1、傳感器實驗及課程設(shè)計教學大綱課程編碼：08365040課程名稱：傳感器實驗及課程設(shè)計英文名稱：the experiment and course design of sensor學時/學分：20/1 適用對象：測控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動化等本科生指導教材：傳感器課程設(shè)計教程參考書：傳感器原理及檢測技術(shù)實驗指導與習題集主要儀器設(shè)備：CSY910型傳感器實驗儀、傳感器實驗擴展裝置、計算機、示波器、萬用表、信號發(fā)生器等一、學時分配序號實驗項目名稱實驗類型學時分配備注1霍爾式傳感器的特性實驗基本22感應(yīng)式磁敏傳感器設(shè)計設(shè)計43霍爾式傳感器應(yīng)用設(shè)計綜合44熱電偶測溫實驗基本25熱敏電阻設(shè)計26AD

2、590設(shè)計27光敏三極管設(shè)計28光敏電阻設(shè)計29金屬箔式應(yīng)變片位移測量實驗基本210電感傳感器基本211電容傳感器基本212壓電式傳感器基本213氣敏、濕度傳感器設(shè)計214智能傳感器基本215磁敏傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計816溫度傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計817光敏傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計818力敏傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計819應(yīng)變傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計820壓電傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計821其它傳感器應(yīng)用綜合設(shè)計822智能傳感器設(shè)計綜合設(shè)計8二、課程性質(zhì)、目的與任務(wù)傳感器課程設(shè)計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的一門獨立實踐課程，也是電氣工程及自動化專業(yè)的選修課程。本課程以各類傳感器的性能測試、實際應(yīng)用設(shè)計為線索，完成磁敏傳感器、溫度

3、傳感器、光電傳感器、應(yīng)變傳感器、電感傳感器、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、智能傳感器等基本型、設(shè)計性和綜合性實驗與設(shè)計內(nèi)容，通過課內(nèi)和課外相結(jié)合，自主申請實驗項目和實驗室開放課題相結(jié)合，使學生掌握不同種類傳感器的使用方法和設(shè)計要點的基本技能，加深學生對“傳感器原理及檢測技術(shù)”理論知識的理解，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計打下基礎(chǔ)。三、教學基本要求1、通過磁敏傳感器實際制作或應(yīng)用，掌握感應(yīng)式傳感器的工作原理及其性能和霍爾式傳感器的工作原理、特能及其應(yīng)用。2、通過熱電偶、熱敏電阻和集成溫度傳感器AD590的性能測試的方法及應(yīng)用，掌握熱電偶的原理、熱敏電阻和電流輸出型溫度傳感器的工作原

4、理和使用方法，并計算和分析溫度傳感器靈敏度、線性度。3、了解各種光電器件的特性，通過光敏三極管和光敏電阻的實際參數(shù)測試，掌握光電傳感器的工作原理與應(yīng)用方法。4、通過應(yīng)變式傳感器實驗，掌握理論課上所講授的應(yīng)變片的工作原理，并完成單臂、半橋、全橋的性能測試，總結(jié)它們之間的相互關(guān)系。5、了解差動變壓器的結(jié)構(gòu)，通過差動變壓器靜態(tài)位移性能測試和差動變壓器零點殘余電壓的補償電路設(shè)計，掌握理論課上所講授的差動變壓器的工作原理和零點殘余電壓的補償措施。6、通過差動變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性測試，掌握差動變面積式電容傳感器的工作原理及其特性，了解電容變換器的工作原理。7、通過壓電式傳感器的動態(tài)響應(yīng)和引線

5、電容對電壓放大器與電荷放大器的影響實驗，掌握壓電式傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用和驗證引線電容對電壓放大器的影響，了解電荷放大器的原理和使用方法。8、通過氣敏、濕度傳感器性能測試，掌握氣敏、濕度傳感器的工作原理及其特性，掌握測量可燃性氣體、環(huán)境濕度的方法和設(shè)計電路。9、通過基于IEEE 1451的溫濕度智能傳感器現(xiàn)場應(yīng)用演示，掌握基于該標準的智能傳感器協(xié)議的特點、系統(tǒng)組成及實際應(yīng)用領(lǐng)域。四、教學內(nèi)容及要求：1、磁敏傳感器：完成霍爾元件基本特性實驗；自行設(shè)計感應(yīng)式傳感器，利用傳感器實驗儀放大器和顯示模塊完成磁場測試的實驗內(nèi)容；利用集成霍爾式傳感器，自行設(shè)計放大器電路，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，將轉(zhuǎn)速結(jié)果通過顯

6、示模塊顯示。該兩項實驗內(nèi)容學生可任選其一作課內(nèi)實驗，另一項實驗內(nèi)容通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。2、溫度傳感器：利用傳感器實驗儀上的熱電偶完成測溫實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，查分度表，計算并分析該熱電偶的靈敏度和線性度；通過設(shè)計熱敏電阻測量電路和放大器，利用傳感器實驗儀上的顯示模塊顯示被測溫度，計算并分析該熱敏電阻的靈敏度和線性度；識別集成溫度傳感器AD590管腳，通過設(shè)計測量電路和放大器，利用傳感器實驗儀上的顯示模塊顯示被測溫度，計算并分析該溫度傳感器AD590的靈敏度和線性度。該三項實驗內(nèi)容學生可任選其一作課內(nèi)實驗，剩余兩項項實驗內(nèi)容通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。3、光電傳感器：設(shè)計光敏三極管測量電路，通

7、過電機帶動黑白相間條紋園盤旋轉(zhuǎn)，利用傳感器實驗儀上的顯示模塊計數(shù)白條紋數(shù)量，經(jīng)過計算得出電機轉(zhuǎn)速；設(shè)計光敏電阻測量電路、放大器和發(fā)光二極管亮度可調(diào)電路，利用傳感器實驗儀上的顯示模塊顯示電位器不同刻度對應(yīng)的輸出值，繪制光敏電阻光譜特性曲線。該兩項實驗內(nèi)容學生可任選其一作課內(nèi)實驗，另一項實驗內(nèi)容通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。4、應(yīng)變式傳感器：利用傳感器實驗儀上粘貼的應(yīng)變片，學生分別連接三種電橋：單臂、半橋、全橋，完成位移測量實驗，要求三種電橋所用放大器增益不變，根據(jù)測量結(jié)果，計算靈敏度，比較三種電橋之間的相互關(guān)系。該部分內(nèi)容為課內(nèi)實驗。5、電感傳感器：利用傳感器實驗儀上的差動變壓器，將兩只次級線圈反向

8、串接，由音頻振蕩器給初級提供激勵信號，調(diào)整差動變壓器中銜鐵的位置，用示波器觀察輸出波形，然后，通過電橋平衡網(wǎng)絡(luò)對差動變壓器的零點殘余電壓進行補償，觀察零點殘余電壓波形。該部分內(nèi)容可作為課內(nèi)實驗或通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。6、電容傳感器：將傳感器實驗儀上的差動變面積式電容傳感器連接到電容變換器，經(jīng)放大和濾波，在電壓表和示波器上顯示可動極板相對變化情況，記錄測試數(shù)據(jù)，計算系統(tǒng)靈敏度，分析電容變換器電路工作原理。該部分內(nèi)容可作為課內(nèi)實驗或通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。7、壓電式傳感器：將傳感器實驗儀上的壓電傳感器接到電荷放大器，給振動臺的激振線圈加激勵信號，觀察壓電傳感器的輸出波形，然后再將壓電傳感器接

9、到電壓放大器，通過濾波、放大和相敏檢波器，更換不同長度屏蔽線，觀察實驗輸出結(jié)果，分析并比較引線電容對電壓放大器和電荷放大器的影響。該部分內(nèi)容可作為課內(nèi)實驗或通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。8、氣敏、濕度傳感器：識別氣敏傳感器管腳，設(shè)計其測量電路，將傳感器輸出接直實驗儀上的放大器，通過顯示模塊顯示不同氣體濃度對應(yīng)的數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)生測量誤差的原因；設(shè)計濕敏電阻測量環(huán)境濕度的檢測電路，利用實驗儀上的顯示模塊顯示被測濕度，計算該傳感器的重復性誤差。該兩項實驗內(nèi)容學生可任選其一作課內(nèi)實驗，另一項實驗內(nèi)容通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。9、智能傳感器：利用傳感器國際標準協(xié)議IEEE 1451制作的網(wǎng)絡(luò)化實驗傳感器裝置，

10、通過連接Internet網(wǎng)絡(luò)遠程調(diào)用，觀察被測現(xiàn)場多種參數(shù)測量結(jié)果。該部分內(nèi)容可作為課內(nèi)課程設(shè)計或通過課外或?qū)嶒炇议_放完成。五、考核方式：考查，成績由出勤率、作品驗收、實驗報告三部分決定。實驗項目一 霍爾式傳感器的特性實驗霍爾元件的結(jié)構(gòu)中，矩型薄片狀的立方體稱為基片，在它的兩側(cè)各裝有一對電極。一個電極用以加激勵電壓或激勵電流，故稱為激勵電極。另一個電極作為霍爾電勢的輸出，故稱霍爾電極。在實際應(yīng)用中，當磁場強度H（或磁感應(yīng)強度B）或激勵電流I中的一個參數(shù)為常量，而另一個作為輸入時，則輸出霍爾電勢UH(或B)或I。當輸入量是H（或B）或I時，則輸出霍爾電勢UH正比于H（或B）與I的乘積。實驗裝置采

11、用的磁路系統(tǒng)如圖1（a）所示，由于兩對極性相反的磁極的共同組成，在磁極間形成一個梯度磁場。理想特性如圖1（b）所示磁感應(yīng)強度B是位移x的函數(shù)，即B=f(x)。調(diào)整霍爾元件處于圖示中心位置時，由于該處磁場作用抵消B=0，所以霍爾元件上下運動時霍爾電勢大小和符號也會跟隨變化，并且有UH=f(x)。因此，若用一標準磁場或已知特性磁場的磁路系統(tǒng)來校準霍爾元件的輸出電勢時可采用測量磁場強度的方法。圖1 霍爾元件磁路系統(tǒng)和特性實驗目的：了解霍爾式傳感器的原理與特性?；驹恚焊鶕?jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UH=KHIB，當霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以驚醒位移測量。所需單元及部件：霍爾片、磁路系統(tǒng)、電橋、

12、差動放大器、FV表、直流穩(wěn)壓電源、測微頭、振動平臺、主、副電源。實驗步驟：（1）霍爾元件上所加電壓不得超過±2V，以免損壞霍爾晴，辨別霍爾片的激勵電極和霍爾電極端。（2）一旦調(diào)整好測量系統(tǒng)，測量時不能移動磁路系統(tǒng)。（3）了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)及實驗儀上的安裝位置，熟悉實驗面板上霍爾片的符號?；魻柶惭b在實驗儀的振動圓盤上，兩個半圓永久磁鋼固定在實驗儀的頂板上，二者組合成霍爾傳感器。（4）將差動放大器的(+)、()輸入端與地短接，輸出端插口與FV表的輸入插口Vi相連，開啟主、副電源，調(diào)節(jié)差放零點旋鈕，使FV表顯示零，關(guān)閉主電源。（5）差動放大器增益旋至最小，F(xiàn)/V電壓表量程置2V檔，直

13、流穩(wěn)壓電源放在2V檔。開啟主、副電源將差動放大器調(diào)零后，增益置最小，再關(guān)閉主電源，根據(jù)圖2接線，W1、r為電橋單元的直流電橋平衡網(wǎng)絡(luò)?；魻柶骷﨨NSS環(huán)形磁鐵V+直流穩(wěn)壓電源11+2V2V w1r電橋平衡網(wǎng)絡(luò)差動放大器電壓表霍爾傳感器圖2 霍爾傳感器直流特性測試（6）裝好測微頭，調(diào)節(jié)測微頭與振動臺吸合并使霍爾片置于半圓磁鋼上下正中位置。（7）開啟主、副電源，調(diào)整Wl使電壓表指示為零。（8）上下旋動測微頭，每0.5mm讀一個數(shù)，將電壓表的讀數(shù)填入下表X（mm）V(v)X（mm）V(v)（9）作出VX曲線，指出線性范圍，求出靈敏度K=V/X。發(fā)揮部分：（1）按圖3接好線路，開啟電源將差動放大器輸出

14、調(diào)零；（2）用F表將音頻振蕩器調(diào)至1KHZ，用示波器觀察輸出幅度小于5V。（3）（0°，180°）端輸出至霍爾片的輸入端，差動放大器增益調(diào)??；（4）利用示波器、電壓表調(diào)整平衡網(wǎng)絡(luò)w1、w2使輸出為零，同時可調(diào)整移相器。（5）旋轉(zhuǎn)測微頭，記下讀數(shù)填入下表：X（mm）V(v)X（mm）V(v)音 頻 振 蕩 器w1移相器相敏檢波器低通濾波器示波器F/V表V12+差動放大器電橋平衡網(wǎng)絡(luò)霍爾傳感器Cw2Lvr 圖3 霍爾傳感器的交流特性測試思考題（1）本實驗測出的實際上是磁場的分布情況，它的線性好壞是否影響位移測量的線性度。（2）霍爾傳感器是否適用于大位移測量？（3）霍爾片工作在磁

15、場的那個范圍靈敏度最高？實驗項目二 感應(yīng)式磁敏傳感器設(shè)計1實驗目的及要求了解感應(yīng)式磁敏傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用場合，掌握傳感器線圈纏繞匝數(shù)與其頻率帶寬之間的關(guān)系、與其靈敏度之間的關(guān)系，不同材料的磁芯對感應(yīng)式磁敏傳感器的性能的影響。2基本原理：感應(yīng)式磁敏傳感器是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的，傳感器的N匝線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢： 發(fā)生變化，根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小檢測磁場的強弱。其線圈分為兩種類型：有磁芯線圈和空心環(huán)路線圈。有磁芯線圈傳感器中的磁芯采用高導磁率材料，如坡莫合金，非晶態(tài)合金等。3所需儀器及材料：示波器、RLC測試儀、信號發(fā)生器、萬用表、磁芯、漆包線等。

16、4實驗任務(wù)： （1）在給定的磁芯上纏繞一定匝數(shù)的漆包線，完成傳感器的制作，同時用漆包線制作一個激勵線圈。用RLC測試儀測量所作傳感器的電感值、分布電容值和有效直流電阻值，并記錄。（2）利用傳感器實驗儀上的放大器、電阻和電容等電子元件，設(shè)計、制作與調(diào)試傳感器測量電路，并與傳感器連接。（3）用信號發(fā)生器輸出的正弦信號接至激勵線圈，產(chǎn)生頻率幅度變化的磁場，將制作的傳感器放入該磁場中，用雙線示波器連接信號發(fā)生器輸出端和傳感器輸出端，組成一個測量線路，通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出正弦信號的頻率，用示波器讀出信號發(fā)生器輸出的正弦信號和傳感器輸出波形的峰峰值，填入下表：F（Hz）Vp-p（信號發(fā)生器）Vp-p（傳

17、感器）（4）根據(jù)實測數(shù)據(jù)，寫出該傳感器的帶寬，計算其靈敏度和線性度。5思考：（1）試回答磁敏感應(yīng)傳感器的第一個諧振點的頻率。（2）傳感器線圈匝數(shù)纏繞的多少是否影響其頻率特性？為什么?6實驗報告包括：目的、任務(wù)；線圈參數(shù)（匝數(shù)、磁芯材料和線徑等）及測量電路設(shè)計原理和框圖；實驗方法及實驗中碰到的問題和分析解決問題的方法；實驗步驟；測量數(shù)據(jù)記錄；結(jié)論。實驗項目三 霍爾傳感器應(yīng)用設(shè)計1集成霍爾傳感器霍爾集成傳感器是將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等集成在一塊芯片上，為用戶提供了一種簡化的和比較完善的磁敏傳感器。其輸出信號強，傳送過程無抖動現(xiàn)象，而且功耗低，對溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場

18、移動速度無關(guān)?；魻柤蓚鞲衅鞣譃榫€性集成電路和開關(guān)電路。實驗采用3144EU開關(guān)型霍爾集成傳感器，開關(guān)型集成霍爾傳感器由霍爾元件HG、放大器A、輸出晶體管VT、施密特電路C和穩(wěn)定電源R等組成。其內(nèi)部框圖、輸出特性和引腳如圖4（a）、（b）、（c）所示。傳感器通過晶體管VT的集電極輸出，傳感器的輸出只有一端，是以一定磁場電平值進行開關(guān)工作的，由于內(nèi)設(shè)有施密特電路，開關(guān)特性具有時滯，因此有較好的抗噪聲效果。工作電源的電壓范圍較寬，可為36V。 （a）內(nèi)部框圖 （b）輸出特性 （c）引腳圖圖4 開關(guān)集成霍爾元件內(nèi)部框圖、輸出特性2實驗目的；了解開關(guān)型集成霍爾傳感器及其轉(zhuǎn)換電路的工作原理；掌握霍爾傳感器