传感器实验指导书(3个) (1)

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1、实验平台介绍传感器教学实验系列nextsense是针对传感器教学，虚拟仪器教学等基础课程设计的教学实验模块。nextsense系列配合泛华通用工程教学实验平台nextboard使用，可以完成热电偶、热敏电阻、RTD热电阻、光敏电阻、霍尔元件等传感器的课程教学。课程提供传感器以及调理电路，内容涵盖传感器特性描绘、电路模拟以及实际测量等。图1 nextboard实验平台nextboard具有6个实验模块插槽；提供两块标准尺寸的面包板，用户可自搭实验电路；为NI 数据采集卡提供信号路由，可完全替代NI数据采集卡接线盒功能，轻松使用数据采集卡资源；还为实验模块和自搭电路提供电源，既可用于有源电路供电，

2、也可作为外接设备供电。实验模块区共有6个插槽，分别为4个模拟插槽Analog Slot 1-4，2个数字插槽Digital Slot 1-2。数据采集卡的模拟通道和数字通道分配到实验模块区的Analog Slot 和Digital Slot 上。Analog Slot 模拟插槽用于那些需要使用模拟信号的实验模块。Digital Slot 数字插槽用于那些需要同时使用多个数字信号或脉冲信号的实验模块。图2 模拟插槽和数字插槽特别需要注意的是：（1）在使用所有模块之前，都要先区分模块的类型：带有正弦波标记的为模拟实验模块，需要插在Analog Slot 上使用；带有方波标记的为数字模块，需要查在D

3、igital Slot 上使用。如果插错插槽，会导致模块工作不正常，甚至损坏模块。（2）插拔实验模块前关闭nextboard电源。（3）开始实验前，认真检查模块跳线连接，避免连接错误而导致的输出电压超量程，否则会损坏数据采集卡。Nextboard的连线：（1）电源线，把220V的电源通过一个15V的直流变压器，送到实验台上。（2）数据采集卡，将数据采集卡的插头与实验台可靠连接。光敏电阻实验实验目的1、了解光敏电阻的特性2、熟悉光敏电阻的常见测量电路及使用方法实验设备Nextboard热敏电阻模块电脑实验原理光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，

4、电阻减小，入射光弱，电阻增大，其结构一般如下图所示。图1 光敏电阻结构光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使导电性能增加，电导率增加。这种光照后电导率发生变化的现象称为光电导效应。不同的半导体材料产生光电导的光谱范围不同，常用的光敏电阻材料有硫化镉（CdS），硒化镉（CdSe），硒化铅（PbSe），碲化铅（PbTe）等。本实验采用硫化镉材料光敏电阻，型号VT3N3。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变换转换为电的变化）。在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M，在强光条件（100lux）下，它的阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。实验内容、步骤和数据处理1、安

5、装Nextboard 实验台（连接电源线和数据采集卡的连线），将光敏电阻模块插在实验台的模拟插槽上。打开实验台电源，实验台右上角绿色发光二极管灯亮，光敏电阻模块上的绿色发光二极管也灯亮。2、光敏电阻的灵敏度测试（1）根据特性曲线，找出光敏电阻的最大值（暗电阻）和最小值（亮电阻），估算灵敏度，记录下来。（2）灵敏度测试区，在光照充足的情况下，测量光敏电阻的亮阻阻值，记录下来。（3）灵敏度测试区，用手指完全遮盖住光敏电阻的感光面，测量光敏电阻的暗阻阻值，记录下来。亮电阻（K）暗电阻（K）灵敏度（暗电阻/亮电阻）估算值实测值3、固定光照条件下，测量光敏电阻的伏安特性，记录下来。（1）测量电路的电流由

6、恒流源提供，AO从-0.1-1.9之间取若干值，该电流大小的计算公式为AO/10K。（2）使用万用表测量直流电压的档位测量Vout的值，测量点参考实验面板提示。（3）通过公式RG= Vout/I， 计算得出光敏电阻的阻值。光源数AO（V）I （mA）Vout（V）RG（K）1（仅有1个发光二极管亮，然后用遮光罩盖住光敏电阻。）4、固定电流，AO= 1.5 V通过拨码开关调整光照条件，手动测量当前光敏电阻的输出电压，计算其阻值，通过使用特性曲线中的游标，估算光照强度。（用遮光罩盖住光敏电阻）光源数Vout（V）RG（K）照度（lux）全暗1个灯亮2个灯亮3个灯亮4个灯亮5、使用实验面板中的自动测

7、量功能，重复上述实验，查看数据和波形，核对手动测量的数据，记录自动测量数据和波形。光源数RG（K）照度（lux）全暗1个灯亮2个灯亮3个灯亮4个灯亮思考题为什么测量光敏电阻的灵敏度时，其阻值采用直接测量法；而测量不同光照条件下光敏电阻阻值时，却采用间接测量法？后一种情况下，能采用直接测量法吗？热敏电阻实验实验目的1、了解B值对热敏电阻的特性曲线的影响2、熟悉热敏电阻的常见测量电路及使用方法实验设备Nextboard热敏电阻模块电脑实验原理热敏电阻是一种半导体感温元件，它是利用半导体的电阻值随温度变化而显著变化的特性实现测温。按照温度特性热敏电阻可分为三大类：随温度上升电阻值减小的负温度系数（N

8、TC）热敏电阻；随温度上升电阻值增加的正温度系数（PTC）热敏电阻以及临界温度系数（CTR）热敏电阻。其中NTC和PTC较为常用。在一定温度范围内，PTC和NTC热敏电阻的电阻-温度特性可分别用一下实验公式表示：（1）（2）其中，RT为绝对温度为T（K）时的电阻值、RT0为绝对温度为T0（K）时的电阻值。B为材料常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的范围内，B是常数。以上公式中的温度值均为绝对温度。本实验采用NTC热敏电阻，R0=10K，B=3750。根据公式（2）可以获得相对温度T（）的表达式：（3）半导体热敏电阻有很高的温度系数，灵敏度高，适用于在0-150之间测量。实

9、验内容、步骤和数据处理1、安装Nextboard 实验台（连接电源线和数据采集卡的连线），将热敏电阻模块插在实验台的模拟插槽上。将两个热敏电阻分别接入恒流源电路和分压法电路的Rt处。（用一字螺丝刀将绿色接线柱上的螺丝拧松，在左边松开的插口中插入热敏电阻的两个金属端，再拧紧螺丝。用手拉一下热敏电阻的连接线，确保牢固可靠的接触。）打开实验台电源，实验台右上角绿色发光二极管灯亮，热敏电阻模块上的绿色发光二极管灯亮。2、相关参数的核实（1）测量所有备选电阻，记录下来，并将软件（仿真与测量选项卡）默认值改为实测值。电阻默认值（K）102030电阻实测值（K）（2）实测恒流源和分压法的Vcc，记录下来，并

10、在软件（仿真与测量选项卡）里的这两个空格填入实测值 。恒流源Vcc（V）分压法Vcc（V）3、利用恒流源电路对热敏电阻进行测量（1）固定温度下，修改恒流源电路中跨接电阻值（Ri），手动测量热敏电阻的伏安特性，记录相关数据。根据数据，分析当前环境下的室温。注意：电压Vt可以直接在接热敏电阻的绿色接线柱上测量，Rt可以利用I=Vcc/Ri=Vt/Rt计算得到，T则利用R-T特性曲线换算得到。注意：在仿真与测量选项卡中，仿真电路的备选电阻Ri的值、修改过实测值的备选电阻与实际连线中选用的备选电阻三者保持一致。 Vt（V）I （mA）Rt（K）T（）Ri=10 KRi=20 KRi=30 K（2）利用

11、自动测量功能，进行数据核实。注意：在自动测量选项卡中，电路中使用的备选电阻Ri的值与实际连线保持一致。点击“Refresh”，确认采集配置，然后开始自动测量。（若点击“Refresh”，采集配置还是空白，则可能是实验模块没有插好，或者数据采集线没有与实验台可靠连接。）Rt（K）T（）Ri=10 KRi=20 KRi=30 K（3）固定恒流源电路中跨接电阻值Ri=10 K，改变温度（将热敏电阻握在手里），手动测量热敏电阻的两端的输出电压Vt，根据R-T特性曲线换算出当前的温度值，记录开始和结束情况下的数据。（开始约三秒，记录第一个数据；等待约3-5分钟，记录第二个数据。）Vt（V）I （mA）R

12、t（K）T（）（4）固定恒流源电路中跨接电阻值Ri=10 K，改变温度（将握在手里的热敏电阻松开）使用实验面板中的自动测量功能，查看数据和波形，记录相关数据和R-T波形。Rt（K）T（）4、利用分压电路对热敏电阻进行测量（1）固定温度下，修改分压法电路中跨接电阻值（Ri），手动测量热敏电阻的伏安特性，记录相关数据。注意：电压Vt可以直接在接热敏电阻的绿色接线柱上测量得到，Rt利用Vcc/(Ri+Rt)=Vt/Rt计算得到，T则利用R-T特性曲线换算得到。Vt（V）Rt（K）T（）Ri=10 KRi=20 KRi=30 K（2）固定分压法电路中跨接电阻值Ri=20 K，改变温度（将热敏电阻握在手

13、里），手动测量热敏电阻的两端的输出电压Vt，根据R-T特性曲线换算出当前的温度值，记录开始和结束情况下的数据。Vt（V）Rt（K）T（）（3）固定分压法电路中跨接电阻值Ri=20 K，改变温度（将握在手里的热敏电阻松开）使用实验面板中的自动测量功能，查看数据和波形，记录相关数据和R-T波形。Rt（K）T（）思考题1、热敏电阻NTC、PTC是如何定义的，各有什么用途？2、B值对热敏电阻特性曲线有何影响？霍尔传感器实验实验目的1、了解霍尔式传感器的原理与特性2、掌握霍尔式传感器的基本用法实验设备Nextboard霍尔传感器模块电脑实验原理基于霍尔效应原理工作的半导体器件称为霍尔元件。假设霍尔元件通

14、电电流为IS，当磁场作用于霍尔元件时，电子将受到洛伦兹力的作用发生偏转，如图1虚线所示。半导体的上下方向积聚的电荷形成了电场（EH）。当EH对电子的作用力fE足够抵消洛伦兹力fB时，电子积累达到平衡。此时的电势称为霍尔电势。霍尔电势随外磁场强度增加而增加。图1 霍尔效应原理图霍尔元件的种类有线性霍尔元件和开关型霍尔元件。其中，开关型霍尔元件由半导体霍尔元件材料的输出电压经过放大器放大后，送至施密特整形电路将线性变化量转换为开关量。线性霍尔元件常用于磁场测量、电压测量。开关型霍尔元件常用于速度、位置测量。实验内容、步骤和数据处理1、安装Nextboard 实验台（连接电源线和数据采集卡的连线），

15、将霍尔传感器模块插在实验台的数字和模拟两个插槽上（实验台的左上角或左下角）。2、手动测量线型霍尔元件的输出电压（1）附件中的下圆盘片用固定PVC螺丝固定在实验模块右侧，如下图2左所示，使红色箭头处于垂直。固定完成后将上圆盘片叠放在下盘片上。使红色箭头指向上盘片的角度刻度。当箭头指向角度刻度的0位置时，上盘片的深、浅槽与霍尔传感器的测试面垂直，不同导槽对应不同大小的磁片，深导槽对应附件中的4mm大磁片。进行霍尔实验时将磁片放置在霍尔测试面所面对的导槽，如下图2右所示。（2）将磁片从圆盘上取走，手动测量零磁场情况下的传感器输出值，记录零磁场电压。（3）使红色箭头指向上盘片的0，固定圆盘角度，推动导

16、槽中磁片，至1cm位置，如下图，手动测量霍尔传感器输出电压，借助特性曲线计算当前磁感应强度；推动导槽中磁片，至0.5cm位置，重复测量并填写表格。0.5cm以内可以每0.1cm测试一次。结束后，将红色箭头指向30和-30，重复上述实验，最终完成下表。观察电压输出和永磁片相对位置间的关系。浅槽霍尔测试面深槽图2 圆盘及磁片放置方法零磁场电压（V）位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10电压（V）磁感应强度（B）30电压（V）-30电压（V）（4）需要更换3mm小磁片时，先将浅槽旋转至霍尔测试面（刻度盘整体转动180），再将3mm磁片放置在浅槽中进行实验。此时导槽的斜角可以用上方的

17、红色箭头所指向角度值获取，如下图3。图3 圆盘放置方法（5）使红色箭头指向上盘片的0，固定圆盘角度，推动导槽中磁片，至0.2cm位置，手动测量霍尔传感器输出电压，借助特性曲线计算当前磁感应强度；推动导槽中磁片，至0.5cm位置，重复测量并填写表格。0.5cm以内可以每0.1cm测试一次。结束后，将红色箭头指向30，重复上述实验，完成下表。位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10电压（V）磁感应强度（B）30电压（V）-30电压（V）3、使用实验面板中的自动测量功能。（1）圆盘上不要放磁铁片，开始自动测量。此时，“线型霍尔历史数据”处获得的是零磁场电压，点击“Save”保存零磁场

18、电压。记录下这个电压值。（2）调整刻度圆盘，将深导槽转至霍尔传感器右侧，放置4mm大磁片，使红色箭头指向上盘片的0，固定圆盘角度，推动导槽中磁片，至0.2cm位置，自动测量霍尔传感器输出电压，记录当前电压和磁感应强度；推动导槽中磁片，至表格中对应位置，记录数据。根据实验数据和波形，分析并描绘出线型霍尔元件的特性曲线。位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10电压（V）磁感应强度（B）（3）深导槽中放置的4mm大磁片转180，即改变磁场方向，重复实验步骤（2）。位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10电压（V）磁感应强度（B）（4）将浅槽旋转至霍尔测试面（刻度盘整体

19、转动180），再将3mm小磁片放置在浅槽中进行实验，使红色箭头指向上盘片的0，固定圆盘角度，推动导槽中磁片，至0.2cm位置，自动测量霍尔传感器输出电压，记录当前电压和磁感应强度；推动导槽中磁片，至表格中对应位置，记录数据。位移（cm）0.20.30.40.50.70.91.10电压（V）磁感应强度（B）4、开关型霍尔传感器特性测试（1）将电机装好，右侧放置安装了小磁片的白色圆盘。（2）将开关型霍尔元件的Vout、GND分别根据自动测量界面“查看波形”处的提示接到接线端子的AI差分对，调整电机转速，查看波形以及转速。（3）记录实验波形，分析并描绘出开关型霍尔元件的特性曲线。思考题线型霍尔元件在使用时，传感器与磁场之间取什么角度最好？30的输出电压与-30的有明显差异吗？10