传感器实验2011

《传感器实验2011》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器实验2011（51页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流传感器实验2011.精品文档.传 感 器 实 验何光宏重庆大学物理实验教学中心目录0、 绪论1、 金属箔式应变片-单臂电桥、双臂电桥和全桥2、 金属箔式应变片-电子秤实验3、 差动变压器的性能测定4、 电容式传感器的位移特性5、 Pt100热电阻测温实验6、 热敏电阻的特性研究7、 LED光源I-P特性曲线测试8、 反射式光纤位移传感器9、 微弯式光纤压力传感器10、 电涡流式传感器的工作特性11、 电涡流式传感器的应用12、 霍尔式传感器的直流激励特性13、 霍尔式传感器的应用-电子秤14、 压电加速度式传感器15、 光电传感器的应用光电转

2、速测量16、 热电偶温差电动势研究17、 PN结正向压降与温度关系研究18、 硅光电池基本特性测量19、 光敏二极管和光敏三极管基本特性测量20、 光敏电阻基本特性测量21、 光栅传感器特性测试0 绪论1 传感器及其组成人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种请况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要结决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。我国国家标准（GB77

3、65-87）中说，传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。我们的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图0-1。被测量 电量转换元件基本转换电路敏感元件图0-1 传感器组成框图敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量

4、输出。2 传感器的一般特性2.1 线性度传感器的输出输入关系或多或少的存在非线性问题。在不考虑迟滞蠕变不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示： (0-1)式中： y 输出量；x 输入量； 零点输出； 理论灵敏度, 非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。在非线性误差不太大的情况下，采用直线拟合的方法来线性化。此时，输出输入的校正曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差 （0-2）由此可见，非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非

5、线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。最小二乘直线拟合事将数据拟合成直线y =kx+b，若实际校准测试点有 n 个,则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为 (0-3) 最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值 , 即由此可以求出 k 和 b 的表达式为 (0-4)例：测得某检测装置的一组输入输出数据如下x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0用最小二乘法拟合直线，求其线性度解：代入数据得 k=0.68,b=0.252.2 灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度,其表达式为 （0-5）由此可见,传感器输出曲线

6、的斜率就是其灵敏度。对具有线性特性的传感器,其特性曲线的斜率处处相同,灵敏度k是一常数,与输入量大小无关。2.3 迟滞传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图0-2所示,它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即 （0-6）式中正反行程间输出的最大差值。 0-2 迟滞 0-3 重复性2.4 重复性重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。图0-3 所示为输出曲线的重复特性,正行程的最大重复性偏差为时 , 反行程的最大重复性偏差为。重复性偏差取这两个偏差之中较大者为, 再以满量程输出的百分数表示,即

7、 （0-6）2.5 静态误差静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差，即 （0-7）式中 各测试点的残差；n测试点数。取2和3值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即3 实验数据处理方法3.1 列表法实验中将数据列成表格，可以简明地表示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是否合理，有助于发现和分析问题，而且列表法还是图象法的基础。列表时应注意： 表格要直接地反映有关物理量之间的关系，一般把自变量写在前边，因变量紧接着写在后面，便于分析。 表格要清楚地

8、反映测量的次数，测得的物理量的名称及单位，计算的物理量的名称及单位。物理量的单位可写在标题栏内，一般不在数值栏内重复出现。 表中所列数据要正确反映测量值的有效数字。例，下表给出了某压力传感器的标定数据及初步处理结果。表0.1 某压力传感器的标定数据及初步处理结果输入/N0200040006000800010000输出/mV1加载-0.7521.4043.5255.6437.7579.872卸载-0.7551.4023.5235.6437.7589.8722加载-0.7551.4153.5285.6547.7699.880卸载-0.7571.4113.5355.6437.7669.8803加载-

9、0.7571.4153.5375.6557.7689.880卸载-0.7581.4143.5365.6547.7679.880初步处理结果/mV加载平均读数-0.7551.4113.5335.6517.7659.877卸载平均读数-0.7571.4093.5315.6507.7649.877重复加载最大偏差0.0050.0110.0130.0120.0120.008加卸载间最大偏差0.0030.0040.0030.0010.0030.0003.2 作图法选取适当的自变量，通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系，并便于找出其中的规律，确定对应量的函数关系。作图法是最常用的实验数据处理方法之一

10、。描绘图象的要求是：根据测量的要求选定坐标轴，一般以横轴为自变量，纵轴为因变量。坐标轴要标明所代表的物理量的名称及单位。坐标轴标度的选择应合适，使测量数据能在坐标轴上得到准确的反映。为避免图纸上出现大片空白，坐标原点可以是零，也可以不是零。坐标轴的分度的估读数，应与测量值的估读数（即有效数字的末位）相对应。3.3 逐差法当两个变量之间存在线性关系，且自变量为等差级数变化的情况下，用逐差法处理数据，既能充分利用实验数据，又具有减小误差的效果。具体做法是将测量得到的偶数组数据分成前后两组，将对应项分别相减，然后再求平均值。例如，在弹性限度内，弹簧的伸长量与所受的载荷(拉力)满足线性关系实验时等差地

11、改变载荷，测得一组实验数据如下表：表0.2 砝码质量/kg1.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.000弹簧伸长位置/cmx1x2x3x4x5x6x7x8求每增加1Kg砝码弹簧的平均伸长量。若不加思考进行逐项相减，很自然会采用下列公式计算结果发现除和外，其它中间测量值都未用上，它与一次增加7个砝码的单次测量等价。若用多项间隔逐差，即将上述数据分成前后两组，前一组，后一组，然后对应项相减求平均，即这样全部测量数据都用上，保持了多次测量的优点，减少了随机误差，计算结果比前面的要准确些。逐差法计算简便，特别是在检查具有线性关系的数据时，可随时“逐差验证”，及时发现数

12、据规律或错误数据。3.4 最小二乘法由一组实验数据拟合出一条最佳直线，常用的方法是最小二乘法。设物理量和之间的满足线性关系，则函数形式为图0-3 的测量偏差最小二乘法就是要用实验数据来确定方程中的待定常数k和b，即直线的斜率和截距。我们讨论最简单的情况，即每个测量值都是等精度的，且假定和值中只有有明显的测量随机误差。如果和均有误差，只要把误差相对较小的变量作为即可。由实验测量得到一组数据为，其中时对应的。由于测量总是有误差的，我们将这些误差归结为的测量偏差，并记为，见图0-3。这样，将实验数据代入方程后，得到我们要利用上述的方程组来确定k和b，那么k和b要满足什么要求呢？显然，比较合理的和是使

13、，数值上都比较小。但是，每次测量的误差不会相同，反映在，大小不一，而且符号也不尽相同。所以只能要求总的偏差最小，即令 使为最小的条件是解得 (0-8) (0-9)如果实验是在已知和满足线性关系下进行的，那么用上述最小二乘法线性拟合(又称一元线性回归)可解得斜率k和,从而得出回归方程。如果实验是要通过对、的测量来寻找经验公式，则还应判断由上述一元线性拟合所确定的线性回归方程是否恰当。这可用下列相关系数来判别 (0-10)图0-4 相关系数与线性关系可以证明，值总是在和之间。值越接近，说明实验数据点密集地分布在所拟合的直线的近旁，用线性函数进行回归是合适的。表示变量、完全线性相关，拟合直线通过全部

14、实验数据点。值越小线性越差，一般时可认为两个物理量之间存在较密切的线性关系，此时用最小二乘法直线拟合才有实际意义，见图0-4。3.5 Excel作图利用Excel可以根据录入的实验数据即时、准确的得到分析处理结果以及相关的图表，解决实验数据处理的问题。例如，某应变式电阻传感器实验中，在横梁自由端放置不同质量的物体，使横梁发生不同程度的弯曲，测量电桥输出电压。数据如下表表0.3 在横梁自由端放置不同质量的砝码时的电压 序号质量/g电压/V加砝码减砝码100.0000.000220-0.007-0.007340-0.013-0.014460-0.019-0.020580-0.026-0.02761

15、00-0.032-0.0347120-0.039-0.0408140-0.045-0.0469160-0.051-0.05210180-0.057-0.05711200-0.063-0.063利用Excel作图的步骤为：1） 将测量数据录入Excel表格2） 在“插入”菜单中选择“图表”， 按照图表向导的指引，依据需要选择“XY 散点图”以及图表类型(Scatter)。3） 点击“下一步”进入图表向导步骤二，在“系列”中，选择 B3至 B13作为 X 值，E3至 E13作为 Y 值。4） 点击“下一步”进入图表向导步骤三，输入图表标题“质量电压关系图”、X 和 Y 轴的标题等内容，点击“完成”

16、，便可得到质量(m)电压(U)特性曲线，如图 1 所示。5） 选中图中的数据点，点击右键，选择“添加趋势线(R)”，在弹出的对话框中，根据需要选择“线性”，并在“选项”卡中，选中“显示公式”和“显示 R 平方值(R)”，点击“确定”即可在图表中给出数据点的拟合方程。此时 Excel 便自动在图中绘制出线性拟合得到的直线，并在图中给出拟合直线的方程和相关系数 R 的平方值。结果如下图实验一 金属箔式应变片-单臂电桥、双臂电桥和全桥一、 实验目的：1、 了解金属应变片的工作原理和结构2、 掌握单臂电桥、双臂电桥和全桥的工作原理和性能特点二、 基本原理：1、 应变片的工作原理金属丝在外力作用下发生机

17、械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。可以表示为 (1-1)式中：为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1）。为材料的泊松比。l为材料原长。为电阻率。为金属电阻的灵敏系数。它受两个因素影响：一个是（1+），它是材料的几何尺寸变化引起的；另一个是，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则。对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同

18、变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（1）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系有 （1-2）式中 测试的应力； E材料弹性模量。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。2、直流测量电桥通常用直流电桥测量应变片电阻的变化，如图1。R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻。当R1变化R1时，电桥平衡条件被打破，电桥产生不平衡电压 （1-3）设桥臂比，略去分母中的R1 / R1，有 （1-4）式中： （1

19、-5）为单臂工作应变片的电桥电压灵敏度，其物理意义表示单位电阻相对变化引起的电桥输出电压的大小。当n=1，即时，输出电压灵敏度最高，此时图1中，如果有两个应变片同时作为测量臂，称为半差动电桥（简称半桥）。如果四个应变片同时作为测量臂，称为全差动电桥（简称全桥）。对半桥，R1、R2为应变方向相反的两个工作应变片，电桥输出电压为设初始时，,则 （1-6）可见，半桥的电桥灵敏度提高了一倍。同理可得全差动电桥的输出电压，电桥灵敏度比半差动电桥又提高了一倍。三、需用器件与单元：THQC-1型传感器特性实验仪，应变式传感器实验模板、砝码、15V电源、5V电源、万用表。四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位

20、置如图2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350。图2 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置。3、差动放大器调零：将差放的正、负输入端与地短接，输出端Vo2与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3、按图3将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左

21、上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源5V，此时应将5V地与15V地短接（因为不共地）如图3所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。图3 应变式传感器单臂电桥实验接线图表11单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mv)5、半桥性能测试：根据图4接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，

22、即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复步骤4，记录实验数据。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。图4 半桥实验接线图 图5 全桥实验接线图6、 全桥性能测试：根据图5接线，实验方法与步骤5相同。7、 计算系统灵敏度（输出电压的变化量，重量变化量）和非线性误差f1=m/yFS 100，式中（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g. 五、实验注意事项1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、

23、电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。3、 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。4、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片

24、，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。图6 应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求1、记录实验数据，并在同一坐标系中绘制出单臂、半桥和全桥时传感器的特性曲线。2、计算并比较单臂、半桥、全桥输出时的系统灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析。实验二 金属箔式应变片的应用电子秤实验一、 实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：利用全桥测量原理，当系统受到重量W的作用时，可以通过精心调节放大电路的放大倍数，使电路显示的电压值V正好等于系统所承受的重量W，若将电压量纲（V）改为重量量纲（g），则系统就成为一台原始的电子秤。三、实验仪器：应变式传感器实验模板

25、、砝码、数显表、15V电源、5V电源。四、实验内容与步骤：1、按照实验一中步骤1、2连接系统电源，然后按实验一中步骤3 对差动放大器调零。2、按图5全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.000V（2V档）。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V或0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表2-1。表21电桥

26、输出电压与加负载重量值重量（g）电压(mv)6、 计算电子秤的灵敏度、非线性误差。五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V，绝不可错接成15V。六、实验报告要求：1、记录实验数据，绘制传感器的输入输出特性曲线。2、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除？若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施？实验三 差动变压器的性能测定一、 实验目的：1、了解差动变压器的工作原理和特性。2、了解三段式差动变压器的结构。二、 基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传

27、感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。三、 需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源。四、 实验内容与步骤：1、将差动变压器及测微头按装在差动变压器实验模板上。2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，在模块上按图6接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的音频振荡器的端子（正相或反相）输出，调节音频振荡器的频率，使输出频率为4-5KHZ（可用主控箱的频率计来监测）。调节输出幅度

28、为峰峰值Vp-p=2V（可用示波器监测）。3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3-1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。图6 双踪示波器与差动变压器连接示意图表51差动变压器位移X值与输出电压数据表V(mv) X(mm)4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压的大小，根据表3-1画出Vop-pX曲线，作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性

29、误差。五、实验注意事项： 1、在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。 2、模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。六、思考题：1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？七、实验报告要求：1、根据实验测得的数据，绘制出测微头左移和右移时传感器的特性曲线。2、分析产生非线性误差的原因。实验四 电容式传感器的位移特性一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。二、 基本原理：利用平板电

30、容CSd和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为： （4-1）式中 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆

31、筒相对移动时，电容变化量为 （4-2）于是，可得其静态灵敏度为： （4-3）可见灵敏度与有关，越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。三、 需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。四、 实验步骤：1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。2、将电容传感器实验模板的输出端Vo与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调

32、节到中间位置（Rw共有10圈，调到5圈即可）。3、接入15V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表4-1。表41 电容传感器位移与输出电压值X(mm) V(mv)4、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差。五、实验注意事项：1、 传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2、实验前，传感器前端要加塑料绝缘头。实验过程中，不要接触传感器。否则将会使线性变差。图4-1电容传感器位移实验接线图六、思考题：1、简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。2、电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？七、实验报告要求：1

33、、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。2、根据实验结果，分析引起这些非线性得原因，并说明怎样提高传感器得线性度。实验五 Pt100热电阻测温实验一、 实验目的：了解热电阻的特性与应用。二、 基本原理：利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，而稳定，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0630.74以内，电阻Rt与温度t的关系为： （5-1）Ro系温度为0时的电阻。本实验Ro100。A3.9684102，B5.8471072，铂电阻内部引线方式有两线制、三

34、线制和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。 三、 需用器件与单元：Pt100热电阻（温度模块上）、1A恒流源（温控单元内）、温度控制单元（温控器）、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。四、 实验步骤：1、将温度模块中的实验Pt100接入a、b间，把b、c连接起来，这样，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就组成了一种直流单臂电桥，再把Rw2逆时针旋到底（

35、增益最小）。2、把温度模块的15V和主控箱的15V输出连接起来，差动放大器的Vo与主控箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接，调节Rw3使差动放大器的输出为零。3、按图5-1连接好线，模块上的温控Pt100连接到温控单元中“Pt100输入”（注意有3个端子），在端点a与地之间加+5V的直流电源，按图5-1将电桥的输出与差动放大器相连，温度控制器的SV窗口设定为，然后调节Rw1使电桥平衡，即使差放的输出为零。图5-1 Pt100热电阻测温实验接线图4、将温控单元的“恒流源输出”连接到模块上的“恒流输入”。5、将温度控制器的SV窗口设置在100，使温度上升到100。6、待温度上升到100后

36、，再将温度控制器的SV窗口设置在30，使温度逐渐下降。7、从100开始，每隔5，读取数显表值，将结果填入下表：表51T（）V(mV)6、根据上表计算Pt100的非线性误差。五、实验注意事项：加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。六、思考题：如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？七、实验报告要求：1、根据实验所得的数据，做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。2、总结Pt100热电阻传感器有哪些优缺点。实验六 热敏电阻的特性研究一、 实验目的：了解热敏电阻的特性与应用。二、基本原理：热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成，可以

37、分为负温度系数热敏电阻NTC（Negative Temperature coefficient Thermistor）和正温度系数热敏电阻PTC（Positive Temperature Coefficient Thermistor），临界温度系数热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）三种。本实验主要研究前两种，半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高），越来越多的载流子克服禁带（或电离能）引起导电，这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移发生变化，根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，特别

38、适合于之间的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为：，式中，R0是在25时或其他参考温度时的电阻，T0是热力学温度（K）B称为材料的特征温度，其值与温度有关，主要用于温度测量。PTC是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特征曲线是随温度升高而阻值增大，开关型的PTC在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的区段，即电阻值突然迅速升高。PTC适用的温度范围为，主要用于过热保护及作温度开关。NTC和PTC的特征曲线为：NTC、PTC电阻温度曲线图二、 需用器件与单元：加热源、温度控制单元、温度传感器实验模板、万用表2个。四、实验内容与步

39、骤：1、将温度模块上的恒流输入和主控箱上的恒流输出连接好。2、将温度模块中的温控Pt100与主控箱温控单元的Pt100输入连接起来，a接+5V。3、将温度控制器的SV窗口设置在100，使温度上升到100。4、待温度上升到100后，再将温度控制器的SV窗口设置在30，使温度逐渐下降。5、从100开始，每隔5，用万用表测量温度模块上的NTC和PTC的输出，记下每次设置温度下的电阻值，将结果填入下表： NTC：t()Rt()RPTC：t()RT()R五、实验注意事项：加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。六、思考题：若要用NTC测量温度，怎样将其线性化？画出它的线性化电路。七、实验报

40、告要求：1、根据实验所得的数据绘制出NTC、PTC的特性曲线。2、归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。实验七 LED光源I-P特性曲线测试一、实验目的1、了解发光二极管及PIN探测器的基本构造和原理； 2、了解发光二极管的工作特性； 3、熟练掌握发光二极管的IP特性，掌握发光二极管IP特性曲线的测量方法； 4、测量一组 P、I值并绘出不同IP特性曲线。二、 实验原理目前比较常用的光源主要有半导体激光二极管和发光二极管。发光二极管简称LED(Light Emitting Diode)，它的输出光功率（P）随着驱动电流（I）的变化而变化。测量 LED 光源

41、的 IP 特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。 1、发光二极管的结构及发光机理 发光二极管发射的是自发辐射光。它有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，其结构示于图7-1。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合率较高，因而入纤光功率比正面发光型大。正面发光型LED 侧面发光型LED图7-1 半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。如图 7-2 所示，当发光二极管的 PN 结上加有正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子扩散运动加强。图7-2由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的

42、空穴复合时，电子由高能级向低能级跃迁，同时将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。 LED的发光波长取决于半导体材料的禁带宽度Eg实际的发射光波长有一定的分布，其发射光谱有一定的宽度，这主要是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光。实验仪采用的LED 光源中心波长为 890nm 。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系为式中， 为发光效率，Ep为光子能量，e为基本电荷量。2、光电二极管的工作原理 光电二极管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。 光电二极管的基本结构是PN结。当外加反偏

43、电压方向与PN结内电场方向一致时，用光照射 PN 结及其附近时就产生光生载流子，光生载流子在势垒区电场作用下漂移过结，参与导电。当入射光强变化时，光生载流子浓度以及通过外电路的光电流随之变化。光电流与入射光强在一定范围内成线性关系三、 实验仪器光纤传感实验仪主机，发射-接收光纤。图7-4四、实验步骤1、取仪器配套的发射接收光纤，将光源与LED光源的接插座相连，探测器端与PIN光电二极管的接插座相接。、接通电源，LED驱动电流显示窗上将指示出LED驱动电流值（单位）。调整电流调节按键使电流为零。、每隔2.，对应记录下经光电转换放大后的输出电压值，单位：（正比于光功率输出值）。五、数据记录及处理1

44、、把直接测量数据I、U填入下表，并根据12 式算出 P值。 2、根据数据作 LED光源的 I-P 特性曲线。实验八 反射式光纤位移传感器一、 实验目的1、 了解非功能性光纤传感器的原理和结构2、 了解一对光纤传感器的反射接收特性曲线3、 掌握光纤位移传感器的基本原理和使用方法二、 实验原理由于反射调制式光纤传感器具有准确、简单、价格低廉等优点，对于传感器的广泛应用特具魅力。反射调制方式的光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射镜的反射光。光源光纤发出的光照射到反射器上，其中一部分反射光由接收光纤接收，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移（如图）。设注入发射光纤的光强

45、为I0，发射光纤和反射接收光纤的本征损耗系数分别为和，二者之间的距离为d，反射镜的反射系数为R，反射镜到光纤端面的距离为x，则接收到的光强为：为反射式特性调制函数，这里，a0是光纤芯半径，为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。上式表达的反射光强随位移的特性曲线如下图所示。反射式调制方式归一化光强特性曲线由上述分析可知，在其它参数确定情况下，I(x)是x的单值函数。根据光强特性曲线，由测得的光强即可测得反射体到光纤端面的距离。本实验中光纤芯半径为a0=0.1mm，=0.081，光源为中心波长是0.89m的LED光源，两光纤之间的距离d=0.34mm，驱动电流为35m

46、A。三、 实验仪器光纤传感实验仪、反射接收光纤、准三维调节架。四、 实验步骤1、 反射式光纤位移传感器的特性调制曲线的测量（1） 将反射式光纤探头卡在纵向维动调节架上，对准反射器并使光纤探头与反射间距为0.1mm左右。（2） 接通电源，将LED驱动电流调到30mA。（3） 调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置，记录下螺旋测微器的读数以及电压输出值。（4） 沿某纵向向远离反射镜的方向旋动微动架。每旋动0.1mm记录电压输出值，直至5mm。（5） 利用Excel软件作出反射式调制特性曲线。 2、 位移传感标定由理论曲线可以看出光纤位移传感器可工作在两个区域，即上升沿（前沿

47、）和下降沿（后沿），前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区的灵敏度低但动态范围较大，可视需要而定。在作为光纤传感器使用时，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线，用origin作图软件进行多项式拟合出反射镜与光纤探头间的距离。根据特性曲线选择线性区，在选好的线性区间内按照1的步骤，每隔0.05mm记录输出电压值，利用Excel软件作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。3、在选定的线性区内旋动螺旋测微计，记录对应的输出电压。五、 实验报告要求1、 作出调制特性曲线和传感器输入输出特性曲线2、 计算测量误差六、 注意事项七、 思考题设计一实验，测量一个可以转换成位移的其它物理

48、量，如长度的改变、双金属片随温度的变化、模片随压力的变化实验。实验九 微弯式光纤压力传感器微弯式光纤传感器是根据微弯变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。微弯式传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对纤芯中光强度的变化来实现信号性能的转换；而后者则检测包层中的光信号。本实验就是利用光纤微弯变形引起纤芯中传输的光波强度的变化来实现位移或压力的检测。一、 实验目的1、 了解光纤弯曲损耗的机理极其特性；2、 学习利用弯曲损耗测量位移的方法；3、 学习利用弯曲损耗测量压力的方法。二、 实验原理微弯型光纤传感器的原理结构如图4所示。当光纤发生弯曲时，由于其全反射条件被

49、破坏，纤芯中传播的某些模式光束进入包层，造成光纤中的能量损耗。为了扩大这种效应，我们把光纤夹持在一个周期波长为A的梳妆结构中。当梳妆结构（变形器）受力时，光纤的弯曲情况将发生变化，于是纤芯中跑到包层中的光能（即损耗）也将发生变化，近似的将把光纤看成是正旋微弯，其弯曲函数为： （1）式中L是光纤产生微弯的区域，A为其弯曲波长。光纤由于弯曲产生的光能损耗系数是：（2）式中称为谐振频率。 （3）Ac为谐振波长，和为纤芯中两个模式的传播常数，当时，这两个模式的光功率耦合特别紧，因而损耗也增大。如果我们选择相邻的两个模式，对光纤折射率为平方律分布的多模光纤可得： （4）r为光纤半径，D为纤芯与包层之间的

50、相对折射率差。由（3）（4）可得：（5）对于通讯光纤,。（2）式表明损耗与弯曲幅度的平方成正比，与微弯区的长度成正比。通常，我们让光纤通过周期为A的梳妆结构来产生微弯，按（5）式得到的Ac一般太小，实用上可取奇数倍，即3 、5、7等，同样可得到较高的灵敏度。三、 实验仪器光纤实验仪主机（图1），发射与接收光纤（图2），二维调节架（图3）。四、 实验步骤微弯位移测量及微弯损耗特性的研究：1、 将微弯变形器嵌入三维微位移调节器上，被测光纤（采用的是50微米多模光纤，两端分别封装LED光源和PIN光电探测器件用Q9头与光纤传感实验仪相连）放置在微弯变形器中。2、 接通电源，显示窗上将指示出LED驱动

51、电流值（单位）。调整LED驱动电流为30mA。3、 利用微动调节旋钮（即螺旋测微器，最小刻度10-5m），首先使微弯器与光纤刚好接触（以光纤未产生弯曲为宜），记录此时PIN探测信号经放大后的输出电压值。4、 然后旋进微动调节旋钮使光纤弯曲（注意：不要过力压迫光纤以免光纤被压断），每旋进0.02mm记录一次输出电压值，直至旋进1mm为止。5、 将所得的数据作成曲线，该曲线可作为微位移测量的标定曲线 ，用于微位移检测。利用这条曲线可方便的对光纤微弯损耗的特性进行研究。五、 实验报告要求六、 注意事项七、 思考题用光纤传感实验仪如何测量杨氏模量？提示：实验装置可利用光纤传感实验仪附带的微弯板，根据需

52、要自行设计实验装置来实现压力的检测。要实现压力的检测，只需要将微弯板安装在所设计的实验装置上，然后进行标定，经标定后的装置即可用于测量压力。实验十 电涡流式传感器的工作特性一、实验目的1、了解电涡流式传感器的结构、原理、工作特性2、掌握电涡流传感器的静态标定方法3、了解被测材料对电涡流传感器的影响二、实验原理电涡流式传感器利用电涡流效应进行工作。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、并能进行非接触测量，适用范围广，得到了广泛使用。电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成。如图1所示，当线圈通以高频交变电流后，在线圈周围产生一个交变磁场，在与其平行的金属涡流片内产生电涡流，电涡流也产生一个与原交变

53、磁场方向相反的新磁场，从而导致线圈的阻抗发生变化。电涡流的大小与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离X有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。当平面线圈、被测体（金属涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X有关。将阻抗变化涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。图14三、实验仪器电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表、铜、铝涡流片。四、实验步骤1、安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器

54、输出端接电压表20V档。2、开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率为1MHz。3、静态标定：用测微头带动振动平台使平面线圈刚好完全紧贴金属涡流片，此时涡流变换器的输出电压恰好为零。涡流变换器中的振荡电路停振。4、旋动测微头使使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.1mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。将V、X数据填入下表。X（mm）V（V）5、将铝质被测材料依次换成铁、铜材料，重复步骤3和4在同一坐标直作出V-X曲线。五、实验报告1、根据测试数据，利用作图

55、法在同一坐标系分别作出铝、铁、铜的V-X曲线2、根据曲线分别找出各被测体的线性范围、灵敏度、最佳工作点（双向或单向），并进行比较。4、从实验得出结论：被测材料不同时灵敏度与线性范围都不同，必须分别进行标定。六、注意事项当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小，或使传感器在初始状态有一死区。实验十一 电涡流传感器的应用-电子称转速测量一、实验目的1、了解电涡流传感器在静态测量中的应用。2、了解电涡流式传感器的实际应用。二、实验原理1、称重原理待测重量wx使电涡流传感器线圈到被测导体间的距离为X1时，测得输出电压为V1。则由电涡流传感器的标定曲线

56、可以测得待测重量wx。 2、转速测量原理当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。图11-1三、实验所需部件电涡流传感器、电涡流变换器、测速电机及转盘、电压/频率表、示波器。差动放大器、电桥、电压表、砝码（每个10g）。四、实验步骤1、按图11-1连线，差放增益为1（逆时针旋到底），输出接电压表20V档，利用实验十一的结果，将平面线圈安装在线性工作范围的起点。2、调整电位器WD，使系统输出为零。3、在平台上逐渐加砝码，记录相应的V、W值，并作出V-W曲线，计算灵敏度。4、取下砝码，放上一未知重量的物品，读出输出电压V，根据步

57、骤3中的标定曲线大致求出被称物的重量。5、电涡流线圈支架转一角度，安装于电机转盘上方，线圈与转盘面平行，在不碰擦的情况下相距越近越好。6、电涡流线圈与涡流变换器相接，涡流变换器输出端接示波器，开启电机开关，调节转速，调整平面线圈在转盘上方的位置，用示波器观察，使变换器输出的脉动波较为对称。7、仔细观察示波器中两相邻波形的峰值是否一样，如有差异则说明线圈与转盘面或是不平行，或是电机有振动现象，利用实验九中铁涡流片的特性曲线大致判断转盘面与线圈的不平行度。8、将电压/频率表2KHz档接入涡流变换器输出端读取得脉动波形值，并与示波器读取的频率作比较。转盘的转速=脉动波形数/2。实验十二 霍尔传感器的直流激励特性霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年英国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发现。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。一、实验目的1、了解霍尔传感器的结构、工作原理2、了解霍尔传感器的称重原理二、实验原理如图12-1，置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场