传感器实验教案.docx
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传感器实验教案
攀枝花学院
PanzhihuaUniversity
教案
2013～2014学年度第二学期
课程名称传感器原理及应用实验
学时（学分）14
（1）
适用班级2011级测控技术与仪器
授课教师罗云松
教师职务实验师
教学单位电气信息工程学院
教务处制
实验教学授课计划
实验课程名称
传感器与现代检测技术实验
实验总学时
14
□独立设课
□非独立设课
实验课类别
1.基础□2.专业基础□3.专业□4.其它□
任课教师
罗云松
职称
实验师
授课对象
年级
专业
班级（组数）
指导人数
专业层次
2011
自动化
2011自动化
80
本科
2011
电子信息工程
2011电子信息工程
74
本科
教材和
主要参考资料
《传感器原理及应用实验教程》电工电子实验中心
教学目的和
教学要求
目的：
培养严谨的工作作风，为学习后续课程和从事实践技术工作奠定基础。
要求：
1、实验前必须认真阅读实验教材上的有关内容，明确实验目的、任务和原理；
2、根据实验课题，具备选择设计实验方案的能力；
3、掌握实验的基本测量方法，具有选用测试手段的能力；
4、学会正确使用各类仪器仪表的能力；
5、在实验中，具有合理布局、正确接线、观察、测试、分析并排除故障的能力；
教学重点和
教学难点
重点：
应变片直流全桥的应用——电子秤实验
难点：
K热电偶测温特性实验
考核方式
考查
成绩计算方法
根据学生平时实验完成情况和实验报告情况综合计算
实验教学授课计划
教学日历（教学进程表）
课次
周次
实验项目（实验内容）
累计
学时
实验班级
（组别）
实验室名称（地点）
备注
1
9
应变片直流全桥的应用——电子秤实验
2
11自动化1组
分测12A-3
2
10
开关式霍尔传感器测转速实验
4
11自动化1组
分测12A-3
3
11
K热电偶测温特性实验
6
11自动化1组
分测12A-3
4
12
光电传感器测转速实验
8
11自动化1组
分测12A-3
5
9
应变片直流全桥的应用——电子秤实验
2
11自动化2组
分测12A-3
6
10
开关式霍尔传感器测转速实验
4
11自动化2组
分测12A-3
7
11
K热电偶测温特性实验
6
11自动化2组
分测12A-3
8
12
光电传感器测转速实验
8
11自动化2组
分测12A-3
9
9
应变片直流全桥的应用——电子秤实验
2
11自动化3组
分测12A-3
10
10
开关式霍尔传感器测转速实验
4
11自动化3组
分测12A-3
11
11
K热电偶测温特性实验
6
11自动化3组
分测12A-3
12
12
光电传感器测转速实验
8
11自动化3组
分测12A-3
实验项目（课题）教学实施方案
第次课
第周星期第节
授课日期:
年月日
实验项目（课题）名称:
应变片直流全桥的应用——电子秤实验
计划学时:
2
实验类型:
1.演示性□2.验证性□3.综合性□4.设计性□5.其它□
一、实验目的
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、实验基本原理
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1、应变片的电阻应变效应
所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。
以圆柱形导体为例：
设其长为：
L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得
（1—1）
当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。
对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：
（1—2）
式中：
dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr
由材料力学得：
εL=-μεr （1—3）
式中：
μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。
将式（1—3）代入式（1—2）得：
（1—4）
式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。
2、应变灵敏度
它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
（1）、金属导体的应变灵敏度K：
主要取决于其几何效应；可取
（1—5）
其灵敏度系数为：
K=
金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。
金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
（2）、半导体的应变灵敏度：
主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。
半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。
在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。
也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。
3、贴片式应变片应用
在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。
一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。
4、箔式应变片的基本结构
金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右
的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。
（a）丝式应变片 （b）箔式应变片
图1—1应变片结构图
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原理相同。
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR／R＝Kε式中：
ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
5、测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。
因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。
基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1—2应变片测量电路
（a）、单臂
Uo＝U①－U③
＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E
＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E
设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。
则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE
（b）、双臂（半桥）
同理:
Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE
（c）、全桥
同理:
Uo≈（△R／R）E＝KεE
常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。
数字电子秤实验原理如图1—3。
本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。
图1—3数字电子称原理框图
三、实验仪器设备
主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
四、实验步骤
应变传感器实验模板说明：
应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。
实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。
加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。
多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。
1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。
图1—4传感器托盘安装示意图
2、测量应变片的阻值：
当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。
在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：
阻值变大，受压的应变片：
阻值变小。
）。
图1—5测量应变片的阻值示意图
3、实验模板中的差动放大器调零：
按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。
图1—6差动放在器调零接线示意图
4、关闭主机箱电源，按图1—7（应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。
检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；
图1—7应变片全桥性能实验接线示意图
5、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）。
6、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.000V。
7、重复3、4步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，将砝码依次放在托盘上称重；放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。
实验完毕，关闭电源。
五、实验报告
按要求完成实验报告并进行数据处理。
实验项目（课题）教学实施方案
第次课
第周星期第节
授课日期:
年月日
实验项目（课题）名称:
开关式霍尔传感器测转速实验
计划学时:
2
实验类型:
1.演示性□2.验证性□3.综合性□4.设计性□5.其它□
一、实验目的
了解开关式霍尔传感器测转速的应用。
二、实验基本原理
霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。
它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。
霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。
如图17—1（带正电的载流子）所示：
图2—1霍尔效应原理
把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I，此时在板的横向两侧面
之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差UH称霍尔电压。
霍尔效应的数学表达式为：
UH＝RH
＝KHIB
式中：
RH＝-1／（ne）是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；
KH＝RH／d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。
具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中自由电子浓度ｎ很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1µm左右。
霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。
集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。
开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。
开关式霍尔传感器测转速的原理框图2—2所示。
当被测圆盘上装上6只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出，再经转速表显示转速n。
图2—2开关式霍尔传感器测转速原理框图
三、实验仪器设备
主机箱中的转速调节0～24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表；霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤
1、根据图2—3将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2～3ｍｍ。
2、将主机箱中的转速调节电源0～24V旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（电压表量程切换开关打到20V档）；其它接线按图2—3所示连接（注意霍尔转速传感器的三根引线的序号）；将频频\转速表的开关按到转速档。
3、检查接线无误后合上主机箱电源开关，在小于12V范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变直流电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。
图2—3霍尔转速传感器实验安装、接线示意图
4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据）；画出电机的V-ｎ（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。
实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件？
实验项目（课题）教学实施方案
第次课
第周星期第节
授课日期:
年月日
实验项目（课题）名称:
K热电偶测温性能实验
计划学时:
2
实验类型:
1.演示性□2.验证性□3.综合性□4.设计性□5.其它□
一、实验目的
了解热电偶测温原理及方法和应用。
二、实验基本原理
1821年德国物理学家赛贝克（TJSeebeck）发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。
热电偶测温原理是利用热电效应。
热电偶就是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成，如图5—1所示：
图5—1热电偶
A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端处在温度T0称为自由端或参考端，也称冷端（接引线用来连接测量仪表的两根导线C是同样的材料，可以与A和B不同种材料）。
T与T0的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为0时，热电偶的输出电动势为0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。
国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ（镍铬-镍硅或镍铝）、Ｅ（镍铬-康铜）、Ｔ（铜-康铜）等等，并且有相应的分度表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。
热电偶一般应用在冶金、化工和炼油行业，用于测量、控制较高的温度。
热电偶使用说明：
热电偶由Ａ、Ｂ热电极材料及直径（偶丝直径）决定其测温范围，如Ｋ（镍铬-镍硅或镍铝）热电偶，偶丝直径3.2mm时测温范围0～1200℃，本实验用的Ｋ热电偶偶丝直径为0.5mm，测温范围０～800℃；Ｅ（镍铬-康铜），偶丝直径3.2mm时测温范围-200～+750℃，实验用的Ｅ热电偶偶丝直径为0.5mm，测温范围-200～+350℃。
由于温度源温度＜200℃，所以，所有热电偶实际测温实验范围＜180℃。
从热电偶的测温原理可知，热电偶测量的是测量端与参考端之间的温度差，必须保证参考端温度为0℃时才能正确测量测量端的温度，否则存在着参考端所处环境温度值误差。
热电偶的分度表（见附录）是定义在热电偶的参考端（冷端）为0℃时热电偶输出的热电动势与热电偶测量端（热端）温度值的对应关系。
热电偶测温时要对参考端（冷端）进行修正（补偿），计算公式：
E（t,t0）=E（t,t0＇）+E（t0＇,t0）
式中：
E（t,t0）-热电偶测量端温度为ｔ，参考端温度为t0=0℃时的热电势值；
E（t,t0＇）-热电偶测量温度ｔ，参考端温度为t0＇不等于0℃时的热电势值；E（t0＇,t0）-热电偶测量端温度为t0＇，参考端温度为t0=0℃时的热电势值。
例：
用一支分度号为Ｋ（镍铬-镍硅）热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端温度（室温）t0＇=20℃，而测得热电偶输出的热电势（经过放大器放大的信号，假设放大器的增益A=10）32.7mv，则E（t,t0＇）=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢?
解：
由附表3查得：
E（t0＇,t0）=E（20,0）=0.798mV
已测得E（t,t0＇）=32.7mV/10=3.27mV
故E（t,t0）=E（t,t0＇）+E（t0＇,t0）=3.27mV+0.798mV=4.068mV
热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与4.068mV所对应的温度是100℃。
附表：
K热电偶分度表
分度号：
K（参考端温度为0℃）
测量端温度（℃）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mV）
0
0.000
0.039
0.079
0.119
0.158
0.198
0.238
0.277
0.317
0.357
10
0.397
0.437
0.477
0.517
0.557
0.597
0.637
0.677
0.718
0.758
20
0.798
0.838
0.879
0.919
0.960
1.000
1.041
1.081
1.122
1.162
30
1.203
1.244
1.285
1.325
1.366
1.407
1.448
1.489
1.529
1.570
40
1.611
1.652
1.693
1.734
1.776
1.817
1.858
1.899
1.949
1.981
50
2.022
2.064
2.105
2.146
2.188
2.229
2.270
2.312
2.353
2.394
60
2.436
2.477
2.519
2.560
2.601
2.643
2.684
2.726
2.767
2.809
70
2.850
2.892
2.933
2.975
3.016
3.058
3.100
3.141
3.183
3.224
80
3.266
3.307
3.349
3.390
3.432
3.473
3.515
3.556
3.598
3.639
90
3.681
3.722
3.764
3.805
3.847
3.888
3.930
3.971
4.012
4.054
100
4.095
4.137
4.178
4.219
4.261
4.302
4.343
4.384
4.426
4.467
110
4.508
4.549
4.590
4.632
4.673
4.714
4.755
4.796
4.837
4.878
120
4.919
4.960
5.001
5.042
5.083
5.124
5.164
5.205
5.246
5.287
130
5.327
5.368
5.409
5.450
5.490
5.531
5.571
5.612
5.652
5.693
140
5.733
5.774
5.814
5.855
5.895
5.936
5.976
6.016
6.057
6.097
150
6.137
6.177
6.218
6.258
6.298
6.338
6.378
6.419
6.459
6.499
160
6.539
6.579
6.619
6.659
6.699
6.739
6.779
6.819
6.859
6.899
170
6.939
6.979
7.019
7.059
7.099
7.139
7.179
7.219
7.259
7.299
180
7.338
三、实验仪器设备
主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节0～24V电源、±15V直流稳压电源；温度源、Pt100热电阻（温度控制传感器）、Ｋ热电偶（温度特性实验传感器）、温度传感器实验模板；压力传感器实验模板（作为直流mV信号发生器）。
四、实验步骤
1、温度传感器实验模板放大器调零：
按图5—2示意接线。
将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2（增益电位器）顺时针转到底，再调节RW3（调零电位器）使主机箱的电压表显示为0（零位调好后RW3电位器旋钮位置不要改动）。
关闭主机箱电源。
图5—2温度传感器实验模板放大器调零接线示意图
2、调节温度传感器实验模板放大器的增益A为100倍：
利用压力传感器实验模板的零位偏移电压作为温度实验模板放大器的输入信号来确定温度实验模板放大器的增益A。
按图5—3示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节压力传感器实验模板上的RW2（调零电位器），使压力传感器实验模板中的放大器输出电压为0.010V（用主机箱电压表测量）；再将0.010V电压输入到温度传感器实验模板的放大器中，再调节温度传感器实验模板中的增益电位器RW2（小心：
不要误碰调零电位器RW3），使温度传感器实验模板放大器的输出电压为1.000V（增益调好后RW2电位器旋钮位置不要改动）。
关闭电源。
图5—3
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