传感器系列实验讲义

请勿带走！！！传感器系列实验讲义中国科学技术大学物理实验教学中心2015-092目录实验一电阻应变片传感器DIY电子秤...................................................................实验二DIY温度控制系统&测记忆合金的恢复温度.............................................实验三压力传感器.....................................................................................................实验四气敏传感器.....................................................................................................实验五热释电传感器.................................................................................................3实验要求目前传感器实验有5个系列实验（见下表），共30套设备，实验时要求每人操作一套设备。实验课的基本任务是每人至少要完成2个实验，其中标“★”号是要求必做的实验，可以完成多于2个实验。为了确保实验课程的顺利运行，超过16:30或者21:30后，原则上不安排基本任务之外的实验。序号实验名称实验套数备注1电阻应变片传感器DIY电子秤6★2DIY温度控制系统&测记忆合金的恢复温度63压力传感器6★4气敏传感器65热释电传感器64实验一电阻应变片传感器DIY电子秤实验目的1、了解电阻应变片的组成、结构2、了解直流电桥的应用3、DIY电子秤称重的原理实验仪器直流电源悬臂梁（已贴应变片）电子秤底座（已焊好接线柱）托盘1个1000电阻3个C形砝码6个待测物1个香蕉插头6个螺丝刀1把导线2根万用表1台（公用）实验原理1、电阻应变式传感器的结构右图中的1是敏感栅，它用厚度为0.003～0.101mm的金属箔栅状或用金属线制作。2、电阻应变式传感器的原理金属箔电阻应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码使它弯曲，有的表面受到拉伸，有的表面受到压缩。所以受到拉伸的电阻阻值变大，受到压缩电阻阻值变小。分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓单臂、半桥或全桥），以电压表为平衡检测器。未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。做M-U图，是线性关系。对应三种情况，分别求出电桥灵敏度（单位质量变化引起电压的变化ΔU/ΔM）。实验中采用如下图的电桥电路，电源电压为E，桥臂电阻均取1000.0，悬臂梁未受力时应变片阻值R=1000.0。根据伏安关系可求得桥电压U与应变片电阻R之间近似满足以下关系：542ERERRUUUERRR实验内容1、自己设法确认各传感器的受力是拉伸还是压缩力，并用图示说明。2、利用所提供的元件连接单臂电桥，桥电压由万用表给出，记下零点电压。3、依次增加砝码，测量单臂电桥的M~U定标曲线。有了定标曲线后，就作成了一台简易的电子秤。提示：电子秤的量程约2公斤，请勿加载过重的物体，以免损坏应变片。4、测量待测物体的质量。5、分别连接半桥、全桥电路，重复1~3步。6、比较三种电路的灵敏度。7、实验总结67实验二DIY温度控制系统&测量记忆合金的恢复温度实验目的1、了解Cu50测温度的原理2、DIY一个实用的温度控制系统3、测量记忆合金的恢复相变温度实验仪器智能温控仪温度传感器固态继电器电热炉烧杯记忆合金弹簧镊子直尺螺丝刀导线实验原理本实验首先用温度传感器Cu50或Pt100、智能温控仪、固态继电器、电热炉等元件搭建一套实用的温度控制系统，再利用该系统测量记忆合金的恢复温度。温度控制系统的原理图如下图所示1、温控仪温控仪是调控一体化智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有温度曲线可编程或定点恒温控制、PID调节、开关量输出、报警、实时数据查询、与计算机通讯等功能。通过温度传感器对待测温度自动进行采样、即时监控，当环境温度高于控制设定值（SV）时控制电路启动，可以设置控8制回差。如温度还在升，当升到设定的超限报警温度点时，启动超限报警功能。2、PID调节现代的自动控制技术基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。3、温度传感器Cu50Cu50是铜热电阻，在一定温度范围内，其阻值会随着温度的变化而线性改变。Cu后的50即表示它在0℃时阻值为50欧姆（类推Pt100）。铜热电阻的线性较好、价格低、电阻率低，因而体积较大，热响应较慢，常用于-50~150℃范围的温度测量，其分度表见表1。表1、Cu50热电阻分度表T/℃-40-20020TCu50阻值41.40145.70650.00054.285Cu50T/℃406080100120Cu50阻值54.56562.84267.11971.40075.6874、固态继电器固态继电器（SSR）是具有隔离功能的无触点电子开关，用隔离器件实现控制端与负载端的隔离。SSR的输入端用微小的控制信号，实现驱动大电流负载的目的。在开关过程中无机械接触部件，因此SSR除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，输入功率小，灵敏等许多优点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、电炉加温控制、电机控制、数控、遥控、工业自动化等领域。5、记忆合金记忆合金是一种原子排列很有规则马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做记忆合金。此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。实验内容1、按照温度控制系统示意图连接线路。警示：为避免触电，严禁移除贴在智能温控仪和固态继电器上的密封胶带！2、向烧杯内倒入约2cm深的自来水。警示：请檫干烧杯底部水滴。为避免烫伤，严禁用手触摸电热炉的金属部分！3、将温度传感器浸入水中，接通电源。4、设置智能温控仪的SV=50℃，电热炉的档位设置在2档与3档之间，此时，应能看到电热炉开9关旁边的加热灯闪烁。警示：请爱惜实验仪器，防止电热炉烫伤导线外皮！5、将记忆合金拉伸到6cm左右，放入烧杯中。6、记录弹簧长度L与水温T之间的关系曲线，确定记忆合金的恢复温度。提示：若经过20分钟加热，实测温度(PV)始终不能达到SV=50℃，可将电热炉档位升至3档位置。7、实验总结10实验三压力传感器实验目的1、了解压阻式压力传感器的组成、结构2、了解压阻式压力传感器测量气压的原理3、DIY压力传感器控制感应灯和报警器实验仪器MPX5100压力传感器电磁继电器二极管三极管发光二极管蜂鸣器直流稳压电源导线实验原理利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。1、MPX5100压阻式压力传感器2、电磁继电器ABCDEFK①模拟信号输出②接地③接5V直流电源正极④负压端口⑤正压端口11继电器Ａ、B端等势，C、D端间为螺线管，E为长闭端，F为长开端。C、D端接入控制继电器开关的电路，A（或B）、F端接入被继电器控制的电路。当C、D端无电流经过时，继电器内螺线管中也无电流，其内开关K与E相接，A（或B）、F间为断路。当C、D端有足够大的电流经过时，继电器中螺线管产生的磁场使开关K断开E而接通F，A（或B）、F间便可接通。3、二极管二极管具有单向导通性，起关闭开关后给继电器放电作用。4、三极管三极管有Ｅ、B、C三个极，接法如图所示三极管实物及电路图本实验中，三极管起开关作用，B、E间电压小于约0.6V时，三极管E、C间为断路，B、E间电压大于约0.6V时，三极管E、C间接通。实验内容：一、传感器压力与电压的标定（P-U）实验电路图1)将气压传感器正压端口与气管相连，并将气管与血压计球相连（如图所示）。2)真空压力表示数为0时记录下电压表示数，然后用血压计球慢慢向瓶内充气，真空压力CBE12表示数每增加0.01MPa时，记录电压表示数，达到最大压力（小于0.1MPa）。3)再用血压计球慢慢向瓶外放气，真空压力表示数每减0.01MPa，记录下此时电压表示数，直至真空压力表示数为0。4)将充放气两次同一气压对应电压表示数取平均值，作为测量值，绘出电压表示数U与瓶内气压P关系图，并作出拟合直线。二、压力感应灯和报警电路1)将气压传感器正压端口与气管相连，并将气管与血压计球相连。2)按照下图连接电路，检查无误后接通电源。压力感应灯和报警电路3)用血压计球对湿化瓶充气，使蜂鸣器报警，发光二极管发光。注意事项1）实验时切勿摔碰真空压力表头，以防表头漏气2）直流电源应控制在5V左右，不能过大，以免烧坏传感器、三极管及发光二极管。3）瓶内气压应控制在0.1MPa以下，不应过大，以免破坏传感器。13实验四气敏传感器实验目的1、了解半导体传感器的组成、结构2、了解半导体传感器测量气体的原理3、DIY气敏传感器控制感应灯和报警器实验仪器MQ-3气敏传感器电磁继电器二极管三极管发光二极管蜂鸣器直流稳压电源导线实验原理气敏传感器是指能够采集气体的某些信息（如：浓度、种类）并把采集到的信息转化为人们更易别的信号（如电信号、声信号、光信号、数字信号等）的元件或装置。气体传感器可分为物理类气体传感器和化学类气体传感器，其中物理类气体传感器包括热电传感器、压电传感器等，而化学类气体传感器包括半导体气敏传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器等。目前化学类气体传感器中使用最多是半导体气敏传感器。由于它具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长、成本低等特点，广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器；也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO2等气体的测量；生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。1、MQ-3气敏传感器，对乙醇十分敏感。MQ-3气敏探头MQ-3传感器模块电路图本实验中，只需用正极、负极和AO输出三个引脚，即将电源的正负极接在正负极两个引脚上，用AO输出引脚进行模拟信号输出。142、电磁继电器继电器Ａ、B端等势，C、D端间为螺线管，E为长闭端，F为长开端。C、D端接入控制继电器开关的电路，A（或B）、F端接入被继电器控制的电路。当C、D端无电流经过时，继电器内螺线管中也无电流，其内开关K与E相接，A（或B）、F间为断路。当C、D端有足够大的电流经过时，继电器中螺线管产生的磁场使开关K断开E而接通F，A（或B）、F间便可接通。3、二极管二极管具有单向导通性，起关闭开关后给继电器放电作用。4、三极管三极管有Ｅ、B、C三个极，接法如图所示三极管实物及电路图本实验中，三极管起开关作用，B、E间电压小于约0.6V时，三极管E、C间为断路，B、E间电压大于约0.6V时，三极管E、C间接通。CBEABCDEFK15实验内容一、传感器测量气体浓度与电压标定(C-U)1）按图所示连接电路，用水杯量取200ml水，将MQ-3传感器接入杯盖上，检查无误后接通电源。实验电路图2）待万用表直流电压档示数稳定后，记录下该示数，作为没加乙醇时传感器输出电压。再按下表依次用注射器取少量乙醇，从容器小孔中注入容器，轻微振动容器，使乙醇溶解均匀，待电压表示数几乎稳定后，记录下