2016.9.26传感与检测技术实验指导书

1、传感器与检测技 术 实验指导书 编写彭建辉 中南大学信息科学与工程学院 二O六年九月 目录 第一章传感器实验仪使用说明1 1传感器系统实验箱的组成1 1.2传感器2 1.3数据采集卡及处理软件3 1.4控制器简介5 1.5温度源及温度控制原理简介11 第二章传感器与检测技术实验13 实验一应变片单臂特性实验错误!未定义书签。 实验二应变片半桥特性实验错误!未定义书签。 实验三应变片全桥特性实验错误!未定义书签。 实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较错误!未定义书签。 实验五电感式传感器的性能实验错误!未定义书签。 实验六电感式传感器零点残余电压补偿实验错误!未定义书签。 实验七电涡流传感器位移

2、特性实验13 实验八被测体材质对电涡流传感器特性影响16 实验九被测体而积大小对电涡流传感器的特性影响实验16 实验十霍尔式传感器位移特性实验17 实验十一光纤传感器的位移特性实验20 实验十二超声波测距实验23 实验十三压电式传感器测振动实验25 实验十四光敏电阻的光电特性实验29 实验十五光敏二极管的光电特性31 实验十六光敏三极管的光电特性33 11/62 实验十七光电池的光电特性35 实验十八气敏传感器实验37 实验十九湿敏传感器实验38 实验二十压阻式压力传感器的压力测量实验40 实验二一 K热电偶测温特性实验42 实验二十二Pt 100 电阻（热电阻）测温特性实验47 实验二十三霍

3、尔开关式传感器测转速实验51 实验二十四磁电式传感器测转速实验52 实验二十五光电传感器测转速实验55 实验二十六智能转速控制系统的设计57 III /62 12/62 传感器、传感器调 机头 示元感出元 显单传输单 第一章传感器实验仪使用说明 1.1传感器系统实验箱的组成 传感器实验箱平而图如图1所示：主要由机头、主板、信号源、 理模块、数据采集卡、软件等各部分组成。 传感器 调理电 路单元 图1.1传感器实验箱图 1、机头 由电子称：悬臂梁：振动源（振动盘）；升降调节杆；传感器的安装架（静态位移安装 架）：传感器输入插座：光纤座、电涡流孔及超声波显示等组成。 2、主板部分 主板部分有十大单

4、元电路组成：频率/电压显示单元；液晶显示单元；数据处理单 元；控制器单元；直流稳压电源输岀单元（提供髙稳泄的15V、5V、+1.2V+ 12Y可 调等）：传感器的输岀口单元；音频振荡器（0.4KHzlOKHz可调）和低振荡器（1Hz 30Hz可调）：数据采集应用单元：转动源单元。 3、调理电路部分 调理电路有两部分可插拔模块组成，根据实验需要可以自由更换，模块电源通过特制 六芯线连接（提供高稳左的15V、5V、地）。 4、信号源 1）温度源V150C （可调）：2）振动源1Hz30Hz： 3）转动源05000r/min 4、传感器：详见表1.1传感器 5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡及处理

5、软件 6、实验箱：供电：AC 220V 50Hz功率02kW 实验箱尺寸为525X475X220 （mm） a 1.2传感器 表1.1传感器表 序号 传感器名称 量程 线性 备注 1 电阻应变式传感器 0-200 g 1% 350 Q 2 差动变压器 6mm 2% 10 Q左右 3 电涡流位移传感器 2 omni 2% 10 Q左右 4 霍尔式位移传感器 5mm 3% 输入端800 Q左右 输出端400 Q左右 5 光纤位移传感器 1. 5mm 5% l-3kQ 6 超声波移传感器 100cm 7 光敏电阻 暗阻N5M,亮阻W1KQ 光敏电阻 8 光敏二极管 光敏二极管 9 光敏三极管 光敏三

6、极管 10 光电池 稣值波长：0. 8-0. 9um 开路电压：5mV 光电池 11 气敏传感器 502000PPm 12 湿敏传感器 1095%RH 13 扩散硅压力传感器 040kpa 1% 14 PtlOO钳电阻 常温150C 4% 三线制 15 K型热电偶 常温150C 4% 16 磁电式传感器 5000转/分 0. 5% 17 光电转速传感器 5000转/分 0. 5% 18 霍尔式转速传感器 5000转/分 0. 5% 19 压电式传感器 1. 3数据采集卡及处理软件 L 3.1数据釆集卡及处理软件 具体技术指标如下： 1、接口标准：USB接口 2、A/D： 2 通道，12 位 3

7、 D/A: 2通道12位 4、DI： 2通道 5、DO： 2通道，常开 6、采样频率:lOOKHz 8、测疑量程：最大可达正负10V 9、支持电压、电流信号宜接输入 10 环境：xp/win7 图12锻拟示波器界面 1.3.2使用说明 1）双击打开传桌而图标 “传感器USB采集.vi ,进入程序界面如下图 1. 3： 图1.3软件界面 2）单击箭头所示图标运行程序如图14： KIFIQ； 图1. 4运行软件 3）运行程序后,进入程序界面,单击“新建“如图15： 图15新建实验 4）单击“新建”后进入实验设置界而如下图16根据需要设置后单击确立。 专业名称 班级 学院名称 实验名称 通信选择 U

8、SB V 卖验模式 .职消I 图1. 6实验设置 在设置界面中，“学院名称、专业名称、班级、实验名称”根据实际需要填写即可, “通信选择”选择USB, “实验模式”选择低频扫描，“通道选择”根据实际连线选择即 可，设置完成后单击“确定”即可。 5）单击“开始”即可进行数据釆集，采集过程中可根据实际情况选择“量程”和“采 样率” o 1.3.3系统需求 1 操作系统：XP/win7简体中文版 2. Intel Pentium 111500MHz 或 AMD Athlon700MHz 以上 3. 128Mb或以上内存 4.400MB以上硬盘空间供软件安装和备份 5有USB接口 1.4控制器简介 主

9、板中所装的控制器为人工智能调右仪，它具有测量显示和模糊逻借数字PID调节及 参数自整泄功能的先进控制算法。可以万能输入（通过设置输入规格可变为热电阻、热电 偶、线性电压、线性电流等），输出为线性电压输出（可设置为05Y线性电压）。其实它是 一只万能通用调节仪。 1.4.1控制器面板说明 （一）、调节仪面板介绍 控制器调右仪的而板上有PV测量显示窗.SV给左显示窗、4个指示灯窗和4个按键 组成。仪表上电后，上显示窗口显示测量值（PV）,下显示窗口显示给迫值（SV） 0 仪表而板上的4个LED指示灯，英含义分别如下： ALM1指示灯：当ALH1亮时，仪表对应ALM1继电器有输出。 ALM2指示灯：

10、当ALM2亮时，仪表对应ALM2继电器有输出。 AT指示灯：当仪表自整左时此指示灯亮。 OUT指示灯：当此指示灯亮时，仪表OUT控制端有输岀。 XMTF 908（S 02810232 口口口口让 8.8B8.； aL条饥市长江禹度仪表 图1.3 调节仪面板图 面板中： 1、PV测址值显示窗2、SV给定值显示窗3、A-M一一自整定灯（兼于动指示灯） 4、ALM一一 ALM1动作时点亮对应的灯（上限动作.冷却风扇）5、OUT一一调节控制输出指示灯 6、SET 一功能键7、数据移位键（不禁止于动操作时兼手动/自动切换） 8、一一数据减少惟 9、数据增加键 （二）控制器端子面板介绍 1、传感器输入端：

11、连接Pt 100或者连接光电转速传感器。 2、标准输岀：仪表将传感器输入的测量信号变送为0-5V输岀，供汁算机控制时采 集反馈信号（如：温度、电机转速等信号）。 3、控制输入：接数据采集卡DA输岀端，接DA0或DA1 （输岀信号0-5V对应加热功 率 0-100%） o 4、冷却开关：内控一冷却风扇由仪表控制，夕卜控一冷却风扇由计算机控制。 5、模式开关：内控一仪表控制，外控一计算机控制。 6、控制开关：温度一温度控制，转速一转速控制。 1. 4. 2功能及设置 （一）内部菜单 内部菜单如图1.5所示。 （二）基本使用操作 1、显示切换：按SET键可以切换不同的显示状态。修改数据：如果参数锁没

12、有锁 上， 仪表下显示窗显示的数值数据均可通过按V、或键来修改。例如：需要设置给泄值 时，可将仪表切换到正常显示状态，即可通过按V、或键来修改给左值。仪表同时具 备数据快速增减法和小数点移位法。按键减小数据，按键增加数据，可修改数值位的 小数点同时闪动（如同光标）。按住按键并保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速 度会随小数点会右移自动加快（3级速度）。而按V键则可直接移动修改数据的位宜（光 标），操作快捷。 2、手动/自动切换：在不禁止手动操作时按V键，可以使仪表在自动及手动两种状态 下进行无扰动切换。手动时下排显示器第一字显示“H”，仪表处于手动状态下，直接按 键或键可增加及减少手动输

13、出值。 3、设置参数：按SET键并保持约3秒钟，即进入参数设宜状态。在参数设置状态下 按SET键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值ALM1、参数锁LocK等等。用、 、V等键可修改参数值。先按V键不放接着再按SET键可退岀设置参数状态。如果没有 按键操作，约30秒钟后会自动退岀设宜参数状态。 4、设置给定值：按键并保持约3秒钟，即进入给立值设巻状态，PV窗显示SP,用 、V等键可修改给泄值。如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状 态。 上电 Pb l*b ouE L / 1 m料 fesEia d a dP 1 Af WW UN loCK Sn WSEFW oPR I 以匕1|

14、出 图1.5内部菜琨 （二）基本使用操作 1、手动/自动切换：在不禁止手动操作时按V（A/M）键，可以使仪表在自动及手动 两种状态下进行无扰动切换。手动时下排显示器第一字显示“H”，仪表处于手动状态下， 直接按键或键可增加及减少手动输岀值。 2、设置参数：按SET键并保持约3秒钟，即进入参数设置状态。在参数设置状态下 按SET键，仪表将依次显示各参数划称（在PV窗口）及对应的参数值（在SV窗口）。例 如上限报警值ALM1、参数锁LocK等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工 需要用到的参数（现场参数）。用、V（A/M）等键可修改参数值。先按V （A/M） 键不放接着再按SET键可退出

15、设置参数状态。如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出 设置参数状态。 （三）自整定（AT）操作 仪表初次使用时，可启动自整左功能来协助确圧I、P、d等控制参数。初次启动自整 定时，可将仪表切换到正常显示状态下，将参数At设苣为1即可启动自整定。 系统在不同给左值下整泄得岀的参数值不完全相同，执行自整左功能前，应先将给定 值设置在最常用值或是中间值上，如果系统是保温性能好的电炉，给立值应设置在系统使 用的最大值上，再执行启动自整泄的操作功能。 4、设置给定值：按键并保持约3秒钟，即进入给左值设宜状态，PV窗显示SP,用 、V等键可修改给泄值。如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退岀设置参数状

16、态。 （四）参数功能说明 仪表通过参数来定义仪表的输入、输出、报警及控制方式，仪表功能参数表如表1.2 所示。 表12仪表功能参数表 参数代号 参数含义 说明 设程范围 AL.1 上限报警 测量值大于ALM1产生上限报警。测量值小于 ALMl-Hy （固定0.5）值时,仪表将解除上限报 警。 由 P-SL、 P-SH决定 Pb 主输入平 移修正 Pb参数用于对输入进行平移修正.以补偿传感 器信号本身的误差。 -20+20 P 速率参数 P值类似PID调节器的比例带,但变化相反,P值 越大，比例、微分作用成正比增强，而P值越 小，比例、微分作用相应减弱。P参数与积分 作用无关。设置P二0相当于P

17、二0.5 1-9999 I 保持参数 I参数值主要决定调节算法中积分作用，和PID 调节的积分时间类同。I值越小，系统积分作用 越强 I值越大，积分作用越弱（积分时间增 加）。 设置IP时，系统取消积分作用及人工智能调 节功能，调节部分成为一个比例微分（PD）调节 器，这时仪表可在串级调卩中作为副调D器使 用。 0-3000 D 滞后时间 d参数对控制的比例、积分、微分均起影响作 用，d越小，则比例和积分作用均成正比增 强.而微分作用相对减小，侗整体反馈作用增 强：反之，d越大，则比例和积分作用均减 弱，而微分作用相对增强。此外d还影响超调 抑制功能的发挥，其设置对控制效果影响很 大。 如果设

18、置dWt时，系统的微分作用被取消。 0-2000 秒 FILT 滤波系数 为仪表一阶滞后滤波系数，英值越大，抗瞬间 干扰能力越强，但响应速度越滞后，对压力、 流量控制其值应较小。对温度、液位控制英值 应较大。 0-50 dP 小数点位 置 dP二0,显示格式为0000,不显示小数点。 dP=l,显示格式为000. 0,小数点在十位. dP二2,显示格式为00. 00,小数点在百位. dP二3,显示格式为0. 000,小数点在千位. 0-1 outH 输岀上限 限制调节输岀最大值。 outL-200 参数代号 参数含义 说明 设宜范围 outL 输岀下限 通常作为限制调节输岀最小值。 0-out

19、H At 控制方式 At二0,关闭自整定。 At=l,启动自整定。 0-1 LocK 参数修改 级别 LocK二0,允许修改现场参数、给定值。 LocK=b只允许设置给左值。 LocK大于1,禁止修改所有参数。 0-50 Sn 输入方式 Sn 输入规格 PT100/u Pt 100 PT100 u 转速 oP-A 输岀方式 ” 5 “ 0-5V 输岀 5 oP-B 输出方式 ” 3 “ 0-5V变送输出 3 AL-P 报警输出 定义 “0”无报警；“1”上限报警；“2”下限报警 0-2 CooL 系统功能 选择 0：反向控制：1：正向控制 0-1 P-SH 输入上限 显示 用于左义线性输入信号

20、上限刻度值，与P-SL 配合使用 P-SL9999 P-SL 输入下限 显示值 用于立义线性输入信号下限刻度值，对外给 定.变送输出显示。 0 （五）智能调节仪控制温度、电机转速的快速操作指南 1、给立目标值设置：先按键，光标在最末位闪烁，接着按V、键设置给泄 值。如设定温度控制目标值2CTC等。 2、进入参数设宜：按住SET键保持约3秒，仪器重新进入参数设置状态，PV窗显示 参数代号如：ALM1 （上限报警）等，按V、键为修改参数值键，使SV窗显示 要设左的温度上限报警参数值，如35等。 3、退出参数设置：先按V （A/M）键不放接着再按SET键可退出参数设宜状态。处于 温度或速度显示状态。

21、 参数代号 参数含义 设定值 参数代号 参数含义 设定值 ALM1 上限报警 等于SV ALM1 上限报警 4999 Pb 主输入平移修正 0 Pb 主输入平移修正 0 P 速率参数（比例） 500 P 速率参数（比例） 1 I 保持参数（积分） 10() I 保持参数（积分） 950 D 滞后时间（微分） 100 D 滞后时间（微分） 1() FILT 滤波系数 20 nur 濾波系数 20 dP 小数点位宜 0 dP 小数点位宜 0 outH 输出上限 200 outH 输出上限 200 outL 输出下限 0 outL 输出下限 0 AT 控制方式PID 0 AT 控制方式PID 0 L

22、ock 参数修改级别 0 Lock 参数修改级别 0 Sn 输入规格/PtlOO PtlOO Sn 输入规格/转速 U oP-A 输出方式/线性 电压连续输出 5 oP-A 输出方式/线性电压连续输 出 5 OP-B 变送输出心5 V 3 OP-B 变送输出心5 V 3 AL-P 报警定义 1 AL-P 报警定义 1 COOL 系统功能选择 0 COOL 系统功能选择 0 P-SH 输入上限M示值 10() P-SH 输入上限显示值 4999 P-SL 输入下限站示值 0 P-SL 输入下限显示值 0 1.5温度源及温度控制原理简介 151温度源简介 温度源是由加热器和冷却风扇组成，装在机头顶

23、板二个温度源插孔的下方，温度加热 源示意图如图1.5所示。顶板上的二个温度源插孔与内部加热器的测温孔相对，其中一个 是调节仪的工作传感器PtlOO的插孔，用来控制温度源的温度：另一个是温度实验传感器 的插孔：使用温度源时先将调节仪的工作传感器PtlOO接入并且控制选择开关切换到温度 功能上，再将调节仪电源开关打开（o为关，-为开）。从安全性、经济性即具有高的性价比 考虑，而且不影响学生掌握原理的前提下温度源设讣温度V120C。 调节仪工作传感器Ptioo 温度源 图15温度加热源示意图 1.5.2温度控制原理 温度源的温度控制原理框图如图1. 6所示。当温度源的温度发生变化时温度源中的PtlO

24、O 热电阻（温度传感器）的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能调节 仪，经智能调肖仪的电阻一电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输岀调压模 块（或固态继电器）触发信号（加热）或继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设 定值。 图1积温度控制原理框图 14/62 第二章传感器与检测技术实验 实验七电涡流传感器位移特性实验 一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由 传感器线圈和被测物体（导电体一金属涡流片）组成，如图7-1 （a）所示。根据电磁感应原理， 当传感器线圈

25、（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz2MHz）乙时，线圈 周帀空间会产生交变磁场乩，当线圈平而靠近某一导体而时，由于线圈磁通链穿过导体，使导 体的表而层感应岀呈旋涡状自行闭合的电流2=,而厶所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样 线圈与涡流“线圈”形成了有一泄耦介的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器 线圈的阻抗Z发生变化。可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图 7-1 （b）的等效电路。图中R：、L：为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈， 其电阻为R：、电感为L“线圈与导体间存在一个互感匕随线囲顶导佐间班敢壇太两减小。. 为实

26、现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。这一测量电路（称之为前巻器，也称 电涡流变换器）应包括具有一左频率的稳左的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量 实验框图如图7-2所示。 （b）电涡流传感器等效电路图 丄J / U厶 图7-2电涡流位移特性实验原理框图 根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗 Z和等效电感L三个参数，用相应的测疑电路（前宜器）来测量。 本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电涡流变换器原理图与而板如图73所示。 电路组成：（1）Q1、Cl、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。 电涡流

27、传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变 化引起的振荡回路的Q值变化转换成髙频载波信号的幅值变化。DI、C5、L2、C6组成了由二 极管和LC形成的刃形滤波的检波器。检波器的作用是将髙频调幅信号中传感器检测到的低频信 号取出来。Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失 真输岀的幅度值。 电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相 对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0 10Hz）。当无被测导体时，振荡器回路谐振于f。，传感器端部线圈Qo为立值且

28、最高，对应的检 波输出电压V。最大。当被测导体远离传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生 变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值V。变小。V。变化反映了位移x的变化。电涡流传感器 可以在位移、振动、转速、探测、厚度等测量上得到应用。 图7-3电涡流变换器原理图 三、需用器件与单元：机头静态位移安装架、电涡流传感器（其阻值10。左右）、被测体 （铁圆片）、测微头、主板电压/频率表、电涡流位移传感器模块。 四、实验步骤： 1. 观察传感器结构，这是一个平绕线圈。调巧测微头初始位巻的刻度值为5mm处，按图7 -4安装测微头、被测体、电涡流传感器（注意安装顺序：先将测微头的安装套插入安装架的

29、安 装孔内，再将被测体套在测微头的测杆上：苴次在安装架上固定好电涡流传感器：将电涡流传感 14/62 器尾部的信号电缆插入机头的电涡流插座。最后平移测微头安装套使被测体与传感器端而相贴时 拧紧测微头安装孔的紧固螺钉），如图74所示。 2. 从实验箱主板上的传感器输出单元的“涡流”插孔接两根线到“电涡流位移传感器模 块”，并将模块输岀端接电压/频率表。如图7-5所示（接4根线）。 涡流 图7-5电涡流传感器实验接线图 3、将电压/频率表量程切换开关切换到20V档，检査接线无误后开启主电源开关，记下电压 表读数，然后逆时针调节测微头微分筒每隔0.5mm读一个数，直到输出V。变化很小为止并将数 拯列

30、入表7。实验完毕，关闭所有电源。 表7电涡流传感器位移X与输岀电压数据 X (mm) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7. 5 Vo(V)铁 4、根据表7数据，画岀VX曲线，根据曲线找出线性区域并讣算灵敏度和线性度（可用最 小二乘法或其它拟合直线）。 实验八被测体材质对电涡流传感器特性影响 一、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。 二、基本原理：电涡流传感器在被测体上产生的涡流效应与被测导体本身的电阻率和磁导率有 关，因此不同的材料就会有不同的性能。基本原理参阅实验七。 三、需用器件与单元：

31、机头静态位移安装架、电涡流传感器、被测体（铁、铜、铝片、铝 柱）、测微头、主板电压/频率表、电涡流位移传感器模块。 四、实验步骤： 1、将被测体铁圆片换成铝和铜圆片，实验方法与步骤同实验七。 2、将测量数据列入表8。实验完毕，关闭电源。 表8被测体为铁、铜、铝闘片及铝闘柱时的位移X与输出电压数据 X (mm) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7. 5 Vo(V)铁 Vo(v)fH Vo(V)铝 1 Vo(V)铝 9 3、根据上表8的实验数据，在同一坐标上画出实验曲线，分别确定被测体为铁片、铜片和 铝片时对应的线

32、性区，并讣算相应的灵敏度和非线性误差。分析说明不同材质性质对电涡流传感 器特性的影响。 实验九被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验 一、实验目的：了解电涡流传感器位移特性与被测体的形状和尺寸有关。 二、基本原理：电涡流传感器的位移性能与被测体的形状、大小有很大关系，当被测体面积小 于线圈平而时会减弱甚至不产生涡流效应，所以电涡流传感器在实际使用时，被测体而积必须大 于传感器线圈平而并进行位移标定后测量。 三、需用器件与单元：主机头静态位移安装架、电涡流传感器、端而积不同的二个铝材被测 体（被测体1、彼测体2）、测微头、主板电压/频率表、电涡流位移传感器模块。 四、实验步骤： 1、实验方法

33、、步骤与实验七相同，参阅实验七。 2、在测微头的测杆上分别用二种不同而积的被测铝材进行电涡位移特性测并分别将实 验数据列入表8。实验完毕，关闭电源。 3、根据表8数据在同一坐标上画出VX实验曲线，分别计算材质相同但面积不同的二种被 测体在相同线性范国内的灵敏度与线性度。分析说明被测体端面积对传感器性能的影响。 实验十霍尔式传感器位移特性实验 一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、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（或以磁场为媒介）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10-1 （

34、带正电的载流子）所示，把一块宽为b,厚为的导 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/,此时在板 的横向两侧而A.A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： 5=R冲=KuIB 式中：/?h=-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： Ku= Rh / cl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 k为电荷放大器开环放大 倍数：Cf为电荷放大

35、器反馈电容。将ey=-Kei代入式(211),可得到放大器输出端电压6与传 感器电荷Q的关系式：设C二Ca+Cc+Ci ey=-KQ./ (C+Cf) +KCf(13-2) 当放大器的开环增益足够大时，则有KCfC+Cf (13-2)简化为 ey=-Q/Cf(13-3) 式(13-3)表明，在一泄条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电 缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容4。所以，电荷放大器的灵敏度调节，都是采 用切换运算放大器反馈电容匸；的办法。采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，英 灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。 27/62 5、压电加速

36、度传感器实验原理图 圧电加速度传感器实验原理、电荷放大器与实验而板图由图13-4(a), (b)所示。 图13-4(a)压电加速度传感器实验原理框图 11 图13-4 (b)电荷放大器原理图 三. 需用器件与单元：机头振动台、圧电传感器；主板低频振荡器、激振、虚拟示波器。 四、实验步骤 1、按图13-5所示将压电传感器放苣在振动台面的中心点上(与振动台而中心的磁钢吸 合)，并在主板上按图示意接线。 图13-5压电传感器测振动实验安装、接线示意图 2、将主板上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底（低频输出幅度为零），调肖低频振荡器的 频率在68Hz左右。检査接线无误后合上主电源开关，再调肖低频振荡器

37、的幅度使振动台明显 振动（如振动不明显可调频率）。 3、用虚拟示波器的观察输出端波形：在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出 波形变化。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。实验完毕，关闭所有电源开关。 实验十四 光敏电阻的光电特性实验 从实验十四到实验十七关于光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的光电元件的特性 实验均使用发光二极管作为光源。不同材料的发光二极管发射的光线的波长不同。本实验使用的 发光二极管为红光。光电元件的特性指光照特性、光谱特性、响应时间或称为频率特性、温度特 性等。本实验箱只做光照特性实验。 一、实验目的：了解光敏电阻光电特性：即供电电压一立时，电流

38、一照度的关系。 二、基本原理 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，苴工作原理是基于光电导效应，英阻值随光照增强而 减小。优点是灵敏度高，光谱响应范国宽，体积小、重疑轻、机械强度髙，耐冲击、耐振动、抗 过载能力强和寿命长等。不足是需要外部电源，有电流时会发热。 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导 体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表而薄层，虽然产生的载流子也有少数扩 散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得髙的灵敏度，光敏电阻 29/62 的电极一般采用硫状图案，结构见如图14-1所示。 (A j II 31/62

39、图14-2金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 光敏电阻实验原理如图14-1所示。 图14-1光壇电阻原理图 光敏电阻是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生 变化的内光电效应器件。最简单的光敏电阻的原理和符号如图14-2所示，由一块涂在绝缘基底 上的光电导体薄膜和两个电极所构成。当加上一泄电压后，光生载流子在电场的作用下沿一定的 方向运动，在电路中产生电流，这就达到了光电转换的目的。 图11-2光敏电阻符号图 三、需用器件与单元：光敏电阻传感器、光电模块（四种单元混合）、可调光源模块、 发光二极管、机头上的专用光电连接筒、专用导线一双声道连线2根等。 四、实验步骤

40、1、将发光二极管和光敏电阻传感器分别旋入专用光电连接筒”的左边和右边，并用一根 “专用导线一双声道连线”（一端为双声道头，另一端为双线实验插头）将发光二极管与可调光 源模块的（红）正负（黑）连接；然后再用一根专用导线一双声逍连线”（即两端均为双声道 的插头）将光敏电阻传感器和“光电模块”上的光敏电阻接口 ” Ti”进行连接。接线图如图14- 3所示。 2、光敏电阻实验接线如图14-4所示，图中的V+为+5V电压（内部已连接）o Vo输出接主 板上电压/频率表。 图14-3发光二极管及可调光源模块的接线图 3检査接线正确。打开主电源开关。 4、关闭光强开关（逆时针旋转到底），记下电压表的电压读数

41、（暗电流）。 5、顺时针开启可调光源模块的光强调节旋钮，分别记下调节光强为下表各数值（近似值） 时的电压表读数，并计算电流值（I=Vo/R2, R2=2KQ ）,填入表14中。 实验十五 光敏二极管的光电特性 表11光敏电阻的光电持性 光强（Lx） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 电压Vo (V) 电流I (mA) 6、根据所得结果作岀光强-电流曲线。 一、实验目的：了解光敏二极管的光电特性，当光敏二极管的工作偏压一左时，光敏二 极管输岀光电流与入射光的照度（或通虽:）的关系。 二、基本原理 光敏二极管既可以以光电导效应工作，也可以以光生伏

42、特效应工作。光敏二极管用髙阻P型 硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。当无光照射时，光敏二极管具有高阻特性， 反向暗电流很小，称为暗电流。当有光照射时，由于N区扩散的很浅，为lum左右，而空间电 荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗尽层。光子入射到耗尽层内被吸收而激 发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VBB的作用下，空穴流向正极，形成了二极管的反 向电流，即光电流。光电流通过外加负载电阻RL后产生电压信号输出。光敏二极管符号如图 15-1所示。 三、需用器件与单元：光敏二极管传感器、光电模块（四种单元混合）、可凋光源模 块、发光二极管、专用光电连接筒、专用导线一

43、双声道连线2根等。 四、实验步骤 1、将发光二极管和光敏二极管传感器分别旋入专用光电连接筒”的左边和右边，并用 “专用导线一双声道连线”（一端为双声逍头，另一端为双线实验插头）将发光二极管与可调光 源模块的（红）正负（黑）连接；然后再用一根“专用导线一双声道连线”（即两端均为双声道 的插头）将光敏二极管传感器和“光电模块”上的光敏二极管接口 ” Ti”进行连接。接线图如图 15-2所示。 图15-2发光二极管及可调光源模块的接线图 32/62 2、光敏二极管实验接线如图15-3所示，V。输岀接主板上电压/频率表。注：因光敏二极 管产生的光电流比较小，为便于读数，所以采用I/V变换器将光电流I转

44、换成电压，苴 关系为：I=| V/R11. 图15-3光敏二极管实验接线图 3、关闭可调光源模块的光强开关（逆时针旋转到底），记下电压表的读数（暗电流）。 4、顺时针开启可调光源模块的光强调肖旋钮，分别记下调盯光强为下表各数值（近似值） 时的电压表读数,并计算电流值（I=Vo/Rl, R1=1MQ）填入表15中。 表15光敏二极管的光电特性 光强（Lx） 0 100 200 300 100 500 600 700 800 900 1000 电丿k Vo (V) 电流 I (mA) 5、作出照度-电流曲线。 实验十六光敏三极管的光电特性 一、实验目的：了解光敏三极管的光电特性，当光电管的工作偏压

45、一泄时，光电管输岀 光电流与入射光的照度（或通量）的关系。 二、基本原理 光敏三极管有PNP型和NPN型两种，光敏三极管符号如图16-1所示。其结构与一般三极管 很相似，具有电流增益，只是它的发射极一边做的很大，以扩大光的照射而积，且其基极不接引 线。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时, 会产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极,基区留下空穴，使基极与发射极 间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的B倍。 o p N P o 三. 需用器件与单元光敏三极管传感器、光电模块（四种单元混合）、

46、可调光源模 块、发光二极管、专用光电连接筒、专用导线一双声道连线2根等。 四. 实验步骤 1、将发光二极管和光敏三极管传感器分别旋入“专用光电连接筒”的左边和右边，并用 “专用导线一双声道连线”（一端为双声道头，另一端为双线实验插头）将发光二极管与可调光 源模块的（红）正负（黑）连接；然后再用一根“专用导线一双声道连线”（即两端均为双声道 的插头）将光敏三极管传感器和“光电模块”上的光敏三极管接口” Ti”进行连接。接线图如图 16-2所示。 2、光敏三极管实验接线如图16-3所示。图中的V+为+5V电压（内部已连接）。Vo输岀接 主板上电压/频率表。 图16-2发光二极管及可调光源模块的接线

47、图 3、关闭可调光源模块的光强开关（逆时针旋转到底）.记下电压表的读数（暗电流）。 4、顺时针开启可调光源模块的光强调肖旋钮，分别记下调肖光强为下表各数值（近 似值）时电压表的读数,并计算电流值（ILi=Vo/Rb R1=R2=1KQ）,填入表16中。 表16光敏三极管的光电特性 光强（Lx） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 电压Vo (V ) 电流I (mA) 5、作出照度一电流曲线。 实验十七光电池的光电特性 一、实验目的：了解硅光电池的光电特性，即短路电流及开路电压与照度的关系。 二、基本原理： 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成

48、电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因 此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN 结，当光照射在PN结上时，在结的两端岀现电动势。 光电池的命名方式是把光电池的半导体材料的名称冠于光电池（或太阳能电池）之前。如，硒 光电池、碎化稼光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。 硅光电池在原理结构上类似于光电二极管，其区别在于，硅光电池用的衬底材料的电阻率 低，约为0.1O.OlQ.cm,而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为1000 Q. cm,光敏面从 0. IQ. cm10Q.cn?不等，光敏而积大则接收辐射能量多，输岀光电流大。

49、 硅光电池的结构如图17-E它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼） 形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发岀电子-空穴对，在 N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间岀现电位差。若将PN结两端用导线连起 来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生 电动势。 （a）光电池的结构图（b）光电池的工作原理示意图 图17-1光电池的示意图 三、需要器件与单元：光电池传感器、光电模块（四种单元混合）、可调光源模块、发 光二极管、专用光电连接筒、专用导线一双声道连线2根等。 四、实验步骤： 1、将发光二极管

50、和光电池传感器分别旋入专用光电连接筒”的左边和右边，并用专用 导线一双声逍连线”（一端为双声道头，另一端为双线实验插头）将发光二极管与可调光源模块 的（红）正负（黑）连接；然后再用一根“专用导线一双声道连线”（即两端均为双声道的插 头）将光电池传感器和“光电模块上的光电池接口 ” Ti”进行连接。接线图如图17-2所示。 图17-2发光二极管及可诡光源模块的接线图 3、关闭可调光源模块的光强开关（逆时针旋转到底），记下电压表的读数（暗电流） 4、顺时针开启可调光源模块的光强调市旋钮，分别记下调肖光强为下表各数值（近 似值）时电压表的读数，并填入表17中。 表17光电池的光电特性 光强(Lx)

51、0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 电压Vo (V ) 5、关闭光强开关，作岀照度一电压曲线。 6 .根据实验十四、十五、十六、十七的结果，比较四个光电元件的光照特性的不同点。 实验十八 气敏传感器实验 一. 实验目的：了解气敏传感器原理及特性。 二、基本原理 气敏传感器(又称气敏元件)是指能将被测气体浓度转换为与其成一泄关系的电量输岀的装苣 或器件。它一般可分为：半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等。本实验所采 用的SnO2 (氧化锡)半导体气敏传感器是对酒精敏感的电阻型气敏元件；该敏感元件由纳米级 SnO2及适当掺杂混合剂烧结

52、而成，具微珠式结构，应用电路简单，可将传导性变化改变为一个 输出信号，与洒精浓度对应。传感器对酒精浓度的响应特性曲线、实物原理如图181所示。 Vo 46/62 (a) TP-3酒精浓度一输出曲线 (b)传感器原理图 图18-1酒精传感器响应特性曲线.实物及廉理图 三. 需用器件与单元 主板电压/频率表、直流稳压电源：气/湿敏传感器模块、酒精棉球。 四. 实验步骤： 1. 气敏(酒精)传感器实验接线示意图如图182所示。 2. 将电压/频率表量程切换到20V档。检査接线无误后合上主电源开关，传感器通电较长时 间（至少5分钟以上，因传感器长时间不通电的情况下，内阻会很小，上电后V。输出很大，不能

53、 即时进入工作状态）后才能工作。 3. 调节RW使第一颗灯D1亮，然后用自备的酒精小棉球靠近传感器端面，并吹2次气，使 洒精挥发进入传感网内，观察指示灯变化及电压表读数变化。实验完毕，关闭主电源。 实验十九湿敏传感器实验 一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及特性。 二、基本原理 湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度，一般多用相对湿度概念，即在一泄温 度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值（用百分比表示），称为相对湿度（用RH表 示）。英单位为RH。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的 这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水

54、分子亲和力型，本实 验所采用的属水分子亲和力型中的髙分子材料湿敏元件（湿敏电阻）。它的原理是采用具有感湿功 能的高分子聚合物（髙分子膜）涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上，导电机理为水分子的存在影响 高分子膜内部导电离子的迁移率，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元 件阻抗随相对湿度变化成对数变化，一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的 线性电压信号输岀以制成湿度传感器模块形式。湿敏传感器实物、原理框图如图191所示。当 传感器的工作电源为+5V5%时，湿度与传感器输岀电压对应曲线如图192所示。 湿敏传感器 1 q +5V 多谐振荡器 图191湿敏传感器实物.原理

55、框图 ttrtitSK 图19 -2湿度一输出电压曲线 三、需用器件与单元：主板电压/频率表、直流稳压电源电源：湿敏传感器、潮湿小棉球。 四、实验步骤： 1. 按图193示意接线。 2. 将电压/频率表量程切换到20V档，检査接线无误后合上主电源开关。传感器通电先预热 5分钟以上，待电压/频率表显示稳泄后电圧值，调节RW使第一颗灯D1亮。 3. 将潮湿小棉球近距离（可以多准备几个潮湿度不同的小棉球，分别测量实验。）放置在传 感器的端口，观察指示灯变化及电压表读数变化实验完中，关闭所有电源。 实验二十压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法

56、。 二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，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，这种物理现象我们称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的 弹性元件，在它上而直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）组成电桥。在压 力 （压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变 化，经电桥转换成电压输出，则其输岀电压的变化反映了所受到的压力变化。图201为压阻式 压力传感器压力测量实验原理图。 三、需用器件与单元：压力传感器模块、铜三通、手捏

57、气泵、压力表：主板中的电压/频率 表、直流电源、特制六芯线。 四、实验步骤： 1. 压力传感器模块放置在主控盒上，并用特制六芯线连接电阻应变式模块底部的电源孔到 实验箱的电源孔。 2. 在主板上按图20-2接线，将电压/频率表量程切换开关切到2V档。检查接线无误后合 上实验箱主电源开关。将模块的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底，调卩调零电位器，使电压 表显示电压为零（接4根线）。 3. 调零完毕按图20-3接线，并连接气压嘴到压力传感器头（图20-4为压力表结构示意 图），锁紧手捏气泵的单向阀，仔细地反复手捏（注意：用力不要过大）气泵并同时观察压力 表，压力上升到4Kpa左右时调节压力传感器模

58、块的调零电位器，使电压表显示为相应的0.4V左 右。再仔细地反复手捏气泵压力上升到36Kpa左右时调节压力传感器模块的增益电位器，使电压 表相应显示3. 6V左右。 4. 仔细地慢悠悠松开手捏气泵的单向阀，使压力慢慢下降到4Kpa时锁紧气泵的单向阀， 调节压力传感器模块的调零电位器，使电压表显示为相应的0.400V。再仔细地反复手捏气泵压 力上升到36Kpa时调节压力传感器模块的增益电位器，使电压表相应显示3. 6V。 5. 重复步骤4过程，直到认为已足够精度时调节手捏气泵使压力在436KPa之间变化，每上 升4KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表20。 图20 3压阻式圧力传感器测压实

59、验接线图 图20-4 压力表结构示总图 表20压阻式斥力传感器测乐实验数据 P(KPa) 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Vo(p-p) 6.画出实验曲线讣算本系统的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭所有电源。 实验二一 K热电偶测温特性实验 一. 实验目的：了解热电偶测温原理及方法和应用。 二、基本原理：1821年徳国物理学家赛贝克（TJSeeb亡ck）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。这种物理现彖称为 热电效应（塞贝克效应）o A C匚 T 热电势测量 -e B To C 热电偶测温原理是利用热电效应。如图2

60、1-1所 示，热电偶就是将A和B二种不同金属材料的一端焊接 而成。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 图211 K型热电偶 温度T。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T。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 （银珞-银硅或银铝）热电偶，并且有相应的分度（见附表）表即参考端温度 为0 C时的测量端温度与热电动势的对应关