实验一 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验 ........................................................... 2 实验二 霍尔测速实验 ........................................................................................................... 4 实验三 光电转速传感器的转速测量实验 ........................................................................... 5 实验四 智能调节仪温度控制实验 ....................................................................................... 6 实验五 铂热电阻温度特性测试实验 ................................................................................... 9 实验六 K型热电偶测温实验 ............................................................................................. 11 实验七 正温度系数热敏电阻温度特性测试实验（温度开关） ..................................... 14 实验八 气敏（可燃气体）传感器实验 ............................................................................. 16 实验九 湿敏传感器实验 ..................................................................................................... 17 实验十 F/V转换实验 ......................................................................................................... 19
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实验一 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器
压力传感器模块、直流电压表、G10电源挂箱。 三、实验原理
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如下图所示：在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。
扩散硅压力传感器的工作原理：在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电流方向将会产生电场变化Ei，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo。
UOdEdi
式中d为元件两端距离。
实验接线图如图1-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1 四、实验内容与步骤 1． 接入+5V、±15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接直流电压表，选择20V档。 2． 调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。 3． 气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mV档显示为零。 4． 保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.095Mpa，并将实验数据填入表1-1。 表1-1 P＝P1-P2(kP) 10 Uo2（V） 15 20 25 2 30 95 5． 保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa，并将实验数据填入表1-2。 表1-2 P(kP) 85 80 75 0 Uo2（V） 6． 保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力为0.005Mpa，并将实验数据填入表1-3。 表1-3 P(kP) 0 -5 -10 -90 Uo2（V） 7． 保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力为0.005Mpa，并将实验数据填入表1-4。 表1-4 P(kP) -95 -90 -85 -5 Uo2（V） 五、实验报告 8． 实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 根据实验所得数据，计算压力传感器输入P（P1-P2）—输出Uo2曲线。计算灵敏度L=ΔU/ΔP，非线性误差δf。 图1-2 扩散硅压力传感器接线图 3 实验二 霍尔测速实验 一、实验目的 了解霍尔组件的应用——测量转速。 二、实验仪器 转动源模块、直流电压表、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 利用霍尔效应表达式：UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。 四、实验内容与步骤 1． 安装根据图2-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。 图2-1 霍尔传感器安装示意图 2． 将+5V电源接到转动源模块上的“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到F/V转换单元，再接到直流电压表上。 3． 将0~24V电源连接到转动输入上，选择不同电压+4V、+6V、+8V、+10V、+12V、+16V、+20V、+24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。也可用示波器观测霍尔元件输出的脉冲波形。 表2-1 电压(V) 转速(rpm) +4V +6V +8V +10V +12V +16V +20V +24V 4． 实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 1． 分析霍尔组件产生脉冲的原理。 2． 根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。 4 实验三 光电转速传感器的转速测量实验 一、实验目的 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。 二、实验仪器 转动源模块、直流电压表、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。 图3-1 光电测转速安装示意图 四、实验内容与步骤 五、 1．光电传感器已安装在转动源上，如图3-1所示。+5V电源接到转动源模块上的“光电”输 出的电源端，光电输出接到F/V转换单元，再接到直流电压表上。 2．将0~24V电源连接到转动输入上，选择不同电压+4V、+6V、+8V、+10V、+12V、+16V、+20V、+24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。也可用示波器观测光电传感器的输出波形。 表3-1 电压(V) 转速(rpm) +4V +6V +8V +10V +12V +16V +20V +24V 3． 实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 根据测的驱动电压和转速，作V-n曲线。并与其他传感器测得的曲线比较。 5 实验四 智能调节仪温度控制实验 一、实验目的 了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理。 二、实验仪器 G11智能调节仪挂箱、PT100传感器、G10电源挂箱。 三、实验原理 位式调节 位式调节（ON/OFF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。 PID智能模糊调节 PID智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（AT）功能使得无需设置控制参数。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。 温度控制基本原理 由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。本实验仪采用PID智能模糊+位式双重调节控制温度。用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可节约实验时间。 当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Pt100的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。PID智能温度控制原理框图如图4-1所示。 图4-1 PID智能温度控制原理框图 三、 实验内容与步骤 1． 在控制台上的“智能调节仪”单元中“输入”选择“Pt100”，并按图4-2接线。 6 2． 将“+24V输出”经智能调节仪“继电器输出”，接加热器风扇电源，打开调节仪电源。 3． 按住位置，按 或 3秒以下，进入智能调节仪A菜单，仪表靠上的窗口显示“键可修改靠下窗口的设定值。否则提示“ ”，靠下窗口显”可改变小数点 3秒以 示待设置的设定值。当LOCK等于0或1时使能，设置温度的设定值，按“下，回到初始状态。 4． 按住 3秒以上，进入智能调节仪B菜单，靠上窗口显示“ ”可改变小数点位置，按 或 ”，靠下窗口显示待 设置的上限偏差报警值。按“ 5． 继续按按按“ 、6． 继续按7． 继续按8． 继续按9． 继续按10． 继续按按“ 11． 继续按正参数值，按“值。（参考值0） 12． 继续按按“或 13． 继续按 键3秒以下，靠上窗口显示“UP”，靠下窗口显示待设置的功率限制参数值， 或 键可修改靠下窗口的功率限制参数值。（参考值100%） 键3秒以下，靠上窗口显示“LCK”，靠下窗口显示待设置的锁定开关，按 键3秒以下，回到初始状态。 ”可改变小数点位置，按 键可修改靠下窗口的上限报警 ”表示已加锁。再按 值。上限报警时仪表右上“AL1”指示灯亮。（参考值0.5） 键3秒以下，靠上窗口显示“ ”，靠下窗口显示待设置的自整定开关， 设置，“0”自整定关，“1”自整定开，开时仪表右上“AT”指示灯亮。 键3秒以下，靠上窗口显示“dP”，靠下窗口显示待设置的仪表小数点位数， 或 键可修改靠下窗口的比例参数值。（参考值1） ””” 键3秒以下，靠上窗口显示“P”，靠下窗口显示待设置的比例参数值，按“ 或或或 键可修改靠下窗口的比例参数值。 键可修改靠下窗口的积分参数值。 键可修改靠下窗口的微分参数值。 或 键可修改靠下窗口的输出周期参数值。 或 键可修改靠下窗口的测量显示误差休正参数 键3秒以下，靠上窗口显示“I”，靠下窗口显示待设置的积分参数值，按“键3秒以下，靠上窗口显示“d”，靠下窗口显示待设置的微分参数值，按“ ”可改变小数点位置，按 可改变小数点位置，按可改变小数点位置，按可改变小数点位置，按 键3秒以下，靠上窗口显示“T”，靠下窗口显示待设置的输出周期参数值，键3秒以下，靠上窗口显示“SC”，靠下窗口显示待设置的测量显示误差休”可改变小数点位置，按 ”可改变小数点位置，按 键可修改靠下窗口的锁定开关状态值，“0”允许A、B菜单，“1”只允许A菜单，“2”禁14． 设置不同的温度设定值，并根据控制理论来修改不同的P、1、D、T参数，观察温度控 止所有菜单。继续按制的效果。 五、实验报告 1．简述温度控制原理并画出其原理框图。 7 图4-2 8 实验五 铂热电阻温度特性测试实验 一、实验目的 了解铂热电阻的特性与应用。 二、实验仪器 G11智能调节仪挂箱、PT100传感器、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值通过测量电路转换电信号，即可得到被测温度。 图5-1 铂电阻温度特性测试接示图 四、实验内容与步骤 1．重复温度控制实验，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入另一只铂热电阻温度传感器PT100。 2．将±15V直流稳压电源接至温度传感器实验模块。温度传感器实验模块的输出Uo2接实验台直流电压表。 3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。 4．按图5-1接线，并将PT100的3根引线插入温度传感器实验模块中Rt两端（其中颜色相同的两个接线端是短路的）。 图5-1 6．改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表5-1。 5．拿掉短路线，将R7两端接到差动放大器的输入Ui，记下模块输出Uo2的电压值。 9 表5-1 T（℃） Uo2（V） 五、实验报告 根据表5-1的实验数据，作出UO2-T曲线，分析PT100的温度特性曲线，计算其非线性误差。 10 实验六 K型热电偶测温实验 一、实验目的 了解K型热电偶的特性与应用。 二、实验仪器 G11智能调节仪挂箱、PT100传感器、K型热电偶、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 热电偶传感器的工作原理 热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图6-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。 图6-1（a） 图6-1（b） 两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。 当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图6-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即： ET=SAB（T-T0） SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。 热电偶的基本定律： （1）均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 （2）中间导体定律 用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。 11 （3）中间温度定律 如图6-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为 EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） 式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T1=100℃，T2=40℃，T3=0℃，则 EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） 图6-2 热电偶的分度号 热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0℃的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。 四、实验内容与步骤 1．重复实验Pt100温度控制实验，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入K型热电偶温度传感器。 2．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。 3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。 4．拿掉短路线，按图6-3接线，并将K型热电偶的两根引线，热端（红色）接a，冷端（绿色）接b；记下模块输出Uo2的电压值。 图6-3 热电偶测温接线图 4． 改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入表6-1。 12 表6-1 T（℃） Uo2（V） 五、实验报告 1． 根据表6-1的实验数据，作出UO2-T曲线，分析K型热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差。 2． 根据中间温度定律和K型热电偶分度表，用平均值计算出差动放大器的放大倍数A。 13 实验七 正温度系数热敏电阻温度特性测试实验（温度开关） 一、实验目的 1． 了解正温度系数热敏电阻基本原理。 2． 学习正温度系数热敏电阻特性与应用。 二、实验仪器 G11智能调节仪挂箱、PT100传感器、PTC热敏电阻、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 热敏电阻工作原理同金属热电阻一样，也是利用电阻随温度变化的特性测量温度。所不同的是热敏电阻用半导体材料作为感温元件。热敏电阻的优点是：灵敏度高、体积小、响应快、功耗低、价格低廉，但缺点是：电阻值随温度呈非线性变化、元件的稳定性及互换性差。 正温度系数的热敏电阻（PTC） PTC通常是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体， 其电阻随温度增加而增加。开关型的PTC在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的曲段，即电阻值突然迅速升高。PTC适用的温度范围为-50～150℃，主要用于过热保护及作温度开关。PTC电阻与温度的关系可近似表示为： RTRT0expBTT0 式中， RT——绝对温度为T时热敏电阻的阻值；RT0——绝对温度为T0时热敏电阻的阻值； B——正温度系数热敏电阻的热敏指数。 四、实验内容与步骤 1． 重复Pt100温度控制实验，从室温开始设置温度源的温度值。 2． PTC温度传感器插入温度源另一个插孔，用万用表欧姆档测量。改变调节仪的设定值来改变温度源的温度，记下PTC阻值R，直到温度升至1200C。并将实验结果填入表7-1。 表7-1 t（℃） R（Ω） 3． “Rt”两端分别和555电路的4和6短接（红色接红色，绿色接绿色），给555组成的无稳态多谐振荡电路供电。在热敏电阻特性测试电路中，用555时基集成电路构成温控电路。其输出信号由发光二极管LED1（红）、LED2（绿）显示。PTC、Rw3组成分压器。当PTC的阻值Rt 随温度变化而变化时，6脚的电势V随之发生变化，VRw39V。电路工作原理是通过6 RtRw3脚的电势V来触发555的输出状态。当V＞6V时，LED2亮，V＜3V时，LED1亮。 五、实验报告 根据实验记录实验数据，绘制R（Ω）- t（℃）温度特性曲线。 六、注意事项 加热源温度设定范围为室温～120℃，实验过程中加热源温度不得超过120℃，否则有可能 14 损坏热敏电阻温度传感器。 15 实验八 气敏（可燃气体）传感器实验 一、实验目的 了解可燃气体检测传感器的原理与应用。 二、实验仪器 气敏腔、可燃气体检测传感器、可燃气体（自备）、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 气敏元件是利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化特征制成的一类传感器。MQ-7型可燃气体检测传感器是一种表面电阻控制型半导体气敏器件，主要是靠表面电导率变化的信息来检测被接触气体分子。传感器内部附有加热器，以提高器件的灵敏度和响应速度。 传感器的表面电阻Rs，与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号输出VRL，二者之间的关系为： Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL 该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大。 MQ-7可用于家庭、环境的一氧化碳探测装置。适宜于一氧化碳、煤气等的探测。 四、实验内容与步骤 1． 传感器的4根引线红色和黑色为加热器输入，接0～5V电压加热（没有正负之分）。传感器预热1分钟左右。 2． 按图8-1接线，直流电压表选择20V档。记下传感器暴露在空气中时电压表的显示值。 图8-1可然气体传感器接线图 3． 将准备好的装有少量煤气（<4%）瓶口（或打火机内的丁烷气体）对准传感器探头，注意观察直流电压表的明显变化。一段时间后电压表的显示趋于稳定，拿开煤气源，观察直流电压表的读数。（回到初始值，可能需要2-3小时。） 4． 实验结束，关闭所有电源，整理实验仪器。 五、实验报告 根据实验观察到的数据，家庭环境一氧化碳、煤气检测装置需考虑哪些环节与因素？ 16 实验九 湿敏传感器实验 一、实验目的 了解湿敏传感器的原理及应用范围。 二、实验仪器 湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球（自备）、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位窨体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。实验使用中多用相对湿度概念。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物，例如，乙酸－丁酸纤维素和乙酸－丙酸比纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力，感湿薄膜覆在金箔电极（下电极）上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜（上电极），这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。 图9-1 四、实验内容与步骤 1． 湿敏传感器实验装置如图9-1所示，红色接线端接+5V电源，黑色接线端接地，蓝色接线端和黑色接线端先接F/V转换单元，再接到直流电压表上，记下此时直流电压表的读数。 2． 将湿棉球放入湿敏腔内。并插上湿敏传感器探头，观察直流电压表的读数变化。 3． 取出湿纱布，待数显表示值下降回复到原示值时，在干湿腔内被放入部分干燥剂，同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上，观察直流电压表的读数变化。 五、实验报告 输出频率f与相对湿度RH值对应如下，参考下表，计算以上三中状态下空气相对湿度。 17 RH（%） Fre（Hz） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 18 实验十 F/V转换实验 一、实验目的 了解I/V、F/V信号转换的原理与应用。 二、实验仪器 转动源模块、直流电压表、G12传感器处理电路挂箱、G10电源挂箱。 三、实验原理 有些传感器直接输出是脉冲信号，为了转化成国际电工委员会（IEC）使用的统一标准信号，需要对传感器输出的脉冲信号进行频率-电压转换。 F/V常用集成转换器件如LM331，其外部接线如下图，最高的转换脉冲频率可到10kHz。 图10-2 F/V转换原理图 四、实验内容与步骤 1． 打开实验台电源，将±15V直流稳压电源接入信号转换模块。 2． 接上转动源，接好相应的电源及接线。调节恒流源转入的输出电流，改变转动源转速，将光电传感器输出的脉冲信号接到F/V转换的输入端，用频率/转速表的频率档测量脉冲信号频率，直流电压表测量输出的电压值，每隔200Hz记录一次实验数据。 五、实验报告 根据实验所的的数据做F/V转换曲线，并计算其非线性误差。 19 20 21 22 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容