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1、傳感器原理及應(yīng)用（一）【實驗一】熱電傳感器熱電偶一、 實驗?zāi)康挠^察了解熱電偶的結(jié)構(gòu)，熟悉熱電偶的工作特性，學(xué)會查閱熱電偶分度表。二、 實驗原理熱電偶是熱電式傳感器種的一種，它可將溫度變化轉(zhuǎn)化成電勢的變化，其工作原理是建立在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)上的。即將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路，如果兩個結(jié)電的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定的電流（電勢），其大小與材料的性質(zhì)和結(jié)點的溫度有關(guān)。因此只要保持冷端溫度T0不變，當(dāng)加熱結(jié)點時，熱電偶的輸出電勢E會隨溫度T變化，通過測量此電勢即可知道兩端溫差，從而實現(xiàn)溫度的測量。電勢E和溫度T之間的關(guān)系是利用分度表的形式來表達(dá)的，在制分度表時，通常采用熱電偶的冷端溫度T0

2、=0條件下測得的，所以在使用熱電偶時，只有滿足T0=0的條件，才能直接使用分度表。在實際工況環(huán)境中，由于冷端溫度不是0而是某一溫度Tn，因此在使用分度表前要對所測電動勢進(jìn)行修正。 E(T，T0) = E(T，Tn) + E(Tn，T0)即： 實際電動勢 = 儀表指示值 + 溫度修正值式中E為熱電偶的電動勢，T為熱電偶的熱端溫度，T0為熱電偶參考端溫度為0，Tn為熱電偶參考端所處的溫度。三、 實驗結(jié)果Tn=21.0 查表得到修正值：E(Tn，T0)=0.832mV加熱前，電壓表讀數(shù)：0.026V加熱后，電壓表讀數(shù)：-0.157V于是得到：E(T，Tn)=(157+26)/200mV=0.915m

3、V從而得到實際電動勢：E(T，T0)=1.788mV查表可得：T=44.0【實驗二】熱敏電阻測溫度一、 實驗?zāi)康挠^察了解熱敏電阻的結(jié)構(gòu)，熟悉熱敏電阻的工作特性，學(xué)會使用熱敏電阻測溫。二、 實驗原理本實驗中所用熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)。其定義為熱敏電阻在其自身溫度變化1時，電阻值的相對變化量，可用下式表示為：式中B為熱敏電阻常數(shù)。本實驗所用的熱敏電阻B=3200。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻其特性可以表示為：式中RT、RT0分別為溫度T和T0時的電阻值。因此當(dāng)溫度變化時熱敏電阻阻值的變化將導(dǎo)致運放組成的壓/阻變換電路的輸出電壓的變化，其關(guān)系可表示為：式中UT、UT0分別為溫度T和T0時的壓/阻變換電路的輸出

4、電壓值。則根據(jù)上面兩式：三、 實驗結(jié)果 【實驗三】PN結(jié)溫度傳感器一、 實驗?zāi)康氖煜N結(jié)溫度傳感器的工作特性，學(xué)會使用PN結(jié)溫度傳感器測溫。二、 實驗原理根據(jù)半導(dǎo)體器件原理流經(jīng)晶體二極管的正向電流ID與這個PN結(jié)的正向壓降VD有如下關(guān)系：式中，Is為反向飽和電流，VD為PN結(jié)的正向壓降，q為電子電荷量，K為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。則：因此，當(dāng)保持ID不變時，PN結(jié)的正向壓降與溫度T成正比。本實驗所使用的是AD590電流型PN結(jié)集成溫度傳感器，其輸出電流正比于絕對溫度。0溫度時輸出電流為273.2A，溫度每變化1，輸出電流變化1A。AD590的輸出電流通過1K電阻變?yōu)殡妷盒盘?，其單位?m

5、V/，因此0時1K電阻上已有273.2mV的電壓輸出。三、 實驗結(jié)果T0=296K T=319K=46【實驗四】箔式應(yīng)變片性能及三種橋路測試的比較一、 實驗?zāi)康? 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方法。2 測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。3 比較各橋路間的輸出關(guān)系。4 了解溫度變化對應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響，學(xué)會在測試電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。二、 實驗原理1 箔式應(yīng)變片的工作原理箔式應(yīng)變片的工作原理是建立在電阻應(yīng)變效應(yīng)的基礎(chǔ)上，所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。如圖所示，設(shè)有一根長為l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻為： 當(dāng)在軸向受到拉力的作用時，長度增加了，截面積減

6、少了，那么電阻將增加，則電阻相對變化可按下式求得： 。對于箔式應(yīng)變片，電阻變化主要由應(yīng)變產(chǎn)生。則： 式中：是材料的軸向線應(yīng)變，用應(yīng)變表示為：。是材料截面積的變化，用材料的泊松比=-及表示為：由此可以看出，金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變正比，比例系數(shù)稱為靈敏度，這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。2 電阻應(yīng)變片的測量電路UUR1R2R3R4 電橋電路簡圖 從箔式應(yīng)變片的工作原理可知，應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過測量應(yīng)變電阻相對變化來得到的。我們通常使用電橋電路作為應(yīng)變片的測量電路，它可以把電阻的相對變化轉(zhuǎn)化成電壓的相對變化。如圖所示，設(shè)電橋的輸入電壓為U,輸出的電壓為U ，則：設(shè)各橋臂的初始電阻為，因此電橋

7、初始處于平衡狀態(tài)，當(dāng)四個橋臂電阻分別變?yōu)?、時，則上式可得：一般情況下，很小，既Ri，則上式可變化為：這樣電阻變化率（或應(yīng)變）與輸出電壓之間就近似為線性關(guān)系，這就是利用橋式電路測量電阻應(yīng)變的工作原理。FR1溫度補(bǔ)償方法FR23 箔式應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及應(yīng)變電路的溫度補(bǔ)償溫度變化引起應(yīng)變片阻值發(fā)生變化的原因是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)及電阻絲與測試梁的膨脹系數(shù)不同，由此引起測試系統(tǒng)輸出電壓變化。由于溫度變化引入了測量誤差，因此實用測試電路中必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。用補(bǔ)償片法是應(yīng)變電橋溫度補(bǔ)償方法中的一種，即將補(bǔ)償片與工作片成90貼在測試梁上，如圖（2）所示， R1為工作片，R2為補(bǔ)償片，R1=R2。橋路如原來

8、是平衡的，當(dāng)溫度變化引起兩應(yīng)變片的電阻變化R1與R2符號相同，數(shù)量相等，根據(jù)（2-1）式U0，無電壓輸出，電橋仍滿足平衡條件，達(dá)到了溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。測試梁受力時，R2不產(chǎn)生形變，僅有R1作為工作片。三、 實驗步驟和結(jié)果測試電路：_+4V-4VWDR3R4R1R2V1 單橋（注：本實驗電壓正負(fù)反接）橋路狀態(tài)位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV6192533424958667784下行電壓mV-9-13-24-33-40-47-59-66-72-83采用直線擬合的方法，求出其斜率即為靈敏度S。S-=mV/mm S+=mV/mmS=mV/mm橋路狀態(tài)位移m

9、m0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV5152126344351556272下行電壓mV-8-10-19-26-33-42-50-60-67-74S-=mV/mm S+=mV/mmS=mV/mm結(jié)論：單箔片無論方向如何，無論接在哪個位置，其效果是近似的。2 雙橋橋路狀態(tài)位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV-12-32-48-65-79-98-109-124-142-157下行電壓mV163051638094119130148162S-=mV/mm S+=mV/mmS=mV/mm（圖見下頁）橋路狀態(tài)位移mm0.51.

10、01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV-2-3-2-4-5-8-5-8-8-6下行電壓mV3235655666基本無變化橋路狀態(tài)位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV-3-5-8-9-11-9-12-15-15-22下行電壓mV0224455554基本無變化橋路狀態(tài)位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV-12-29-43-60-73-93-104-119-136-154下行電壓mV193046597889112124136152S-=26.2mV/mm S+=26.1mV/mmS=26.

11、2mV/mm結(jié)論：根據(jù)U的公式，我們不仿說R1和R4是正位，R2和R3是負(fù)位。如果同向箔片接在相同的位上（都是正位，或都是反位），其效果是增強(qiáng)的，也即更靈敏；接在不同的位上（一正一反），則相互削弱，根本無法使用。如果反向的箔片接在相同的位上，則相互削弱；接不同的位則互相增強(qiáng)。增強(qiáng)的效果約為單箔片的2倍。3 全橋橋路狀態(tài)位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV-32-63-95-122-153-188-219-253-289-315下行電壓mV295886127155185219247277312S-=60.6mV/mm S+=59.9mV/mmS=60.

12、2mV/mm橋路狀態(tài)位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓mV00-1-3-3-3-3-3-3-3下行電壓mV0000344556基本無變化結(jié)論：如果使得同向箔片都接在相同的位上，而反向箔片都接在不同的位上，則效果互相增強(qiáng)，最為靈敏，大約為單橋的4倍，半橋的2倍。反之，則互相削弱，無法使用。事實上，也只有這兩種真正不同的接法。綜合三種橋路的結(jié)果，當(dāng)橋路不因相互削弱而不可用的時候，全橋最為靈敏，半橋次之，單橋最不靈敏。（圖見下頁）4 溫度漂移（溫度用PN結(jié)溫度傳感器測得）沒接補(bǔ)償片的情況是：?T0=296K T=319K V=mV 于是得到V/T=mV/K加

13、了補(bǔ)償片的情況是：T0=296K T=319K V=mV 于是得到V/T=mV/K【實驗五】半導(dǎo)體應(yīng)變計一、 實驗?zāi)康牧私獍雽?dǎo)體應(yīng)變計的靈敏度和溫度效應(yīng)二、 實驗原理半導(dǎo)體應(yīng)變計主要是根據(jù)硅半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成，當(dāng)半導(dǎo)體晶體受到作用力時，晶體除產(chǎn)生應(yīng)變外，電阻率也會發(fā)生變化，這就是半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。由于半導(dǎo)體/遠(yuǎn)大于形變，與金屬應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變計靈敏系數(shù)很高，但是在穩(wěn)定性及重復(fù)性方面都不如金屬箔式片。三、 實驗結(jié)果1 單橋?qū)嶒炿娐罚喊雽?dǎo)體應(yīng)變計測試線路-+2V-2VR1R2WDV位移mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0上行電壓V-0.16-0.38-0.62-0.86-1.05-1.30-1.54-1.82-2.09-2.32下行電壓V0.180.28