传感器与检测技术实验

1、传感器与自动检测技术实验传感器与自动检测技术实验教师：王雪教师：王雪实验介绍 1. 1.共共5 5次实验，地点主教次实验，地点主教21032103。请大家记好时间、。请大家记好时间、地点。地点。2.2.实验实验3 3人一组，实验台上有组号，每组人一组，实验台上有组号，每组1 1本实验指本实验指导书，实验完成后请将实验指导书放好，不要带走。导书，实验完成后请将实验指导书放好，不要带走。3.3.实验报告纸每人实验报告纸每人5 5张，封面每人张，封面每人1 1张，实验课结张，实验课结束后交实验报告。束后交实验报告。4.4.实验完成后，注意实验台断电，凳子摆放整齐，实验完成后，注意实验台断电，凳子摆放

2、整齐，清理好实验元器件，注意实验室卫生。清理好实验元器件，注意实验室卫生。实验一实验一 压阻式压力传感器的压力压阻式压力传感器的压力测量实验（气源）测量实验（气源）（实验指导书（实验指导书10-1210-12页）页）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方法。了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。二、实验内容1.1.压阻式压力传感器的压力测量（实验八）压阻式压力传感器的压力测量（实验八）2.2.扩散硅压阻式压力传感器差压测量（实验九）扩散硅压阻式压力传感器差压测量（实验九）三、实验器件与单元 检测技术实验台、压力传感器实验模板、检测技术实验台、压力传感器实验模板、三通

3、连接导管（三通连接导管（做完实验后不要动做完实验后不要动）、压力）、压力源源三、实验原理 扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基 片上扩散出片上扩散出P P型或型或N N型电阻条，接成电桥。型电阻条，接成电桥。 在压力作用下根据半导体的压阻效应，在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化变化，引起电阻的变化. . 把这一变化引入测量电路，则其输出电把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。压的变化反映了所受到的压力变化。 1.1.实验进行前，首先要进行调零。

4、实验进行前，首先要进行调零。四、实验步骤2.2.气源噪音较大，在做实验时注意轻轻操作。气源噪音较大，在做实验时注意轻轻操作。3.3.气源接实验操作模板的高压嘴（右边）。气源接实验操作模板的高压嘴（右边）。4.RW14.RW1（调整放大倍数），（调整放大倍数），RW2RW2（调零）。（调零）。5.5.根据步骤根据步骤8 8进行标定实验进行标定实验, ,书上有错误。书上有错误。五、实验数据记录与分析 1.1.根据实验指导书上的表格进行数据记录，并根据实验指导书上的表格进行数据记录，并分析数据。分析数据。 2.2.回答实验指导书思考题提出的问题。回答实验指导书思考题提出的问题。 3.3.总结压阻式压

5、力传感器的作用。总结压阻式压力传感器的作用。 4.4.根据实验九的提示，给出差压测量的方法。根据实验九的提示，给出差压测量的方法。 ( (教师检查后结束实验教师检查后结束实验) )实验二实验二 金属箔式应变片金属箔式应变片 （实验指导书（实验指导书1-51-5页）页） 电阻应变式传感器从电阻应变式传感器从19381938年开始使用到目前，仍然是当年开始使用到目前，仍然是当前称重测力的主要工具前称重测力的主要工具. . 如称重、压力扭矩、位移、加速度等传感器，常见的应用如称重、压力扭矩、位移、加速度等传感器，常见的应用场合如各种商用电子称、皮带称、吊钩称、高炉配料系统、场合如各种商用电子称、皮带

6、称、吊钩称、高炉配料系统、汽车衡、轨道衡等。汽车衡、轨道衡等。电阻应变式传感器最高精度可达万分之一甚至更高，除电阻电阻应变式传感器最高精度可达万分之一甚至更高，除电阻应变片、丝直接用以测量机械、仪器及工程结构等的应变外，应变片、丝直接用以测量机械、仪器及工程结构等的应变外，主要是与种种形式的弹性体相配合，组成各种传感器和测试主要是与种种形式的弹性体相配合，组成各种传感器和测试系统。系统。一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，比较单臂了解金属箔式应变片的应变效应，比较单臂电桥、半桥、全桥工作原理和性能。电桥、半桥、全桥工作原理和性能。二、实验内容1.1.单臂电桥性能实验（实验一）单臂电桥性

7、能实验（实验一）2.2.半桥性能实验（实验二）半桥性能实验（实验二）3.3.全桥性能实验（实验三）全桥性能实验（实验三）三、实验器件与单元 检测技术实验台、应变式传感器实验模检测技术实验台、应变式传感器实验模板、砝码、导线（没有用板、砝码、导线（没有用PCPC机）机）四、实验原理 1. 1. 电阻丝在外力作用下（砝码）发生机械变形时，其阻电阻丝在外力作用下（砝码）发生机械变形时，其阻值发生变化。描述电阻应变效应的关系式为：值发生变化。描述电阻应变效应的关系式为：R/R=KR/R=K. . 式中式中R/RR/R为电阻丝电阻相对变化，为电阻丝电阻相对变化，K K为应变灵敏系数，为应变灵敏系数，=L

8、/LL/L为电阻丝长度相对变化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受力状态变化变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化. . 2. 2. 电桥是完成电阻到电压的比例变化，测取电压值。电桥是完成电阻到电压的比例变化，测取电压值。 (1)(1)单臂电桥单臂电桥: : 输出电压输出电压U01=EK/4U01=EK/4。 (2)(2)半桥：选用不同受力方向的应变片接入电桥作为邻半桥：选用不同受力方向的应变片接入电桥作为邻边。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电边。当两片应变片阻值

9、和应变量相同时，其桥路输出电压压U02=EK/2U02=EK/2。 (3)(3)全桥：将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，全桥：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，其桥路输出电压不同的接入邻边，其桥路输出电压U03=KEU03=KE。输出灵敏。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。改善。 (4)(4)比较：量程不同，精度不同。比较：量程不同，精度不同。 五、实验步骤 （详见实验指导书）1.1.由于实验灵敏度高，根据步骤进行实验，首先要注意调零。由于实验灵敏度高，根据步骤进行实验，首先要注意调零。RW1(

10、RW1(调到中间位置调到中间位置) )RW4RW4（调零后不要再动）（调零后不要再动）-RW2-RW2（数字不跳变）（数字不跳变）2.2.如果线松的话，可以换一下，接线要全部接地。如果线松的话，可以换一下，接线要全部接地。3.3.砝码在放的时候要轻，尽量放到盘子的中间。砝码在放的时候要轻，尽量放到盘子的中间。六、实验数据记录与分析 1.1.根据实验指导书上的表格进行数据记录，并根据实验指导书上的表格进行数据记录，并 分析数据。分析数据。 2.2.回答实验指导书思考题提出的问题。回答实验指导书思考题提出的问题。 3.3.比较单臂电桥、半桥、全桥有什么不同？比较单臂电桥、半桥、全桥有什么不同？实验

11、三实验三 直流激励时霍尔式传感器直流激励时霍尔式传感器位移特性实验和霍尔电子称实验位移特性实验和霍尔电子称实验（实验指导书（实验指导书20-2120-21页，页，2323页）页）一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用了解霍尔式传感器原理与应用。二、实验内容1.1.直流激励时霍尔式传感器位移特性实验（实验十六）直流激励时霍尔式传感器位移特性实验（实验十六）2.2.霍尔传感器应用霍尔传感器应用电子称实验（实验十九）电子称实验（实验十九）三、实验器件与单元 检测技术实验台、霍尔传感器实验模板、检测技术实验台、霍尔传感器实验模板、测微头、数显单元、霍尔传感器、钢片、测微头、数显单元、霍尔传感器、钢片、

12、振动台、砝码振动台、砝码四、实验原理 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。18791879年年美国物理学家美国物理学家霍尔霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，首先在金属材料中发现了霍尔效应，但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着着半导体半导体技术的发展，开始用半导体材料制作霍尔元件。技术的发展，开始用半导体材料制作霍尔元件。霍尔传感器是一种当霍尔传感器是一种当交变磁场交变磁场经过时产生输出电压脉冲经过时产生输出电压脉冲的传感器。脉冲的幅度是由激励磁场的的传感器。脉冲的幅度是由激励磁场的场强决定场

13、强决定的。因的。因此，霍尔传感器此，霍尔传感器不需要外界电源供电不需要外界电源供电。 霍尔效应磁场B电场E电场E作用：电子向右洛仑兹力作用：电子向里电子堆积反向电动势E1:受力向外E1增强电子运动减缓达到平衡U = KIBK：霍尔元件灵敏度。电流1mA，磁场1kG时的输出电压与元件材料性质和几何尺寸有关 根据霍尔效应，霍尔电势根据霍尔效应，霍尔电势U=KIBU=KIB，当霍尔元，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。量。( (感应电场强度与电流密度和磁感应强度之感应电场强度与电流密度和磁感应强度之矢量积矢量积 ) )测量时注意事项测量时

14、注意事项霍尔传感器安装示意图霍尔传感器安装示意图 （调节传感器在线性段的起点上（调节传感器在线性段的起点上中间位置）中间位置）四、实验数据记录与分析 1.1.根据实验指导书上的表格进行数据记根据实验指导书上的表格进行数据记 录，并分析数据。录，并分析数据。 2.2.回答实验指导书思考题提出的问题。回答实验指导书思考题提出的问题。 3.3.总结霍尔式传感器的作用。总结霍尔式传感器的作用。实验四实验四 电容式、光纤传感器的位电容式、光纤传感器的位移实验移实验（实验指导书（实验指导书18-1918-19页，页，31-3231-32） 用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学用电测法测量非电学量

15、时，首先必须将被测的非电学量量转换为电学量转换为电学量。通常非电学量变换成电学量的元件称为。通常非电学量变换成电学量的元件称为变换器变换器，根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置，根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为称为传感器传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为换成电容变化的传感器称为电容传感器电容传感器。 从能量转换的角度而言，电容变换器为从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中

16、的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等都可以进行转换压缩、膨胀、变形等都可以进行转换 。 电容传感器特点：结构简单、灵敏度高、电容传感器特点：结构简单、灵敏度高、分辨力高（可达分辨力高（可达0.01mm0.01mm甚至更高）、动态甚至更高）、动态响应好、可进行响应好、可进行非接触非接触测量测量. . 与电感式比较：电感式是接触测量，只能与电感式比较：电感式是接触测量，只能测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水液位、料位成分含量（如油、粮食中的水份

17、）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应份）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。用。 从从20022002年的年的 诺基亚诺基亚76507650开始，便有了光线传开始，便有了光线传感器，它的好处就是可以根据手机所处环境的光感器，它的好处就是可以根据手机所处环境的光线来调节线来调节手机屏幕手机屏幕的亮度和键盘灯。比如在光线的亮度和键盘灯。比如在光线充足的地方，屏幕很亮，键盘灯就会关闭；相反，充足的地方，屏幕很亮，键盘灯就会关闭；相反，在暗处，键盘灯就会亮，屏幕较暗在暗处，键盘灯就会亮，屏幕较暗( (与与屏幕亮度屏幕亮度的的设置也有关系设置也有关系) )，这样既保护了眼睛又节省了能量，这样既保护了眼

18、睛又节省了能量，一举两得。而且光线传感器在进入睡眠模式的时一举两得。而且光线传感器在进入睡眠模式的时候，会发出蓝色周期性闪动的光，甚是好看。候，会发出蓝色周期性闪动的光，甚是好看。 导光型多模光纤，它由两束光纤组成导光型多模光纤，它由两束光纤组成Y Y型型光纤，探头为半圆分布。一束光纤端部与光纤，探头为半圆分布。一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。换器相接接收光束。 两光束混合后的端部是工作端亦即探头，两光束混合后的端部是工作端亦即探头，它与被测体相距，由光源发出的光通过它与被测体相距，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经

19、被测体反射回来，光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量。换器转换成电压量。一、实验目的及内容了解电容式传感器结构及其特点。（实验十四）了解电容式传感器结构及其特点。（实验十四）了解光纤传感器结构及其特点。（实验三十）了解光纤传感器结构及其特点。（实验三十）二、实验器件与单元 检测技术实验台、电容传感器实验模板、检测技术实验台、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、电容传感器测微头、数显单元、电容传感器 光光纤纤传感器实验模板、光传感器实验模板、光纤纤传感器、反传感器、反射面、导线射面、导线三、实验原理 利用

20、平板电容利用平板电容C=A/dC=A/d和其它结构的关系式通和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择过相应的结构和测量电路可以选择（介电常（介电常数）、数）、A A（正对面积）、（正对面积）、d d（极板间距）中三个参（极板间距）中三个参数。保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，数。保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度则可以有测谷物干燥度(变变) )测微小位移测微小位移( (变变d)d)和测量液位和测量液位( (变变A)A)等多种电容传感器。等多种电容传感器。 电容式传感器C=A（角度和位移）（角度和位移）/d光纤测距原理光纤测距原理当光纤探头端部紧贴被测件

21、时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而光电器件中不能产生电信号。当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，因而相应的发射光锥和接收光锥重合面积越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区也越来越大，有一个线性增长的输出信号。当整个接收光纤端面被全部照亮时，输出信号就达到位移输出信号曲线上的“光峰点”。当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的面积大于，即有部分反射光没有反射进接收光纤。但由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光电器件的输出信号逐渐减弱 光纤传感器：由于光电转换器转换的电压量大小与间距有光纤传感器：由于光电转换器转换的电压量大小与间距有关，因

22、此可用于测量位移。关，因此可用于测量位移。四、实验数据记录与分析 1.1.根据实验指导书上的表格进行数据记录，并根据实验指导书上的表格进行数据记录，并分析数据。分析数据。 2.2.回答实验指导书思考题提出的问题。回答实验指导书思考题提出的问题。 3.3.总结电容式、光总结电容式、光纤纤传感器的作用。传感器的作用。实验五实验五 热电阻测温特性实验热电阻测温特性实验 （实验指导书（实验指导书41-4241-42页）页）一、实验目的及内容热电阻的性能与应用范围（实验三十六）热电阻的性能与应用范围（实验三十六） 热电偶热电偶 实验三十七（选作）实验三十七（选作）二、实验器件与单元 加热源、热电偶加热源

23、、热电偶K K型、型、PT100PT100热电阻、热电阻、温度控制仪、数显单元、温度传感器实验温度控制仪、数显单元、温度传感器实验模板模板热电阻与热电偶的区别：热电阻与热电偶的区别：三、实验原理 利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻在常用铂电阻和铜电阻在0-630.740-630.74以内，电阻以内，电阻R Rt t与温度与温度t t的关系为：的关系为：R Rt t=R=R0 0(1+A(1+At+Bt+Bt t2 2) )R R0 0系温