《傳感器技術及應用》實踐教學大綱

1、傳感器技術及應用課程實踐教學大綱 Sensor Techniques and Application課程編號：0806030050102 課程類別：（獨立開設實驗課程） 學時：12 學分：2.0 適用對象：電卓班先修課程：高等數(shù)學、電路、大學物理一、課程的性質(zhì)與任務傳感器技術及應用課程適用于電子信息工程專業(yè)本科（四年學制）學生的專業(yè)平臺選修課。本課程的教學任務是使學生初步掌握傳感器的基礎理論、共同規(guī)律、物理效應及構(gòu)成方法；了解與各種傳感器對應的測量轉(zhuǎn)換電路；了解與計算機技術聯(lián)系密切的新型傳感器的有關知識，以適應學生向?qū)W科深度和廣度發(fā)展的需要。二、教學的目的與要求該課程是一門實踐性很強的課程，實

2、驗課程是本課程的重要教學環(huán)節(jié)，其目的是通過實驗加深理解和驗證學過的基礎知識和應用技術，鞏固各種傳感器的原理和測量電路，提高學生對傳感器的應用能力，培養(yǎng)實際操作的動手能力。三、考核方式及辦法：考查實驗成績由三部分組成：實驗預習和表現(xiàn)（20分）、實驗報告（20分）、實驗考試（實際操作和理論問答）（60分）。1、實驗預習和表現(xiàn)： 學生課前必須預習，教師應通過課堂提問等方式檢查預習效果。在實驗過程中，教師可依據(jù)學生使用儀器的能力、觀察和分析實驗現(xiàn)象的能力、主動排除故障的能力、實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)的正確性以及學生的課堂紀律、實驗態(tài)度、保持實驗室衛(wèi)生等方面的表現(xiàn)進行綜合考核，學生實驗的原始數(shù)據(jù)須由教師簽字認可。

3、( 根據(jù)預習和平時表現(xiàn)情況教師給出相應成績，分為不同的檔次2、實驗報告：學生實驗后應按時完成實驗報告。要求：內(nèi)容充實、圖表齊全、數(shù)據(jù)處理正確（誤差處理）、書面整潔、結(jié)構(gòu)合理、回答思考題等。(根據(jù)實驗報告情況教師給出相應成績，分為不同的檔次3、實驗考試：通過考試了解和掌握學生對基本理論和基本操作掌握的程度和實際操作水平，建立操作技術與口試、筆試相結(jié)合的考試方法，教師出實驗考試題目，讓學生獨立連接電路，自擬實驗步驟，在規(guī)定的時間內(nèi)完成報告，且回答有關理論問題。如是設計性實驗題目要獨立寫出報告。( 根據(jù)學生在規(guī)定的時間完成實驗情況教師給出相應成績，分為不同的檔次4、實驗課最終成績分為五個檔次即優(yōu)秀、

4、良好、中等、及格和不及格。四、實驗項目名稱與學時分配：傳感器技術及應用實驗安排一覽表 五、實驗項目的具體類容：實驗一 金屬箔式應變片單臂、雙臂及全橋性能實驗1 本次實驗的目的和要求了解金屬箔式應變片的應變效應，三種電橋工作原理和性能。比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，并得出相應的結(jié)論。2 實踐內(nèi)容或原理 基本原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：R R K 式中R R 為電阻絲電阻相對變化，K 為應變靈敏系數(shù), =l /l 為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被

5、測部位受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。例如：單臂電橋輸出電壓為U o1= EK/4。3 需用的儀器、試劑或材料等應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器電子秤、砝碼、電壓表、15V 電源、4V 電源、連接線。 4 實踐步驟或環(huán)節(jié) 操作步驟（1）單臂實驗接線見圖1-1。將應變式傳感器的其中一個電阻應變片R 1 （即模板左上方的R 1）接入電橋作為一個橋臂，它與R 5、R 6、R 7接成直流電橋（R 5、R 6、R 7、已在模塊板上標明）。（2）接入電橋調(diào)零電位器Rw1、Rw2（主要調(diào)節(jié)Rw1）。 （3）接入電橋電源4V （從主控臺引入）。（4）檢查

6、接線無誤后，合上主控臺電源開關。調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表分別在20V 、2V 檔顯示均為零。調(diào)零后，測量時設置在2V 檔不變。（5） 在電子稱上加一砝碼(20g，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g 砝碼加完。記下實驗結(jié)果填入表1-1，關閉電源。 雙臂、全橋步驟類似。 圖1-1 圖1-2 圖1-3表11 單臂電橋輸出數(shù)據(jù)記錄表 U O2EK 4 表12 雙臂電橋輸出數(shù)據(jù)記錄表 O2表13 全橋輸出數(shù)據(jù)記錄表 U 03KE 5 老師先演示講解實驗全過程，學生再動手進行實驗，做好實驗數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，完成實驗報告的撰寫工作，并回答思考題。6 考核要求要求實驗前預習，實驗

7、中認真記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗后認真完成實驗報告。按照學生實際操作能力及對實驗結(jié)果分析能力考核。對缺實驗成績者，本課程不予通過。7 實踐教學報告要求按照南華大學實驗報告紙標準格式書寫。學生實驗后應按時完成實驗報告。要求：內(nèi)容充實、圖表齊全、數(shù)據(jù)處理正確（誤差處理）、書面整潔、結(jié)構(gòu)合理、回答思考題等。實驗二 電容式傳感器位移性能實驗1 本次實驗的目的和要求了解電容式傳感器的基本工作原理。 2 實踐內(nèi)容或原理利用平板電容C A d 和其它結(jié)構(gòu)的關系式通過相應的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇、A 、d 中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（變）測微小位移（變d ）和測量液位（

8、變A ）等多種電容傳感器。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，如下圖所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設圓筒的半徑為R ；圓柱的半徑為r ；圓柱的長為x ，則電容量為C=ln(Rr 。圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產(chǎn)生X 位移時，電容量的變化量為C=C1C2=X ln(Rr ，式中、ln(Rr 為常數(shù)，說明C 與位移X 成正比，配上配套測量電路就能測量位移。 圖2-1 傳感器安裝示意圖3 需用的儀器、試劑或材料等電容傳感器、電容傳感器實驗模板、螺旋測微器、顯示單元、15V 電源 4 實踐步驟或環(huán)節(jié)（1）圖2-1為安裝示意圖，將電容傳感器安裝于電容傳感器實驗模

9、板上； （2）3號線為動極板的引線，1號線和2號線分別是二個靜極板的引線；（3）接線如圖3-2所示。將電容傳感器1號和2號線分別插入電容傳感器實驗模板C x1、C x2左插孔中，3號線插入C x1和C x2的公共插孔； 圖2-2 容式傳感器性能實驗接線圖（4）將實驗模板的輸出端V o1與主控制臺上“顯示選擇”的“Vin ”插孔相接，“顯示選擇”置“2V ”檔。實驗模塊“地”接主控臺的“地”；（5）將電位器Rw 旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)到底，再順時針旋轉(zhuǎn)3圈（以旋鈕上的刻度線為準）；（6）接入+15V、-15V 電源及地。安裝之前首先轉(zhuǎn)動螺旋測微器使其初始值為0mm ，再安裝于固定插孔中，使測微桿和電容傳

10、感器桿相吸；（7）抽動測微器使其左端面（大圓柱端面）伸出固定架端面大致6mm ，擰緊測微器固定螺釘。逆時針旋動測微器，每間隔0.5mm （轉(zhuǎn)一圈）為一個測量點，分別從“電壓表”表頭上讀各點輸出的電壓值，測量范圍0-22mm. 記錄位移X 與輸出電壓V 值，填入表3-1中, 不計0mm ，共44組測試點。表2-1 電容傳感器位移與輸出電壓記錄表 5 老師先講解演示實驗全過程，學生再動手進行實驗，做好實驗數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，完成實驗報告的撰寫工作，并回答思考題。6 考核要求要求實驗前預習，實驗中認真記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗后認真完成實驗報告。按照學生實際操作能力及對實驗結(jié)果分析能力考核。對缺實驗成績

11、者，本課程不予通過。7. 實踐教學報告要求按照南華大學實驗報告紙標準格式書寫。學生實驗后應按時完成實驗報告。要求：內(nèi)容充實、圖表齊全、數(shù)據(jù)處理正確（誤差處理）、書面整潔、結(jié)構(gòu)合理、回答思考題等。實驗三 熱電阻測溫性能實驗1 本次實驗的目的和要求了解熱電阻和熱電偶測量溫度的特性與應用。 2 實踐內(nèi)容或原理熱電阻測溫原理：利用導體電阻隨溫度變化的特性，熱電阻用于測量時，要求其材料電阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性好，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關系。常用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻在0630.74以內(nèi)測溫時，電阻Rt 與溫度t 的關系為：Rt=Ro (1+At+Bt2，其中，Ro 是溫度為0時的電阻

12、。本實驗Ro 100。A 3.9684102，B 5.8471072，鉑電阻采用三線連接，其中一端接二根引線主要為消除引線電阻對測量的影響。熱電偶測溫原理：兩種不同的導體或半導體組成閉合回路，當兩接點分別置于兩不同溫度時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成回路電流。這種現(xiàn)象就是熱電效應。熱電偶就是基于熱電效應工作的。溫度高的接點就是工作端，將其置于被測溫度場配以相應電路就可間接測得被測溫度值。3 需用的儀器、試劑或材料等（1） CSY-2000控制臺上的：mV 表、溫度控制儀、直流穩(wěn)壓源+2V，+5V；（2）實驗桌上的：溫度源、熱電偶（K 型或E 型）、Pt100熱電阻、萬用表、溫度傳感器實驗模板、

13、連接導線。4 實踐步驟或環(huán)節(jié)(1設置溫度控制儀的各項參數(shù)并測量環(huán)境溫度：用萬用表歐姆檔測出Pt100熱電阻三根線，并將它的三個端點與主控臺上的Pt100三個端點相連（一一對應）。打開主控臺上的電源開關、溫度開關，溫度控制儀開始工作。根據(jù)附錄一的說明，按下表設定溫度控制儀的某些參數(shù)值，其余參數(shù)按附錄一設置。參數(shù)設置完成后，PV顯示的溫度即為環(huán)境溫度，記錄到表31。 （2）連接電路：關閉主控臺上的溫度開關、電源開關，開始連接電路。將溫度源上的Pt100三個端點與主控臺上的Pt100三個端點相連（一一對應），作為標準溫度讀數(shù)。將溫度源上的風扇電源24V 與主控臺上風扇源的24V 相連。將主控臺穩(wěn)壓電

14、源“5V ”與mV 表的“5V ”相連，“”與“”相連（注意極性不要接錯）。將熱電偶（K 型或E 型）兩端導線連接到主控臺上的mV 表輸入端。用萬用表歐姆檔測出Pt100三根線，其中短接的二根線都接到溫度傳感器實驗模板的b 端，另一根接到a 端（參見下圖，Rt 兩端的a 、b ），并在端點a 與地之間加直流源2V 這樣Rt 與R3、R1、Rw1、R4組成平衡電橋。圖31 鉑電阻測溫特性實驗 （3）調(diào)整零點：打開主控臺上的電源開關，若mV 表不為零，則存在初始偏差，記錄此時的數(shù)值到表4-1。用萬用表測量上圖中的U ，調(diào)RW1使電橋平衡即U 0mV 。注意：此時，熱電偶和熱電阻都不要插入溫度源。

15、（4）熱電偶和熱電阻的測溫性能測定：把熱電偶和熱電阻同時插入到溫度源測點上，打開主控臺上的溫度電源開關。手動操作溫度控制儀，使溫度源溫度穩(wěn)定到40，記錄mV 表讀數(shù)和萬用表讀出的U 。溫度每增加5記錄一次。（5）測量完成后，關上主控臺上的溫度開關、電源開關，拔下連接導線。如果此時溫度源溫度大于40，則將溫度源上的風扇電源24V 連接到主控臺上的24V 穩(wěn)壓電源上，讓風扇運轉(zhuǎn)。表31 數(shù)據(jù)記錄表 5 教學方式老師先講解演示實驗全過程，學生再動手進行實驗，做好實驗數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，完成實驗報告的撰寫工作，并回答思考題。6 考核要求要求實驗前預習，實驗中認真記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗后認真完成實驗報告

16、。按照學生實際操作能力及對實驗結(jié)果分析能力考核。對缺實驗成績者，本課程不予通過。7 實踐教學報告要求按照南華大學實驗報告紙標準格式書寫。學生實驗后應按時完成實驗報告。要求：內(nèi)容充實、圖表齊全、實驗四 壓電式傳感器測振動實驗1 本次實驗的目的和要求了解壓電傳感器的測量振動的原理和方法。 2 實踐內(nèi)容或原理壓電式傳感器由慣性質(zhì)量塊和受壓的壓電片等組成。（觀察實驗用壓電加速度計結(jié)構(gòu)）工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應，壓電晶片上產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷。3 需用的儀器、試劑或材料等主機箱、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、振動源、雙蹤示

17、波器。 4 實踐步驟或環(huán)節(jié)（1）按圖 18 所示將壓電傳感器安裝在振動臺面上(與振動臺面中心的磁鋼吸合 ，振動源的低頻輸入接主機箱中的低頻振蕩器，其它連線按圖示意接線。圖18 壓電傳感器振動實驗安裝、接線示意圖（2）合上主機箱電源開關，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率和幅度旋鈕使振動臺振動，觀察低通濾波器輸出的波形。 （3）用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形；在振動臺正常振動時用手指敲擊振動臺同時觀察輸出波形變化。（4）改變振動源的振蕩頻率(調(diào)節(jié)主機箱低頻振蕩器的頻率 ，觀察輸出波形變化。實驗完畢，關閉電源。5 教學方式老師先講解演示實驗全過程，學生再動手進行實驗，做好實驗數(shù)據(jù)的記錄、

18、分析和處理，完成實驗報告的撰寫工作，并回答思考題。6 考核要求要求實驗前預習，實驗中認真記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗后認真完成實驗報告。按照學生實際操作能力及對實驗結(jié)果分析能力考核。對缺實驗成績者，本課程不予通過。7 實踐教學報告要求按照南華大學實驗報告紙標準格式書寫。學生實驗后應按時完成實驗報告。要求：內(nèi)容充實、圖表齊全、數(shù)據(jù)處理正確（誤差處理）、書面整潔、結(jié)構(gòu)合理、回答思考題等。實驗五 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測電機轉(zhuǎn)速實驗1. 本次實驗的目的和要求 了解霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應用。 2. 實踐內(nèi)容或原理利用霍爾效應表達式：UH KHIB ，當被測圓盤上裝上 N 只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場就變化 N 次。每轉(zhuǎn)一周

19、霍爾電勢就同頻率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。3. 需用的儀器、試劑或材料等主機箱、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動源。 4. 實踐步驟或環(huán)節(jié)（1）根據(jù)圖 16 將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝于霍爾架上，傳感器的端面對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼并調(diào)節(jié)升降桿使傳感器端面與磁鋼之間的間隙大約為 23 。（2）首先在接線以前，合上主機箱電源開關，將主機箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源 224 旋鈕調(diào)到最小(逆時針方向轉(zhuǎn)到底 后接入電壓表(顯示選擇打到 20 檔 監(jiān)測大約為.25V ；然后關閉主機箱電源，將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)動電源按圖 16 所示分別接到主機箱的相應電源和頻率轉(zhuǎn)速表(轉(zhuǎn)速檔 的 Fin 上。（

20、3）合上主機箱電源開關，在小于 12 范圍內(nèi)(電壓表監(jiān)測 調(diào)節(jié)主機箱的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源(調(diào)節(jié)電壓改變電機電樞電壓 ，觀察電機轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速表的顯示情況。（4）從 2 開始記錄每增加相應電機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù) (待電機轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù) ；畫出電機的(電機電樞電壓與電機轉(zhuǎn)速的關系 特性曲線。實驗完畢，關閉電源。 5. 思考題：1、利用霍爾元件測轉(zhuǎn)速，在測量上有否限制？ 2、本實驗裝置上用了六只磁鋼，能否用一只磁鋼？ 6. 教學方式老師先講解演示實驗全過程，學生再動手進行實驗，做好實驗數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，完成實驗報告的撰寫工作，并回答思考題。 7. 考核要求要求實驗前預習，實驗中認真記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗后認真完成實驗報告。按照學生實際操作能力及對實驗結(jié)果分析能力考核。對缺實驗成績者，本課程不予通過。 8. 實踐教學報告要求按照南華大學實驗報告紙標準格式書寫。學生實驗后應按時完成實驗報告。要求：內(nèi)容充實、圖表齊全、數(shù)據(jù)處理正確（誤差處理）、書面整潔、結(jié)構(gòu)合理、回答思考題等。實驗六 光電轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速測量實驗1. 實驗目的：了解光電轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理及方法。2. 基本原理：光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的(光電斷續(xù)