傳感器系列實驗講義

1、傳感器系列實驗講義中國科學技術(shù)大學物理實驗教學中心2015-09目 錄實驗一 電阻應變片傳感器DIY電子秤實驗二 DIY溫度控制系統(tǒng)&測記憶合金的恢復溫度實驗三 壓力傳感器實驗四 氣敏傳感器實驗五 熱釋電傳感器實驗要求目前傳感器實驗有5個系列實驗（見下表），共30套設備，實驗時要求每人操作一套設備。實驗課的基本任務是每人至少要完成2個實驗，其中標“”號是要求必做的實驗，可以完成多于2個實驗。為了確保實驗課程的順利運行，超過16:30或者21:30后，原則上不安排基本任務之外的實驗。序 號實驗名稱實驗套數(shù)備注1電阻應變片傳感器DIY電子秤62DIY溫度控制系統(tǒng)&測記憶合金的恢復溫

2、度63壓力傳感器64氣敏傳感器65熱釋電傳感器6實驗一 電阻應變片傳感器DIY電子秤實驗目的1、了解電阻應變片的組成、結(jié)構(gòu)2、了解直流電橋的應用3、DIY電子秤稱重的原理實驗儀器直流電源懸臂梁（已貼應變片）電子秤底座（已焊好接線柱）托盤1個1000 W電阻3個C形砝碼6個待測物1個香蕉插頭6個螺絲刀1把導線2根萬用表1臺（公用）實驗原理1、 電阻應變式傳感器的結(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、 電阻應變式傳感器的原理金屬箔電阻應變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠端加砝碼使它彎曲，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、兩個或四個電阻應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器。未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨著負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。做M-U圖，是線性關系。對應三種情況，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）。實驗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，懸臂梁未受力時應變片阻值R=1000.0W。根據(jù)伏安關系可求得橋電壓U與應變片電阻R之間近似滿足以下關系：實驗內(nèi)容1、 自己設法確認各傳感器的受力是拉伸還是壓縮力，并用圖示說明。2、 利用所提供的元件連接單臂電橋，橋電壓由萬

4、用表給出，記下零點電壓。3、 依次增加砝碼，測量單臂電橋的MU定標曲線。有了定標曲線后，就作成了一臺簡易的電子秤。提示：電子秤的量程約2公斤，請勿加載過重的物體，以免損壞應變片。4、 測量待測物體的質(zhì)量。5、 分別連接半橋、全橋電路，重復13步。6、 比較三種電路的靈敏度。7、 實驗總結(jié)實驗二 DIY溫度控制系統(tǒng)&測量記憶合金的恢復溫度實驗目的1、 了解Cu50測溫度的原理2、 DIY一個實用的溫度控制系統(tǒng)3、 測量記憶合金的恢復相變溫度實驗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 導線實驗原理本實驗首先用溫度傳感器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用的溫度控制系統(tǒng)，再利用該系統(tǒng)測量記憶合金的恢復溫度。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)字化集成設計，具有溫度曲線可編程或定點恒溫控制、PID調(diào)節(jié)、開關量輸出、報警、實時數(shù)據(jù)查詢、與計算機通訊等功能。通過溫度傳感器對待測溫度自動進行采樣、即時監(jiān)控，當環(huán)境溫度高于控制設定值（SV）時控制電路啟動，可以設置控制回差。如溫度還在升，當升到設定的超限報警溫度點時，啟動超限報警功能。2、PID調(diào)節(jié)現(xiàn)代的自動控制技術(shù)基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用

6、化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，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)，其阻值會隨著溫度的變化而線性改變。Cu后的50即表示它在0時阻值為50歐姆（類推Pt100）。銅熱電阻的線性較好、價格低、電阻率低，因而體積較大，熱響應較慢，常用于-50150范圍的溫度測量，其分度表見表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觸點電子開關，用隔離器件實現(xiàn)控制端與負載端的隔離。SSR的輸入端用微小的控制信號，實現(xiàn)驅(qū)動大電流負載的目的。在開關過程中無機械接觸部件，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，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，輸入功率小，靈敏等許多優(yōu)點。目前已廣泛應用于計算機外圍接口設備、恒溫系統(tǒng)、電爐加溫控制、電機控制、數(shù)控、遙控、工業(yè)自動化等領域。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產(chǎn)生變形，當把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復原來的形狀。由于它具

8、有百萬次以上的恢復功能，因此叫做"記憶合金"。此外，記憶合金還具有無磁性、耐磨耐蝕、無毒性的優(yōu)點，因此應用十分廣泛。實驗內(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深的自來水。警示：請檫干燒杯底部水滴。為避免燙傷，嚴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、 設置智能溫控儀的SV=50 ，電熱爐的檔位設置在2檔與3檔之間，此時，應能看到電熱爐開關旁邊的加熱燈閃爍。警示：請愛惜實驗儀器，防止電熱爐燙傷導線外皮！5、 將記憶合金拉伸到6 cm左右，放入燒杯中。

9、6、 記錄彈簧長度L與水溫T之間的關系曲線，確定記憶合金的恢復溫度。提示：若經(jīng)過20分鐘加熱，實測溫度(PV)始終不能達到SV=50 ，可將電熱爐檔位升至3檔位置。7、實驗總結(jié)實驗三 壓力傳感器實驗目的1、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量氣壓的原理3、DIY壓力傳感器控制感應燈和報警器實驗儀器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 導線實驗原理利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術(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，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。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、應變、流量、真空度）的測量和控制（見加速度計）。1、MPX5100壓阻式壓力傳感器正壓端口負壓端口接5V直流電源正極接地模擬信號輸出 2、電磁繼電器 ABCDEFK繼電器、B端等勢，C、D端間為螺線管，E為長閉端，F(xiàn)為長開端。C、D端接入控制繼電器開關的電路，A（或B）、F端接入被繼電器控制的電路。當C、D端無電流經(jīng)過時，繼電器內(nèi)螺線管中也無電流，其內(nèi)開關K與E相接，A（或B）、F間為斷路。當C、D端有足夠大的電流經(jīng)過時，繼電器中螺線管產(chǎn)生的磁場使開關K斷開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?，起關閉開關后給繼

11、電器放電作用。4、三極管三極管有 、B、C三個極，接法如圖所示 CBE三極管實物及電路圖本實驗中，三極管起開關作用，B、E間電壓小于約0.6V時，三極管E、C間為斷路，B、E間電壓大于約0.6V時，三極管E、C間接通。實驗內(nèi)容：一、傳感器壓力與電壓的標定（P-U）實驗電路圖1) 將氣壓傳感器正壓端口與氣管相連，并將氣管與血壓計球相連（如圖所示）。2) 真空壓力表示數(shù)為0時記錄下電壓表示數(shù)，然后用血壓計球慢慢向瓶內(nèi)充氣，真空壓力表示數(shù)每增加0.01MPa時，記錄電壓表示數(shù)，達到最大壓力（小于0.1MPa）。3) 再用血壓計球慢慢向瓶外放氣，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應電壓表示數(shù)取平均值，作為測量值，繪出電壓表示數(shù)U與瓶內(nèi)氣壓P關系圖，并作出擬合直線。二、壓力感應燈和報警電路1) 將氣壓傳感器正壓端口與氣管相連，并將氣管與血壓計球相連。2) 按照下圖連接電路，檢查無誤后接通電源。壓力感應燈和報警電路3) 用血壓計球?qū)窕砍錃猓狗澍Q器報警，發(fā)光二極管發(fā)光。注意事項1）實驗時切勿摔碰真空壓力表頭，以防表頭漏氣2）直流電源應控制在5V左右，不能過大，以免燒壞傳感器、三極管及發(fā)光二極管。3）瓶內(nèi)氣壓應控制在0.1MPa以下，不應過大，以免破壞傳感器。實驗四 氣敏傳感器實驗目的1、了解半導體傳感器的組成、結(jié)構(gòu)2

13、、了解半導體傳感器測量氣體的原理3、DIY氣敏傳感器控制感應燈和報警器實驗儀器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 導線實驗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（如電信號、聲信號、光信號、數(shù)字信號等）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，而化學類氣體傳感器包括半導體氣敏傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學氣體傳感器等。目前化學類氣體傳感器中使用最多是半導體氣敏傳感器。由于它具有靈敏度高、響應時間長、恢復時間短、使用壽命長

14、、成本低等特點，廣泛應用于防災報警，如可制成液化石油氣、天燃氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報警器；也可用于對大氣污染進行監(jiān)測以及在醫(yī)療上用于對O2、CO2等氣體的測量；生活中則可用于空調(diào)機、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。1、MQ-3氣敏傳感器，對乙醇十分敏感。 MQ-3氣敏探頭 MQ-3傳感器模塊電路圖本實驗中，只需用正極、負極和AO輸出三個引腳，即將電源的正負極接在正負極兩個引腳上，用AO輸出引腳進行模擬信號輸出。2、電磁繼電器 ABCDEFK繼電器、B端等勢，C、D端間為螺線管，E為長閉端，F(xiàn)為長開端。C、D端接入控制繼電器開關的電路，A（或B）、F端接入被繼電器控制的電路。當

15、C、D端無電流經(jīng)過時，繼電器內(nèi)螺線管中也無電流，其內(nèi)開關K與E相接，A（或B）、F間為斷路。當C、D端有足夠大的電流經(jīng)過時，繼電器中螺線管產(chǎn)生的磁場使開關K斷開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?，起關閉開關后給繼電器放電作用。4、三極管三極管有 、B、C三個極，接法如圖所示 CBE三極管實物及電路圖本實驗中，三極管起開關作用，B、E間電壓小于約0.6V時，三極管E、C間為斷路，B、E間電壓大于約0.6V時，三極管E、C間接通。實驗內(nèi)容一、傳感器測量氣體濃度與電壓標定 (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，檢查無誤后

16、接通電源。 實驗電路圖2）待萬用表直流電壓檔示數(shù)穩(wěn)定后，記錄下該示數(shù)，作為沒加乙醇時傳感器輸出電壓。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的關系曲線 二、氣敏感應燈和報警電路1）按圖示連接實驗電路，接通電源。 氣敏報警電路圖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。重復以上動作，看報警器反應是否有重復性。注意事項1）直流電源應控制在5V左右，不能過大，以免燒壞三極管、傳感器及發(fā)光二極管。2）剛開始接通電源時，氣敏傳感器模擬信號輸出較大為正?，F(xiàn)象，過一段時間后，待氣敏傳感器模擬信號輸出降至穩(wěn)定值時，方可進行第2步實驗。3）勿將液體直接滴加到傳感器探頭上，使之損壞。實驗五 熱釋電傳感器實驗目的1、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量氣體的原理3、DIY熱釋電傳感器控制感應燈和報警器實驗儀器熱釋電傳感器 電磁繼電器 二極管 三極管脈沖信號計數(shù)器發(fā)光二極管 蜂鳴器 直流穩(wěn)壓電源 導線實驗

18、原理熱釋電紅外傳感器是一種非常有應用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，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，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相關的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長。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，C、D端間為螺線管，E為長閉端，F(xiàn)為長開端。C、D端接入控制繼電器開關的電路，A（或B）、F端接入被繼電器控制的電路。當C、D端無電流經(jīng)過時，繼電器內(nèi)螺線管中也無電流，其內(nèi)開關K與E相接，A（或B）、F間為斷路。當C、D端有足夠大的電流經(jīng)過時，繼