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传感器实验
传感与测量技术
实验报告
实验名称:
传感器实验
姓名:
学号:
同组人员:
学号:
专业:
电子信息工程
指导教师:
第一章应变式传感器实验
第一节实验目的
1.1使学生了解应变计原理
1.2使学生了解LoadCell结构
1.3使学生了解LoadCell特性
1.4使学生了解LoadCell转换电路的原理
1.5使学生了解LoadCell的应用
第二节相关知识
由以前基本电学的理论可知,某导线的电阻值与其电阻系数(ρ),长度(L)成正比,而与其截面积(A)成反比。
因此,若将此导线的长度拉长或缩短,则其电阻值必定会发生改变。
利用这种原理可制成一种转换器,称为应变计(Straingage,SG)。
若有导体其长度为L,所对应的电阻为R,如图1-1所示,若对此导体施加压力使其长度缩短,但截面积增加,则其电阻会减少,如图1-1(-△R,-△L)。
但若对导体施加拉力,则其长度增加,但截面积减少,因而会导致电阻增加,如图1-1的点(+△R,+△L)。
当导体受外力后,除了几何形状改变外,导体的电阻系数也会发生变化。
对一般材料而言,材料受到压力的作用时,电阻系数会增加;相反的,受到拉力的作用时,电阻系数会减少。
在(R,L)点,R=ρ.L/A
在(-△R,-△L)点,R=ρ.L/A-△ρ.△L/△A,其㆗△ρ↑,△L↓,△A↑
在(+△R,+△L)点,R=ρ.L/A+△ρ.△L/△A,其㆗△ρ↓,△L↑,△A↓
图1-1导线长度与电阻的关系
一个导体的内阻,可由下式决定出
Ro=ρ.Lo/Ao
式中
Ro:
导体的电阻(Ω)
Lo:
导体长度(m)
Ao:
导体截面积(m2)
ρ:
导体的电阻系数(resistivity)(Ω.m)
若外加作用力到导体,则导体的长度将发生变化,设其长度变化△L,则新的长度L=Lo+△L,在这种作用力下,导体长度若增加,它的体积几乎保持不变。
导体未受作用力之前的体积V=LoAo,若体积不变,而长度增长,截面积必然减少,设其变化为△A。
故得A=LoAo=(Lo+△L)(Ao-△A)………….……………...……..1
假设电阻系数不受作用力的影响,则因为长度与面积发生变化,导体电阻也会变化为
R=ρ.(Lo+△L)(Ao-△A)………….……..…………...…………….2
由1式与2式,可证明新的电阻值约为
R≡ρ.Lo/Ao(1+2△L/Lo)….……….………………...…………….3
由此可得电阻的变化为
△R≡2Ro△L/Lo………………….………………………………….4
由4式是应变计的特性方程式,△L/Lo的变化,直接转换电阻变化△R/Ro
由以上的探讨可知,作用于导体的力将使导体发生变形,进而改变其电阻值。
故可由电阻值变化的大小得知作用在导体上作用力的大小。
但上述的量度方法,若无温度补偿则毫无用处。
因温度的变化也会引起导体电阻值的变化,此温度效应可能遮没作用力的应变效应,故必须补偿温度所引起的变化。
应变计(SG)的形式有两种:
线状(Wire)与箔状(foil),其两者的基本特性相同,均对应变产生对应电阻变化。
而应变计对应变(作用力)的灵敏度为单方向,即只有一个方向才对应变发生反应。
图1-2为普通一般的应变计,它提供上述的特性。
由图中可看出导线来回圈折,可使得长度增加提供足够的电阻变化。
若应变作用在图1-2的垂直方向,导线长度并不发生变化,故也无电阻变化,而只有在水平加作用力的情况才能改变导线长度。
图1-2应变计的型式
利用以上的特性,采用图1-3桥式电路(bridgecircuit)来处理,可消除温度对应变计所引起的电阻变化,图1-3(a)使用两个应变计,虚应变计(dummySG),能提供所需的温度补偿。
虚应变计需装在对应变计不灵敏的方向,与动作应变计(ActiveSG)有相同环境温度的地方,如图1-3(b),两个应变计都对温度效应产生电阻变化,但图(a)的桥式电路输出却不对温度变化而发生变化。
图1-3桥式电路应变计
LoadCell是利用应变计(SG),受压力(拉力)变形产生电阻的变化,而后由惠斯登电桥检出,变形愈大,其输出愈大,即荷重愈大,其安装的方式和结构如图1-4所示。
(a)负载包上两个垂直安装的应变计(b)由两应变计构成平衡臂的电桥电路
图1-4
图1-5是LoadCell的机械结构图。
图1-5下方有一个受力底板,底板上方有弹性柱,在柱上较细处贴附应变计。
当外界重量施加在弹性柱的上方时,则贴在弹性柱的应变计受力而发生电阻变化,利用电路板上的桥式电路产生与施加的重量成比例的电压。
图1-5LoadCell机械结构
第三节实验电路原理说明
LoadCell利用应变计和桥式电路组合成,当其受到了拉力或压力时,将产生与作用力成正比的电压输出。
图1-6是LoadCell转换电路,其输出的转换率为10mV/g。
本实验所采用的LoadCell规格为500g,输出率为2mV±10%,即在±5V的激励电压下,在荷重500g下有2mV±10%的电压输出,所以LoadCell本身的输出转换率为(4mV±10%)/Kg。
图1-6中U1,U2和U3组成了一般常用的仪器放大器,其电压增益为2R2/(R1+VR1)【当R2=R3时】。
要使得整个转换电路的输出为10mV/g,则仪器放大器必须有2500倍的增益(4mV/kgx2500=10mV/g)。
因LoadCell在无荷重下输出电压并不为零,且输出转换率为4mV/kg并不准确,前者可在仪器放大器加上抵补电压使其归零。
而后者可调整到VR1,改变仪器放大器的增益,使得转换电路的输出保持在10mV/g。
调整VR2可使得R14的电压从+1.2V~-1.2V,使得整个转换电路在无荷重下输出为零。
图1-6应变计转换电路
第四节实验仪器设备
4.1数位式电表(DMM)
4.2KH-700主实验器
4.3KH-73001实验模板
4.4砝码一组(1kg)(选购)
第五节实验步骤与记录
5.1Loadcell特性与转换电路实验
1.将KH-73001实验模板放在实验台上,取出KH78001负载单元备用。
2.使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模组供电接口。
使用标准USB-Bjack连接线连接KH78001负载单元中应变式压力传感器输出接口与KH73001对应传感器接口。
3使用KH71003中工控表1连接模组输出(工控表1中COM-接模组输出GND;V/A+接入被测信号),测量J1测试点(零点补偿电压)并并调整VR1,使传感器输出在无负重下,Vout的电压为0.24V(补偿托盘自重导致的测量数值偏移)
4.测量Vout的输出电压,并调整VR2,使传感器输出在无负重下,Vout的电压为0V。
5.以100g的砝码放在盛物盘上,并调整VR1使Vout的电压为1V,此时,转换电路的输出转换率为1V/100g。
6.依照表1-2所列的重量,将砝码组合后,放在LoadCell上,利用工控表测量Vout的电压,并记录到表中。
砝码重(g)
10
20
30
40
50
100
150
200
Vout电压(V)
0.32
0.35
0.44
0.80
0.72
1.01
1.40
1.83
7.利用表1-2Vout的电压与砝码重量绘出KH73001转换电路的转换曲线。
图1-1砝码重(Kg)
8.由表1-2可求得LoadCell转换电路的转换率大约为____13.1__V/Kg=____13.1__mV/g。
第一节实验目的
1.1了解磁感性半导体组件的原理
1.2利用霍尔组件作电流检测
第二节相关知识
磁感性半导体组件近年来用途甚广,重要性也日增。
利用半导体特性的霍尔效应(Halleffect)做成霍尔组件即为典型的代表。
霍尔组件局限用在磁场的测定和半导体材料的物理研究,而在电子控制电路的应用方面却很少。
现在由于集成电路的多样化,电子机器的高精密化而开发出很多霍尔组件,又因改善霍尔组件的可靠性及安定性,使得民生机器用工业计测的霍尔组件及其应用制品逐渐实用化。
霍尔组件如图4-1所示,半导体片(厚度d)流过电流lc,加上磁场B(和半导体片垂直),则因洛仁磁力改变电子的流向发生霍尔效应。
因此垂直于lc和B产生电位差VH。
此VH称为霍尔电压或霍尔输出电压。
在此RH为由半导体本身的电子移动率所决定的物理常数,称为霍尔系数,fH为由形状、霍尔角决定的常数,称为形状系数。
将常数以K表示,则霍尔电压和控制电流lc与磁场B的积成正比。
K称为积感度,表示控制电流1mA,磁通密度1kg时,所产生的霍尔电压,单位为mV/mA.kg。
图4-1霍尔组件的原理
2.1霍尔电流感测组件
如图4-2所示,导体A通过电流lf,由安培法得知A的周围产生磁场。
这磁场的磁通密度和电流值成正比,所以可用霍尔组件检出磁通密度来测定导体电流。
用此方法可与主电路A绝缘,检出其电流,在高压电流的测定极为有用的情况下,想测定的电流的最小值时,在磁路绕上增加线圈(安培;圈数),使磁通密度变大,提高检出精度。
测定电流值大时,可在磁路中增大间隙磁饱和点。
通常lc最大时,1A约可得0.6mV的霍尔电压,若加上磁路开关机构,可应用为大电流的挂钩式电流计,最适于测定100A左右的直流电流。
此时每1A的霍尔电压约0.4~0.5mV,
图4-2电流检出方法
2.2使用霍尔组件应注意的事项
1.霍尔电流感测组件的符号
1.2项为控制电流输入端3.4项为输出端
图4-3
2.贯穿孔型的霍尔电流感测组件
下图所示为贯穿孔型的霍尔电流感测组件,含有磁线圈和霍尔组件,此组件允许间接电流由电流线贯穿孔隙。
图4-4
3.连接型的霍尔电流感测组件
连接型的霍尔电流感测组件与贯穿孔型的外型相似。
只有在磁线圈再绕接线。
当电流传感器检测有电流时,磁场产生且上升,因此输出电压也随着上升。
连接电流线到5,6端,输出电压的大小随着经过线圈的电流大小成正比。
图4-5
4.标称输入电流(满刻度)(NOMINALINPUTCURRENT)
任一一个霍尔电流感测组件的标称输入电流是很特殊的,需要考虑内建霍尔效应组件的物理特性,及磁线圈的体积及间隙。
5.线性范围
虽然霍尔检测电流超过标称输入电流短暂的时间时,霍尔电流检测器仍然提供满刻度线性输出。
通常霍尔电流检测的线性范围大约超过标称输入电流的50%。
当霍尔电流检测增加超过线性范围时,输出开始衰减直到磁饱和。
图4-6
6.输出:
Vh或VH
在控制电流lc下,当电流流经电流线时,霍尔电流检测器检测在3,4端的差动电压输出。
Vh代表霍尔电流检测器输出电压包含零电流偏离和放大器;VH代表霍尔电流检测器输出电压,排除霍尔电流偏离和没有放大器的情况下。
7.零电流偏离Vo
零电流偏离代表瞬间输出,当控制电流保持一定值时,磁场减少到所需要的输出端之间的值时,在一般环境下,零电流偏离与控制电流Ic成正比,但不受输出线性影响。
8.直线性:
ρ
霍尔电流检测器输出线性可变,当电流检测超过输入电流范围(满刻度)时,从理想线在电压和电流检测之间的输出少许偏离。
图4-7
9.控制电流,Ic
控制电流代表霍尔电流组件1,2端嵌入到霍尔电流检测器中,在工作时,控制电流该保持恒定值。
10.生产灵敏度:
K
生产灵敏度代表霍尔效应组件常数灵敏度和代表霍尔电流检测器灵敏度。
以mV/mA.kg表示。
代表当输入控制电流Ic=1mA,输出5mV,B=1kg时,生产灵敏度为5mV/mA.kg。
11.霍尔组件输入阻抗:
Ri
输入阻抗代表1,2端的DC阻抗,当1mADC在1,2端时,产生电压下降V1时,输入阻抗Ri=V1x103Ω。
12.霍尔组件输出阻抗:
Ro
输出阻抗Ro代表3,4端的DC阻抗。
当1mADC在3,4端产生电压降Vo时,则输出阻抗为Ro=Vox103Ω。
13.热特性
(1)霍尔组件的输入温度系数和输入阻抗,当温度改变到操作温度范围时,输入温度系数和输出阻抗的比值为
(2)输出电压的温度系数在可预定lf和控制电流Ic工作的操作温度范围时,输出电压的温度系数值为
14.磁滞误差
霍尔电流检测器磁线圈磁滞特性时,当检测AC电流,输出零交越时的误差。
第三节实验电路原理说明
3.1CS005LX额定特性
参数符号特性
标称输入电流(F.S)
线性范围
输出电压
零电流偏离
电源
电源变动率
反应时间
输出热特性
绝缘电阻
操作温度
储存温度
Vh
Vo
ρ
Vcc
Trr
Ta
Ts
±5ADC
0~±10ADC
4VDC±1%
<±5%
DC±12V~±15V
<±0.08%/°C
atRL=10KΩ
500MΩat500VDC
-25°C~+85°C
-40°C~+100°C
图4-8
由特性表得知,输入电流(lf)为0~5A,输出电压(Vh)为0~4V,为了使输出电压的值与输入电流成比例,因此
Vo1=-(R2+VR2)/R1.Vi
=-0.75.(4V)
=-3V
Vout=-R3/VR1.Vo1
=-(10K/10K).(-3V)
=3V
因此当输入电流由0~5A,输出电压为0~4V变化时,VR1,VR3为DCoffset的调整,当输入电流为零时,调整此钮,使其输出电压为零。
第四节实验仪器设备
4.1KH-71001主机
4.2DC电源供给器,电压可调(0~30V),电流可调(0〜3A)
4.3KH-73004模板
第五节实验步骤与记录
1.使用5*2盒式排线连接KH-71001主机&KH-73004模组的供电部分。
模板电源由主实验器提供。
2.因电流检测器的特性,当If=0时,其电流偏离(offset)Vo<±30mV.
3.将Vin+及Vin-连接线短路,调整VR1使Vo1<±40mV,调整VR3使Vout<±50mV.
4.连接DC电源的正输出级至KH-73004模组的Vin+端子,负输出级至KH-73004模组的Vin-端子。
5.将电源供给器的电源ON,改变电源供给器的电流为1A时,调整VR3使Vout的电压为1V。
6.以上的调整为校正电压输出,使其为校正的电流检测器。
7.将连接在电源供给器两端的点改接到任一电流的回路,即可知其电路电流为多少,但需注意的是流经的电流值不可超过5A。
第二章气压传感器实验
一.实验目的
本实验在于了解气体传感器的特性及利用气体传感器来检知出所要测气压的压力,且与设定值比较来控制警报器的动作。
二.实验电路原理说明
压电电阻效应压力感测能提供一个随着外在压力的大小产生电压的输出。
此装置乃是利用离子,注入电阻方式到积体的硅振动板上,把压力转成电压的输出。
图2-15为本实验所用感测等效电路及外观。
图2-15等效电路及外观
为了更进一步的了解压力传感器,我们有必要详细的解释一些专用名词:
绝对压力(absolutepressure):
在真空中所量测的压力(磅/每平方英吋绝(psia)通常我们所看到的气压计就是)。
差压(Differentialpressure):
两个压力源所量得的差值称为差压。
磅/每平方英吋差(psid)。
当压力源是完全真空,差压称之为绝对压力。
Kpa:
1.0Kpa(Kilopascal)等于0.145psi(poundpersquareinch)。
真空(Vacuum):
完全真空是气态的气体。
3.1SPX电气特性及装置考虑
传感器组件(SPX50D)设计成容易固定在底壳及房子上,也可焊在O-环(O-Ring)衬垫,或RTV。
在绝对压力和计量压力的应用上,压力源需加在本装置的上端。
图2-16(b)在差压应用传感器P1端常加高压端口(highpressureport),P2端接低压端口(lowpressureport)。
在很多的应用中,这颗SPX组件有很快的反应速度,典型的P1值为0.06cm3,P2值为0.001cm3。
图2-16SPX切面(a)及结构(b)
本包装方式有两个可用的压力连接管。
绝对压力的装置P1端口动作,应用压力经由另一端口,将导致压力死端(dead-ending)进入硅传感器后端,如果发生此情形,本装置将没有输出信号。
在量计压力设置,压力通常加入P1端口。
差压的应用P1端口(P1port)接高压端口(Highpressureport),P2端口(P2port)接低压端口(Lowpressureport)。
SPX系列可提供一个随压力而改变的电压输出。
当压力源P1加入时,输出电压随着外来的压力而产生成正比的变化。
但当压力在量计模式(GageMode)时,增加压力,输出反而减少。
1.SPX压力传感器乃利用惠斯登电桥的原理
图2-17SPX的压力感测器
当有压力输入时,电桥各路有变化量△。
这结果导致差动输出:
Vo=Vbx△
因为电阻的改变比例在于压力,所以,输出可改写成:
Vo=SxPxVbVos……………………………………(2-5)
这里Vo:
输出电压,单位mV
S:
灵敏度,单位m/Vperpsi
P:
压力,单位psi
Vb:
电桥电压,单位伏特
Vos:
是漂移误差(当压力等于零时的差动输出电压)。
2.接着介绍温度效应的影响:
从(2-5)式中,忽略Vos项,当压力源是恒压时,输出电压为温度的变化,为Vo=S•P•Vb……………………………………………(2-6)
为了输出电压不随着温度而变化,Vb跨接于电桥必须与温度的变化呈相反方向。
从典型的温度曲线span=S•P•Vb,能够看出温度变化灵敏度是很小,其方程式可修正为:
S=So•〔(1-βTd)+ρTd2〕………………………(2-7)
这里Td:
温度差,25℃及有相关的温度
So:
25℃的灵敏度
β,ρ:
固定常数
温度在0-70℃之间,灵敏度呈线性的变化。
本传感器应用温度范围也在此之间,所以我们忽略平方项,
S=So•(1-βTd)…………………………………………(2-8)
(2-8)式代入(2-5)式,忽略Vos项
Vbo:
在25℃时电桥电压式中为非线性的,然而β值很小(0.235%/℃),所以上式可为
Vb=Vbo•(1+βTd)
大约小于1%的误差,因此为了补偿负温度灵敏度2350ppm/℃,电桥电压增加+2350ppm/℃的比例。
(Vb/Vb)=+2350ppm/℃
电桥电阻也随着温度而改变,其改变为
(Rb/Rb)=+1350ppm/℃
3.2实际的电桥补偿电路
1.二极管补偿电路
电源电压Vs使用5V或6V时,利用最低成本的电路来解决温度漂移问题。
二极管就是最好的方法,二极管可用小信号的硅质组件,诸如像1N914,1N4148等。
0.7V的顺向电压(φ),6mA电流。
图2-18为二极管补偿电路。
图2-18二极管补偿电路
(a)Vb=α•〔Vs-3φ〕
(b)
(c)α=Rb/(R1+Rb)
(d)硅质二极管
例题:
Vs=5.0V
φ=0.7V
Rb=500Ω
己知R1=332Ω,代入(c)式求出α值,再代入(a)式求出Vb=1.74V,25℃。
Vs若为6V时R1不接,改用四个二极管,Vb=3.2V,温度系数大约2200ppm/℃。
2.晶体管补偿电路
图2-19为利用晶体管来仿真二极管的补偿电路。
Vs=5V,R1=402Ω,R2=150Ω或Vs=6V,R1=429Ω,R2=133Ω,可在0-100℃之间有很好的温度补偿作用,本实验项目乃利用此补偿电路。
图2-19电晶体补偿电路
3.恒流源补偿电路
所谓的补偿电路是决定多少电压降在电桥上。
图2-20所示,电桥电压可独立选择。
LM334是恒流源IC,有良好的温度系数为3300ppm/℃。
因电桥电阻的温度系数(TC)太高,导致补偿温度系数太灵敏,因此加了R2的电阻以减少总电路的温度系数。
图2-20恒流源补偿电路
(a)Vb=α(Vs+IxR2)
(b)
(c)α=Rb/(R2+Rb)
(d)
(e)Io=67.7mV/R1
3.3设计程序
1.已知Vs值,求解电压降Vb,解(b)式α值
2.解(c)式R2,令Rb=500Ω
3.解(a)式Io
4.从(e)式中求出R1值,不同的Vs值,R1,R2适当值请参考如下:
表2-1
3.4放大器电路设计
由于价格便宜和线路简单的原因,所以选择运算放大器作为本实验的放大器。
如果温度范围限制于25℃15℃,这颗LM324IC就可提供很好的服务,比较精确的IC,如LT1014,LT1002的温度范围能在0-100℃之间变化。
本实验用的IC为OP07,图2-21为放大器电路。
图2-21放大器电路
第四节实验仪器设备
4.1数位式电表
4.2KH-700主实验器
4.3KH-73002实验模板
第五节实验步骤与记录
取KH-73002模板,放在感测实验器上,接上电源。
如图2-22所示。
图2-22KH-73002压力感测实验电路
一、实验步骤
将KH-73002实验模板放在实验台上,取出KH78001负载单元备用。
使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模组供电接口。
使用标准USB-Bjack连接线连接KH78001负载单元中气压传感器输出接口与KH73002对应传感器接口。
使用KH71003中工控表1连接模组输出(工控表1中COM-接模组输出GND;V/A+接入被测信号)
作零压力输入校正。
将实验主机的电源PowerON,使负载单元上的气压传感器处于空置状态,利用工控表1量测J3测试点,调整VR1,使J3测试点的电压值为0V。
利用工控表1量测KH-73002模板上的J6测试点,调整VR3,使J6的电压值为0V。
连接负载单元气压传感器与气压针筒,并将KH-73002模板上的VR2左转到底。
利用电压表量测KH-73002模板上的J6,并纪录J6的电压值为0V。
将KH-78001模板上的气压针筒给予推力,依实验需求推动至针筒上标示刻度。
将压力针筒调至2.5ml标示处,利用电压表量测KH-73002模板上的J6,并纪录J6的电压值,依次调整针筒容量至表中容量,并记录电压。
针筒标示
2.5ml
5.0ml
7.5ml
10.0ml
Vout电压(V)
-1.09
-0.45
-0.19
0.01
将压力针筒调至10.0ml标示处,利用电压表量测KH-73002模板上
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