传感器与检测技术第二次实验Word文件下载.docx
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5.910
5.410
4.910
4.410
3.910
3.410
2.910
U（v）
-0.329
-0.271
-0.206
-0.139
-0.069
-0.004
0.060
0.121
0.182
0.246
0.307
1.根据表中数据计算系统的灵敏度
（
为输出电压变化量，
为位移变化量）和非线性误差
为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；
为满量程输出值，此处为0.636V。
利用逐差法计算灵敏度：
=0.0053V，
=0.636V，
所以
六、思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
答：
由于是测谷物的湿度的，当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，当电容的S与D为恒定值时C=f（ε）,稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。
在设计过程中应考虑：
传感器是否与谷物充分接触、谷物是否均匀的从传感器之间穿过，而且要注意直板传感器的边缘效应。
实验十一压电式传感器振动测量实验
一、实验目的
了解压电传感器的测量振动的原理和方法
二、基本原理
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。
（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、实验器材
主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器
1、按照连线图将压电传感器安装在振动台上，振动源的低频输入接主机箱的低频振荡器，其它连线按照图示接线。
2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出波形。
3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入和输出波形；
在振动台正常振动时用手指敲击振动台，同时观察输出波形的变化。
4、改变振动源的频率，观察输出波形的变化。
低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，用频率表监测，用示波器读出峰峰值填入表格。
五、实验数据记录与分析
频率以及相应的峰峰值：
f（Hz）
5
7
8.5
12
15
17
20
25
V（p-p）
0.286
1.03
12.006
2.544
1.571
1.205
0.993
0.756
与实验十四电涡流实验振动测量实验比较，可以看出，压电式传感器电压峰峰值变化范围更大，因此压电式传感器的灵敏度更高，测量结果更精确。
1、根据实验结果，可以知道振动台的自然频率大致是多少？
传感器输出波形的相位差大致为多少？
根据实验曲线可知，振动台的自然频率大约为8.5Hz。
，所以
实验十二电涡流传感器位移实验
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离x等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。
电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属体表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。
四、实验步骤
1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的5mm刻度值对准。
根据图22-4安装测微头、被测体、电涡流传感器（注意安装顺序：
先将测微头的安装套插入安装架的安装孔内，再将被测体铁圆片套在测微头的测杆上；
然后在支架上安装好电涡流传感器；
最后平移测微头安装套使被测体与传感器端面想贴并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉）。
2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V挡，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后逆时针调节测微头微分筒，每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
将数据列入表格
3、画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点）。
试计算测量范围为1mm与3mm时的灵敏度和非线性度（可以用端点法或其他拟合直线）。
五、实验数据记录与分析
电涡流传感器位移与相应电压值：
0.1
0.2
3.5
4.0
4.5
4.9
5.0
5.1
V（v）
0.01
0.06
0.13
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
0.20
0.27
0.34
0.43
0.51
0.59
0.68
0.77
0.86
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
0.96
1.05
1.14
1.24
1.34
1.45
1.55
1.65
1.75
7.0
7.1
7.6
8
9
10
11
13
1.86
1.97
2.53
2.98
4.10
5.11
6.00
6.72
7.28
14
15.5
15.6
15.7
15.8
15.9
16.0
16.1
7.73
8.06
8.20
8.23
8.26
8.28
8.30
8.33
8.35
16.2
16.9
17.0
17.5
18.0
18.5
19
19.5
8.37
8.47
8.48
8.52
8.6
8.67
8.73
8.78
8.83
20.5
21
21.1
21.2
21.3
21.4
21.5
8.87
8.89
从图中可以看出位移在6mm~11mm之间为线性区域，最佳工作点为位移为8.5mm时曲线上的点。
利用拟合法求灵敏度和非线性度：
由于量程为线性范围，因此把6mm处作为测量范围的起点。
测量范围1mm：
曲线拟合如下图：
灵敏度：
，
所以
非线性误差：
测量范围3mm：
六、思考题
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±
5mm的量程应如何设计传感器？
电涡流传感器的量程就是传感器的线性范围，它受到线圈半径。
被测体的性质及形状和厚度等因素影响。
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器？
要保证所测量的位移在所选的传感器量程范围内。
实验十四电涡流传感器振动测量实验
了解电涡流传感器测量振动的原理和方法。
涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。
电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
1、根据示意图安装电涡流传感器。
逆时针转出压紧螺母，装上传感器安装支架再顺时针转动压紧螺母并接线。
2、将主机箱中的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
3、调节振动源中的传感器升降杆，使主机箱中的电压表显示为：
实验十三中铝圆片材料特性曲线的线性中点位置时的电压值。
拧紧锁紧螺母。
4、顺时针慢慢调节低频振荡器幅度旋钮，使振荡器输出电压峰峰值为2V。
调节低频振荡器振动频率为3~25Hz之间变化，频率每增加2Hz，记录低通滤波器输出端Vo的值。
5、画出f~Vo特性曲线，由曲线估算振动台的谐振频率。
频率及对应电压：
4
6
16
18
22
Vo（v）
0.069
0.076
0.085
0.190
0.291
0.280
0.100
0.073
0.059
0.052
0.046
1、能否用本系统数显表头，显示振动？
还需要添加什么元件，如何实现？
不能，因为输出电压随振动不断变化。
可以添加一个峰值采样电路，将其输出接到数显表，则可以通过数显表的变化来观察振动强弱变化
2、当振动台振动频率一定时，调节低频振荡器幅值可以改变振动台振动幅度，如何利用电涡流传感器测量振动台的振动幅度？
将输出值接到示波器，测量输出信号的峰峰值，则此峰峰值对应一个振动幅度。
将测得的峰峰值带入两者关系公式，即可得到幅度。
实验十五直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验
了解霍尔式传感器原理与应用。
根据霍尔效应，霍尔电势
，当霍尔元件处在梯度中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
1、按示意图接线，将主机箱上的电压表量程开关打到2V档。
2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。
3、向某个方向调节测微头2mm，记录电压表读数作为实验起始点；
再反向调节测微头，没增加0.2mm记下一个读数，将数据记录入表格；
做出V-X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。
8.0
7.8
7.4
7.2
V（V）
1.198
1.085
0.958
0.843
0.727
0.606
0.483
0.363
0.241
4.8
4.6
0.119
0.000
-0.124
-0.243
-0.372
-0.490
-0.616
-0.748
-0.869
4.4
4.2
-0.997
-1.125
-1.253
±
2mm时灵敏度：
所以
非线性误差：
1、本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
反映的是磁场的变化。
实验十七霍尔转速传感器测电机转速实验
了解霍尔转速传感器的应用。
利用霍尔效应表达式：
，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N此。
每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整和计数电路计数就可以测量被测物体的转速。
主机箱、霍尔转速传感器、振动源。
1、根据示意图将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢间距离大约为2~3mm。
2、在接线前，先合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2~24V旋钮调到最小，接入电压表，监测大约为1.25V；
关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按照示意图分别接到主机箱的相应电源和频率/转速表的Fin上。
3、合上主机箱电源开关，在小于12V的范围内调节主机箱的转速调节电源，观察电机转动及转速表的显示情况。
4、从2v开始纪录，每增加1v相应电机转速的数据。
五、实验数据记录及分析
数据记录：
电压（v）
2
3
转速
370
600
830
1060
1300
1520
1750
1970
2200
2430
画出电机的v~n特性曲线：
由上图可知，转速与电压呈线性关系。
1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？
有。
当被测体是磁性体时不能用霍尔元件测量。
2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？
可以，但是会降低分辨率。
实验十八磁电式转速传感器测电机转速
了解磁电式测量转速的原理。
基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中的感应电势：
发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次变化，通过放大、整形和计数等电路即可测量转速。
主机箱、磁电式传感器、转动源。
磁电式转速传感器不用接电源，其余和实验十七相同。
380
670
870
1090
1740
2190
2420
画出电机v~n特性曲线：
当电压为2V时，转速是围绕380r/min上下波动的
1、为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？
磁电式转速传感器是利用旋转体改变磁路，使磁通量发生变化，从而使其线圈产生感应电压，如果转速很慢，旋转体改变磁路也很慢，磁通量的变化也很慢，感应电压就会很小，就不能正确地测定转速。
实验二十七发光二极管（光源）的照度标定实验
了解发光二极管的工作原理；
做出工作电流与光照度的对应关系及工作电压与光照度的对应关系曲线，为以后实验做好准备。
半导体发光二极管筒简称LED。
它是由Ⅲ-Ⅳ族化合物制成，其核心是PN结。
因此它具有一般二极管的正向导通及反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还有发光特性。
当加上正向激励电压或电流时，在外电场的作用下，在PN结附近产生导带电子和介带空穴，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，再与空穴复合，每次释放的能量不大，以热能的形式辐射出来。
发光的复合量相对于非发光的复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光，所以光仅在靠近PN结面数um以内产生。
发光二级管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。
本实验使用纯白高亮发光二极管。
主机箱（0~20mv可调恒流源、电流表、0~24V可调电压源、照度表），照度计探头，发光二极管，遮光筒。
1、按照示意图7-2接线，注意+、—极性。
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
3、调节主机箱中恒流源电流大小（电压表量程20mA档），即改变发光二极管的工作电流大小就可以改变光源的光照度值。
拔去发光二极管的其中一根线头，则光照度为0。
按表格进行标定实验（调节恒流源），得到照度~电流对应值。
4、关闭主机箱电源，再按图7-3配置接线，注意+、—极性。
5、合上主机箱电源，调节主机箱的0~24v可调电压（电压表量程2v档）就可以改变发光二极管的光照度。
按表格进行标定实验（调节电压源），得到照度~电压对应值。
6、根据表格画出发光二极管的电流~照度、电压~照度特性曲线。
发光二极管的电流、电压与照度的对应关系：
照度（Lx）
30
40
50
60
70
80
90
100
电流（mA）
0.44
0.57
0.78
0.89
0.98
1.07
1.15
1.22
1.31
电压（V）
2.59
2.62
2.65
2.67
2.70
2.72
2.74
2.77
2.79
2.81
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
1.41
1.50
1.58
1.68
1.76
1.84
1.91
2.03
2.14
2.82
2.84
2.86
2.87
2.90
2.92
2.93
2.96
2.99
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
2.24
2.32
2.41
2.50
2.78
2.88
3.06
3.01
3.02
3.03
3.05
3.07
3.08
3.10
3.12
3.13
3.15
实验二十八光敏电阻特性实验
了解光敏电阻的光照特性和伏安特性。
在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。
光电导效应是半导体材料的一种体效应。
光照愈强，器件自身的电阻愈小。
基于这种效应的光电器件称光敏电阻。
光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。
实验原理图如下图。
主机箱、光电器件实验
（一）模板、光敏电阻、发光二极管。
1、亮电阻和暗电阻测量
（1）按照下图接线（注意插孔颜色对应相连）。
打开主机箱电源，将
的可调电源开关打到10V档，再缓慢调节0~24V可调电源，使发光二极管两端电压为光照度为100Lx时的电压值（实验二十七的标定值）。
（2）10秒钟左右读取电流表的值为亮点流
（电流表20mA档）。
（3）将0~24V可调电源的调节旋钮逆时针方向缓慢旋到底后，10秒钟左右读取电流表的值为暗电流
（4）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度100Lx）：
2、光照特性测量
光敏电阻的两端电压为定值时，光敏电阻的光电流随光照强度的变化而变化，它们之间的关系是非线性的。
调节0~24V电压得到不同的光照度（根据实验二十七光照度对应的电压值），测得数据填入表格，并做出光电流与光照度的曲线图。
3、伏安特性实验数据
光敏电阻在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化。
测量时，光照强度为定值时（如100Lx），光敏电阻输入0V、2V~10V六档电压，测得光敏电阻上的电流值填入表格，并在同一坐标图中做出不同照度的三条伏安特性曲线。
光照特性测量数据：
光照度（Lx）
光电流（mA）
0.50
0.66
0.88
1.00
1.16
1.32
1.43
1.67
1.77
伏安特性实验数据：
光敏电阻
照度
Lx
10Lx
0.08
0.17
0.36
0.45
50Lx
0.22
0.69
0.92
100Lx
六、思考题
1、为什么测光敏电阻亮阻和暗阻要经过10秒后再读数？
因为光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都是一个时间过程，此过程在一定程度上影响光敏电阻对光照的响应。
因此，测亮阻和暗阻时要考虑此时间过程，一般取值10秒
实验二十八光敏二极管特性实验
了解光敏二极管工作原理及特性。
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