器：

梯度磁场与锑化铟线性霍尔元件组成，测量范围+2.5mm。

压电加速度传感器：

PZT双压电晶片、质量块及压簧组成，频响>5Hz。

湿敏电容：

测量范围：

0-99%RH，线性度+2%。

湿敏电阻：

测量范围：

0-99%RH，阻值随湿度而变。

差动变动器：

一组初级线圈、两组次级线圈及软磁铁心组成，测量范围+5mm。

称重传感器：

商用双孔悬臂梁结构，称重范围≤500克，精度1%。

半导体应变计：

BY型，灵敏系数120。

金属箔式应变计（贴于双平行悬臂梁上）：

BHF环氧基底防蠕变，工作片×4，温度补偿片×2，灵敏度系数2.06。

压阻式传感器：

MPX压阻式差压传感器,量程0-50KP，精度1%。

光栅莫尔条纹位移传感器:

测试精度1%mm。

（仅2001B型有）。

实验操作须知：

1、使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。

2、了解测试系统的基本组成：

合适的信号激励源→传感器→处理电路（传感器状态调节机构）→仪表显示（数据采集或图像显示）

3、实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，信号源之间严禁用连接线短路，2001型主机与模块的电源连接线插头与插座连接时要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应痢疾关机，查清原因后再进行实验。

4、实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，为延长使用寿命，请捏住插头连接。

5、实验指导中的“注意事项”不可忽略。

传感器的激励信号不准随意加大，否则会造成传感器永久性的损坏。

6、本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化。

限于实验条件，有些实验只能作为定性演示（如湿敏、气敏传感器），能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。

7、仪器的工作环境温度≤40℃，需防尘。

实验一光电传感器特性及应用

【实验目的】

1、了解光敏电阻的光电特性。

2、了解光电式传感器测量转速的原理与方法。

3、了解热释电传感器的性能、结构与工作原理。

【实验所需部件】

CSY2001型传感系统综合实验平台、SS-7802A示波器、光电传感器实验模块

（一）、光电传感器模块

（二）、热释电红外传感器实验模块。

【实验原理】

光电传感器的工作原理基于光电效应。

通常，光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子——光子所组成，每一个光子的能量E与其频率v成正比。

既

式中，h——普郎克常数，

；

v——光的频率（s-1）。

当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体中的电子吸收了入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势等），这种现象称为光电效应。

通常将光电效应分为三类。

1、在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应。

著名的爱因斯坦光电效应方程为

式中，m——电子质量；

v0——电子逸出速度；

A0——物体的表面电子逸出功。

该方程式就描述了这一物理现象。

基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

2、在光线作用下能使物体的电阻率1/R改变的现象，称为内光电效应。

基于内光电效应的光电元件有光敏电阻等。

3、在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特效应。

基于光生伏特效应的光电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。

一、光敏电阻

由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。

不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。

由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。

其结构如图1-1所示。

光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和温度特性等。

①伏安特性

在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻伏安特性，如图1-2所示。

②光照特性

在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量Φ之间的关系曲线，称为光照特性，如图1-3所示。

③光电灵敏度

光电灵敏度是指单位光通量入射时能输出的光电流的大小，既

。

光照不同灵敏度也发生变化。

光照增大，灵敏度下降。

④光谱特性

光敏电阻对于不同波长的光，其灵敏度是不同的。

图1-4所示为三种不同材料光敏电阻的光谱特性曲线。

⑤频率特性

当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。

由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同。

图1-5所示为相对灵敏度与光强变化频率之间的关系曲线。

⑥温度特性

图1-6所示为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。

光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。

随着温度的升高，它的暗电阻和灵敏度都下降，同时也影响它的光谱特性。

二、光敏三极管

光敏三极管与半导体三极管结构类似，但通常引出线只有二个，当具有光敏特性的PN结受到光照时，形成光电流，不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，光敏三极管较之光敏二极管能将光电流放大（1+hFE）倍，因此具有很高的灵敏度。

与光敏管相似，不同材料制成的发光二极管也具有不同的光谱特性，由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成如图1-7形式，就形成了光电开关（光耦合器或光断续器）。

光敏三极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性、响应特性等。

①光谱特性：

光敏三极管的光谱特性与光敏二极管一样，在入射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。

一种管子只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性，如图1-8所示。

②伏安特性：

光敏三极管的伏安特性如图1-9所示，它的伏安特性与一般晶体三极管类似。

③光照特性：

光敏晶体管的光照特性如图1-10所示，它给出了光敏晶体管的输出电流I和照度之间的关系。

它们之间呈现了近似线性关系。

当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光，光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。

④温度特性：

光敏晶体管的温度特性如图1-11所示，它反映的是光敏晶体管的暗电流及光电流与温度的关系。

⑤响应特性：

光敏晶体管的响应特性如图1-12所示，光敏晶体管的响应特性是指，光敏晶体管的光电流（或负载上的电压）随频率的变化关系。

三、热释电红外传感器

热释电红外传感器，是将吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性质发生变化，利用这种现象制成的测量光辐射器件。

热释电传感器结构及电路原理如图1-13所示。

因为热释电元件为绝缘体，R约为1012Ω，易引入外部噪声，用场效应管进行阻抗变换和放大，所以一般将场效应管与输入电阻一起装入管壳内。

热释电传感器探测实验如图1-14所示。

热释电红外线传感器由于随温度的变化而发生自身的极化，在A产生电压信号，该信号为低频的交流信号（频率范围为0.1~10Hz左右）。

A点信号，经过负载R2和耦合电容C2,滤除一部分直流成分，再由TL082双运放构成的有源低通滤波器，使频率范围为0.1~10Hz左右的有用信号通过，抑制高频信号和低频干扰信号，并进行适当的放大。

C点电压与RW滑动变阻器分压经过电压比较器LM393进行比较，输出比较结果Vo，经过R14上拉电阻和驱动电路使LED发光。

若C点电压高于LM393的参考电压，则输出Vo为低电平，三极管截止，LED灯灭；否则，输出Vo为高电平，三极管导通，LED灯亮。

因此只要检测对象的相对位置（或红外光强度）发生变化时，LED灯将发生闪烁。

电路的灵敏度可由取样电阻RW的滑动端的电压值来决定，该电压越靠近C点的静态电压（无报警状态），则灵敏度越高。

【实验内容及步骤】

一、光敏电阻

光敏电阻实验接线如图1-15所示。

它由电压比较器及发光二极管驱动电路组成。

1、观察光敏电阻，分别将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测得其亮电阻和暗电阻，在给定工作电压下，通过亮电阻和暗电阻的电流为亮电流和暗电流，其差为光敏电阻的光电流。

光电流越大，灵敏度越高。

在光敏电阻端串入直流电流表0-2mA档，测出亮电流和暗电流，求出光电流。

2、连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，光敏电阻转换电路输出端V0接电压表与示波器。

3、开启主机电源，通过改变光敏电阻的光照程度，观察输出电压的变化情况。

实验电路是一个暗光亮灯控制电路，可以设定暗光程度，依次试验环境光照不同时光敏电阻控制亮灯的情况。

二、光电开关（红外发光管与光敏三极管）

光电开关实验接线如图1-16所示。

它主要由光电开关、滞回比较器组成。

1、观察光电开关结构。

传感器是一个透过型的光断续器，工作波长3μm左右，可以用来检测物体的有无，物体运动方向等。

2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，示波器接光电输出端。

3、开启主机电源，用手转动电机叶片分别挡住与离开传感光路，观察输出端信号波形。

开启电机转速开关，调节转速，观察V0端连续方波信号输出，并用电压/频率表2KHz档测转速，转速=频率表显示值÷2。

4、如欲用数据采集卡中的转速采集功能，须将V0输出端信号送入整形电路以便得到5VTTL电平输出的信号，整形电路输入端为“Vi”输出“F0”。

此端请接实验仪主机面板上的“转速信号入”端口，与内置的数据采集卡中的频率记数端接定。

三、热释电红外传感器实验部分

热释电红外传感器实验接线如图1-14所示。

1、观察传感器探头，探头表面的滤光片使传感器对10μm左右的红外光敏感，可以安装在传感器前的菲涅耳透镜是一种特殊的透镜组，每个透镜单元都有一个不大的视场，相邻的两个透镜单元既不连续也不重叠，都相隔一个盲区，它的作用是将透镜前运动的发热体发出的红外光转变成一个又一个断续的红外信号，使传感器能正常工作。

2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，转换电路输出端接电压表。

3、开启主机电源，待传感器稳定后，人体从传感器探头前移过，观察输出信号电压变化，再用手放在探头前不动，输出信号不会变化，这说明热释电传感器的特点是只有当外界的辐射引起传感器本身的温度变化时才会输出电信号，即热释电红外传感器只对变化的温度信号敏感，这一特性就决定了它的应用范围。

4、将传感器探头对准加热炉方向，开启加热炉并将温度控制在50℃左右，用遮挡物断续探头前面的热源，观察传感器的反应。

5、在传感器探头前加装菲涅耳透镜，试验传感器的探测视场和距离，以验证菲涅透镜的功能。

【实验注意事项】

1、光敏电阻内容：

光照强度变换响应速度慢，所以要有时间的积累。

2、光敏电阻内容：

要调“暗灯控制”使指示灯处于临界状态。

3、用示波器观测热释电传感器输出信号时，示波器输入耦合要用“DC”档。

4、由于热释电传感器灵敏度较高，对周围一定范围内的红外辐射也能接受，数字表有跳动是正常现象，所以实验时最好不要有人在附近移动。

5、注意连接端的极性，不能反接。

【实验报告分析提示】

1、总结光照强度与光电流大小的关系，

2、根据实验所测的数据，计算出电机的转速。

3、总结热释电传感器的三个工作特性。

实验二温度热电式传感器测温实验

【实验目的】

1、了解PN结温敏二极管的特性及工作情况。

2、了解热电偶的原理及分度表单位应用。

3、了解铂热电阻的特性及工作原理。

【实验所需部件】

CSY2001型传感系统综合实验平台、温度传感器实验模块

（一）、温度传感器实验模块、水银温度计或半导体温度计。

【实验原理】

热电式传感器技术是将温度变化转换为电量变化的一种技术，它所利用的传感元器件就是热电式传感器。

在各种传感器中，热电式传感器是应用最为广泛的一种。

1、热电偶测温工作原理及基本定律

在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两触点的温度不同时，回路中就要产生热电势。

热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

图2-1中T为热端，To为冷端，热电势Et=

热电偶的基本定律

（1）只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电偶，其两端点之间的温度不同时，才能产生热电势。

热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而与形状、大小无关。

（2）化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接点温度不同，回路的总热电势也等于零。

（3）化学成分不同的两种导体材料组成的热电偶，若两个接点的温度相同，回路的总热电势也等于零。

（4）在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总电势没有影响。

2、铂热电阻测温工作原理及特性

铂热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。

铂热电阻具有电阻温度系数稳定、电阻率高、线性度好、测量范围宽等特点。

铂热电阻测温范围一般为-200~650℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）

式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值

RO——铂热电阻在0℃时的电阻值

A——系数（=3.96847×10-31/℃）

B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）

将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。

3、PN结温敏二极管测温工作原理及特性

半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结特性表达公式

可知，当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结正向压降就下降2mv，利用PN结的这一特性就可以测得温度的变化。

图2-2所示的2DWM1型硅温敏二极管，在恒流下，UF-T在-500C~+1500C范围内呈很好的线性关系。

【实验内容及步骤】

一、热电偶测温

热电偶传感器测温实验接线如图2-1所示。

1、观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。

温控器：

作为热源的温度指示、控制、定温之用。

温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时，表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。

温度设定：

拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需的温度时停止。

然后将拨动开关扳向“测量”侧，（注：

首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。

2、首先测定冷端温度（既室内温度），E分度热电偶接“温控”端，{加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座}，热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，4位半万用表置200mv档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度热电偶的热电势，然后，打开加热开关，将温度设定在30℃左右，并记录电炉温度与热电势E的关系。

3、因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正

E（T，To）=E（T,t1）+E（T1,T0）

实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势

查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。

4、继续将炉温提高到如下表所示温度,重复上述方法，观察热电偶的测温性能。

炉温℃

100

110

120

测量电动势（mV）

实际电动势

分度表温度

二、铂热电阻测温

铂热电阻传感器测温实验接线如图2-3所示。

主要由全桥电路和电压比较器组成。

1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于铂热电阻旁，感受相同的温度。

2、开启主机电源，调节热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。

3、开启加热开关，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温变化铂电阻的两端电压及输出电压变化，（温度表上显示的温度值是炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。

并记录数据填入下表：

℃

VRP（mV）

VO（mV）

做出V-T曲线，观察其工作线性范围。

三、PN结温敏二极管测温

PN结温敏二极管传感器测温实验接线如图2-4所示。

主要由基准电源、全桥电路和电压比较器组成。

1、观察已置于加热炉上的温敏二极管，连接主机与实验模块的电源及传感器探头（注意二极管符号方向），温度计置于与传感器同一感温处，模块温敏二极管输出电路VO端接电压表。

2、开启加热电源，设定加热炉温度，拨动开关置“测量”档，观察随炉温变化温敏二极管两端电压VD及输出端电压VO的变化，并将结果记入下表：

℃

VD（mV）

VO（V）

做出V-T曲线，求出灵敏度S=△V/△T。

【注意事项】

1、加热炉温度请勿超过150℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。

2、因为温控仪表为E分度，所以当钮子开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度。

3、温控加热炉所示并非是铂热电阻或温敏二极管感受到的温度。

所以，要用温度计直接测铂热电阻或温敏二极管工作环境温度。

【实验报告分析提示】

1、总结本实验三种热电式传感器各自的优缺点。

2、分析一下PN结温敏二极管测温电路的误差来源。

3、如果将结温敏二极管测温作为一个0～100℃的较理想的测温电路，你认为还必须具备哪些条件？

实验三金属箔式应变计特性及应用

【实验目的】

1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。

2、测试应变梁变形的应变输出。

3、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。

4、了解箔式应变片的应用。

【实验所需部件】

CSY2001型传感系统综合实验平台、公共电路模块

（一）、直称重砝码（20克/个）。

【实验原理】

导体或半导体材料受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因变形而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。

导体或半导体的阻值随其机械应变而变化道理很简单：

因为导体和半导体的电阻

与电阻率ρ及其几何尺寸（其L为长度，A为截面积）有关，当导体或半导体在受外力作用时，这三者都会发生变化，所以引起电阻的变化。

通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。

1、应变片主要特点

（1）灵敏度高,性能稳定可靠。

（2）应变片尺寸秒小，重量轻，结构简单，使用方便，测量速度快。

（3）测量范围大。

（4）适应性强，可以在高温、低温、高压、水下、强磁场、强辐射下工作。

（5）适于远距离测量。

2、测量电路

电阻应变片把机械应变信号转换成△R/R后，由于应变量ε通常在5000μ以下，所引起的电阻变化△R/R一般都很微小，即难以直接精确测量，且不便直接处理。

因此，必须采用测量电桥，把应变电阻的变化转换成电压或电流变化。

应变片的测量电桥，结构简单，具有；灵敏度高、测量范围宽、线性度好、精度高和容易实现温度补偿等优点，是目前广泛采用的一种测量电路。

如图3-1所示为一直流供电的平衡电阻电桥。

A、B、C、D为电桥顶点，它的四个桥臂由电阻组成。

当电桥输出端（B、D）接到一个较大负载电阻时，可以认为输出端开路，这时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

同时忽略电桥电源E的内阻时，根据分压原理

；

；则输出电压UO为

（3-1）

由上式可知，当电桥各桥臂电阻满足如下条件时

R1R3=R4R2（3-2）

电桥的输出电

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