传感器原理及应用.doc

传感器原理及应用（一）【实验一】热电传感器——热电偶实验目的观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。实验原理热电偶是热电式传感器种的一种，它可将温度变化转化成电势的变化，其工作原理是建立在热电效应的基础上的。即将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结电的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料的性质和结点的温度有关。因此只要保持冷端温度T0不变，当加热结点时，热电偶的输出电势E会随温度T变化，通过测量此电势即可知道两端温差，从而实现温度的测量。电势E和温度T之间的关系是利用分度表的形式来表达的，在制分度表时，通常采用热电偶的冷端温度T0=0℃条件下测得的，所以在使用热电偶时，只有满足T0=0℃的条件，才能直接使用分度表。在实际工况环境中，由于冷端温度不是0℃而是某一温度Tn，因此在使用分度表前要对所测电动势进行修正。E(T，T0)=E(T，Tn)+E(Tn，T0)即：实际电动势=仪表指示值+温度修正值式中E为热电偶的电动势，T为热电偶的热端温度，T0为热电偶参考端温度为0℃，Tn为热电偶参考端所处的温度。实验结果Tn=21.0℃查表得到修正值：E(Tn，T0)=0.832mV加热前，电压表读数：0.026V加热后，电压表读数：-0.157V于是得到：E(T，Tn)=(157+26)/200mV=0.915mV从而得到实际电动势：E(T，T0)=1.788mV查表可得：T=44.0℃【实验二】热敏电阻测温度实验目的观察了解热敏电阻的结构，熟悉热敏电阻的工作特性，学会使用热敏电阻测温。实验原理本实验中所用热敏电阻为负温度系数。其定义为热敏电阻在其自身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量，可用下式表示为：式中B为热敏电阻常数。本实验所用的热敏电阻B=3200。负温度系数的热敏电阻其特性可以表示为：式中RT、RT0分别为温度T和T0时的电阻值。因此当温度变化时热敏电阻阻值的变化将导致运放组成的压/阻变换电路的输出电压的变化，其关系可表示为：式中UT、UT0分别为温度T和T0时的压/阻变换电路的输出电压值。则根据上面两式：实验结果【实验三】PN结温度传感器实验目的熟悉PN结温度传感器的工作特性，学会使用PN结温度传感器测温。实验原理根据半导体器件原理流经晶体二极管的正向电流ID与这个PN结的正向压降VD有如下关系：式中，Is为反向饱和电流，VD为PN结的正向压降，q为电子电荷量，K为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。则：因此，当保持ID不变时，PN结的正向压降与温度T成正比。本实验所使用的是AD590电流型PN结集成温度传感器，其输出电流正比于绝对温度。0℃温度时输出电流为273.2μA，温度每变化1℃，输出电流变化1μA。AD590的输出电流通过1KΩ电阻变为电压信号，其单位为1mV/℃，因此0℃时1K电阻上已有273.2mV的电压输出。实验结果T0=296KT=319K=46℃【实验四】箔式应变片性能及三种桥路测试的比较实验目的观察了解箔式应变片的结构及粘贴方法。测试应变梁变形的应变输出。比较各桥路间的输出关系。了解温度变化对应变测试系统的影响，学会在测试电路中进行温度补偿。实验原理箔式应变片的工作原理箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上，所谓电阻应变效应是指电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。如图所示，设有一根长为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻为：当在轴向受到拉力的作用时，长度增加了，截面积减少了，那么电阻将增加，则电阻相对变化可按下式求得：。对于箔式应变片，电阻变化主要由应变产生。则：式中：是材料的轴向线应变，用应变ε表示为：。是材料截面积的变化，用材料的泊松比=-及表示为：由此可以看出，金属材料的电阻相对变化与其线应变ε正比，比例系数称为灵敏度，这就是金属材料的应变电阻效应。电阻应变片的测量电路△UUR1R2R3R4电桥电路简图从箔式应变片的工作原理可知，应变片测量应变是通过测量应变电阻相对变化来得到的。我们通常使用电桥电路作为应变片的测量电路，它可以把电阻的相对变化转化成电压的相对变化。如图所示，设电桥的输入电压为U,输出的电压为△U，则：设各桥臂的初始电阻为，因此电桥初始处于平衡状态，当四个桥臂电阻分别变为、、、时，则上式可得：一般情况下，很小，既R〉〉i，则上式可变化为：这样电阻变化率（或应变）与输出电压之间就近似为线性关系，这就是利用桥式电路测量电阻应变的工作原理。FR1温度补偿方法FR2箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试梁的膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压变化。由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。用补偿片法是应变电桥温度补偿