传感器实验指导书.docx
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传感器实验指导书
传
感
器
实
验
指
导
书
实验一电位器传感器的负载特性的测试
一、实验目的：
1、了解电桥的工作原理及零点的补偿；
2、了解电位器传感器的负载特性；
3、利用电桥设计电位器传感器负载特性的测试电路，并验证其功能。
二、实验仪器与元件：
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；
2、电阻若干（1k,100K）;电位器（10k）传感器（多圈线绕）；
3、运算放大器LM358
4、电子工具一批（面包板、斜口钳、一字螺丝刀、导线）。
三、基本原理：
电位器的转换原理
电位器的电压转换原理如图所示，设电阻体长度为L,触点滑动位移量为x，两端输入电压为U，则滑动端输出电压为
电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。
当电位器的负载系数发生变化时，其负载特性曲线也发生相应变化。
电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。
四、实验步骤:
1、在面包板上设计负载电路。
3、改进电路的负载电阻RL,用以测量的电位器的负载特性。
4、分别选用1k电阻和100k电阻，测试电位器的负载特性，要求每个负载至少有5个测试点，并计入所设计的表格1，如下表。
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
测试点UK
1V
2V
3V
4V
（滑动电阻
器不带负载
时电压）
1k欧姆
UR（（负载两端电压）
100K欧姆
UR2负载两
端电压）
五、实验报告
1、画出电路图，并说明设计原理。
2、列出数据测试表并画出负载特性曲线。
电源电压5V,测试表格1.
曲线图：
画图说明，x坐标是滑动电阻器不带负载时电压；y坐标是对应1000欧姆（负载两端电压）或100k欧姆（负载两端电压），100欧和100K欧两电阻可以得到两条曲线。
3、说明本次设计的电路的不足之处，提出改进思路，并总结本次实验中遇到困难及解决方法。
实验二声音传感器应用实验-声控LED旋律灯
、实验目的:
1、了解声音传感器的工作原理及应用；
2、掌握声音传感器与三极管的组合电路调试。
二、实验仪器与元件：
1、直流稳压电源、数字万用表、电烙铁等；
2、电子元件有：
声音传感器（带脚咪头）1个；弯座1个；线1个；5MM白发蓝LED5个；9014三极管2个1M电阻1个；10K电阻1个；电阻1个；1UF电解电容1个；47UF电解电容1个；万能电路板一块。
三、基本原理：
声控LED旋律灯工作电压。
其功能为：
本电路制作成功后5只LED会随着音乐或是其它声音的节奏闪动起来，可放置于音响附近，让灯光为音乐伴舞！
电路原理图如图1所示。
图1声控LED旋律灯当发出声音时，声音波传入声音传感器，声音传感器把声音波转换成电压波动。
这个电压波动可以通过电容C2,传到Q1三极管的基极。
然后这个电压波变Q1和Q2两级放大之后，输出较大的电压波。
最后这个电压波使得5只LED闪动起来。
四、实验步骤：
1、领取元件,然后检查各个元件是否有损坏。
2、按照图1,焊接各个元件。
3、检查元件是否有虚焊,短路等现象,无误后上电调试运行。
4、发出声音，是否有LED亮，是否出现LED按照声音的节奏显示和熄灭。
若现象不正确,请出现调试。
5、当传感器是否感应有声音时，测量Q2的基极电压分别是多少？
五、实验报告内容
1、简述声音传感器的工作原理。
2、调试运行“声控LED旋律灯”过程中，是否遇到虚焊、短路、连线错误等现象？
如何解决的？
3、电路板调试正常后，有声音的时候，LED有什么现象？
没有声音的时候，LED灯有什么现象？
4、有声音或没有声音时，测量Q2的基极电压分别是多少？
5、对本次实验进行小结，提出改进的建议。
实验三热敏电阻测温实验
一、实验目的：
1、进一步了解热敏电阻温度传感器的分类和特性；
2、了解热敏电阻的测温方法；
3、掌握测温电路的原理。
二、实验仪器与元件：
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；
2、传感器实验箱（测温模块、数字电压表模块）；
3、水容器、冷水、60C以上热水、搅棒，把热水和冷水混合配成不同温度的水，进行测量。
三、基本原理：
热敏电阻匹配阻值约10k欧姆。
热敏电阻测温方法有2种。
方法一公式法。
NTC负温度系数热敏电阻NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。
公式如下：
R周围温度T（K）时的电阻值（K:
绝对温度）
R0周围温度T0（K）时的电阻值，R0=10000?
Q
B:
热敏电阻的B常数，B=3950
T:
现在测量的温度，单位K
T0:
环境温度，通常t0为298K（绝对温度）（即：
25度）
方法二：
查表法型号：
？
MF55-103F-3950F,温度与电阻值表格如下：
T（r）
T（r）
R{KQ）
t（x?
）
R（KH）
g
-300
177.000
3.0
2^.060
36,0
6.268
69血
1813
0.^40
[-290
166JOO
4.0
37.0
6.015
70.0
1751
10S.0
0.622
-2S.0
156.600
3S.0
>.776
7L0
1.693
J04.0
-27.0
14^.200
6.0
24.180
5546
TO
1.631
105.0
0588
其他表格自己在网上查找？
由NTC热敏电阻MF55-103F-3950F为温度传感器的测温电路如图1所示
图1热敏电阻测温电路图1中，VCC点接电源电压5V,R电阻的阻值为8kQ左右，C电容为10uf，其中电阻R与热敏电阻串联，中间的连接点为输出的电压Uout。
当被测温度升高时该点电位降低，输出电压降低，以指示较高的温度值；反之当被测温度降低时，输出电压升高，以指示较低的温度值。
四、实验步骤：
1、准备好盛水容器、冷水、60C以上热水、水银温度计、搅棒；把热水和冷水
混合配成不同温度的水，进行测量。
2、把传感器和水银温度计放入盛水容器中，接通电路电源。
3、水杯中加入热水和冷水，配成不同温度的水进行实验。
直接将热敏电阻放入
水中，用万用表直接测量热敏电阻的电阻值，将测量数据写入表1。
表电阻值随温度变化数据
水温t（C）
35
40
45
50
55
热敏电阻阻值/kQ
4、将电阻R与传感器串联后，接入电源，进行测量输出电压。
5、水杯中加入热水和冷水，配成不同温度的水进行实验。
电压表的电压值与温度之间有数学关系；温度不同时，输出电压值不同。
用热敏电阻测量不同的温度的水，进行测量，将输出电压，填入表格2中。
表2输出电压随温度变化的数据
水温t（°C）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
输出电压
（V）
&作出V-t曲线，指出线性范围，并求出灵敏度
五、实验报告内容
1、整理实验数据，将表1和表2记录在实验报告中。
2、当温度升高时，热敏电阻的阻值如何变化？
热敏电阻的热电特性是PTC还是NTC呢？
3、根据表2的实验数据，以温度为x轴，输出电压为y轴，画出相应的趋势曲线，同时计算出温度与电压之间数学关系。
4、分析趋势曲线可以得出的温度与输出电压U之间的变化关系是什么？
如果使用的是PTC型热敏电阻，那么温度与输出电压之间的变化关系是什么？
实验四红外传感器应用实验
一、实验目的：
1、了解红外收发二极管的工作原理及应用；
2、掌握红外对管与放大器的组合电路调试。
二、实验仪器与元件：
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；
2、传感器实验箱（红外模块、超声波模块、数字电压表模块）；
三、基本原理：
实验电路如图所示。
图
红外发射管在接到正12V电压时会发出峰值波长为940nm的红外光，W伪限流电阻，调节W1改变红外发射管的电流，电流越大，红外发射管的发射距离越远。
而红外接收管则反接在+12V电压上，在没有接受到峰值波长为940nm的红外光是反映二级管的反相截止特性，A点电压相当于电源电压（12V,当红外发射管（完全）接受到红外光时，红外接收管呈反向光电流增大，A点电压变小。
（由于接收到的红外光的程度不同，红外接收管的导通程度也会不同，A点电压会有相应的误差。
若红外接收管正向连接，贝U其表现为随遮挡而变化的电阻）。
本实验电路为红外反射式电路，在一定范围能若有物体挡住红外光，红外光反射回红外接受管，接受到信号后才生电平的变化。
（注：
黑色物体会把红外光吸收，无法反射）
U1A为LM358的一个运放，这里的作用是作射随器，射随电路的特点是输出电压不变，电流放大一般用于输入，输出，缓冲级用于阻抗匹配。
U1B为LM358的另一个运放，这里的作用是做一个比较器，比较同相输入端与反相输入端的电压（即B点于C点）。
当B点电压大于C点电压时，输出高电平（+12V。
当B点电压小于C点电压时，输出低电平（-12V）。
电路中用一个指示灯来观察输出的电平。
W2作用是反相端电压调整，适当调整C点电压，使其与B点电压比较,才能达到输出端的电平变换。
四、实验步骤：
1、测量A,B点电压。
直接用万用表测量A（J4）点电压及B（J3）点电压，记录数值在表中，然后用物体放在红外管前（15mm内）测出A点电压及B点电压，记录数据。
表实验数据记录表
A点电压
B点电压
无物体时
有物体时
2、调节基准电压Co
（1）状态一，C点电压大于B点电压：
比较B点电压，调节P0T2测量C（J2）点电压，调节C点电压大于B点电压，用手遮挡红外管，观察指示灯亮灭情况并记录。
（2）状态二，C点电压小于B点电压：
调节C点电压小于B点电压（根据实验原理适当调节），用手遮挡红外管，观察指示灯亮灭情况，填入表中。
表实验数据记录表
基准电压
有无物体
指示灯
B点电压
C点电压
Uc>Ub
无物体
有物体
Uc无物体
有物体
1、调节红外发射的距离。
在上一步的基础上调节POT1用手遮挡，观察指示灯,灯亮即表示红外接收管接收到反射的红外光。
反复调节，观察红外发射的距离变化情况（记录最大和最小距离）。
用黑色物体来遮挡，观察指示灯是否变化。
五、实验报告内容
1、简述整个电路的工作原理。
2、整理实验数据，记录表和表，分析实测数据变化规律。
3、总结本次实验过程中遇到的问题及解决方法。
提出对红外实验模块的改进意见。
4、观察红外发射的距离变化情况（记录最大或最小距离）。
实验五电子称的原理与测试
一、实验目的：
1、了解电子秤的工作原理；
2、了解悬臂梁应变传感器的特点和使用；
3、通过对电子秤的测试,分析传感器的基本特性。
二、实验仪器与元件：
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；
2、传感器实验箱（电子秤模块、数字电压表模块）；
3、托盘、砝码6个5g、10g、20g、20g、50g、100。
三、实验原理：
在全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的两只接入邻边，如图所示。
当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出为
Uo=KE?
?
（2-1）
式中，E为电桥电源电压。
式（2-1）表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
图
电子称模块利用的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数，使电路输出电压值为重量的对应值，将电压量纲（V）改为重量量纲（g）,即制成一台比较原始的电子称。
四、实验步骤：
1、悬臂梁应变式称重传感器已安装在电子秤实验模块上，可参考图。
电子秤电路如图所示。
图
2、将差动放大器调零。
检查实验箱一切正常后，打开主控台电源，按下相应电
子秤模块开关。
保持托盘上无任何重物，输出端UO2接数显电压表（选择2V挡），调节电位器Rw4,使电压表显示为0V。
凡4的位置确定后不能改动。
3、在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节FU,改变差动放大器的增益，使数显电压表显示左右，读取数显表数值。
保持Rv3不变，依次增加砝码（至少3只），读取相应的数显表值，记下实验结果，填入表中，关闭电源
表实验数据记录表
重量/g
电压/V
4、拆一个电子称产品，并学习它内部结构和原理，最后重新安装该产品
五、实验报告内容1、简述实验原理
2、整理实验数据记录表，在坐标轴上画出各个数据点，然后用直线拟合，得出重量与电压的数学关系。
根据拟合曲线，计算灵敏度L=?
U/?
W非线性误
差?
f3。
。
3、写出拆卸掉的电子称产品的系统框图，简单分析其工作原理，产品的结构特
点等。
4、总结本次实验过程中遇到的问题及解决方法。
提出对电子秤实验模块的改进
意见
实验六超声波位移测量实验
1.实验目的
1.学习LabVIEW软件的使用。
2.认识超声波传感器的工作原理。
3.学习使用超声波传感器进行位移测量的方法。
2.实验原理
1.超声波传感器测量原理：
超声波测距传感器包括有发射超声波和接收超声波的两部分装置，习惯上称为超声波换能器
或超声波探头。
常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器。
本实验采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称接收探头）两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进
行工作的。
利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声
波的发射器。
而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收
器。
超声波发射探头向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途
中碰到障碍物会立即返回来，超声波接收探头收到反射波立即停止计时。
设超声波在空气中
的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S,
即：
S=340t/2。
需要说明的是，超声波传感器发射的波束比较窄（<10°），反射后仍然很
窄，如果被测物体被旋转放置，有可能反射波束会偏离出接收探头的位置，导致探头接收不
到反射波信号，无法进行测距。
实验所使用超声波传感器的发射波频率是40KHz它由单片
机控制发射探头发射一组超声波脉冲后，输出电平由低电平转为高电平；等到接收探头接收
到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由高电平转为低电平。
所以在实验的过程中，可
以观察到随着反射板到探头的距离变化，传感器输出波形的“脉冲”宽度也会对应的发生变
化，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。
另外，空气中的声音传播速度不是一个固定的值，在不同的温度下这个数据会有一些变
化。
通常我们说的340m/s是一个近似数据，传播速度的修正公式为S=X（1+t/273）A,t
为空气温度。
作为常温下的测试，可以认为声速为346m/s（按25C计算）。
超声波传感器距离测量原理示意图
2.红外传感器测量原理:
红外传感器是基于三角测量原理设计的。
如下图左图所示，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束反射回来，反射的红外光线被CCD佥测器接收以后，得到一个偏移值L。
利用三角关系，以知发射角度a,偏移距L,中心距X,以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
当距离D足够小的时候，L值会相当大，超过CCD勺探测范围。
这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。
当距离D很大时，L值就会很小。
这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD勺分辨率决定能不能获得足够精确的L值。
要检测的物体越远，CCD勺分辨率要求就越高。
输出电压与检测距离之间的关系如上图右图所示。
从图中可以看出，传感器与被探测物体之间的距离小于10cm的时候，输出电压急剧下降，这就要求测量时传感器与被探测物体之间距离应尽可能大于10cm。
此外，红外传感器的输出是非线性的。
如果采用线性拟合的方法进行数据标定，误差很大。
这里可以采用多项式拟合的方法。
假设有一个高阶的多项式函数
（n-1）
y=anXn+a（n-i）x+…+ax+ao
其中y代表距离，x代表红外传感器输出电压。
如果该函数能够逼近实际的待拟合的数据，那么就采用该多项式作为传感器的输出函数。
实际上，对于红外传感器来说，采用多项式函数拟合与采用线性最小二乘法拟合相比较，前者的误差大大减小。
3.实验仪器和设备
1.
计算机
1台
2.
LabVIEW软件
1
套
3.
超声波红外位移测量实验模块
1
个
4.
多通道数据采集模块
1
套
5.
多路电源模块
1
套
4.实验步骤
1.关闭多路电源模块的开关，关闭多通道数据采集模块的开关，以免带电插入传感
器信号线和直流电源线。
将多路电源模块电源线接入交流电源220V。
2.将超声波位移测量对象的电源线（016五芯航插）连接至多路电源接口；将多通
道数据采集模块电源线（016五芯航插）连接至多路电源接口。
3.将超声波传感器的信号输出线连接至数据采集模块的第1通道上。
4.开启总电源，开启多路电源模块开关，开启数据采集模块开关，开关开启后禁止带电插拔电源线和信号线。
5.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块实验程序”，运行LabVIEW程序“超声波传感器—位移测量实验.vi”。
6.移动滑块来改变挡板到超声波之间的距离，观察采集到的数据信号波形。
结合超声波传感器的原理，解释波形变化的原因和规律。
7.读懂LabVIEW程序，如何采集超声波信号，如何并进行信号处理。
8.比较实验测得值与模块表面刻度尺读数之间偏差，多次移动滑块测量该偏差是否恒定。
9.如果偏差恒定，尝试在软件中对超声波测量的距离进行补偿，使测量更准。
超声波传感器一-位移测量实验LabVIEW程序界面
10.单击“STOP按钮停止程序运行。
首先关闭多通道数据采集模块开关，关闭多路输出电源模块开关，然后再拔超声波传感器的信号输出线，连接上红外传感器的信号输出线，打开多路输出电源模块电源开关、打开多通道数据采集模块开关
11.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块实验程序”，打开文件“红外位移测量模块”。
程序界面下图所示。
5.实验报告要求
1.简述超声波传感器和红外传感器的原理；
2.依据超声波传感器的实验记录作数据分析；
6.注意事项
超声波传感器的有效测量距离是2cm~300cm实际距离若过小或过大可能导致测量误差增
大，在测量过程中请保持在此距离以内。
避免信号线带电插拔，造成仪器或设备受损。
实验七数字温度传感器18B20测量实验
一、实验目的：
1、进一步了温度测量方法；
2、了解18B20传感器的结构和原理；
3、掌握数字温度传感器的软件驱动方法。
、实验仪器与元件：
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；
2、传感器实验箱（测温模块、数字电压表模块）；
3、水容器、冷水、60C以上热水、搅棒，把热水和冷水混合配成不同温度的水,进行测量。
4、电脑
三、基本原理:
DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由4部分组成：
64位ROM温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电
源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM勺排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1。
光刻ROM勺作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）?
DS18B2冲的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化
为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以C/LSB形式表达，其中S为符号位。
2、DS18B20的主要特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
〜，在寄生电源方式下可由数据线供电
（2）温范围—55C〜+125C，在-10〜+85C时精度为士C
（3）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要
一条口线即可实现微处理
器与DS18B2啲双向通讯
（4）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B2C可以并联在唯一的三线上，实现组网多
点测温
（5）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三
极管的集成电路内
（6）可编程的分辨率为9〜12位，对应的可分辨温度分别
为c、c、c和
C,可实现高精度测温
（7）在9位分辨率时最多在内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内
把温度值转换为数字，速度更快
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给
CPU同时可传送CRC校
验码，具有极强的抗干扰纠错能力
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
部分温度值与DS18B2C输出的数字量对照表
温度值/c
数字输出（十六进制）
数字输出（二进制）
+85
c
0000
01010101
0000
0550H
+c
0000
00011001
0001
0191H
+c
0000
00001010
0010
00A2H
+c
0000
000000001000
0008H
0c
0000
00000000
0000
0000H
c
11111111
11111000
FFF8H
c
1111
111101101110
FF5EH
c
1111
111101101111
FF6FH
-55
c
1111
11001001
0000
FC90H
上表是DS
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