实验40 基本传感器物理设计实验(2015).doc

大学物理实验实验40 基本传感器物理设计性实验【实验平台】DH-SJ2物理设计性实验基本型传感器： 实验装置主要由五部分组成：传感器实验台、九孔板接口平台、频率振荡器DH-WG2、直流恒压源DH-VC3和处理电路模块。 传感器实验台一部分：装有双平行振动梁（包括应变片上下各2片、梁自由端的磁钢）、双平行梁测微头及支架、振动盘（装有磁钢，用于固定霍尔传感器的二个半圆磁钢、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子、压电传感器），具体安装部位如图401。1、机箱 2、平行梁压块及座 3、激励线圈及螺母 4、磁棒 5、器件固定孔 6、应变片组信号输出端 7、激励信号输入端 8、振动盘 9、振动盘锁紧螺钉 10、垫圈 11、测微头座 12、双平行梁 13、支杆锁紧螺钉 14、测微头 15、连接板锁紧螺钉 16、支杆锁紧螺钉 17、支杆 18、连接板 19、应变片20、磁棒锁紧螺钉(在隔块后面) 21、隔块及固定螺钉图401 传感器实验台 九孔板接口平台部分：九孔板作为开放式和设计性实验的一个桥梁（平台）； 频率振荡器DH-WG2部分：包括音频振荡器和低频振荡器； 直流恒压源DH-VC3部分：提供实验时所必须的电源； 处理电路模块部分：电桥模块（提供元件和参考电路，由学生自行搭建）、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、调零、增益、移相等模块组成。电路模块接线示例如图402：图402 电路模块接线示例实验一 金属箔式应变片性能单臂电桥【实验目的】了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 【实验原理】电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4，当使用一个应变片时，R=R/R；当二个应变片组成差动状态工作，则有R=2R/R；用四个应变片组成二个差对工作，且R1=R2=R3=R4，R=4R/R；我们常用电桥法测电阻值，电桥的调零在本实验中非常重要。【实验仪器】直流恒压源DH-VC3、电阻、差动放大器（含调零模块）、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台。【实验内容】1、了解所需模块、器件设备等，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。测微头在双平行梁后面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。安装测微头时，应注意是否可以到达磁钢中心位置； 2、差动放大器调零：V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，VREF与VREF相连，V+与V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端VP（）、反相端VN（）与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零；3、根据图403接线R1、R2、R3为固定电阻，RX则为应变片；将直流恒压源的打至4V档，万用表置20V档。开启直流恒压源，调节电桥平衡网络中的电位器W1，使万用表显示为零；图403 实验接线图4、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使万用表显示最小，再旋动测微头，使万用表显示为零（细调零），并记下此时测微头上的刻度值（要准确无误地读出测微头上的刻度值）。5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移(X)记下万用表显示的值。建议每旋动测微头一周即X0.5mm记一个数值。6、在托盘未放砝码之前，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值【读数记录】表401 自由端位移与电压输出X（mm）U（mv）表402 重量与电压输出W（g）20406080100120U（mv）【数据处理】1据表401结果计算灵敏度SUX（式中X为梁的自由端位移变化，U为相应万用表显示的电压相应变化）。2根据表402结果计算系统灵敏度S=UW，并作出U-W关系曲线，U为电压变化率，W为相应的重量变化率。(重量用W表示，电压用U表示)思考题1 本实验电路对直流恒压源和放大器有何要求？2 根据原理图，简要分析差动放大器的工作原理。实验二 扩散硅压阻式压力传感器实验【基本原理】扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片上用扩散工艺(或离子注入及溅射工艺)制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。【所需模块及仪器设备】 九孔板接口平台、直流恒压源、差动放大器、万用表、压阻式传感器和压力表旋钮初始位置：直流恒压源4V档，万用表2V档，差放增益合适位置。【实验步骤】1、先检查压力表指针是否处于零位，如果没有对准，可以通过工具校准或以某一个值为基准（如4kpa），并记下该值；2、按照图40-4接线，注意接线正确，否则易损坏元器件，差动放大器接成同相反相均可；图40-43、 供压回路如下图所示：图40-54、将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松；5、打开直流恒压源，将差动放大器的增益拧至最大，并适当调节调零旋钮，使万用表指示尽可能为零，记下此时万用表读数；6、拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，注意不要用力太大，每隔一个压力差，记下万用表的示数，并将数据填入下表：P(kpa)U(v) 根据所得的结果计算系统灵敏度S=U/P，并作出U-P关系曲线，找出线性范围。注意事项：（1）实验中压力不稳定，应检查加压气体回路是否有漏气现象。气囊上单向调节阀的锁紧螺丝是否拧紧；（2）如读数误差较大，应检查气管是否有折压现象，造成传感器与压力表之间的供气压力不均匀； （3）如觉得差动放大器增益不理想，可调整其增益旋钮，不过此时应重新调整零位，调好后在整个实验过程中不得再改变其位置。（4）实验完毕必须关闭直流恒压源后再拆去实验连接线。（拆去实验连接线时要注意手要拿住连接线头部拉起，以免拉断实验连接线。）问题： 差压传感器是否可用作真空度以及负压测试?【设计】 如何实现测量人的肺活量，怎样去实现?请给出设计方案、原理图和必要的文字说明。实验三光电传感器测转速实验【基本原理】光电传感器由红外发射二极管、红外接收管、达林顿输出管及波形整形组成。发射管发射红外光经电机转页间隙，接收管接收到反射信号，经放大，波形整形输出方波，再经转换测出其频率。实验目的：了解光电传感器测转速的基本原理及运用【所需模块及仪器设备】光电式、直流恒压源、示波器、差动放大器、电压放大器、频率计和九孔板接口平台【实验步骤】 （1）、先将差动放大器调零，按图40-6接线，频率计与示波器可二选一；图40-6（2）、光电式+、-端分别接至直流恒压源012V的+、-端；（3）、Vi+、Vi-分别接直流恒压源的+6V和GND,并与15V处的GND相连；（4）、调节电压粗调旋钮使电机转动；（5）、根据测到的频率及电机上反射面的数目算出此时的电机转速；即：N频率计显示值660 （n/min）（6）、实验完毕，先关闭直流恒压源电源。问题：光电传感器测转速产生误差大的和稳定性差的原因是什么？主要有哪些因素。【设计】通过本实验的学习，是否能够实现对家用电风扇测速?如果可行，如何实现，需要注意哪些问题，请给出方案和必要的电路图和文字说明。实验四 热释电人体接近实验【基本原理】热释电传感器是利用热电效应的热电型红外传感器。在温度不变化时不产生任何信号的传感器。所谓热电效应就是随温度变化产生电荷的现象。多用于人体红外幅射温度检测。【实验目的】：了解热释电传感器的特性和基本原理【所需模块及仪器设备】热释电传感器、电荷放大器、直流恒压源、九孔板接口平台、万用表和示波器 传感器外由金属腔壳和滤色片构成，中间黑色方孔为滤色片，内有敏感元件和阻抗变换电路。实验时请勿用手或者其它物体碰触滤色片，以免损坏器件，不能进行正常实验。【实验步骤】 (1)按图40-7接线，热释电传感器模块+4V接在直流恒压源的+4V上，GND与GND相连，热释电的V0端接到