傳感器實驗指導(dǎo)書個

1、實驗平臺介紹傳感器教學(xué)實驗系列nextsense是針對傳感器教學(xué)，虛擬儀器教學(xué)等基礎(chǔ)課程設(shè)計的教學(xué)實驗?zāi)K。nextsense系列配合泛華通用工程教學(xué)實驗平臺nextboard使用，可以完成熱電偶、熱敏電阻、RTD熱電阻、光敏電阻、霍爾元件等傳感器的課程教學(xué)。課程提供傳感器以及調(diào)理電路，內(nèi)容涵蓋傳感器特性描繪、電路模擬以及實際測量等。圖1 nextboard實驗平臺nextboard具有6個實驗?zāi)K插槽；提供兩塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的面包板，用戶可自搭實驗電路；為NI 數(shù)據(jù)采集卡提供信號路由，可完全替代NI數(shù)據(jù)采集卡接線盒功能，輕松使用數(shù)據(jù)采集卡資源；還為實驗?zāi)K和自搭電路提供電源，既可用于有源電路供電，

2、也可作為外接設(shè)備供電。實驗?zāi)K區(qū)共有6個插槽，分別為4個模擬插槽Analog Slot 1-4，2個數(shù)字插槽Digital Slot 1-2。數(shù)據(jù)采集卡的模擬通道和數(shù)字通道分配到實驗?zāi)K區(qū)的Analog Slot 和Digital Slot 上。Analog Slot 模擬插槽用于那些需要使用模擬信號的實驗?zāi)K。Digital Slot 數(shù)字插槽用于那些需要同時使用多個數(shù)字信號或脈沖信號的實驗?zāi)K。圖2 模擬插槽和數(shù)字插槽特別需要注意的是：（1）在使用所有模塊之前，都要先區(qū)分模塊的類型：帶有正弦波標(biāo)記的為模擬實驗?zāi)K，需要插在Analog Slot 上使用；帶有方波標(biāo)記的為數(shù)字模塊，需要查在D

3、igital Slot 上使用。如果插錯插槽，會導(dǎo)致模塊工作不正常，甚至損壞模塊。（2）插拔實驗?zāi)K前關(guān)閉nextboard電源。（3）開始實驗前，認(rèn)真檢查模塊跳線連接，避免連接錯誤而導(dǎo)致的輸出電壓超量程，否則會損壞數(shù)據(jù)采集卡。Nextboard的連線：（1）電源線，把220V的電源通過一個15V的直流變壓器，送到實驗臺上。（2）數(shù)據(jù)采集卡，將數(shù)據(jù)采集卡的插頭與實驗臺可靠連接。光敏電阻實驗實驗?zāi)康?、了解光敏電阻的特性2、熟悉光敏電阻的常見測量電路及使用方法實驗設(shè)備Nextboard熱敏電阻模塊電腦實驗原理光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，

4、電阻減小，入射光弱，電阻增大，其結(jié)構(gòu)一般如下圖所示。圖1 光敏電阻結(jié)構(gòu)光照射半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對，使導(dǎo)電性能增加，電導(dǎo)率增加。這種光照后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。不同的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光電導(dǎo)的光譜范圍不同，常用的光敏電阻材料有硫化鎘（CdS），硒化鎘（CdSe），硒化鉛（PbSe），碲化鉛（PbTe）等。本實驗采用硫化鎘材料光敏電阻，型號VT3N3。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變換轉(zhuǎn)換為電的變化）。在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)110M，在強光條件（100lux）下，它的阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。實驗內(nèi)容、步驟和數(shù)據(jù)處理1、安

5、裝Nextboard 實驗臺（連接電源線和數(shù)據(jù)采集卡的連線），將光敏電阻模塊插在實驗臺的模擬插槽上。打開實驗臺電源，實驗臺右上角綠色發(fā)光二極管燈亮，光敏電阻模塊上的綠色發(fā)光二極管也燈亮。2、光敏電阻的靈敏度測試（1）根據(jù)特性曲線，找出光敏電阻的最大值（暗電阻）和最小值（亮電阻），估算靈敏度，記錄下來。（2）靈敏度測試區(qū)，在光照充足的情況下，測量光敏電阻的亮阻阻值，記錄下來。（3）靈敏度測試區(qū)，用手指完全遮蓋住光敏電阻的感光面，測量光敏電阻的暗阻阻值，記錄下來。亮電阻（K）暗電阻（K）靈敏度（暗電阻/亮電阻）估算值實測值3、固定光照條件下，測量光敏電阻的伏安特性，記錄下來。（1）測量電路的電流由

6、恒流源提供，AO從-0.1-1.9之間取若干值，該電流大小的計算公式為AO/10K。（2）使用萬用表測量直流電壓的檔位測量Vout的值，測量點參考實驗面板提示。（3）通過公式RG= Vout/I， 計算得出光敏電阻的阻值。光源數(shù)AO（V）I （mA）Vout（V）RG（K）1（僅有1個發(fā)光二極管亮，然后用遮光罩蓋住光敏電阻。）4、固定電流，AO= 1.5 V通過撥碼開關(guān)調(diào)整光照條件，手動測量當(dāng)前光敏電阻的輸出電壓，計算其阻值，通過使用特性曲線中的游標(biāo)，估算光照強度。（用遮光罩蓋住光敏電阻）光源數(shù)Vout（V）RG（K）照度（lux）全暗1個燈亮2個燈亮3個燈亮4個燈亮5、使用實驗面板中的自動測

7、量功能，重復(fù)上述實驗，查看數(shù)據(jù)和波形，核對手動測量的數(shù)據(jù)，記錄自動測量數(shù)據(jù)和波形。光源數(shù)RG（K）照度（lux）全暗1個燈亮2個燈亮3個燈亮4個燈亮思考題為什么測量光敏電阻的靈敏度時，其阻值采用直接測量法；而測量不同光照條件下光敏電阻阻值時，卻采用間接測量法？后一種情況下，能采用直接測量法嗎？熱敏電阻實驗實驗?zāi)康?、了解B值對熱敏電阻的特性曲線的影響2、熟悉熱敏電阻的常見測量電路及使用方法實驗設(shè)備Nextboard熱敏電阻模塊電腦實驗原理熱敏電阻是一種半導(dǎo)體感溫元件，它是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫。按照溫度特性熱敏電阻可分為三大類：隨溫度上升電阻值減小的負(fù)溫度系數(shù)（N

8、TC）熱敏電阻；隨溫度上升電阻值增加的正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻以及臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻。其中NTC和PTC較為常用。在一定溫度范圍內(nèi)，PTC和NTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可分別用一下實驗公式表示：RT=RT0eB(T-T0)（1）RT=RT0eB1/T-1/T0（2）其中，RT為絕對溫度為T（K）時的電阻值、RT0為絕對溫度為T0（K）時的電阻值。B為材料常數(shù)，它不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，在一個不太大的范圍內(nèi)，B是常數(shù)。以上公式中的溫度值均為絕對溫度。本實驗采用NTC熱敏電阻，R0=10K，B=3750。根據(jù)公式（2）可以獲得相對溫度T（）的表達(dá)式：T=11T0+1B

9、*lnRR0-273.15（3）半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的溫度系數(shù)，靈敏度高，適用于在0-150之間測量。實驗內(nèi)容、步驟和數(shù)據(jù)處理1、安裝Nextboard 實驗臺（連接電源線和數(shù)據(jù)采集卡的連線），將熱敏電阻模塊插在實驗臺的模擬插槽上。將兩個熱敏電阻分別接入恒流源電路和分壓法電路的Rt處。（用一字螺絲刀將綠色接線柱上的螺絲擰松，在左邊松開的插口中插入熱敏電阻的兩個金屬端，再擰緊螺絲。用手拉一下熱敏電阻的連接線，確保牢固可靠的接觸。）打開實驗臺電源，實驗臺右上角綠色發(fā)光二極管燈亮，熱敏電阻模塊上的綠色發(fā)光二極管燈亮。2、相關(guān)參數(shù)的核實（1）測量所有備選電阻，記錄下來，并將軟件（仿真與測量選項卡）默認(rèn)

10、值改為實測值。電阻默認(rèn)值（K）102030電阻實測值（K）（2）實測恒流源和分壓法的Vcc，記錄下來，并在軟件（仿真與測量選項卡）里的這兩個空格填入實測值 。恒流源Vcc（V）分壓法Vcc（V）3、利用恒流源電路對熱敏電阻進(jìn)行測量（1）固定溫度下，修改恒流源電路中跨接電阻值（Ri），手動測量熱敏電阻的伏安特性，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前環(huán)境下的室溫。注意：電壓Vt可以直接在接熱敏電阻的綠色接線柱上測量，Rt可以利用I=Vcc/Ri=Vt/Rt計算得到，T則利用R-T特性曲線換算得到。注意：在仿真與測量選項卡中，仿真電路的備選電阻Ri的值、修改過實測值的備選電阻與實際連線中選用的備選電阻三

11、者保持一致。 Vt（V）I （mA）Rt（K）T（）Ri=10 KRi=20 KRi=30 K（2）利用自動測量功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)核實。注意：在自動測量選項卡中，電路中使用的備選電阻Ri的值與實際連線保持一致。點擊“Refresh”，確認(rèn)采集配置，然后開始自動測量。（若點擊“Refresh”，采集配置還是空白，則可能是實驗?zāi)K沒有插好，或者數(shù)據(jù)采集線沒有與實驗臺可靠連接。）Rt（K）T（）Ri=10 KRi=20 KRi=30 K（3）固定恒流源電路中跨接電阻值Ri=10 K，改變溫度（將熱敏電阻握在手里），手動測量熱敏電阻的兩端的輸出電壓Vt，根據(jù)R-T特性曲線換算出當(dāng)前的溫度值，記錄開始和結(jié)束

12、情況下的數(shù)據(jù)。（開始約三秒，記錄第一個數(shù)據(jù)；等待約3-5分鐘，記錄第二個數(shù)據(jù)。）Vt（V）I （mA）Rt（K）T（）（4）固定恒流源電路中跨接電阻值Ri=10 K，改變溫度（將握在手里的熱敏電阻松開）使用實驗面板中的自動測量功能，查看數(shù)據(jù)和波形，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和R-T波形。Rt（K）T（）4、利用分壓電路對熱敏電阻進(jìn)行測量（1）固定溫度下，修改分壓法電路中跨接電阻值（Ri），手動測量熱敏電阻的伏安特性，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。注意：電壓Vt可以直接在接熱敏電阻的綠色接線柱上測量得到，Rt利用Vcc/(Ri+Rt)=Vt/Rt計算得到，T則利用R-T特性曲線換算得到。Vt（V）Rt（K）T（）Ri=10

13、KRi=20 KRi=30 K（2）固定分壓法電路中跨接電阻值Ri=20 K，改變溫度（將熱敏電阻握在手里），手動測量熱敏電阻的兩端的輸出電壓Vt，根據(jù)R-T特性曲線換算出當(dāng)前的溫度值，記錄開始和結(jié)束情況下的數(shù)據(jù)。Vt（V）Rt（K）T（）（3）固定分壓法電路中跨接電阻值Ri=20 K，改變溫度（將握在手里的熱敏電阻松開）使用實驗面板中的自動測量功能，查看數(shù)據(jù)和波形，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和R-T波形。Rt（K）T（）思考題1、熱敏電阻NTC、PTC是如何定義的，各有什么用途？2、B值對熱敏電阻特性曲線有何影響？霍爾傳感器實驗實驗?zāi)康?、了解霍爾式傳感器的原理與特性2、掌握霍爾式傳感器的基本用法實驗設(shè)備

14、Nextboard霍爾傳感器模塊電腦實驗原理基于霍爾效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件。假設(shè)霍爾元件通電電流為IS，當(dāng)磁場作用于霍爾元件時，電子將受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖1虛線所示。半導(dǎo)體的上下方向積聚的電荷形成了電場（EH）。當(dāng)EH對電子的作用力fE足夠抵消洛倫茲力fB時，電子積累達(dá)到平衡。此時的電勢稱為霍爾電勢。霍爾電勢隨外磁場強度增加而增加。圖1 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾元件的種類有線性霍爾元件和開關(guān)型霍爾元件。其中，開關(guān)型霍爾元件由半導(dǎo)體霍爾元件材料的輸出電壓經(jīng)過放大器放大后，送至施密特整形電路將線性變化量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量。線性霍爾元件常用于磁場測量、電壓測量。開關(guān)型霍爾元件常用于速度

15、、位置測量。實驗內(nèi)容、步驟和數(shù)據(jù)處理1、安裝Nextboard 實驗臺（連接電源線和數(shù)據(jù)采集卡的連線），將霍爾傳感器模塊插在實驗臺的數(shù)字和模擬兩個插槽上（實驗臺的左上角或左下角）。2、手動測量線型霍爾元件的輸出電壓（1）附件中的下圓盤片用固定PVC螺絲固定在實驗?zāi)K右側(cè)，如下圖2左所示，使紅色箭頭處于垂直。固定完成后將上圓盤片疊放在下盤片上。使紅色箭頭指向上盤片的角度刻度。當(dāng)箭頭指向角度刻度的0°位置時，上盤片的深、淺槽與霍爾傳感器的測試面垂直，不同導(dǎo)槽對應(yīng)不同大小的磁片，深導(dǎo)槽對應(yīng)附件中的4mm大磁片。進(jìn)行霍爾實驗時將磁片放置在霍爾測試面所面對的導(dǎo)槽，如下圖2右所示。（2）將磁片從

16、圓盤上取走，手動測量零磁場情況下的傳感器輸出值，記錄零磁場電壓。（3）使紅色箭頭指向上盤片的0°，固定圓盤角度，推動導(dǎo)槽中磁片，至1cm位置，如下圖，手動測量霍爾傳感器輸出電壓，借助特性曲線計算當(dāng)前磁感應(yīng)強度；推動導(dǎo)槽中磁片，至0.5cm位置，重復(fù)測量并填寫表格。0.5cm以內(nèi)可以每0.1cm測試一次。結(jié)束后，將紅色箭頭指向30°和-30°，重復(fù)上述實驗，最終完成下表。觀察電壓輸出和永磁片相對位置間的關(guān)系。淺槽霍爾測試面深槽圖2 圓盤及磁片放置方法零磁場電壓（V）位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10º電壓（V）磁感應(yīng)強度（B）30&#

17、186;電壓（V）-30º電壓（V）（4）需要更換3mm小磁片時，先將淺槽旋轉(zhuǎn)至霍爾測試面（刻度盤整體轉(zhuǎn)動180º），再將3mm磁片放置在淺槽中進(jìn)行實驗。此時導(dǎo)槽的斜角可以用上方的紅色箭頭所指向角度值獲取，如下圖3。圖3 圓盤放置方法（5）使紅色箭頭指向上盤片的0°，固定圓盤角度，推動導(dǎo)槽中磁片，至0.2cm位置，手動測量霍爾傳感器輸出電壓，借助特性曲線計算當(dāng)前磁感應(yīng)強度；推動導(dǎo)槽中磁片，至0.5cm位置，重復(fù)測量并填寫表格。0.5cm以內(nèi)可以每0.1cm測試一次。結(jié)束后，將紅色箭頭指向30°，重復(fù)上述實驗，完成下表。位移（cm）0.20.30.40.5

18、0.70.91.10º電壓（V）磁感應(yīng)強度（B）30º電壓（V）-30º電壓（V）3、使用實驗面板中的自動測量功能。（1）圓盤上不要放磁鐵片，開始自動測量。此時，“線型霍爾歷史數(shù)據(jù)”處獲得的是零磁場電壓，點擊“Save”保存零磁場電壓。記錄下這個電壓值。（2）調(diào)整刻度圓盤，將深導(dǎo)槽轉(zhuǎn)至霍爾傳感器右側(cè)，放置4mm大磁片，使紅色箭頭指向上盤片的0°，固定圓盤角度，推動導(dǎo)槽中磁片，至0.2cm位置，自動測量霍爾傳感器輸出電壓，記錄當(dāng)前電壓和磁感應(yīng)強度；推動導(dǎo)槽中磁片，至表格中對應(yīng)位置，記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和波形，分º析并描繪出線型霍爾元件的特性曲線。位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10º電壓（V）磁感應(yīng)強度（B）（3）深導(dǎo)槽中放置的4mm大磁片轉(zhuǎn)180º，即改變磁場方向，重復(fù)實驗步驟（2）。位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10º電壓（V）磁感應(yīng)強度（B）（4）將淺槽旋轉(zhuǎn)至霍爾測試面（刻度盤整體轉(zhuǎn)動180º），再將3mm小磁片放置在淺槽中進(jìn)行實驗，使紅色箭頭指向上盤片的0°，固定圓盤角度，推動導(dǎo)槽中磁片，至0.2cm位