传感器实验与课程设计指导书.docx
《传感器实验与课程设计指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器实验与课程设计指导书.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
传感器实验与课程设计指导书
《传感器与检测技术》
实验与课程设计指导书
课题名称：
传感器与检测技术
适用专业班级：
10电子（专）1-2
指导教师：
杨陶
课题工作时间：
2012-10至2012-12
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的：
了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理：
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：
式中
为电阻丝电阻的相对变化，
为应变灵敏系数，
为电阻丝长度相对变化，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，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压
O1
。
三、需用器件与单元：
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表（主控台上电压表）、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：
1、检查应变传感器的安装
根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，各应变片初始阻值R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝初始阻值为50Ω左右。
2、差动放大器的调零
首先将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针到底（即此时放大器增益最大。
然后将差动放大器的正、负输入端相连并与地短接，输出端与主控台上的电压表输入端Vi相连。
检查无误后从主控台上接入模块电源±15V以及地线。
合上主控台电源开关，调节实验模块上的调零电位器Rw4，使电压表显示为零（电压表的切换开关打到2V档）。
关闭主控箱电源。
（注意：
Rw4的位置一旦确定，就不能改变，一直到做完实验为止）
3、电桥调零
适当调小增益Rw3（顺时针旋转3-4圈，电位器最大可顺时针旋转5圈），将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好，其中模块上虚线电阻符号为示意符号，没有实际的电阻存在），按图1-2完成接线，接上桥路电源±4V（从主控箱引入），同
图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图
时，将模块左上方拨段开关拨至左边“直流”档（直流档和交流档调零电阻阻值不同）。
检查接线无误后，合上主控箱电源开关。
调节电桥调零电位器Rw1，使数显表显示为零。
备注：
1、如出现零漂现象，则是应变片在供电电压下，应变片本身通过电流所形成的应变片温度效应的影响，可观察零漂数值的变化，若调零后数值稳定下来，表示应变片已处于工作状态，时间大概5—10分钟。
2、如出现数值不稳定，电压表读数随机跳变情况，可再次确认各实验线的连接是否牢靠，且保证实验过程中，尽量不接触实验线，另外，由于应变实验增益比较大，实验线陈旧或老化后产生线间电容效应，也会产生此现象。
4、测量并记录
在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。
记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
表1-1单臂电桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
5、计算灵敏度和误差
根据表1-1计算系统灵敏度S，S=
（
输出电压变化量；
重量变化量）；计算非线性误差：
f1=
F•S×100%，式中
为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，
F•S满量程输出平均值，此处为500g或200g。
五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：
（1）正（受拉）应变片
（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可。
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的：
比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
二、基本原理：
不同受力方向的两片应变片（实验模块上对应变片的受力方向有标识）接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uo2=
。
三、需要器件与单元：
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表（主控台上电压表）、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：
1、保持金属箔式应变片实验中的Rw3和Rw4的当前位置不变。
2、根据图1-3接线。
R1、R2为实验模块左上方的应变片，此时要根据模块上的标识确认R1和R2受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源±4V，检查连线无误后，合上主控箱电源，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。
依次轻放标准砝码，将实验数据记入表1-2，根据表1-2计算灵敏度S=
，非线性误差
f2。
图1-3应变式传感器半桥实验接线图
表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
五、思考题：
桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：
（1）电桥测量原理上存在非线性
（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的：
了解全桥测量电路的优点。
二、基本原理：
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，受力方向不同的接入邻边，当应变片初始阻值：
R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uo3=
。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
三、需用器件和单元：
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表（主控台上电压表）、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：
图1-4接线
1、保持单臂、半桥实验中的Rw3和Rw4的当前位置不变。
2、根据图1-4接线，实验方法与半桥实验相同，全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。
表1-3全桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
2、根据表1-3计算系统灵敏度S，S=
（
输出电压变化量；
重量变化量）；计算非线性误差：
f1=
F•S×100%，式中
为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，
F•S满量程输出平均值。
实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目的：
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
二、实验步骤：
根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。
阐述理由（注意：
实验一、二、三中的放大器增益RW3必须在相同的位置）。
课程设计半导体温度传感器应用设计
1．课程设计的基本任务：
利用半导体温度传感器和单片机技术设计制作一个显示室温的数字温度计。
测量误差为±1℃，两位LED数码管显示。
2．课程设计目的：
1）通过本课程设计，使学生更进一步了解有关温度传感器的工作原理、加工工艺相关知识。
2）综合运用其它先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定温度传感器的型号等参数，掌握温度的检测方法。
3）通过本课程设计，使学生掌握模拟信号获取、传输、处理及检测的一般方法。
4）通过本课程设计，学生学会应用温度传感器组建一个简单测量系统，提高学生的动手能力。
5）通过计算、分析、绘图，能运用标准，规范，手册和查阅有关资料等，培养仪表设计的基本技能，为毕业设计奠定良好的基础。
3．设计要求
参考下面的利用半导体温度传感器AD590和单片机技术设计制作一个显示室温的数字温度计的设计提示与分析。
请自选另外型号的温度传感器来进行设计。
设计内容包括：
1）详细了解所选用的温度传感器的工作原理，工作特性等。
2）设计合理的信号调理电路。
3）用单片机和AD芯片进行信号的采样等相关处理，要有Protel画的硬件接线原理图、利用C语言在单片机开发软件中编写相关程序,并对单片机的程序作详细解释。
4）列出制作该装置的元器件，制作实验板，并调试运行成功。
5）详细的设计说明书一份。
4．设计提示与分析
AD590温度传感器简介
AD590是一种集成温度传感器（类似的芯片还有LM35等），其实质是一种半导体集成电路。
它利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VRE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测。
式中，k是波耳兹曼常数；q是电子电荷绝对值。
集成温度传感器的线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，得到广泛应用。
集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。
电压输出型的灵敏度一般为10mV/K（温度变化热力学温度1度输出变化10mV），温度0K时输出0，温度25℃时输出2.9815V。
电流输出型的灵敏度一般为1µA/K，25℃时输出298.15µA。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端温度传感器。
它主要特性如下：
1）流过器件电流的微安数等于器件所处环境温度的热力学温度（开尔文）度数，即
式中，IT为流过器件（AD590）的电流，单位为µA；T为温度，单位为K。
2）AD590的测量范围为-55~+150℃。
3）AD590的电源电压范围为4~30V。
电源电压从4~6V变化，电流IT变化1µA，相当温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V的反向电压。
因而器件反接也不会损坏。
4）输出电阻为710MΩ。
5）AD590在出厂前已经校准，精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五挡。
其中M档精度最高，在-55~+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
I档误差较大，误差为±10℃，应用时应校正。
由于AD590的精度高、价格低、不需辅助电源、线性度好，因此常用于测量和热电偶的冷端补偿。
测温电路
传感器前端信号调理如图1-1所示。
要求的测量范围为室温，这里定为0~80℃。
0℃时，A点输出电压为273.2mV；80℃时，A点输出电压为（273.2+80）mV。
调整B点的电压使之为273.2mV，这样就可以得到差分电压信号VAB与温度的关系为1mV/℃。
经过传感器前端调整后的信号VAB要经过放大才能够被单片机采样。
图中LM336提供2.5伏参考电压源。
图1-1AD590信号调理电路
表1-1测量数据在系统中流程变化
温度℃
0
80
VAB差分信号mV
0
80
放大后信号V
0
2
单片机采样结果
0
2/2.5*255=204
单片机显示
0
240*80/204=80
这里预定采用通用MCS-51单片机和ADC0809芯片进行数据采样、处理。
ADC0809是一个8通道8位ADC芯片，预计采样为0~5V的标准信号，对应采样结果为0~255。
基本能满足设计要求（范围0~80度，误差为±1℃）。
信号数据在测量系统中流程变化如表1-1所示。
表1-1中，假定放大后温度信号数据取值范围为0~2V；单片机接入通道参考电压为2.5V，故0~2.5V的信号相应地被转换为0~255这256个数据；单片机显示温度数据等于单片机采样结果乘上80后再除去204。
这里要求出差分电压信号VAB放大成为预采样为0~2V的标准信号的增益。
放大器可选用LM318、LM741、121等OpAmp。
我们实
验室有一种更好使用的放大器AD620（在一般信号放大的应
用中通常只要透过差动放大电路即可满足要求。
然而基本的
差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上改变放大增益
时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度就更加复图1-2AD590芯片引脚图
杂。
仪表放大器则无上述的缺点。
简单地说就是使用方便简
单，缺点是价格高），这里就采用该芯片作为我们的放大器。
该芯片引脚如图1-2所示。
由该芯片的资料可知
和
这样可求出
欧姆。
采用103微调电位器接在RG上即可。
因为AD620工作需要±12V的电压接在+VS和-VS上，这里采用一个直流电压模块SAPS的SR5D12/100，如图1-3所示，它需要5伏电压供电，输出为+12伏和-12伏的电压。
这样传感器信号调理电路就基本完成了，如图1-4。
图1-3SR5D12/100芯片引脚图
图1-4AD590信号调理电路
当T=0℃时，Vo=0V；当T=80℃时，Vo=2V；即灵敏度为25mV/℃。
1.1.1温度数据采集和处理
因ADC0809的参考电压为VREF=2.5V，单片机从ADC0809上采样的接口数据N还原为要显示的温度数据T的计算式为
单片机显示、采样的电路原理图如图1-5所示。
从上面的接口电路可知：
P0口直接与ADC0809的数据线相连接，P0口的低三位通过锁存器74LS373连接到ADDA、ADDB、ADDC，锁存器的锁存信号是89C52的ALE信号。
89C52的ALE信号直接连接到ADC0809的CLK管脚，给ADC0809提供666KHz的时钟信号。
P2.7口作为读写口的选通地址。
片外A/D转换通道的地址为7FF8H~7FFFH。
在软件编制时，令P2.7（A15）=0，A0、A1、A2给出被选择的模拟通道地址，执行一条输出指令，就产生一个正脉冲，锁存通道地址和启动A/D转换；执行一条输入指令，读取A/D转换结果。
可采用延时等待AD转换结束方式，分别对8个通道模拟信号轮流采样一次，并依次大结果存放在数据存储器。
也可以采用8051的中断方式的接口来编写程序（ADC0809的EOC接8051的INT0），此时可以将0809作为外扩的并行I/O口，由P2.7口和WR口脉冲同时有效来启动A/D转换，通道选择端A、B、C分别与地址线A0、A1、A2相连。
其端口地址分别为7FF8H~7FFFH。
A/D转换结束信号EOC经反相后，接80C51的外部中断管脚。
图1-5单片机采样显示电路原理图
1.1.2单片机程序编制
下面是用等待查询P3.2/int0脚的变化来实现整个测量采样、显示的程序。
用MedWin编译、在实验板上运行是成功的。
主程序框图如图1-6所示。
源程序如下。
图1-6程序框图
源程序及其解释如下。
//***************************头文件***********************//
#include
#include
#include
//*****************简化变量类型定义*********************//
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#definein0adXBYTE[0x7ff8]//设置0809的通道0地址，要大写XBYTE，否则错误
//*********共阳数码管阳极选通管脚定义************//
sbitP1_0=P1^0;
sbitP1_1=P1^1;
sbitad_busy=P3^2;//不是中断，是P3.2口变为1，即EOC状态没用到INT1的中断
//EOC=0正在进行转换，EOC=1转换结束
ucharLED_code[10]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//共阳数码管编码
uintinteger[8],data1,data2;//保存0809的八个通道转换数据数组和显示温度的数据
//*********采集结果放在指针中的AD采集函数***************//
voidad0809（void）
{
uchari;
ucharxdata*ad_adr;
ad_adr=&in0ad;//指针初始值指向0809通道0的地址值
for（i=0;i<8;i++）//处理8通道
{
*ad_adr=0;//启动转换，一个向外部写操作，相当输出指令P2.7=0,WR=0
i=i;//延时等待ECO变低
i=i;
while（ad_busy==1）;//查询等待转换结束,当ad_busy为高电平，则往下执行
integer[i]=*ad_adr;//保存转换后的数据到数组中
ad_adr++;
}
}
voiddelayms（uintx）//延时，给显示用
{
inti,j;//
for（i=0;i{
for（j=0;j<250;j++）;
}
}
voidgetdata（）//得到显示数据
{inttemp;//
temp=integer[0]*80/204;//0data1=temp/10;//除取整数，例如24/10=2
data2=temp%10;//除取余数，例如24%10=4
}
voidmain（）
{
ucharP0_LED_code1,P0_LED_code2;
data1=0;
data2=0;
P1=0;
P0=0;
for（;;）
{
ad0809（）;//采样AD0809通道的值
getdata（）;
P1_0=1;//高位位选信号
P0_LED_code1=LED_code[data1];//段选码送P0口
P0=P0_LED_code1;//点亮LED
delayms（30）;//延时
P1_0=0;
P1_1=1;//低位位选信号
P0_LED_code2=LED_code[data2];
P0=P0_LED_code2;
delayms（30）;
P1_1=0;
}
}
1.2思考题
1、该系统的测量误差与哪些因数有关？
2、显然，上述系统制作步骤没有对系统最后显示结果进行校正，假定有一恒温控制箱，应该怎样进行校正，程序要修改哪些？
升级会员 