傳感器系列實驗講義(共21頁)

1、 請勿帶走！傳感器系列實驗講義中國(zhn u)科學技術大學物理實驗教學中心2015-09目 錄 HYPERLINK l _Toc225224486 實驗(shyn)一 電阻(dinz)應變片傳感器DIY電子秤 HYPERLINK l _Toc225224487 實驗(shyn)二 DIY溫度控制系統(tǒng)&測記憶合金的恢復溫度 HYPERLINK l _Toc225224488 實驗三 壓力傳感器 HYPERLINK l _Toc225224489 實驗四 氣敏傳感器 HYPERLINK l _Toc225224490 實驗五 熱釋電傳感器實驗要求目前(mqin)傳感器實驗(shyn)有5個系列(

2、xli)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(shyn)目的1、了解電阻應變片的組成(z chn)、結構2、了解(lioji)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

3、秤底座（已焊好接線柱）托盤1個1000 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）實驗原理電阻應變式傳感器的結構右圖中的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。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，電壓表讀數越大。做M-U圖，

4、是線性關系。對應三種情況，分別求出電橋靈敏度（單位質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1000.0，懸臂梁未受力時應變片阻值R=1000.0。根據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(shyn)內容自己(zj)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。利用所提供的元件連接單臂電橋(din qio)，橋電壓由萬用表給出，記下零點電壓。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。測量待測物體的質量。分別連接半

5、橋、全橋電路，重復13步。比較三種電路的靈敏度。實驗總結實驗(shyn)二 DIY溫度控制系統(tǒng)(kn zh x tn)&測量記憶合金的恢復溫度實驗(shyn)目的了解Cu50測溫度的原理DIY一個實用的溫度控制系統(tǒng)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、溫控儀溫控儀是調控一體化智能溫度控制儀表，它采用了全數字化集成設計，具有溫度曲線可編程或定

6、點恒溫控制、PID調節(jié)、開關量輸出、報警、實時數據查詢、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調節(jié)(tioji)現代的自動控制技術基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較(bjio)和執(zhí)行。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)(gngy)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Cu50

7、Cu50是銅熱電阻，在一定溫度范圍內，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54.56562.84267.11971.40075.6874、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，用隔離器件實現控制端與負載端的隔離。SSR的輸入端用微小的控制 H

8、YPERLINK /view/54338.htm t _blank 信號，實現驅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 HYPERLINK /view/2481898.htm t _blank 馬氏體相變合金。這種合金在外力作用下會產生變形，當把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復原來的形狀。由于它具有百萬次以上的恢復功能，

9、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。實驗內容按照溫度控制系統(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！向燒杯內倒入約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！將溫度傳感器浸入水中，接通電源。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(yq)，防止電熱爐燙傷導線外皮！將記憶合金(j y h jn)拉伸到6 cm左右(zuyu)，放入燒杯中。記錄彈簧長度L與水溫T之間的關系曲線，

10、確定記憶合金的恢復溫度。提示：若經過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、實驗總結實驗三 壓力傳感器實驗(shyn)目的1、了解(lioji)壓阻式壓力(yl)傳感器的組成、結構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、壓力差和可以轉變?yōu)榱?/p>

11、的變化的其他物理量（如液位、加速度、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端無電流經過時，繼電器內螺線管中也無電流，其內開關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過時，繼電器中螺線管產生的磁場(cchng)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(jyu)單向導通性，起

12、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(shw)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。實驗內容：一、傳感器壓力與電壓的標定（P-U）實驗(shyn)電路圖1) 將氣壓(qy)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(yl)表示數為0時記錄下電壓表示數，然后用血壓計球慢慢向瓶內充氣，真空壓力表示數每增加0.01MPa時，記錄電壓表示數，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

13、壓力表示數每減0.01MPa，記錄下此時電壓表示數，直至真空壓力表示數為0。4) 將充放氣兩次同一氣壓對應電壓表示數取平均值，作為測量值，繪出電壓表示數U與瓶內氣壓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) 用血壓計球對濕化瓶充氣，使蜂鳴器報警，發(fā)光二極管發(fā)光。注意事項1）實驗(shyn)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(kngzh)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）瓶內氣壓應控制(kngzh)在0.1MPa

14、以下，不應過大，以免破壞傳感器。實驗四 氣敏傳感器實驗(shyn)目的1、了解(lioji)半導體傳感器的組成(z chn)、結構2、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化為人們更易別的信號（如電信號、聲信號、光信號、數字信號等）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

15、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、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機、烹調裝置、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

16、、B端等勢，C、D端間為螺線管，E為長閉端，F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端無電流經過時，繼電器內螺線管中也無電流，其內開關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過時，繼電器中螺線管產生的磁場(cchng)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導(xingdo)通性，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(shw)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

17、于約0.6V時，三極管E、C間接通。實驗內容一、傳感器測量(cling)氣體濃度(nngd)與電壓(diny)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，檢查無誤后接通電源。 實驗電路圖2）待萬用表直流電壓檔示數穩(wěn)定后，記錄下該示數，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，待電壓表示數幾乎穩(wěn)定后，記錄下電壓表示數，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

18、內乙醇溶液濃度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(jijng)棉簽蘸酒精，將棉簽靠近(kojn)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(chngf)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

19、，使之損壞。實驗五 熱釋電傳感器實驗(shyn)目的1、了解(lioji)熱釋電傳感器的組成(z chn)、結構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器發(fā)光二極管 蜂鳴器 直流穩(wěn)壓電源 導線實驗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的飛速發(fā)展，以

20、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端無電流經過(jnggu)時，繼電器內螺線管中也無電流，其內開關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過時，繼電器中螺線管產生的磁場使開關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導通性，起關閉(gunb)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(shw)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。5、脈沖計數器接輸出