傳感器與檢測技術(shù)實驗

1、傳感器與自動檢測技術(shù)實驗傳感器與自動檢測技術(shù)實驗教師：王雪教師：王雪實驗介紹 1. 1.共共5 5次實驗，地點主教次實驗，地點主教21032103。請大家記好時間、。請大家記好時間、地點。地點。2.2.實驗實驗3 3人一組，實驗臺上有組號，每組人一組，實驗臺上有組號，每組1 1本實驗指本實驗指導(dǎo)書，實驗完成后請將實驗指導(dǎo)書放好，不要帶走。導(dǎo)書，實驗完成后請將實驗指導(dǎo)書放好，不要帶走。3.3.實驗報告紙每人實驗報告紙每人5 5張，封面每人張，封面每人1 1張，實驗課結(jié)張，實驗課結(jié)束后交實驗報告。束后交實驗報告。4.4.實驗完成后，注意實驗臺斷電，凳子擺放整齊，實驗完成后，注意實驗臺斷電，凳子擺放

2、整齊，清理好實驗元器件，注意實驗室衛(wèi)生。清理好實驗元器件，注意實驗室衛(wèi)生。實驗一實驗一 壓阻式壓力傳感器的壓力壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗（氣源）測量實驗（氣源）（實驗指導(dǎo)書（實驗指導(dǎo)書10-1210-12頁）頁）一、實驗?zāi)康牧私鈹U散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和方法。了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和方法。二、實驗內(nèi)容1.1.壓阻式壓力傳感器的壓力測量（實驗八）壓阻式壓力傳感器的壓力測量（實驗八）2.2.擴散硅壓阻式壓力傳感器差壓測量（實驗九）擴散硅壓阻式壓力傳感器差壓測量（實驗九）三、實驗器件與單元 檢測技術(shù)實驗臺、壓力傳感器實驗?zāi)０?、檢測技術(shù)實驗臺、壓力傳感器實驗?zāi)０?、三?/p>

3、連接導(dǎo)管（三通連接導(dǎo)管（做完實驗后不要動做完實驗后不要動）、壓力）、壓力源源三、實驗原理 擴散硅壓阻式壓力傳感器在單晶硅的基擴散硅壓阻式壓力傳感器在單晶硅的基 片上擴散出片上擴散出P P型或型或N N型電阻條，接成電橋。型電阻條，接成電橋。 在壓力作用下根據(jù)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，在壓力作用下根據(jù)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，基片產(chǎn)生應(yīng)力，電阻條的電阻率產(chǎn)生很大基片產(chǎn)生應(yīng)力，電阻條的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化變化，引起電阻的變化. . 把這一變化引入測量電路，則其輸出電把這一變化引入測量電路，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。壓的變化反映了所受到的壓力變化。 1.1.實驗進行前，首先要進行調(diào)零。

4、實驗進行前，首先要進行調(diào)零。四、實驗步驟2.2.氣源噪音較大，在做實驗時注意輕輕操作。氣源噪音較大，在做實驗時注意輕輕操作。3.3.氣源接實驗操作模板的高壓嘴（右邊）。氣源接實驗操作模板的高壓嘴（右邊）。4.RW14.RW1（調(diào)整放大倍數(shù)），（調(diào)整放大倍數(shù)），RW2RW2（調(diào)零）。（調(diào)零）。5.5.根據(jù)步驟根據(jù)步驟8 8進行標(biāo)定實驗進行標(biāo)定實驗, ,書上有錯誤。書上有錯誤。五、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析 1.1.根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記錄，并分析數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)。 2.2.回答實驗指導(dǎo)書思考題提出的問題?；卮饘嶒炛笇?dǎo)書思考題提出的問題。 3.3.總結(jié)壓阻式壓

5、力傳感器的作用?？偨Y(jié)壓阻式壓力傳感器的作用。 4.4.根據(jù)實驗九的提示，給出差壓測量的方法。根據(jù)實驗九的提示，給出差壓測量的方法。 ( (教師檢查后結(jié)束實驗教師檢查后結(jié)束實驗) )實驗二實驗二 金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片 （實驗指導(dǎo)書（實驗指導(dǎo)書1-51-5頁）頁） 電阻應(yīng)變式傳感器從電阻應(yīng)變式傳感器從19381938年開始使用到目前，仍然是當(dāng)年開始使用到目前，仍然是當(dāng)前稱重測力的主要工具前稱重測力的主要工具. . 如稱重、壓力扭矩、位移、加速度等傳感器，常見的應(yīng)用如稱重、壓力扭矩、位移、加速度等傳感器，常見的應(yīng)用場合如各種商用電子稱、皮帶稱、吊鉤稱、高爐配料系統(tǒng)、場合如各種商用電子稱、皮帶

6、稱、吊鉤稱、高爐配料系統(tǒng)、汽車衡、軌道衡等。汽車衡、軌道衡等。電阻應(yīng)變式傳感器最高精度可達萬分之一甚至更高，除電阻電阻應(yīng)變式傳感器最高精度可達萬分之一甚至更高，除電阻應(yīng)變片、絲直接用以測量機械、儀器及工程結(jié)構(gòu)等的應(yīng)變外，應(yīng)變片、絲直接用以測量機械、儀器及工程結(jié)構(gòu)等的應(yīng)變外，主要是與種種形式的彈性體相配合，組成各種傳感器和測試主要是與種種形式的彈性體相配合，組成各種傳感器和測試系統(tǒng)。系統(tǒng)。一、實驗?zāi)康?了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，比較單臂了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，比較單臂電橋、半橋、全橋工作原理和性能。電橋、半橋、全橋工作原理和性能。二、實驗內(nèi)容1.1.單臂電橋性能實驗（實驗一）單臂電橋性

7、能實驗（實驗一）2.2.半橋性能實驗（實驗二）半橋性能實驗（實驗二）3.3.全橋性能實驗（實驗三）全橋性能實驗（實驗三）三、實驗器件與單元 檢測技術(shù)實驗臺、應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)z測技術(shù)實驗臺、應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、砝碼、導(dǎo)線（沒有用板、砝碼、導(dǎo)線（沒有用PCPC機）機）四、實驗原理 1. 1. 電阻絲在外力作用下（砝碼）發(fā)生機械變形時，其阻電阻絲在外力作用下（砝碼）發(fā)生機械變形時，其阻值發(fā)生變化。描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：值發(fā)生變化。描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：R/R=KR/R=K. . 式中式中R/RR/R為電阻絲電阻相對變化，為電阻絲電阻相對變化，K K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，為應(yīng)變靈敏系數(shù)，=L

8、/LL/L為電阻絲長度相對變化為電阻絲長度相對變化. . 金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化. . 2. 2. 電橋是完成電阻到電壓的比例變化，測取電壓值。電橋是完成電阻到電壓的比例變化，測取電壓值。 (1)(1)單臂電橋單臂電橋: : 輸出電壓輸出電壓U01=EK/4U01=EK/4。 (2)(2)半橋：選用不同受力方向的應(yīng)變片接入電橋作為鄰半橋：選用不同受力方向的應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電邊。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值

9、和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓壓U02=EK/2U02=EK/2。 (3)(3)全橋：將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)叄珮颍簩⑹芰π再|(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，其橋路輸出電壓不同的接入鄰邊，其橋路輸出電壓U03=KEU03=KE。輸出靈敏。輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。改善。 (4)(4)比較：量程不同，精度不同。比較：量程不同，精度不同。 五、實驗步驟 （詳見實驗指導(dǎo)書）1.1.由于實驗靈敏度高，根據(jù)步驟進行實驗，首先要注意調(diào)零。由于實驗靈敏度高，根據(jù)步驟進行實驗，首先要注意調(diào)零。RW1(

10、RW1(調(diào)到中間位置調(diào)到中間位置) )RW4RW4（調(diào)零后不要再動）（調(diào)零后不要再動）-RW2-RW2（數(shù)字不跳變）（數(shù)字不跳變）2.2.如果線松的話，可以換一下，接線要全部接地。如果線松的話，可以換一下，接線要全部接地。3.3.砝碼在放的時候要輕，盡量放到盤子的中間。砝碼在放的時候要輕，盡量放到盤子的中間。六、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析 1.1.根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記錄，并 分析數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)。 2.2.回答實驗指導(dǎo)書思考題提出的問題。回答實驗指導(dǎo)書思考題提出的問題。 3.3.比較單臂電橋、半橋、全橋有什么不同？比較單臂電橋、半橋、全橋有什么不同？實驗

11、三實驗三 直流激勵時霍爾式傳感器直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗和霍爾電子稱實驗位移特性實驗和霍爾電子稱實驗（實驗指導(dǎo)書（實驗指導(dǎo)書20-2120-21頁，頁，2323頁）頁）一、實驗?zāi)康牧私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用了解霍爾式傳感器原理與應(yīng)用。二、實驗內(nèi)容1.1.直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗（實驗十六）直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗（實驗十六）2.2.霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用電子稱實驗（實驗十九）電子稱實驗（實驗十九）三、實驗器件與單元 檢測技術(shù)實驗臺、霍爾傳感器實驗?zāi)０濉z測技術(shù)實驗臺、霍爾傳感器實驗?zāi)０?、測微頭、數(shù)顯單元、霍爾傳感器、鋼片、測微頭、數(shù)顯單元、霍爾傳感器、鋼片、

12、振動臺、砝碼振動臺、砝碼四、實驗原理 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)的一種傳感器。18791879年年美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家霍爾霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著著半導(dǎo)體半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件。技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件?；魻杺鞲衅魇且环N當(dāng)霍爾傳感器是一種當(dāng)交變磁場交變磁場經(jīng)過時產(chǎn)生輸出電壓脈沖經(jīng)過時產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的場強決定場

13、強決定的。因的。因此，霍爾傳感器此，霍爾傳感器不需要外界電源供電不需要外界電源供電。 霍爾效應(yīng)磁場B電場E電場E作用：電子向右洛侖茲力作用：電子向里電子堆積反向電動勢E1:受力向外E1增強電子運動減緩達到平衡U = KIBK：霍爾元件靈敏度。電流1mA，磁場1kG時的輸出電壓與元件材料性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān) 根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢U=KIBU=KIB，當(dāng)霍爾元，當(dāng)霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測件處在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測量。量。( (感應(yīng)電場強度與電流密度和磁感應(yīng)強度之感應(yīng)電場強度與電流密度和磁感應(yīng)強度之矢量積矢量積 ) )測量時注意事項測量時

14、注意事項霍爾傳感器安裝示意圖霍爾傳感器安裝示意圖 （調(diào)節(jié)傳感器在線性段的起點上（調(diào)節(jié)傳感器在線性段的起點上中間位置）中間位置）四、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析 1.1.根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記 錄，并分析數(shù)據(jù)。錄，并分析數(shù)據(jù)。 2.2.回答實驗指導(dǎo)書思考題提出的問題?；卮饘嶒炛笇?dǎo)書思考題提出的問題。 3.3.總結(jié)霍爾式傳感器的作用。總結(jié)霍爾式傳感器的作用。實驗四實驗四 電容式、光纖傳感器的位電容式、光纖傳感器的位移實驗移實驗（實驗指導(dǎo)書（實驗指導(dǎo)書18-1918-19頁，頁，31-3231-32） 用電測法測量非電學(xué)量時，首先必須將被測的非電學(xué)用電測法測量非電學(xué)量

15、時，首先必須將被測的非電學(xué)量量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。通常非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為。通常非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器變換器，根據(jù)不同非電學(xué)量的特點設(shè)計成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)不同非電學(xué)量的特點設(shè)計成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為稱為傳感器傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器電容傳感器。 從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器無源變換器，需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。力學(xué)量中

16、的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等都可以進行轉(zhuǎn)換壓縮、膨脹、變形等都可以進行轉(zhuǎn)換 。 電容傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、電容傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨力高（可達分辨力高（可達0.01mm0.01mm甚至更高）、動態(tài)甚至更高）、動態(tài)響應(yīng)好、可進行響應(yīng)好、可進行非接觸非接觸測量測量. . 與電感式比較：電感式是接觸測量，只能與電感式比較：電感式是接觸測量，只能測低頻振幅，電容傳感器在測量壓力、差壓、測低頻振幅，電容傳感器在測量壓力、差壓、液位、料位成分含量（如油、糧食中的水液位、料位成分含量（如油、糧食中的水份

17、）、非金屬涂層、油膜厚度等方面均有應(yīng)份）、非金屬涂層、油膜厚度等方面均有應(yīng)用。用。 從從20022002年的年的 諾基亞諾基亞76507650開始，便有了光線傳開始，便有了光線傳感器，它的好處就是可以根據(jù)手機所處環(huán)境的光感器，它的好處就是可以根據(jù)手機所處環(huán)境的光線來調(diào)節(jié)線來調(diào)節(jié)手機屏幕手機屏幕的亮度和鍵盤燈。比如在光線的亮度和鍵盤燈。比如在光線充足的地方，屏幕很亮，鍵盤燈就會關(guān)閉；相反，充足的地方，屏幕很亮，鍵盤燈就會關(guān)閉；相反，在暗處，鍵盤燈就會亮，屏幕較暗在暗處，鍵盤燈就會亮，屏幕較暗( (與與屏幕亮度屏幕亮度的的設(shè)置也有關(guān)系設(shè)置也有關(guān)系) )，這樣既保護了眼睛又節(jié)省了能量，這樣既保護了眼

18、睛又節(jié)省了能量，一舉兩得。而且光線傳感器在進入睡眠模式的時一舉兩得。而且光線傳感器在進入睡眠模式的時候，會發(fā)出藍色周期性閃動的光，甚是好看。候，會發(fā)出藍色周期性閃動的光，甚是好看。 導(dǎo)光型多模光纖，它由兩束光纖組成導(dǎo)光型多模光纖，它由兩束光纖組成Y Y型型光纖，探頭為半圓分布。一束光纖端部與光纖，探頭為半圓分布。一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接收光束。換器相接接收光束。 兩光束混合后的端部是工作端亦即探頭，兩光束混合后的端部是工作端亦即探頭，它與被測體相距，由光源發(fā)出的光通過它與被測體相距，由光源發(fā)出的光通過光纖傳到端部射出后再經(jīng)

19、被測體反射回來，光纖傳到端部射出后再經(jīng)被測體反射回來，由另一束光纖接收反射光信號再由光電轉(zhuǎn)由另一束光纖接收反射光信號再由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓量。換器轉(zhuǎn)換成電壓量。一、實驗?zāi)康募皟?nèi)容了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。（實驗十四）了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。（實驗十四）了解光纖傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。（實驗三十）了解光纖傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。（實驗三十）二、實驗器件與單元 檢測技術(shù)實驗臺、電容傳感器實驗?zāi)０?、檢測技術(shù)實驗臺、電容傳感器實驗?zāi)０?、測微頭、數(shù)顯單元、電容傳感器測微頭、數(shù)顯單元、電容傳感器 光光纖纖傳感器實驗?zāi)０濉⒐鈧鞲衅鲗嶒災(zāi)０?、光纖纖傳感器、反傳感器、反射面、導(dǎo)線射面、導(dǎo)線三、實驗原理 利用

20、平板電容利用平板電容C=A/dC=A/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇（介電常（介電常數(shù)）、數(shù)）、A A（正對面積）、（正對面積）、d d（極板間距）中三個參（極板間距）中三個參數(shù)。保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，數(shù)。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則可以有測谷物干燥度(變變) )測微小位移測微小位移( (變變d)d)和測量液位和測量液位( (變變A)A)等多種電容傳感器。等多種電容傳感器。 電容式傳感器C=A（角度和位移）（角度和位移）/d光纖測距原理光纖測距原理當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測件

21、時，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，因而光電器件中不能產(chǎn)生電信號。當(dāng)被測表面逐漸遠離光纖探頭時，發(fā)射光纖照亮被測表面的面積越來越大，因而相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積越來越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)也越來越大，有一個線性增長的輸出信號。當(dāng)整個接收光纖端面被全部照亮?xí)r，輸出信號就達到位移輸出信號曲線上的“光峰點”。當(dāng)被測表面繼續(xù)遠離時，由于被反射光照亮的面積大于，即有部分反射光沒有反射進接收光纖。但由于接收光纖更加遠離被測表面，接收到的光強逐漸減小，光電器件的輸出信號逐漸減弱 光纖傳感器：由于光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電壓量大小與間距有光纖傳感器：由于光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電壓量大小與間距有關(guān)，因

22、此可用于測量位移。關(guān)，因此可用于測量位移。四、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析 1.1.根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的表格進行數(shù)據(jù)記錄，并分析數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)。 2.2.回答實驗指導(dǎo)書思考題提出的問題。回答實驗指導(dǎo)書思考題提出的問題。 3.3.總結(jié)電容式、光總結(jié)電容式、光纖纖傳感器的作用。傳感器的作用。實驗五實驗五 熱電阻測溫特性實驗熱電阻測溫特性實驗 （實驗指導(dǎo)書（實驗指導(dǎo)書41-4241-42頁）頁）一、實驗?zāi)康募皟?nèi)容熱電阻的性能與應(yīng)用范圍（實驗三十六）熱電阻的性能與應(yīng)用范圍（實驗三十六） 熱電偶熱電偶 實驗三十七（選作）實驗三十七（選作）二、實驗器件與單元 加熱源、熱電偶加熱源

23、、熱電偶K K型、型、PT100PT100熱電阻、熱電阻、溫度控制儀、數(shù)顯單元、溫度傳感器實驗溫度控制儀、數(shù)顯單元、溫度傳感器實驗?zāi)０迥０鍩犭娮枧c熱電偶的區(qū)別：熱電阻與熱電偶的區(qū)別：三、實驗原理 利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性，熱電阻用利用導(dǎo)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(guān)系。好，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關(guān)系。常用鉑電阻和銅電阻在常用鉑電阻和銅電阻在0-630.740-630.74以內(nèi)，電阻以內(nèi)，電阻R Rt t與溫度與溫度t t的關(guān)系為：的關(guān)系為：R Rt t=R=R0 0(1+A(1+At+Bt+Bt t2 2) )R R0 0系