中科大传感器与检测技术课件09实验与实训项目

第9章实验与实训项目内容提要及学习要求：“传感器与检测技术”是一门理论性和实践性强的课程，实践教学环节的教学质量和效果直接影响到学生对该课程的知识和技能的掌握水平，决定了学生的职业素养和职业能力。该课程的实践教学过程主要包括：验证性实验、操作性训练和设计性实践。传感器与检测技术（第2版）项目一霍尔传感器及应用方法通过该项目学生应掌握的基本技能是：（1）选用霍尔传感器，通过设计简单的传感器应用电路，实现转速和位移的测试。（2）其拓展能力是运用所学的知识和基本技能设计磁学量传感器应用电路。学习该项目之前学生必备知识：（1）常用电子元器件的功能。（2）万用表的使用。（3）传感器的概念。（4）霍尔传感器的工作原理和特性。项目所需设备与器件：（1）集成霍尔传感器3144EU和AH20各一个。（2）集成音乐片9300一片、小功率扬声器一个。（3）三极管NPN型9014和PNP型9015各一只。（4）数字电路实验板一块；（5）电阻4.7k欧、1k欧等。项目内容：（1）验证性实验：利用开关型霍尔传感器制作接近开关。（2）设计性实训：设计和实现一音乐控制电路。项目步骤如下：1．利用开关型霍尔传感器制作接近开关实验目的：（1）了解开关型集成霍尔传感器及其转换电路的工作原理。（2）掌握霍尔传感器的使用方法。（3）设计利用开关型集成霍尔传感器制作接近开关等控制电路。实验步骤如下：（1）按照图9.1，在实验板上搭建电路，当磁铁靠近霍尔元件和离开霍尔元件时，观察发光二极管的变化，记录变化，并分析电路工作原理。（2）按照图9.2，在实验板上搭建电路，当磁路靠近霍尔元件和离开霍尔元件时，观察发光二极管的变化，记录变化，并分析电路工作原理。

图9.1霍尔传感器实验电路1图9.2霍尔传感器实验电路22．设计和实现一音乐控制电路实训目的：（1）了解集成霍尔元件特性参数的测试方法。（2）学会利用给定的霍尔传感器设计一种音乐控制电路。当磁钢靠近霍尔传感器时电路发出乐曲；当磁钢极性翻转或被撤离传感器时，音乐停止。实训要求：（1）按照要求查阅相关电路和元件功能的资料，设计出电路图。（2）在数字实验面板上插接连接电路，注意集成霍尔传感器的极性，确定无误后再接线。（3）检查连线无误后加3V直流工作电压，进行调试。（4）测量磁场变化时霍尔传感器的输出电压值。（5）编写实训报告。内容包括：目的、任务；实训框图及电路设计；调试方法及调试中遇到的问题和分析解决问题的方法；测量数据记录（霍尔传感器的工作电压、工作电流、磁场变化的静态输出）。附1：集成霍尔传感器3144EU简介3144EU开关型霍尔集成传感器，由霍尔元件HG、放大器A、输出晶体管VT、施密特电路和稳定电源等组成。输出信号明快，传送过程无抖动现象，而且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。其内部框图、输出特性和引脚如图9.3所示。传感器通过晶体管VT的集电极单端输出，是以一定磁场电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声效果。工作电源的电压范围较宽，可为3～6V。

图9.3开关集成霍尔元件内部框图、输出特性附2：集成音乐片9300的应用电路简介集成音乐片应用电路如图9.4所示。音乐集成片的工作电压较低，直流电源3V即可工作。使用时，电压不可过大以免烧坏器件。思考题：（1）一个霍尔元件在一定电流控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？（2）试利用霍尔传感器设计一转速测量系统。图9.4集成音乐片应用电路项目二光电传感器及应用方法通过该项目学生应掌握的基本技能是：（1）光敏电阻、光敏晶体管的特性测试方法。（2）能在实验板上搭建简单的光电传感器应用电路。（3）其拓展能力是能运用所学的知识和基本技能设计光电传感器。 学习该项目之前学生必备知识：（1）常用电子元器件的功能。（2）万用表的使用。（3）传感器的概念。（4）光电传感器的工作原理和特性。项目所需设备与器件：（1）光敏电阻、光敏二极管、开关三极管、发光二极管。（2）电位器、电阻、手电筒、峰鸣器和电线若干。（3）直流稳压电源一台、万用表一只。（4）数字电路实验板一块。项目内容：（1）验证性实验：光敏电阻、光敏晶体管的特性测试。（2）操作性训练：光电传感器应用电路的制作。（3）设计性实践：光电传感器应用电路的设计。项目步骤如下：1．光敏电阻、光敏晶体管的特性测试（1）测量光敏电阻的暗阻与亮阻。在正常光照情况下用万用表测光敏电阻，记下亮电阻值R亮=（），用手遮住光敏电阻，再用万用表测光敏电阻，记下暗电阻R暗=（）。（2）判断光敏二极管的正负极性。正常光照下，用万用表的电阻挡测光敏二极管的正、反向电阻，两个阻值中较小的称为正向电阻，此时万用表负表笔所接的那端为光敏二极管的正端。（3）在正常光照与手电筒光照两种情况下分别测量光敏二极管的正反向电阻。注意，此时正常光照下测得的电阻为暗电阻R暗，手电筒光照下测得的电阻称为亮电阻R亮。测量值为：正向电阻：R暗=（），R亮=（）反向电阻：R暗=（），R亮=（）通过以上实验，总结出光敏电阻和光敏二极管的特性。2．光电传感器应用电路的制作（1）图9.5所示为“天黑时发光二极管亮，天亮时发光二极管暗”的自动路灯原理图，R2阻值根据实际情况而定，一般可选择0至几百欧。在数字实验板上按图连接电路，调节RP值，使手遮盖光敏电阻时，三极管饱合，发光二极管亮。正常光照时，三极管截止，发光二极管不亮。通过以上实验，总结出当RP变大或变小后，对电路功能的影响是什么？图9.5光电传感器实验电路1

图9.6光电传感器实验电路2（2）图9.6示为一模拟报警电路。实验时，将手电筒和光敏二极管分别安装在建筑物走廊两侧，按图接线。调节RP和手电筒与光电二极管的最远距离，使手电筒的光照射到光敏二极管时，T截止，蜂鸣器不响；当有人走过，挡住光线时T饱合，蜂鸣器报警。此时：L=（），RP=（）。通过以上实验，总结出当RP变大或变小时，L的变化是怎样的？（3）实验注意事项：①由于亮电阻和暗电阻的测量与光照强度有关，因而每组的数据不尽相同，只要符合其理论特性即可；②手电筒照射光敏二极管时，两者应在同一直线上，可用长尺子作参照物。既可固定位置，又可测量距离。3．光电传感器应用电路的设计（1）设计任务。用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。试利用光电传感器实现充填高度的控制。当充填高度h偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。要求完成总体设计原理图，并制作出该光电传感器的应用电路。（2）总体方框图如图9.7（a）所示。部分参考检测电路如图9.7（b）所示。图9.7利用光电检测技术控制充填高度（3）设计步骤。①根据总体方框图，对每个小方框图进行设计并选择元器件；②画出总控制原理图，并写出详细工作原理。画原理图的原则为：a.一般电路输入端在左，输出端在右，或从上到下。b.原理图大于一张纸时，应标出信号从一张到另一张的引出点和引入点。c.连接线有交叉时，用圆点标出；若连接拥挤而将通道分开时，应在断口两端标记。d.所有元器件应使用标准逻辑符号。③列元器件清单。要求分类列出所有元器件，每种元器件必须有完整的型号、规格及数量，尽量为标准值。④根据元器件清单购置电路中所需的传感器和元器件，通过测试、查手册等了解元器件的性能。⑤在逻辑插件实验板上根据原理图完成硬件接线。布线时应注意：a.一般选择0.2～0.5mm的塑料硬导线布线；b.最好选择不同颜色的线表示不同的信号，例如：红线——+5V、黄色——+12V、黑色——地线、白色——负电源、紫色线——控制线、橙色线——数据母线等。c.布线时先插集成块，再连接电源线、地线等固定电平端点，然后按信号的流向依次接线。d.集成电路插入时要使所有的引线均对准小孔，用专用拔钳插入和拔出。e.布线时不准跨过元器件，线必须走直线，且应贴在实验板上。⑥在检查了布线后，通电调试实验板。通电后首先检查有无元器件冒烟、发热、噪声等现象，如有，则应立即断电排除故障。然后进行功能测试，反复调整、测试，直到功能稳定。⑦功能测试完后，必须对该测试电路进行性能的标定。如标定测试精度、测试环境等。⑧设计印刷电路板，制作样机，并写出产品说明书。思考题：（1）试设计验证光电耦合器好坏的测试电路。（2）用光敏二极管及可控硅设计一种天黑时灯亮，天亮时灯暗的路灯电路。路灯用220V电压供电，共5盏。项目三力传感器及应用方法通过该项目学生应掌握的基本技能是：（1）力传感器的使用方法。（2）设计并制作电子称。（3）其拓展能力是运用所学的知识和基本技能设计力传感器的应用电路。学习该项目之前的必备知识：（1）电路实训知识。（2）A/D转换器、显示器等器件知识。（3）传感器的基本知识。实训的目的与任务：通过实训使学生掌握金属箔应变片传感器的使用方法，了解称重力传感器的工作原理及其在电子秤中的应用，并通过设计、安装、调试电路等实践环节，提高学生的动手能力及分析问题、解决问题的能力。项目所需设备与器件：（1）直流稳压电源±4V；称重传感器一个。（2）应变式传感器实验模板；托盘、砝码。（3）直流平衡电位器WD；A/D转换芯片。（4）数字电路实验板一块。（5）万用表；电阻、导线若干。项目内容：（1）验证性实验：单臂电桥、半桥、全桥的性能比较测试。（2）操作性训练：电阻应变片传感器灵敏度测试。（3）设计性实践：电子秤的设计。项目步骤：该项目的操作性训练可以和验证性实验同时进行。1．电阻应变片传感器灵敏度测试实验目的：（1）了解电阻应变片的转换原理和直流应变桥的特性。（2）掌握电阻应变传感器电压输出灵敏度的测量方法。实验原理：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，

R/R为电阻丝电阻相对变化；K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，通过电阻应变效应把被测部位受力状态的变化转换为电阻的变化。电桥的作用是实现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。将不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压。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，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其变化值

R1=

R2=

R3=

R4时，其桥路输出电压。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到改善。（具体工作原理可参见6.1节）实验步聚如下：（1）如图9.8所示，四片应变片已贴好在实验板上。用万用表测试知：

、

、

、

。（r1、r2、r3和r4分别为实验板上应变片1、2、3、4的阻值）图9.8应变式传感器实验模板安装示意图（2）按图9.9所示直流电桥接线，R1接入应变式传感器实验模板中的一个电阻应变片r1（左上方的应变片），R2、R3、R4均为电阻值为350

的固定电阻。检查无误后，接上桥路电源±4V，调节调零电位器WD，在托盘上不加砝码时，使桥路输出为零。然后在传感器托盘上放置一只砝码，用电压表读取输出电压值。依次增加砝码和读取相应的电压值，直到500g砝码加完。记下实验结果填入表9.1。计算系统灵敏度S和非线性误差

。图9.9直流电桥系统灵敏度为：非线性误差为：表9.1单臂电桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）（3）将图9.9电桥中的R2改接成应变式传感器实验模板中的另一个电阻应变片r2或r4（下方的应变片），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进行半桥实验。调节调零电位器WD，在托盘上不加砝码时，使桥路输出为零。然后在传感器托盘上放置一只砝码，用电压表读取输出电压值。依次增加砝码和读取相应的电压值，直到500g砝码加完。记下实验结果填入表9.2。计算系统灵敏度S和非线性误差

。系统灵敏度为：非线性误差为：重量（g）电压（mV）表9.2半桥电桥输出电压与加负载重量值（4）将传感器四片应变片接成全桥电路。重复上面步骤，将实验结果填入表9.3；进行灵敏度和非线性误差计算。表9.3全桥电桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）系统灵敏度为：非线性误差为：重量（g）电压（mV）表9.3全桥电桥输出电压与加负载重量值2．电子秤的制作（1）设计任务。设计并制作一个电子秤。量程为０～2kg；传感器采用悬臂梁式的秤重传感器AAL-130，（悬臂梁上贴有应变片）；显示电路采用12位A/D转换电路、共阳极数码管。（2）实训设计步骤。①按照要求查阅相关电路和元件功能的资料，完成称重传感器放大电路、Ａ/Ｄ转换及显示电路的设计，画出方框图、原理图和安装图。进行放大电路的设计时应注意：由于传感器的测量范围是0～2kg，灵敏度为1mV/V，其输出信号只有0～10mＶ左右；而A/D转换的输入应为0～2kg，当量为1mV/g，因此要求放大器的放大倍数约为200倍，一般采用两级放大器。在电源选择上应注意：传感器要求的激励电源是±10Ｖ电压。对于给定的传感器，其输入电阻为400

，输出电阻为350

。采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差，因此本实训中要求恒流源供电，即采用电流为25mA左右的恒流源。另外，在电路设计过程中，应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压、低漂移、高稳定性、经济性的芯片。最后，电路中还应有调零和调增益的环节，才能保证电子称没有称重时显示零读数，称重时读数正确反映被称重量。②在实验板上调试电路（可用实验室电源）；③对电路进行调零、定标，然后再对电路进行稳定性、漂移（零漂、温漂）、重复性和非线性等参数的测试和分析。调试电路时，将±10V电压接到传感器的输入端，测量传感器的输出。在空载时，传感器的输出应为零，但由于有一个秤盘，输出不为零，记下初始数据，然后在秤盘上放砝码，测量传感器输出的变化。正确的变化应为：测量0～2kg，输出电压变化为0～10mＶ。调零：当传感器上不放砝码时，放大电路的输出应为零。若不为零，调整放大器的调零环节，使其输出为零。定标：当在秤盘上放上2kg的砝码时，放大器的输出应为2V。小于2V或大于2V时应调节放大器的增益。④制作整机。⑤写出实训报告。（3）实训注意事项：①为避免损坏传感器，定标时，要先把放大器的放大倍数调小，定标过程中，根据实际需要再往大方向逐步调整，直到满足要求为止。②使用过程中对砝码要注意轻拿轻放。③在电路调试、定标等过程中，应使用电压表、电流表监测传感器的供电电源（用数字万用表电压挡测量输出电压；用模拟表电流挡测量电流）。必须保证供给传感器的电压、电流是恒定值，才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。④接线或插拔元器件、芯片时，要先断电再操作，切忌带电操作。附3：AAL-130称重传感器的主要参数量程：3.8kg输入阻抗：（405～15）

输出灵敏度：1.8±10%mV/V输出阻抗：（350±15）

非线性：0.02%绝缘阻抗：≥2000

滞后：0.02%激励电压：10V蠕变：0.02%温度补偿范围：

10℃～+50℃重复性：0.02% 工作温度范围：

20℃～+60℃零点输出：±1%超载能力：150%温度灵敏度漂移：0.002%℃温度零点漂移：0.005%℃思考题：（1）单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：A．正（受拉）应变片；B．负（受压）应变片；C．正、负应变片均可以。正确答案是：（）。（2）电桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：A．对边；B．邻边。正确答案是：（）。（3）桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：A．电桥测量原理上存在非线性；B．应变片应变效应是非线性的；C．调零值不是真正为零。正确答案是：（）。（4）电桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1

R2时，是否可以组成全桥：A．可以；B．不可以。正确答案是：（）。（5）实训中的电子秤与超市的电子称有什么区别？试画出超市的电子称实现的原理框图。项目四温度传感器及应用方法通过该项目学生应掌握的基本技能是：（1）能在实验板上搭建简单的温度传感器应用电路。（2）学会实用测控系统的设计与实现。（3）其拓展能力是具备能运用所学知识分析问题的能力。 学习该项目之前学生必备知识：（1）继电器的使用方法。（2）常用电子元器件的功能。（3）热敏传感器的工作原理和特性。项目所需设备与器件：（1）热电偶、热敏电阻各一只。（2）自动温控仪一台（福建机械研究院制造的TDW温控仪）。（3）220V交流电源；电压表；运放和发光二极管各一个；电阻若干。（4）电炉一台。项目内容：（1）验证性实验：热电偶测温实验。（2）操作性训练：利用热电阻制作出电冰箱温度超标指示电路。（3）设计性实践：基于热电偶的温控电路制作。1．热电偶测温实验实验目的：（1）了解热电偶的工作原理、结构特点。（2）学会使用热电偶进行温度检测。（3）掌握构成传感器应用电路的方法。（4）培养学生的动手能力。

实验原理：当热电偶的冷端和热端温度不同时，在两端就产生热电动势，两端产生热电势随着两端温差的增加而增加。热电势由接触电势和温差电势两部分组成。通过对热电势的测量即可知热电偶两端的温差大小。（实验时可采用铜-康铜材料的热电偶）。实验步骤：（1）拆开热电偶，观察其结构，找出热端与冷端。（2）检测电源的极性后接入温控仪背面接线排标有“中”、“相”的接线柱上。注意在接入时不要带电操作，正负极间分开。（注：仪表背面接线排的“中”、“相”为仪表供电的交流220V输入）。（3）把温度仪调零。将热电偶正、负极分别接入温度仪的1脚和2脚。（4）记录室温，用电压表测量室温下热电偶两端的电压值，并记入表9.4。（5）打开加热器（电炉）对热电偶的敏感端加热，观察仪表输出电压的变化，并把相应的温度和电压值记入表9.4。

（6）根据实验数据，画出热电偶的温度－电压曲线，并分析实验结果。T（℃）V0（V）表9.4热电偶温度－电压表2．利用热电阻制作出电冰箱温度超标指示电路实训目的：（1）了解热电阻的工作原理，结构特点。（2）学会使用热电阻进行温度控制系统设计。实训原理：电冰箱温度超标指示器电路如图9.10所示。电路由热敏电阻RT和作比较器用的运放IC等元件组成。运放IC反相输入端加有R1和热敏电阻RT的分压电压。该电压随电冰箱冷藏室温度的变化而变化。在运放IC同相输入端加有基准电压，此基准电压数值对应于电冰箱冷藏室最高温度的预定值，可通过调节电位器RP来设定电冰箱冷藏室最高温度的预定值。当电冰箱冷藏室的温度上升，负温度系数热敏电阻RT的阻值变小，加于运放IC反相输入端的分压随之减小。当分压电压减小至设定的基准电压时，运放IC输出端呈现高电平，使VD指示灯点亮报警，表示电冰箱冷藏室温度已超过5℃。图9.10电冰箱温度超标指示电路实训步骤：（1）准备电路板和元器件，认识元器件。（2）在面包板上装配和调试电路。（3）测量电路各点电压。（4）记录实验过程和结果。（5）调节电位器RP，观察和记录不同RP值时报警温度，进行电路参数和实验结果分析。3．基于热电偶的温控电路制作实训目的：（1）掌握构成传感器应用电路的方法。（2）培养学生的动手能力。实训步骤：（1）根据自动温控仪说明书，了解温控仪表的使用方法。（2）自己设计连接线路，使电路具备如下功能：合上电源，温控仪表绿灯亮，电炉通电，热电偶测量炉温，随着炉温升高，温控仪表及时显示所测的温度值。在温控仪表中设置控制温度。当炉温达到设定的温度时，仪表红灯亮，绿灯暗，同时切断电炉的电源，并且启动电风扇。随着风扇的转动，环境温度下降。当热电偶测得的温度下降到预先设定的温度时，仪表再一次绿灯亮，红灯暗，同时风扇停转，电炉通电，炉子升温。就这样周而复始，实现自动温控的目的。（3）画出连接线路图。（4）连接线路并调试，使其达到所要求的功能。实训注意事项：（1）本项目中，继电