传感器与检测技术综合性设计性指导书Word文件下载.docx

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1.通过自学了解集成温度传感器的参数、原理和典型应用电路。

2.了解模拟量转化为数字信号的一般过程。

3.掌握传感器仪器的一般设计、调试方法。

2、预习与参考

1、集成温度传感器

本设计基于常用的集成温度传感器AD592作为温度采集传感器。

AD592是美国AD公司推出的一款高性能的集成温度传感器,比AD590的误差小而且成本低,能线性地将温度转换为电流信号输出。

电流输出型温度传感器的主要特点是输出阻抗高,输出电流不受传输线路电压降和电压噪声的影响,且对电源电压的脉动和漂移具有很强的抑制能力,因此,AD592是一款温度检测的理想器件。

实验内容中要求学生根据传感器工作原理，搭建传感器测温电路。

2．信号调整电路

设计合适的差动放大电路使电压输出在合适的测量范围，并且和摄氏温度成线性比例关系。

集成温度传感器AD592，每增加1K温度，它会增加1μA输出电流，通过分压电阻的精细调节，使温度每变化转化为电压变化。

因为AD592输出电流是以绝对温度零度（-273°

C）为基准需要调整其输出电压，经过升压显示我们常用的摄氏度。

由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此建议是用齐纳二极管进行稳压。

3．数字显示部分

要求对测温结果进行数字显示，精度为0.1°

C，范围为-10°

C至70°

C。

对显示部分的实现方案没有固定要求。

学生可以选用基于采集仪和DRVI快速可重组虚拟仪器软件平台在计算机上进行设计和模拟显示；

也可以选用集成A/D转换、LED驱动芯片，把输出结果显示到LED等电子设备上；

还可以利用万用表设备当做数字显示表头，还可以采用低成本的电表显示头等。

这部分充分鼓励学生利用网络等手段，合理规划预算，选购合适的器件。

4.成本核算

调研方案的采购价格及方式，核算工业生产成本。

使学生认识到如芯片普及度、封装、精度、耐腐性、工艺等特性均对生产成本产生影响。

工业产品的设计是产品性能和成本控制的综合体。

3、设计指标

设计一款数字温度仪，

测量范围为-10°

C，

测量精度≤±

4°

数字显示，显示位数三位半，显示精度±

0.1°

制作成本≤150元，规模工业生产成本≤20元。

4、实验要求（设计要求）

1.完成方案设计，绘制系统框图。

电器部分绘制电路原理图。

2.进行系统搭建和电路调试。

3.用自制数字温度仪进行测温实验。

验证评估温度仪的性能参数，

4.通过网上调研和询价，核算制作成本和工业生产成本。

5、实验（设计）仪器设备和材料清单

开放式传感器综合与创新实验平台一套；

集成温度传感器AD592；

运算放大器芯片若干；

齐纳二极管若干；

跳线若干；

万用表一个；

温度计一个，A/D转换集成LED驱动芯片一片（可选）;

三位半LED数码管一个（可选）；

采集仪一个（可选）；

DRVI快速可重组虚拟仪器软件平台一套（可选）；

计算机一台（可选）等。

6、调试及结果测试

1.自学集成温度传感器AD592资料（datasheet）；

2.进行方案设计和成本核算；

3.设计电器部分的电路原理图，根据原理图搭建电路；

4.核对无误，接通电源，调节电阻，使AD592每增大1K温度的输出电流转化为整数电压；

调节差动放大电路的基准电压，把输出转化为摄氏度；

调节增益，使输出电压适当放大；

5.搭建数字显示表头，把输出电压接入并显示；

6.用自制温度仪进行测温验证，评估测温精度等。

7、考核形式

实验成绩总分以100分计，其中实验设计（方案制订）占20%，实验准备占10％，实验操作占20%，实验结果（数据或图表、程序等）占30%，实验报告占10%、考勤及其它占10％。

8、实验报告要求

1.简述实验目的和原理；

2.总体方案设计，并从功能实现和控制成本方面做分析；

3.电器部分绘制电器原理图；

4.通过测温实验，评估自制温度仪的性能参数；

5.总结设计、调试及验证过程中的发现或体会。

9、思考题

还可以为你的温度仪增加哪些功能，使之更适用于什么类型的应用？

电子称实验

综合性■设计性□

一、实验目的

4.了解金属箔式应变片传感器的原理。

5.熟练掌握直流电桥的原理和特性。

6.掌握仪表放大电路和反相比例放大电路的原理和应用，并掌握其调试方法和技巧。

7.掌握基于虚拟仪器的信号采集、处理流程。

二、实验内容

1、金属箔片式应变片

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

=

（1）

（1）式中

为电阻丝电阻相对变化，

为应变灵敏系数，

=

为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。

图1应变片安装示意图

2．电桥

电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

直流电桥电路如图2，电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。

通过比较单臂电桥、半桥和全桥电路的性能，选取合适的电桥电路。

图2直流电桥电路

3．运算放大电路

1）仪表放大电路

仪表放大器电路的典型结构如图3所示。

它主要由两级差分放大器电路构成。

其中，运放U6，U9为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；

差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。

仪表放大电路在使用时首先要进行调零。

图3仪表放大电路原理图

2）反相放大电路

将仪表放大电路的输出端接到反相比例放大电路（如图4所示）的输入端进行二次放大。

对放大电路进行多次调零和调节增益，使输出电压随砝码重量的增加变化明显。

图4反相比例放大电路原理图

4．虚拟仪器

输出电压通过采集仪接入电脑。

利用DRVI软件对输出电压进行处理和显示，组成电子称，进行称重实验。

三、实验仪器、设备及器材

1.开放式传感器综合与创新实验平台一套；

2.桥臂一台；

3.砝码一盒；

4.跳线若干；

5.万用表一个；

6.采集仪一个；

7.DRVI快速可重组虚拟仪器软件平台一套；

8.计算机一台。

四、实验要求

1.复习单臂、半桥和全桥电路的性能特性，根据需要，选择相应电桥电路。

2.绘制电子称的电器原理图，根据原理图进行接线。

3.逐级对放大电路进行调零和调整增益。

改变托盘上砝码重量，进行反复调试，使增益在合适的变化范围。

4.完成检测参数的设定，完成基于虚拟仪器的信号采集、数据处理。

5.用搭建好的电子称进行称重实验，观察检测结果的稳定性，分析误差原因。

五、实验步骤及结果测试

1.传感器安装如图1。

根据单臂、半桥、全桥性能选取合适的电桥电路，将应变式传感器的应变片接线接入电路板上的电桥中。

检查接线无误后，接通电源。

调节电位器R28（100R电位器），使IN0与IN1之间输出的电压为零。

2.将仪表放大电路的输出端接到反相比例放大电路的输入端，用万用表测反相比例放大电路的输出端电压。

根据原理图（图4），调节R42（10K电位器）对放大电路调零，放置100g砝码到桥臂托盘上。

调节电位器R29和电位器R40（反相比例放大电路的增益调节电位器），改变放大电路的增益（放大倍数），多次调零和调节增益使变化量为1000mV。

3.在托盘上放置200g砝码，读取反相比例放大电路输出端电压值，依次增加砝码并读取相应的电压值。

记下实验结果填入表格1中，关闭电源。

验证电压能否反映重量的变化，那么一个简易的电子称就成功了！

重量（g）

50

100

150

200

300

400

500

电压（mv）

表格1

4.重复步骤3，调节电位器R40，改变100g砝码对应的电压变化量的值，比如200mV/100g，500mV/100g，2V/100g。

充分理解各个电位器在电路中作用。

5.将反相比例放大电路输出端接到信号输出其中的一个端口上，然后用BNC接头接到采集仪上，打开电脑里面的DIVR软件中的脚本，进行称重实验。

本步骤必须配合采集仪和DRVI软件使用。

（提示：

软件使用方法参考“传感器实验箱DRVI实验使用说明.doc”，里面这个实验的操作过程）

6.关闭电源，整理实验仪器，填写实验报告。

六、考核形式

实验成绩总分以100分计，其中实验准备占10％，实验操作占40％，实验结果（数据或图表等）占30%，实验报告占10%、考勤及其它占10％。

七、实验报告要求

1.简述实验目的和原理。

2.根据要求，提交系统设计框图和电器原理图。

3.记录砝码重量与对应电压的值。

进行称重实验，记录数据并处理，分析误差原因。

4.撰写设计及实验的心得体会。

八、思考题

1.你选择的是哪种电桥电路，为什么？

把应变片接入电桥电路时要注意什么？

2.生活中的电子称一般会把称重结果显示到LED或LCD上，请设计系统并绘制框图，代替虚拟仪器部分。