傳感器系列實(shí)驗(yàn)講義

1、傳感器系列實(shí)驗(yàn)講義中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2015-09目 錄實(shí)驗(yàn)一 電阻應(yīng)變片傳感器DIY電子秤實(shí)驗(yàn)二 DIY溫度控制系統(tǒng)&測(cè)記憶合金的恢復(fù)溫度實(shí)驗(yàn)三 壓力傳感器實(shí)驗(yàn)四 氣敏傳感器實(shí)驗(yàn)五 熱釋電傳感器實(shí)驗(yàn)要求目前傳感器實(shí)驗(yàn)有5個(gè)系列實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)下表），共30套設(shè)備，實(shí)驗(yàn)時(shí)要求每人操作一套設(shè)備。實(shí)驗(yàn)課的基本任務(wù)是每人至少要完成2個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中標(biāo)“”號(hào)是要求必做的實(shí)驗(yàn)，可以完成多于2個(gè)實(shí)驗(yàn)。為了確保實(shí)驗(yàn)課程的順利運(yùn)行，超過(guò)16:30或者21:30后，原則上不安排基本任務(wù)之外的實(shí)驗(yàn)。序 號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)套數(shù)備注1電阻應(yīng)變片傳感器DIY電子秤62DIY溫度控制系統(tǒng)&測(cè)記憶合金的恢復(fù)溫

2、度63壓力傳感器64氣敏傳感器65熱釋電傳感器6實(shí)驗(yàn)一 電阻應(yīng)變片傳感器DIY電子秤實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解電阻應(yīng)變片的組成、結(jié)構(gòu)2、了解直流電橋的應(yīng)用3、DIY電子秤稱重的原理實(shí)驗(yàn)儀器直流電源懸臂梁（已貼應(yīng)變片）電子秤底座（已焊好接線柱）托盤1個(gè)1000 W電阻3個(gè)C形砝碼6個(gè)待測(cè)物1個(gè)香蕉插頭6個(gè)螺絲刀1把導(dǎo)線2根萬(wàn)用表1臺(tái)（公用）實(shí)驗(yàn)原理1、 電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)右圖中的1是敏感柵，它用厚度為0.0030.101mm的金屬箔柵狀或用金屬線制作。2、 電阻應(yīng)變式傳感器的原理金屬箔電阻應(yīng)變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠(yuǎn)端加砝碼使它彎曲，有的表面受到拉伸，有的表面受到壓縮。所以受到拉伸的電阻阻值變

3、大，受到壓縮電阻阻值變小。分別將一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)電阻應(yīng)變片與固定電阻組成電橋（所謂單臂、半橋或全橋），以電壓表為平衡檢測(cè)器。未加砝碼時(shí)，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨著負(fù)載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。做M-U圖，是線性關(guān)系。對(duì)應(yīng)三種情況，分別求出電橋靈敏度（單位質(zhì)量變化引起電壓的變化U/M）。實(shí)驗(yàn)中采用如下圖的電橋電路，電源電壓為E，橋臂電阻均取1000.0W，懸臂梁未受力時(shí)應(yīng)變片阻值R=1000.0W。根據(jù)伏安關(guān)系可求得橋電壓U與應(yīng)變片電阻R之間近似滿足以下關(guān)系：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 自己設(shè)法確認(rèn)各傳感器的受力是拉伸還是壓縮力，并用圖示說(shuō)明。2、 利用所提供的元件連接單臂電橋，橋電壓由萬(wàn)

4、用表給出，記下零點(diǎn)電壓。3、 依次增加砝碼，測(cè)量單臂電橋的MU定標(biāo)曲線。有了定標(biāo)曲線后，就作成了一臺(tái)簡(jiǎn)易的電子秤。提示：電子秤的量程約2公斤，請(qǐng)勿加載過(guò)重的物體，以免損壞應(yīng)變片。4、 測(cè)量待測(cè)物體的質(zhì)量。5、 分別連接半橋、全橋電路，重復(fù)13步。6、 比較三種電路的靈敏度。7、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)二 DIY溫度控制系統(tǒng)&測(cè)量記憶合金的恢復(fù)溫度實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解Cu50測(cè)溫度的原理2、 DIY一個(gè)實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)3、 測(cè)量記憶合金的恢復(fù)相變溫度實(shí)驗(yàn)儀器智能溫控儀溫度傳感器固態(tài)繼電器 電熱爐燒杯記憶合金彈簧 鑷子直尺螺絲刀 導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)首先用溫度傳感器Cu50或Pt100、智能溫控儀、固

5、態(tài)繼電器、電熱爐等元件搭建一套實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)，再利用該系統(tǒng)測(cè)量記憶合金的恢復(fù)溫度。溫度控制系統(tǒng)的原理圖如下圖所示1、溫控儀溫控儀是調(diào)控一體化智能溫度控制儀表，它采用了全數(shù)字化集成設(shè)計(jì)，具有溫度曲線可編程或定點(diǎn)恒溫控制、PID調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)量輸出、報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、與計(jì)算機(jī)通訊等功能。通過(guò)溫度傳感器對(duì)待測(cè)溫度自動(dòng)進(jìn)行采樣、即時(shí)監(jiān)控，當(dāng)環(huán)境溫度高于控制設(shè)定值（SV）時(shí)控制電路啟動(dòng)，可以設(shè)置控制回差。如溫度還在升，當(dāng)升到設(shè)定的超限報(bào)警溫度點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)超限報(bào)警功能。2、PID調(diào)節(jié)現(xiàn)代的自動(dòng)控制技術(shù)基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用

6、化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。3、溫度傳感器Cu50Cu50是銅熱電阻，在一定溫度范圍內(nèi)，其阻值會(huì)隨著溫度的變化而線性改變。Cu后的50即表示它在0時(shí)阻值為50歐姆（類推Pt100）。銅熱電阻的線性較好、價(jià)格低、電阻率低，因而體積較大，熱響應(yīng)較慢，常用于-50150范圍的溫度測(cè)量，其分度表見(jiàn)表1。表1、Cu50熱電阻分度表T /-40-20020TCu50阻值41.40145.70650.00054.285Cu50T /406080100120Cu50阻值54.56562.8

7、4267.11971.40075.6874、固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（SSR）是具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，用隔離器件實(shí)現(xiàn)控制端與負(fù)載端的隔離。SSR的輸入端用微小的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載的目的。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸部件，因此SSR除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無(wú)限制，輸入功率小，靈敏等許多優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍接口設(shè)備、恒溫系統(tǒng)、電爐加溫控制、電機(jī)控制、數(shù)控、遙控、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。5、記憶合金記憶合金是一種原子排列很有規(guī)則馬氏體相變合金。這種合金在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來(lái)的形狀。由于它具

8、有百萬(wàn)次以上的恢復(fù)功能，因此叫做"記憶合金"。此外，記憶合金還具有無(wú)磁性、耐磨耐蝕、無(wú)毒性的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用十分廣泛。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 按照溫度控制系統(tǒng)示意圖連接線路。警示：為避免觸電，嚴(yán)禁移除貼在智能溫控儀和固態(tài)繼電器上的密封膠帶！2、 向燒杯內(nèi)倒入約2 cm深的自來(lái)水。警示：請(qǐng)檫干燒杯底部水滴。為避免燙傷，嚴(yán)禁用手觸摸電熱爐的金屬部分！3、 將溫度傳感器浸入水中，接通電源。4、 設(shè)置智能溫控儀的SV=50 ，電熱爐的檔位設(shè)置在2檔與3檔之間，此時(shí)，應(yīng)能看到電熱爐開(kāi)關(guān)旁邊的加熱燈閃爍。警示：請(qǐng)愛(ài)惜實(shí)驗(yàn)儀器，防止電熱爐燙傷導(dǎo)線外皮！5、 將記憶合金拉伸到6 cm左右，放入燒杯中。

9、6、 記錄彈簧長(zhǎng)度L與水溫T之間的關(guān)系曲線，確定記憶合金的恢復(fù)溫度。提示：若經(jīng)過(guò)20分鐘加熱，實(shí)測(cè)溫度(PV)始終不能達(dá)到SV=50 ，可將電熱爐檔位升至3檔位置。7、實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)三 壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解壓阻式壓力傳感器的組成、結(jié)構(gòu)2、了解壓阻式壓力傳感器測(cè)量氣壓的原理3、DIY壓力傳感器控制感應(yīng)燈和報(bào)警器實(shí)驗(yàn)儀器MPX5100壓力傳感器 電磁繼電器 二極管 三極管發(fā)光二極管 蜂鳴器 直流穩(wěn)壓電源 導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)原理利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可

10、以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何弧⒓铀俣?、重量、?yīng)變、流量、真空度）的測(cè)量和控制（見(jiàn)加速度計(jì)）。1、MPX5100壓阻式壓力傳感器正壓端口負(fù)壓端口接5V直流電源正極接地模擬信號(hào)輸出 2、電磁繼電器 ABCDEFK繼電器、B端等勢(shì)，C、D端間為螺線管，E為長(zhǎng)閉端，F(xiàn)為長(zhǎng)開(kāi)端。C、D端接入控制繼電器開(kāi)關(guān)的電路，A（或B）、F端接入被繼電器控制的電路。當(dāng)C、D端無(wú)電流經(jīng)過(guò)時(shí)，繼電器內(nèi)螺線管中也無(wú)電流，其內(nèi)開(kāi)關(guān)K與E相接，A（或B）、F間為斷路。當(dāng)C、D端有足夠大的電流經(jīng)過(guò)時(shí)，繼電器中螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)使開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)E而接通F，A（或B）、F間便可接通。3、二極管二極管具有單向?qū)ㄐ裕痍P(guān)閉開(kāi)關(guān)后給繼

11、電器放電作用。4、三極管三極管有 、B、C三個(gè)極，接法如圖所示 CBE三極管實(shí)物及電路圖本實(shí)驗(yàn)中，三極管起開(kāi)關(guān)作用，B、E間電壓小于約0.6V時(shí)，三極管E、C間為斷路，B、E間電壓大于約0.6V時(shí)，三極管E、C間接通。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一、傳感器壓力與電壓的標(biāo)定（P-U）實(shí)驗(yàn)電路圖1) 將氣壓傳感器正壓端口與氣管相連，并將氣管與血壓計(jì)球相連（如圖所示）。2) 真空壓力表示數(shù)為0時(shí)記錄下電壓表示數(shù)，然后用血壓計(jì)球慢慢向瓶?jī)?nèi)充氣，真空壓力表示數(shù)每增加0.01MPa時(shí)，記錄電壓表示數(shù)，達(dá)到最大壓力（小于0.1MPa）。3) 再用血壓計(jì)球慢慢向瓶外放氣，真空壓力表示數(shù)每減0.01MPa，記錄下此時(shí)電壓表示數(shù)，

12、直至真空壓力表示數(shù)為0。4) 將充放氣兩次同一氣壓對(duì)應(yīng)電壓表示數(shù)取平均值，作為測(cè)量值，繪出電壓表示數(shù)U與瓶?jī)?nèi)氣壓P關(guān)系圖，并作出擬合直線。二、壓力感應(yīng)燈和報(bào)警電路1) 將氣壓傳感器正壓端口與氣管相連，并將氣管與血壓計(jì)球相連。2) 按照下圖連接電路，檢查無(wú)誤后接通電源。壓力感應(yīng)燈和報(bào)警電路3) 用血壓計(jì)球?qū)窕砍錃?，使蜂鳴器報(bào)警，發(fā)光二極管發(fā)光。注意事項(xiàng)1）實(shí)驗(yàn)時(shí)切勿摔碰真空壓力表頭，以防表頭漏氣2）直流電源應(yīng)控制在5V左右，不能過(guò)大，以免燒壞傳感器、三極管及發(fā)光二極管。3）瓶?jī)?nèi)氣壓應(yīng)控制在0.1MPa以下，不應(yīng)過(guò)大，以免破壞傳感器。實(shí)驗(yàn)四 氣敏傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解半導(dǎo)體傳感器的組成、結(jié)構(gòu)2

13、、了解半導(dǎo)體傳感器測(cè)量氣體的原理3、DIY氣敏傳感器控制感應(yīng)燈和報(bào)警器實(shí)驗(yàn)儀器MQ-3氣敏傳感器 電磁繼電器 二極管三極管發(fā)光二極管 蜂鳴器 直流穩(wěn)壓電源 導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)原理氣敏傳感器是指能夠采集氣體的某些信息（如：濃度、種類）并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易別的信號(hào)（如電信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等）的元件或裝置。氣體傳感器可分為物理類氣體傳感器和化學(xué)類氣體傳感器，其中物理類氣體傳感器包括熱電傳感器、壓電傳感器等，而化學(xué)類氣體傳感器包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器等。目前化學(xué)類氣體傳感器中使用最多是半導(dǎo)體氣敏傳感器。由于它具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、恢復(fù)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)

14、、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于防災(zāi)報(bào)警，如可制成液化石油氣、天燃?xì)?、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報(bào)警器；也可用于對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及在醫(yī)療上用于對(duì)O2、CO2等氣體的測(cè)量；生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測(cè)等方面。1、MQ-3氣敏傳感器，對(duì)乙醇十分敏感。 MQ-3氣敏探頭 MQ-3傳感器模塊電路圖本實(shí)驗(yàn)中，只需用正極、負(fù)極和AO輸出三個(gè)引腳，即將電源的正負(fù)極接在正負(fù)極兩個(gè)引腳上，用AO輸出引腳進(jìn)行模擬信號(hào)輸出。2、電磁繼電器 ABCDEFK繼電器、B端等勢(shì)，C、D端間為螺線管，E為長(zhǎng)閉端，F(xiàn)為長(zhǎng)開(kāi)端。C、D端接入控制繼電器開(kāi)關(guān)的電路，A（或B）、F端接入被繼電器控制的電路。當(dāng)

15、C、D端無(wú)電流經(jīng)過(guò)時(shí)，繼電器內(nèi)螺線管中也無(wú)電流，其內(nèi)開(kāi)關(guān)K與E相接，A（或B）、F間為斷路。當(dāng)C、D端有足夠大的電流經(jīng)過(guò)時(shí)，繼電器中螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)使開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)E而接通F，A（或B）、F間便可接通。3、二極管二極管具有單向?qū)ㄐ裕痍P(guān)閉開(kāi)關(guān)后給繼電器放電作用。4、三極管三極管有 、B、C三個(gè)極，接法如圖所示 CBE三極管實(shí)物及電路圖本實(shí)驗(yàn)中，三極管起開(kāi)關(guān)作用，B、E間電壓小于約0.6V時(shí)，三極管E、C間為斷路，B、E間電壓大于約0.6V時(shí)，三極管E、C間接通。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、傳感器測(cè)量氣體濃度與電壓標(biāo)定 (C-U)1）按圖所示連接電路，用水杯量取200ml水，將MQ-3傳感器接入杯蓋上，檢查無(wú)誤后

16、接通電源。 實(shí)驗(yàn)電路圖2）待萬(wàn)用表直流電壓檔示數(shù)穩(wěn)定后，記錄下該示數(shù)，作為沒(méi)加乙醇時(shí)傳感器輸出電壓。再按下表依次用注射器取少量乙醇，從容器小孔中注入容器，輕微振動(dòng)容器，使乙醇溶解均勻，待電壓表示數(shù)幾乎穩(wěn)定后，記錄下電壓表示數(shù)，直至總共加入1.5ml乙醇。加入乙醇體積V/ml00.10.20.30.50.70.91.11.31.5傳感器輸出電壓URL/V3） 畫出傳感器輸出電壓URL與容器內(nèi)乙醇溶液濃度C的關(guān)系曲線 二、氣敏感應(yīng)燈和報(bào)警電路1）按圖示連接實(shí)驗(yàn)電路，接通電源。 氣敏報(bào)警電路圖2）用酒精棉簽蘸酒精，將棉簽靠近MQ-3傳感器探頭，看蜂鳴器是否發(fā)聲，發(fā)光二極管是否發(fā)光；再將探頭移至遠(yuǎn)離乙

17、醇液體的環(huán)境中，看蜂鳴器是否停止發(fā)聲，發(fā)光二極管是否不發(fā)光。重復(fù)以上動(dòng)作，看報(bào)警器反應(yīng)是否有重復(fù)性。注意事項(xiàng)1）直流電源應(yīng)控制在5V左右，不能過(guò)大，以免燒壞三極管、傳感器及發(fā)光二極管。2）剛開(kāi)始接通電源時(shí)，氣敏傳感器模擬信號(hào)輸出較大為正常現(xiàn)象，過(guò)一段時(shí)間后，待氣敏傳感器模擬信號(hào)輸出降至穩(wěn)定值時(shí)，方可進(jìn)行第2步實(shí)驗(yàn)。3）勿將液體直接滴加到傳感器探頭上，使之損壞。實(shí)驗(yàn)五 熱釋電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解熱釋電傳感器的組成、結(jié)構(gòu)2、了解熱釋電傳感器測(cè)量氣體的原理3、DIY熱釋電傳感器控制感應(yīng)燈和報(bào)警器實(shí)驗(yàn)儀器熱釋電傳感器 電磁繼電器 二極管 三極管脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器發(fā)光二極管 蜂鳴器 直流穩(wěn)壓電源 導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)

18、原理熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。1、熱釋電傳感器熱釋電傳感器2、電磁繼電器 ABCDEFK繼電器A、B端等勢(shì)，C、D端間為螺線管，E為長(zhǎng)閉端，F(xiàn)為長(zhǎng)開(kāi)端。C、D端接入控制繼電器開(kāi)關(guān)的電路，A（或B）、F端接入被繼電器控制的電路。當(dāng)C、D端無(wú)電流經(jīng)過(guò)時(shí)，繼電器內(nèi)螺線管中也無(wú)電流，其內(nèi)開(kāi)關(guān)K與E相接，A（或B）、F間為斷路。當(dāng)C、D端有足夠大的電流經(jīng)過(guò)時(shí)，繼