现代传感器技术及应用补充实验指导书

1、现代传感器技术及应用补充实验指导书现代传感器技术及应用补充实验指导书深圳市中科鸥鹏智能科技有限公司·版权所有- 2 -申明深圳市中科鸥鹏智能科技有限公司保留该指导书所有权利。深圳市中科鸥鹏智能科技有限公司（以下简称中科鸥鹏）保留在不事先通知的情况下修改本指导书中的任何内容的权利。中科鸥鹏不承担由于使用本指导书不当，所造成直接的、间接的、附带的损失和责任。产品中涉及到的电源及信号均有极性和相应的电压值，在使用的过程中请严格按照产品标识正确分辨正负极性及量程，并避免在产品的使用过程中带电插拔，中科鸥鹏没有义务或责任对不当操作所造成的直接或间接的损失负责。本实验指导书中所用到的设备都属于贵

2、重设备，严禁用力敲击或撞击，禁止从高处摔落。禁止l 非常感谢您选购中科鸥鹏产品。l 在您做实验之前请先仔细阅读此指导书，保证正常使用。l 请将此指导书妥善保存，以便随时查阅。l 本指导书中的内容和产品规格，以发布时设备的相关配置为准，如有变动，恕不另行通知。l 本指导书如有缺漏或错印，敬请通知本公司，多谢合作！目 录第1章 TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块实验指导书1实验模块概述1实验1 电阻应变式称重传感器特性及应用6实验2光敏电阻特性及应用6实验3光敏二极管应用-光照强度测量13实验4光电开关的应用-开关量测量17实验5 HEL-776铂电阻温度传感器-温度测量20实验6 9015

3、三极管的应用-温度测量21实验7 AD590集成温度传感器的应用-温度测量24实验8 CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量24实验9 V-TO-F电压频率转换28实验10 F-TO-V频率电压转换32实验11 V-TO-I电压电流转换36实验12 I-TO-V电流电压转换38第2章TS-EWP-2A电涡流霍尔传感器特性实验指导书43实验1 电涡流传感器静态特性测距实验43实验2 电涡流传感器距离测量实验及误差分析实验48实验3 模拟霍尔位置传感器静态特性测量实验50实验4 模拟霍尔位置传感器位移测量及误差分析实验53第3章TS-ULS-02超声波红外位移测量实验指导书57实验1 超声波

4、位移测量实验57实验2 红外位移测量模块59第4章 测试信号仿真实验指导书63实验1 基于数学表达式的信号生成63实验2 采样信号量化误差分析64实验3 频率混叠和采样定理66实验4 典型信号的时域统计分析68实验5 典型信号的相关分析70实验6 典型时域信号的频域分析73实验7 周期信号波形的合成与分解75实验8 窗函数及其对频谱的影响76实验9 数字滤波80实验10 调制与解调82第5章 多功能转子速度测量误差分析实验指导书86实验1 采样频率对误差的影响86实验2数据处理方法对转速测量误差的影响实验8842第1章 TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块实验指导书实验模块概述TS-OSC

5、-7A传感器开放电路实验模块的主要目的是为学生进行基础传感器实验提供一个开放的、透明的实践平台，让学生通过自己动手搭建传感器信号处理电路和放大电路，更详细的了解常用传感器及其相关信号提取和处理方法。该平台为学生提供一块实验主板和两套实验对象。两套实验对象中，一套是出厂前完成测试的完整模块，提供给老师和学生进行验证性实验，另一套是可以让学生自行搭建电路的散件。这样的安排既可以减少老师备课的时间，又能提高学生的动手能力，同时学生通过亲自动手搭建电路进行实验也能加深学生对所学知识的理解和掌握。图1-1所示为传感器开放电路实验模块的实验主板。图1-1 传感器开放电路实验模块实验主板 电源模块；PWM脉

6、宽调制模块；全桥信号处理模块信号输出模块；面包板；电源测试口各模块的功能：l 电源模块：该模块为各实验模块提供稳定的电源，模块中能提供的电源有+24V、+12V、-12V、+5V。这些电源都是通过一个5PIN的电源接口从外部的多路输出电源模块引入，然后在实验主板上统一管理。l PWM脉宽调制模块：该模块通过调制脉宽控制功率管的开关速率，进而控制电机的转速或者是制热片的加热时间。S5为该模块的电源开关。S6为功能选择开关，当拨到“Heat-UP”位时进行制热片的加热控制，当拨到“Motor”位时进行电机转速的控制。R28为脉宽调制电阻，改变该阻值及可改变信号高电平的持续时间，进而改变功率管的开关

7、速度。l 全桥信号处理模块：该模块是经典的桥式信号处理电路，主要对电阻应变片称重传感器的信号进行线性放大处理，当然也可以扩展到其他可以组成桥式测量电路的传感器的应用。该电路精度高，稳定性好。为该模块配备的实验对象为电阻应变片称重传感器，实物如图1-2所示。图1-2 电阻应变片称重传感器l 信号输出模块：该模块可为传感器信号提供保护功能，保证输出信号的稳定性。l 面包板：为模块的搭建提供一个多用途的开放式的实验平台。l 电源测试口：主板上的每路电源都安排了可插万用表表笔的端子，既方便又实用。传感器开放电路实验模块配置了12个实验模块，这些实验模块采用了标准化的引脚和封装形式，图1-3所示为这些实

8、验模块的标准引脚说明及封装图。如下表1-1所示为实验模块引脚定义。图1-3 实验模块引脚说明及封装表1-1实验模块的引脚定义引脚功能1、2+12V3、4-12V5NC(有外部信号输入时作为信号输入端，没有外部信号输入时，此引脚悬空)6、7GND（公共地）8OUT5(第5信号输出脚)9OUT4(第4信号输出脚)10OUT3(第3信号输出脚)11OUT2(第2信号输出脚)12OUT1(第1信号输出脚)13、14+5V对于引脚的定义说明，以“M0光敏电阻特性测量”实验模块为例。图1-4所示为M0模块引脚说明：第13、14脚为+5V第5脚，有信号输入时做信号输入端，无信号输入时悬空第6、7脚为GND第

9、3、4脚为-12V第12脚为OUT1第1、2脚为+12V图1-4 M0模块引脚说明表1-2 12个实验模块功能及相关参数表模块标号及功能外形图涉及的引脚、电压M0光敏电阻特性测量需要用到+5V（第13、14脚）、GND（第6、第7脚）、信号输出（第12脚）。输出信号类型：05V模拟信号M1光敏电阻-光照强度测量需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、+5V（第13、14脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。输出信号类型：05V模拟信号M2光敏二极管应用-光照强度测量需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。输

10、出信号类型：05V模拟信号M3光电开关的应用-开关量测量需要用到+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚、信号输出（第12脚）。输出信号类型：05V电平信号M4HEL-776铂电阻温度传感器-温度测量需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。输出信号类型：05V模拟信号M59015三极管的应用-温度测量需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输出（第12脚）。输出信号类型：05V模拟信号M6AD590集成温度传感器的应用-温度测量需要用到+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚、信号输出（第12

11、脚）。输出信号类型：05V模拟信号M7CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量需要用到+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚、信号输出（第12脚）。输出信号类型：05V模拟信号M8V-TO-F电压频率转换需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。输入信号类型：05V电压信号输出信号类型：05KHz频率M9F-TO-V频率电压转换需要用到+12V（第1、2脚）、+5V（第1、2脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。输入信号类型：05KHz频率输出信号类型：05

12、V电压信号M10V-TO-I电压电流转换需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。输入信号类型：05V电压信号输出信号类型：420mA电流信号M11I-TO-V电流电压转换需要用到+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）、GND（第6、7脚）、信号输入（第5脚）、信号输出（第12脚）。输入信号类型：420mA电流输出信号类型：05V电压信号每个实验都配备了一个实验小模块和一套完整的直插式元器件散件。实验模块出厂时已测试完成，提供给老师或学生进行验证性实验，另外的一套直插式元器件散件供学生进行动手实践，以提高学生

13、的动手能力，加深对所学知识的掌握程度。实验小模块的使用方式是直接把模块插入面包板中，然后根据该模块需要的电压，从主板中一一引入，把信号输出口（第12脚）通过跳线引到信号输出模块的“T4”或“T5”口，然后用数据线把信号引到数据采集卡的AD通道。图1-5所示为实验模块的使用例图。把模块插入面包板中，然后把需要的电压一一引入图 1-5 实验小模块使用例图直插式元器件散件的使用方式是根据教材或说明书中提供的配套实验电路进行电路的搭建，完成电路的测量。以光敏电阻光照强度测量实验为例进行说明，如图1-6所示为说明书中提供的实验电路原理图，根据该电路图在面包板上搭建实验电路如图1-7所示。图 1-6 光敏

14、电阻光照强度测量电路原理图图1-7 在面包板上搭建的光照强度测量实验电路TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块提供了13个实验内容，其中12个内容以小模块的形式出现，另一个实验内容为电阻应变式称重传感器特性及其应用，该部分实验的信号处理电路安排在实验主板上。实验1 电阻应变式称重传感器特性及应用参见现代传感器技术及应用教材第3章任务1。实验2光敏电阻特性及应用基本原理在光线的作用下，引起材料电导率的变化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种物理效应。光照愈强，器件本身电阻愈小。基于这种效应的光电器件称为光敏电阻。光敏电阻的符号和外形如图1-8所示。用来制作光敏电阻的典型材料有

15、硫化镉(CdS)及硒化镉(CdSe)两种。光敏电阻的CdS或CdSe沉积膜面积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积膜做成“弓”字形，以增大受光面积。光敏电阻工作时的响应速度较慢，如CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。图1-8 光敏电阻符号及实物图光敏电阻的特性测量特性测量需要的组件和设备l 开放式传感器电路实验主板l M0光敏电阻特性测量模块l TS-INQ-8U多通道数据采集模块l M0元件包l 跳线若干l PC机l 万用表l 传感器特性测量.

16、vi如图1-9 所示为M0光敏电阻特性测量模块。图1-9 M0光敏电阻特性测量模块用电路模块进行传感器特性曲线的测量步骤1. 把+5V的电源开关拨到“OFF”，选择“M0 光敏电阻特性测量模块”,插在实验主板的面包板上，从主板上把+5V电源和GND地通过跳线分别引到模块M0的+5V（第13、14脚）和GND（第6、7脚）。用跳线把M0模块的12脚的信号引到信号输出模块的T4或T5接口处。再通过数据线把BNC接口处的信号送到数据采集卡的通道5或通道6。2. 打开+5V电源模块的开关，拨到“ON”一侧。3. 如图1-10所示在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感

17、器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行光敏电阻特性的测量。图1-10 传感器特性测量程序界面4. 在实验过程中改变cds光敏电阻的光照状况，用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第一次采集时的量”后的控件内。点击“第一次采集”按钮，采集当前光照状况下M0模块的输出电压值。5. 再调整光敏电阻受光面的光照状况，接着用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第二次测量时的量” 后的控件内。点击“第二次采集”按钮，采集当前光照状况下M0模块的输出电压。6. 重复步骤5，进行多次测量，点击“画特性曲线

18、”按钮绘制cds光敏电阻的特性曲线，另外把测量数据填入下表1-3中。表1-3光强（Lx）电压（mv）按照表中的数据在如下图所示的直角坐标系中手动绘制特性曲线并分析该特性。电压（mV）光照强度（Lx）图1-11 光敏电阻光照特性曲线动手搭建电路进行传感器特性曲线的测量步骤：1. 图1-12所示为M0光敏电阻特性测量电路原理图。把+5V的电源开关拨到“OFF”，在传感器实验电路主板的面包板上搭建好电路，连接好相应的电源和地线。把信号线连接到信号输出模块的T4或T5口，连接信号到多通道数据采集模块的通道5或通道6。图1-12 cds光敏电阻实验电路原理图2. 把+5V电源的开关拨到“ON”一侧，打开

19、电源开关。3. 在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”（也可选择“6”），采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行光敏电阻特性的测量。4. 以下详细的测量过程与“用电路模块进行传感器特性曲线的测量步骤”中相同，请参照此过程进行。光敏电阻光照强度测量实验光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化，它们之间的关系是非线性的，基本呈对数特性。若采用简单电子元件对光电流进行对数压缩，使光敏电阻的光电流与光照强度呈线性变化，就可以构成等间隔刻度的照度计。对数压缩一般采用对数二极管。1Lux以上的照度范

20、围，采用一般的整流二极管就可以获得期望的特性曲线。实验所需要的组件和设备l 开放式传感器电路实验主板l M1光敏电阻-光照强度测量模块l TS-INQ-8U多通道数据采集模块l M1元件包l 跳线若干l PC机l 万用表l 传感器特性测量.vil 光敏电阻-光照强度测量.vi如图1-13所示为M1光敏电阻-光照强度测量模块。图1-13 光敏电阻-光照强度测量模块光敏电阻通过对数二极管进行对数压缩后，理论上其光电流与光照强度成线性关系。 在实际应用时，并不知道这线性关系具体是什么样的，也不知道这线性关系的函数表达式是什么。这就给传感器的应用带来了一定的困难。在传感器应用过程中，首先要知道该传感器

21、的输入输出曲线是什么样的，才能根据数学方法拟合出该关系曲线的函数关系式，然后才能利用该函数关系式进行相关量的测量。在光敏电阻的应用过程中也是如此，我们首先要测量出该传感器经过对数压缩后的线性函数表达式，才能利用光敏电阻完成相关量的测量。用电路模块进行光照强度的测量步骤1. 把+5V、+12V、-12V的电源开关拨到“OFF”，选择“M1光敏电阻-光照强度测量模块”,插在实验主板的面包板上，从主板上把+5V、+12V、-12V电源和GND地通过跳线分别引到模块M1的+5V（第13、14脚）、+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）和GND（第6、7脚）。用跳线把M1模块的12脚的信号引到信

22、号输出模块的T4或T5接口处。再通过数据线把BNC接口处的信号送到数据采集卡的通道5或通道6。2. 打开+5V、+12V、-12V电源模块的开关，拨到“ON”一侧。3. 如下图1-14在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行光敏电阻对数压缩后的线性关系的测量。图1-14 传感器特性测量程序界面4. 在实验过程中改变cds光敏电阻的光照状况，用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第一次采集时的量”后的控件内。点击“第一次采集”按钮，采集

23、当前光照状况下M1模块的输出电压值。如果改变光照强度状况后电压变化量比较小，可以调整M1模块上的电阻VR1的阻值调整电路的放大倍数。5. 再调整光敏电阻受光面的光照状况，接着用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第二次测量时的量”后的控件内。点击“第二次采集”按钮，采集当前光照状况下M1模块的输出电压。6. 重复步骤5，进行多次测量，点击“画特性曲线”按钮绘制cds光敏电阻经对数压缩后的线性曲线，另外把测量数据填入表1-4中。表1-4光强（Lx）电压（mv）按照表中的数据在图1-15所示的直角坐标系中手动绘制特性曲线并分析该特性。图1-15 光照强度-电压曲线7. 简要分析该特性曲

24、线的线性度。线性曲线通常用函数关系式y=k*x+b表示，其中横坐标x表示光照强度（Lx），纵坐标y表示传感器输出的电压。当传感器的输出电压为已知量而被测对象为未知量时，该线性函数关系式则可表示为：x=(y-b)/k，也就是说利用线性函数关系式就可以实时的测量传感器的输出电压进而计算出被测对象的量。这也就是利用光敏电阻进行光照强度测量的方法。8. 用数学方法拟合出第“6”步中绘制的线性曲线的函数关系式，并用y=k*x+b表示。9. 如图1-16所示，在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“光敏电阻-光照强度测量.vi”程序。图1-16 光敏电阻-光照强度测量10.

25、把第“8”步中计算出来的y=k*x+b函数表达式中的“k”值和“b”值分别填入程序面板中的“K值”和“b值”控件内。点击如下图1-17所示的按钮运行程序。点击“运行按钮”图1-17 运行按钮11. 改变光照强度，进行光敏电阻-光照强度测量实验。12. 测量结束后，请先点击“停止”按钮结束程序运行，然后再退出程序。动手搭建电路进行光照强度的测量步骤在动手实践时，需要利用配置的元器件包搭建电路进行实验，实验内容与验证性实验相同，都是先进行传感器线性曲线的测量拟合出线性函数关系式，然后再利用该函数关系式进行光照强度的测量。1. 如下图1-18所示为M1光敏电阻-光照强度测量电路原理图。把+5V、+1

26、2V、-12V的电源开关拨到“OFF”，在传感器实验电路主板的面包板上搭建好电路，连接好相应的电源和地线。把信号线连接到信号输出模块的T4或T5口，连接信号到多通道数据采集模块的通道5或通道6。图1-18 M1光敏电阻-光照强度测量电路原理图2. 检查接线无误后，把+5V、+12V、-12V电源的开关拨到“ON”一侧，打开电源开关。3. 在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”（也可选择“6”），采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行光敏电阻线性曲线的测量。4. 以下详细的测量过程

27、与“用电路模块进行光照强度的测量”相同，请参照此过程进行。实验3光敏二极管应用-光照强度测量基本原理根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。光敏二极管是根据硅PN结受光照射后产生的光电效应原理制成的。光敏二极管具有光生伏特效应，当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的两端电压也

28、发生变化。有光照射时导通，没有光照射时截止，光电流和照度成线性关系。光敏二极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质所决定。光敏二极管的最大工作频率为几十兆赫兹。实验需要的组件和设备l 开放式传感器电路实验主板l M2 光敏二极管应用-光照强度测量模块l TS-INQ-8U多通道数据采集模块l M2元件包l 跳线若干l PC机l 万用表l 传感器特性测量.vil 光敏二极管应用-光照强度测量.vi图1-19所示为M2 光敏二极管应用-光照强度测量模块。图1-19 光敏二极管应用-光照强度测量模块用电路模块进行光照强度测量步骤光敏二极管的光电流与光照强度成线性关系。在光敏二

29、极管的应用实验中，需要先进行光敏二极管特性曲线的测量，计算线性函数关系式，然后才能利用该函数关系式进行光照强度的测量。1. 把+5V、+12V、-12V的电源开关拨到“OFF”，选择“M2 光敏二极管应用-光照强度测量模块”,插在实验主板的面包板上，从主板上把+12V、-12V电源和GND地通过跳线分别引到模块M2的+5V（第13、14脚）、+12V（第1、2脚）、-12V（第3、4脚）和GND（第6、7脚）。用跳线把M2模块的12脚的信号引到信号输出模块的T4或T5接口处。再通过数据线把BNC接口处的信号送到数据采集模块的通道5或通道6。2. 打开+5V、+12V、-12V电源模块的开关，拨

30、到“ON”一侧。3. 如下图1-20所示，在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行光敏电阻对数压缩后的线性曲线的测量。图1-20 传感器特性测量程序界面4. 在实验过程中改变光敏二极管受光面的光照状况，用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第一次采集时的量”后的控件内。点击“第一次采集”按钮，采集当前光照状况下M2模块的输出电压值。5. 再调整光敏二极管受光面的光照状况，接着用照度计测量该光照状况下的光照强度，把测量值填入“第二次

31、测量时的量”后的控件内。点击“第二次采集”按钮，采集当前光照状况下M2模块的输出电压。6. 重复步骤5，进行多次测量，点击“画特性曲线”按钮绘制光敏二极管的线性曲线，另外把测量数据填入下表1-5中。表1-5光强（Lx）电压（mv）按照表中的数据在如下图1-21所示的直角坐标系中手动绘制特性曲线并分析该特性。图1-21 光照强度-电压曲线7. 简要分析该特性曲线的线性度。线性曲线通常用函数关系式y=k*x+b表示，其中横坐标x表示光照强度（Lx），纵坐标y表示传感器输出的电压。当传感器的输出电压为已知量而被测对象为未知量时，该线性函数关系式则可表示为：x=(y-b)/k，也就是说利用线性函数关系

32、式就可以实时的测量传感器的输出电压进而计算出被测对象的量。这就是利用光敏二极管进行光照强度测量的方法。8. 用数学方法拟合出第“6”步中绘制的线性曲线的函数关系式，并用y=k*x+b表示。9. 如图1-22所示，在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“光敏二极管应用-光照强度测量.vi”程序。图1-22 光敏二极管应用-光照强度测量10. 把第“8”步中计算出来的y=k*x+b函数表达式中的“k”值和“b”值分别填入程序面板中的“K值”和“b值”控件内。点击如下图1-23所示的按钮运行程序。点击“运行按钮”图1-23 运行按钮11. 改变光照强度，进行光敏二极管应

33、用-光照强度测量实验。12. 测量结束后，请先点击“停止”按钮关闭程序运行，然后再退出程序。动手搭建电路进行光照强度测量步骤该任务需要利用配置的元器件包搭建电路进行实验，实验内容与验证性实验相同，都是先进行传感器线性曲线的测量拟合出线性函数关系式，然后再利用该函数关系式进行光照强度的测量。1. 如下图1-24所示为M2 光敏二极管应用-光照强度测量电路原理图。把+5V、+12V、-12V的电源开关拨到“OFF”，在传感器实验电路主板的面包板上搭建好电路，连接好相应的电源和地线。把信号线连接到信号输出模块的T4或T5口，连接信号到多通道数据采集模块的通道5或通道6。图1-24 M2光敏二极管应用

34、-光照强度测量电路原理图2. 检查接线无误后，把+5V、+12V、-12V电源的开关拨到“ON”一侧，打开电源开关。3. 在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”（也可选择“6”），采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行光敏二极管特性曲线的测量。4. 以下详细的测量过程与“用电路模块进行光照强度的测量”相同，请参照此过程进行。实验4光电开关的应用-开关量测量基本原理红外线是波长为780nm1mm的光波，人眼是看不见的。红外线光电开关（光电传感器）是利用被检测物体对红外光束的遮光或反

35、射，通过同步回路的通断来检测物体的有无，被检测物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为： 1.漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当只有漫反射板阻挡光路时，被漫反射的光无法反射到接收器，传感器处于“关”状态。当被检测物体经过光路时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率很高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。2.镜反射式光电开关镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反光镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完

36、全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。3.对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U形槽阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 5.光纤式光电开关光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光

37、线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。本实验选配了U形槽式光电开关作为实验使用的光电传感器。当发射管和接收管之间有物体遮挡时，接收管截止，输出高电平电压。当发射管和接收管之间没有物体通过时，接收管接由于收到红外信号而导通，此时输出为低电平。现实生活中通常利用光电开关的这种特性来进行限位报警、零件计数、转速测量等。实验需要的组件和设备l 开放式传感器电路实验主板l M3 光电开关的应用-开关量测量模块l TS-INQ-8U多通道数据采集模块l M3元件包l 跳线若干l PC机l 万用表l 光电开关的应用-开关量测量.vi如下图1-25所示为M3光电开关的应用

38、-开关量测量模块。图1-25 M3光电开关的应用-开关量测量模块用电路模块进行开关量的测量步骤1. 把+5V的电源开关拨到“OFF”，选择“M3 光电开关的应用-开关量测量模块”,插在实验主板的面包板上，调整电机的位置，使电机的转盘在光电开关的凹槽内。从主板上把+5V电源和GND地通过跳线分别引到M3模块的+5V（第13、14脚）和GND（第6、7脚）。用跳线把M3模块的12脚的信号引到信号输出模块的T4或T5接口处。再用数据线把BNC接口处的信号送到数据采集卡的通道5或通道6。2. 打开+5V电源模块的开关，拨到“ON”一侧。3. 如下图1-26所示在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模

39、块-程序VI”文件夹中打开“光电开关的应用-开关量测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。运行程序进行开关量的测量。图1-26 光电开关的应用-开关量测量4. 把电源模块中+12V的电源开关拨到“ON”打开+12V的电源。在PWM脉宽调制模块中把“S5”拨位开关拨到“ON”，把“S6”拨位开关拨到“Motor”一侧选择电机调速功能。改变“R28”电阻的阻值即可改变电机的转速。电阻往标有“F”方向调整时电机的转速加快，往标有“S”的方向调整时电机的转速减慢。5. 对于开关量的测量，转速不能太快，由于人的眼睛视觉的暂留问题，转速太快，软

40、件上“有遮挡”和“无遮挡”栏的指示会分辨不出来。如果想要效果明显一些，可以直接用不透光的卡片在光电开关的U型槽内划过，皆可看到明显的开关量的指示。6. 当然光电开关也可以应用到电机转速的测量、零件计数等方面。动手搭建电路进行开关量的测量步骤本实验需要利用配置的元器件包搭建电路进行实验，实验内容与验证性实验相同。1. 图1-27所示为M3光电开关的应用-开关量测量模块电路原理图。图1-28所示为实验所选的光电开关的俯视图。把+5V的电源开关拨到“OFF”，在传感器实验电路主板的面包板上搭建好电路，调整电机的位置，使电机的转盘在光电开关的凹槽内，连接好相应的电源和地线。把信号线连接到信号输出模块的

41、T4或T5口，连接信号到多通道数据采集模块的通道5或通道6。图1-27 M3 光电开关的应用-开关量测量模块电路原理图图1-28 光电开关俯视图2. 打开+5V电源模块的开关，拨到“ON”一侧。3. 如图1-29所示，在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“光电开关的应用-开关量测量.vi”LabVIEW程序，选择采样通道选择“5”，采样频率选择“1”，采样长度选择“2048”。图1-29 光电开关的应用-开关量测量程序4. 把电源模块中+12V的电源开关拨到“ON”打开+12V的电源。在PWM脉宽调制模块中把“S5”拨位开关拨到“ON”，把“S6”拨位开关拨到“

42、Motor”一侧选择电机调速功能。改变“R28”电阻的阻值即可改变电机的转速。电阻的旋钮往标有“F”方向调整时电机的转速加快，往标有“S”的方向调整时电机的转速减慢。5. 对于开关量的测量，转速不能太快，由于人的眼睛视觉的暂留问题，转速太快，软件上“有遮挡”和“无遮挡”栏的指示会分辨不出来。如果想要效果明显一些，可以直接用不透光的卡片在光电开关的U型槽内划过，皆可看到明显的开关量的指示。6. 可自行设计利用光电开关进行电机转速测量的LabVIEW程序。实验5 HEL-776铂电阻温度传感器-温度测量参见现代传感器技术及应用第2章任务2。实验6 9015三极管的应用-温度测量基本原理由晶体管的特

43、性分析知道，硅三极管的Vbe电压与绝对温度T和集电极电流Ic之间有如下关系：式中：Eg为PN结的禁带宽度； 为与基极偏压有关的常数；为由基区少数载流子的温度特性决定的常数；Q 为单位电荷；k为波耳兹曼常数。因此，当Ic恒定时，在温度不太高的情况下，Vbe与温度T成线性关系。实验需要的组件和设备l 开放式传感器电路实验主板l TS-INQ-8U多通道数据采集模块l 9015 三极管的应用-温度测量M 5 模块；l M5元件包l 热源（制热片）l 万用表、温度计l 跳线若干l 传感器特性测量.vil 9015三极管的应用-温度测量.vi图1-30所示为9015三极管的应用-温度测量M5模块。图1-

44、30 9015三极管的应用-温度测量M5模块用电路模块进行特性曲线的测量1. 把9015 三极管的应用-温度测量M5 模块插到实验主板的面包板上，并按照M5模块的引脚说明进行相应的连线。把主板上的+12V电源接到M5模块的第1脚或第2脚，-12V电源接到第3脚或第4脚，地线GND接到第6或第7脚，第12脚引到主板的信号输出模块的T4或T5处，第12脚为模块M5的信号输出点。2. 确认接线无误后，接通主板上+5V、+12V、-12V的电源，把相应的开关拨到“ON”一侧。3. 按图1-31所示在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“传感器特性测量.vi”图1-31 传

45、感器特性测量实验程序4. 在“采样通道”一栏内选择通道5（该通道号与多通道数据采集模块的通道号相同），在“采样频率”一栏内选择合适的采样频率（通常为10KHz），在“采样长度”一栏内选择合适的采样长度（通常为2048字节），运行程序进行传感器特性的测量。5. 打开电源模块的+12V电源开关，把PWM脉宽调制模块中的功能选择按钮“S6”拨到“Heat-up”一侧，把“S5”按钮拨到“ON”一侧，打开该模块的电源。改变电阻R28的阻值改变制热片的制热时间。加热到一定程度后即可关闭电源，即把“S5”按钮拨到“OFF”。6. 让传感器的测量面和数字温度计的探头同时接触制热片的表面，把数字温度计的测量值

46、填入程序面板的“第一次测量时的量”后的控件内。点击“第1次采集”按钮读取当前温度下的M5模块输出的电压值，完成第一个量的测量。操作过程中要注意方法防止烫伤。7. 制热片的温度改变后，再把数字温度计的探头和9015的测量面接触制热片的表面进行第二次的测量，此时的温度值填入“第二次测量时的量”后的控件内。然后点击“第二次采集”按钮进行第二次电压的采集。8. 重复第“7”步的实验过程直到采集到足够多的数据为止。9. 随着时间的推移，制热片的温度会慢慢下降，在下降过程中可间断的进行很多次的测量。10. 进行多次测量后，将实验结果填入如下表1-6所示的表格中。最后点击“画特性曲线”按钮在程序窗口绘制90

47、15温度传感器的特性曲线。表1-6电压（mv）温度（）11. 根据工作过程中测得的数据，在直角坐标系中绘制9015温度传感器的温度与电压的关系曲线，并分析该曲线的特点。12. 拟合出该特性曲线的函数关系式。分析其线性度。注意：利用制热片对温度传感器进行加热的过程中，注意操作的方法，避免烫伤手。动手搭建电路进行特性曲线的测量1. 如下图1-32所示为9015三极管应用-温度测量电路原理图。按照该电路原理图在主板面包板上搭建好电路。图1-32 9015三极管应用-温度测量电路电路原理图2. 把电路输出端用跳线连接到信号输出模块的T4或T5口；把信号通过数据线引到多通道数据采集模块的通道5接口。3.

48、 检查电路连接是否正确，把主板电源模块上的+12V、-12V、+5V电源的开关拨到“ON”。4. 用万用表测量T4（万用表测试孔T10）或T5(万用表测试孔T11)端点处的对地电压。5. 打开“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹下的“传感器特性测量.vi”。在“采样通道”一栏内选择通道5（该通道号与多通道数据采集模块的通道号相同），在“采样频率”一栏内选择合适的采样频率（通常为10KHz），在“采样长度”一栏内选择合适的采样长度（通常为2048字节）。运行程序进行特性曲线的测量。6. 打开电源模块的+12V电源开关，把PWM脉宽调制模块中的功能选择按钮“S6”拨到“He

49、at-up”一侧，把“S5”按钮拨到“ON”一侧，打开该模块的电源。改变电阻R28的阻值改变制热片的制热时间。加热到一定程度后即可关闭电源，即把“S5”按钮拨到“OFF”。7. 下面的测量步骤与“用电路模块进行传感器特性曲线的测量”的步骤相同，请参照此步骤进行相应的实验。注意：利用制热片对温度传感器进行加热的过程中，注意操作的方法，避免烫伤手。温度测量实验在上一步骤中，已经完成了9015三极管温度传感器的特性曲线测量，并绘制了传感器的特性曲线。通过分析该曲线便会发现传感器输出电压与温度值成线性关系。我们只要把该曲线进行线性拟合算出函数关系式，并用线性表达式y=k*x+b表示，就可以把该表达式作

50、为进行温度测量的依据运用到传感器的应用任务中。在线性表达式y=k*x+b中，y为纵坐标表示传感器输出的电压，x为横坐标，表示传感器所测环境的温度，k为曲线的斜率，b为截距。下面为测量实验过程。1. 按照任务电路原理图（与特性测量所使用的电路相同），在面包板上搭建好电路，把传感器处理电路的输出信号引到数据采集模块的通道5。2. 检查无误后打开主板上电源模块的电源；打开数据采集模块的电源。3. 如图1-33所示，在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“9015三极管的应用-温度测量.vi”程序。选择好通道号（选择通道5）和采样频率（选择“1”）。在第二步的任务中对传感

51、器特性曲线进行了线性拟合并计算出线性函数表达式y=k*x+b，把该表达式中的截距b和斜率k填入程序的相应空格内，然后运行温度测量程序。把截距b和斜率k填入空格内选择好正确的通道号和采样频率 图1-33 9015三极管的应用-温度测量程序面板4. 把PWM脉宽调制模块的“S6”拨到“Heat-up”一侧，打开主板上的+12V电源开关，把“S5”拨到“ON”一侧，打开该模块的电源。调节电阻R28的阻值改变制热片的发热量时间。让传感器的测量面接触制热片的表面，读出此时测量程序显示的温度值。5. 用任务中所配的工业温度计再进行一次测量，把该值与9015测量的温度值进行比较，分析误差和产生误差的原因。注

52、意：利用制热片对温度传感器进行加热的过程中，注意操作的方法，避免烫伤手。实验7 AD590集成温度传感器的应用-温度测量参见现代传感器技术及应用教材第2章任务1。实验8 CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量基本原理霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=K·I·B/d其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛仑兹力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁

53、场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B 来表征的，当B 值达到一定的程度（如BH）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。其内部原理图及输入输出转移特性如图1-34和图1-35所示图1-34 霍尔开关传感器内部原理图图1-35 霍尔开关传感器输入输出转移特性在实验中选

54、用了TO-92封装的小型直插式霍尔磁性开关传感器，开关量输出，其外形如图1-36所示。图1-36 直插式霍尔磁性开关传感器外观图霍尔开关具有无触电、低功耗、长寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等。实验需要的组件和设备l 开放式传感器电路实验主板l TS-INQ-8U多通道数据采集模块l CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量M 7 模块l M7元件包l 跳线若干l CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量.vi图1-37所示为CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量M7模块。图1-37 霍

55、尔磁性开关的应用-电机转速测量M7模块用电路模块进行电机转速的测量1. 把电源模块的电源开关拨到“OFF”关闭主板的电源。2. 把CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量模块M7插在实验主板的面包板上，CS3020霍尔磁性传感器的探头尽量靠近电机转盘，把+5V、GND引到M7模块的相应引脚上。3. 把信号输出脚（第12脚）用跳线引到信号输出模块的T4或T5端口。然后用数据线连接主板的BNC座和多通道数据采集模块的通道5。4. 在“TS-OSC-7A传感器开放电路实验模块-程序VI”文件夹中打开“CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量.vi”如下图1-38所示。图1-38 CS3020霍尔磁性开关的应用-电机转速测量5. 把电源模块的+12V、+5V电源的开关拨到“ON”一侧。6. 运行程序，开始电机转速的测量。7. 把PWM脉宽调制模块的电源开关（S5）拨到“ON”，把功能选择开关（S6）拨到“Motor”。8. 调节电阻R28的阻值即可调节电机的转速。动手搭