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传感器系列实验的设计

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第37卷 第1期 2017年1月 物 理 实 验 PHYSICS EXPERIMENTATIoN Vo1.37 No.1 Jan.,2017 传感器系列实验的设计 代如成,张宪峰,邱正明,王中平,张增明,孙腊珍 (中国科学技术大学物理学院,安徽合肥230026) 摘 要:从实验内容和实验仪器两方面对SET一998型综合传感器实验仪进行改革.设计了应变片电子秤、热敏温度 计、气敏传感器、热释电传感器和气压传感器实验.在实验内容方面,学生通过系列实验除了能掌握传感器的基本原理、 验证物理效应外,还能了解传感器功能的应用演示实验;在实验仪器方面,将集成化的仪器设备转化为开放式的实验平 台,便于学生直接观察实验现象和掌握实验原理.将传感器理论教学和实践应用相结合,更让学生直观深刻地了解传感 器的原理、功能与特性,也加强了学生创新和实践能力的培养.通过对传感器实验的有益改革,使其更有效地为实验教 学服务. 关键词:传感器;电阻应变片;热敏温度计;气敏传感器;热释电传感器;气压传感器 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1005—4642(2017)01-0023—06 传感器技术是当今世界迅猛发展起来的高新 技术,也是现代科学技术发展的重要标志,它与通 原理及特性的理解,培养高素质技能型人才. 信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱,目 前,广泛应用于国防科技、工农业生产及日常生活 1 应变片电子秤 应变片是最常用的测力传感元件,应变片牢 固地粘贴在测试体表面,当测件受力发生形变,应 变片的敏感栅随之变形,其电阻也随之发生相应 的变化(如图1所示),通过测量电路,转换成电信 号输出显示_3 ]. 领域口 ].传感器实验是高等学校理工科专业必 开的物理实验课,我校使用的传感器实验装置是 SET一998型传感器系统实验仪,它所提供的实验 项目大多为验证性实验.从实验内容看,虽然实 验注重对传感器的转换原理、工作原理以及传感 电桥电路是常用的测量电路,根据电桥供电 电压源的不同,可分为直流电桥和交流电桥2种. 器特性等方面的研究,却未涉及到传感器在工程 技术方面的应用,不满足设计性、综合性的要求. 从实验仪器看,常用的传感器实验台虽然数据精 本实验采用直流电桥,优点是易于获得高稳定性 的直流电源,且易调节电桥平衡.图2是直流电 桥电路的示意图.图2(a)是单臂电桥,R 为电阻 应变片,其他3个桥臂接固定电阻R ,R。和R . 确,方便操作,但集成式的构件不方便学生观察, 不利于学生对实验原理的理解.鉴于上述缺点, 针对传感器实验教学内容和实验仪器2个方面进 行了改革:在实验内容方面,除了传感器的工作原 理验证外,又增加了传感器的应用设计;在实验仪 器方面,摒弃传统的集成式传感器实验仪,开发出 分立式的传感器实验设备,整套仪器是开放的实 当R 未受力,电桥达到初始平衡时,有鲁: R3, 输出电压U。一0.为了使问题简化,若使可变电 阻R 的初始值与3个固定电阻相等,皆为R,当 应变片承受应变产生电阻AR的变化时,电桥处 验平台,仪器的构造及实验原理清晰,学生可以自 己设计和组装实验设备,验证实验原理和探索传 感器应用.本实验的改进旨在提高学生对传感器 于不平衡状态,此时输出电压近似为U。=== ÷ U.上述的计算进行了近似处理,实际的输 “第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文 收稿日期:2016-06—25 基金项目:国家自然科学基金青年项目资助(No.11304300);校级教学研究项目资助(No. WW5160000161);省级重点教学研究项目资助(No.2015jyxm003);省级一般教学研究项 目资助(No.2014jyxmO09) 作者简介:代如成(1983一),男,安徽六安人,中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心讲师,博 士,从事凝聚态物理、高压物理方面科研和物理实验教学工作. 物理敏感栅 (a)应变片结构示意图 (b)双弯曲悬梁应变测力结构 图1应变片 (a)单臂电桥 (b)半桥差动电路 (c)全桥差动电路 图2 3种直流电桥电路示意图 实验 第37卷 出电压并非理想化的线性关系,存在非线性误差. 为了消除非线性误差及提高灵敏度,行之有效的 方法是采用差动电桥,包括半桥差动电路和全桥 差动电路.图2(b)为半桥差动电路,若R。和R 仍接固定电阻,而R 和R。分别接应变片,而且2 个应变阻值变化方向相反,即一增一减,其输出电 1 A D 压U。一寺 【山』 ,.类似地,差动全桥[图2(c)]的输 ^D 出电压为U。一-…w U.可见单臂、半桥和全桥电路 』 的测量灵敏度之比为1:2:4. 分别标定出3种电桥的灵敏度(如图3所 示).在一定质量加载范围内,3种电桥满足良好 线性输出电压信号,而单臂、半桥和全桥桥路的灵 敏度S分别为0。001 96 mV/g,0。004 03 mV/g 和0.009 56 mV/g(S单:S半:S全≈l:2:4).标 定得应变片电子秤可以称量待测物质量. 图3 3种直流电桥的灵敏度 本实验旨在让学生了解电阻应变片的应变效 应,了解双弯曲横梁上的应变片受力情况,理解直 流电桥的工作原理和直流电桥的应用.比较单臂 电桥、半桥、全桥的不同特性,学习电路的标定方 法和分析非线性误差,测量待测物质量. 2热敏温度计 Cu50是铜热电阻,在一定温度范围内,其阻 值会随着温度的变化而线性改变(Cu50表示在 0 C时阻值为50 Q,类推Ptl00).铜热电阻的线 性较好、价格低、电阻率低,因而体积较大,热响应 较慢,常用于一50~150℃范围的温度测量_c],其 分度表见表1. 24 第1期 代如成.等:传感器系列文验的设} 表1 Cu50热电阻分度表 7、/C R n T C 尺n l0 41.101 6O 62.8 l2 20 l5.706 8O 6 .1 l 9 O 50.000 l00 71.,1()() 20 54.285 l20 75.687 40 54.565 温控仪是一体化智能温度控制仪 .它 采用了全数字化集成设计,具有温度曲线可编程 或定点恒温控制、PID调节、开关量输出、报警、实 时数据查询、与计算机通讯等功能 . {温度源 的温度发生变化时.温度源 flI的热电阻(、u50的 阻值发生变化 将电阻变化量作为温度的反馈信 号输给PID智能温度调节器,经调节器的电 一电 压转换后与温度设定值比较,再进行数字PII)运 算输出可控硅触发信口.(加热)和继电器触发信号 (冷却),使温度源的温度趋近温度设定值,温度控 制系统如图4所示. 图l 钾能温拧系统示意罔 记忆合金是一种原子规则排列的马氏体相变 合金,这种合金在外力作用下会产牛变形.当把外 力去掉,在一定的温度条件下.能恢复原来的形 状.由于它具有百万次以上的恢复功能.冈此叫 做“记忆合金”.记忆合金具有无磁性、耐磨耐蚀、 无毒性等优点,应用十分广泛. 利用自建智能温控系统研究了记忆合金弹簧 的温度形变效应.在22~45 C温度内.记忆合会 弹簧由伸展状态收缩至记忆状态的温度形变曲 线如图5所示.由图5可见,记忆合金的开始相 变为31 C,完全相变为36 C;弹簧的形变显著, 收缩近6 crn. 本实验旨在让学生了解温差电偶的特性、 PID智能温控仪的工作原理.标定测温系统. 解P.j.D.了 参量对控温的作川,利用该测温系 统研究 己忆合金的形变特性和柑变温区. 冬1 5 记忆合金弹簧的温度形变曲线 3气敏传感器 半导体 敏材料吸附气体能力很强.元件被 加热到稳定状态.当气体接触到|半导体表面而被 吸附,被吸附的分子在表面物性fj山扩散(物理吸 附),失去运动能量.一部分分子被蒸发掉,另一 部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学 吸附).如果元件的功函数小于吸附分子的电子 亲和力.则吸附分子将从元件夺取电子而变成负 离子吸附.具有负离子吸附倾向的气体有()!和 N() 称为氧化型气体或者电子接收型气体.如 果元件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分 子将向元件释放电子.而成为正离子吸附.具有 正离子吸附倾向的气体有H 、 ()、碳氢化合物和 酒类等.称为还原型气体或者电子供给型气体. 当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型 气体吸附到P型半导体上时,这将使载流子减 少.电阻增大.当还原型气体吸附到 型半导体 上。氧化型气体吸附到P型半导体上时,载流子 增多.电阻下降.这种半导体气敏传感器与气体 接触时.其阻值发生变化时问(称响应时间)少于 1 rain( 6).N型材料有Sn()2,ZnO.TiO!, W:()。等.P捌材料有Mo()?,(、r(): 等.空气中的 氧成分大体恒定,因而氧的吸附量也是恒定的。气 敏元件的阻值大致保持不变.如果被测气体流入 这种气氛巾.元件表面将产生吸附作用,元件的阻 值将随气体质星分数而变化.从质量分数与阻值 的变化关系即可得知气体质量分数 .实验中 MQ 3酒精传感器是典型的 半导体SnO!气 敏元件,其阻值R 与空气中被测气体的质量分 物 理 实 验 第37巷 数(、成对数关系: lg R(、一一,"lg C+11, 其中11 亏气体检测灵敏度有关,除了随材料和气 体种类不同而变化外.也随测量温度和添加剂的 不同而发生大变化;D1为气体的分离度.随气体质 量分数变化而变化,对于可燃性气体,1/3≤ ≤ 1/2. 响应时间约 1O0 50 5 加热 开关 6 N型半导体 什电 吸附气体的l天系 半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应时间 长、恢复时间短、使用寿命长、成本低等特点,广泛 应用于防灾报警、大气污染监测.医疗上用于() 及C() 气体测量;生活巾则可用于宅调机、烹调 装置、酒精质量分数探测等方面. 在环境温度为25 C,相对湿度为65 的条 件下,用传感器测量了不同质量分数酒精的输出 电 [如图7所示].由图7可见,随着酒精质量 分数增加。传感器的输出电压在小断增大;在较低 质蛀分数时,传感器输 电压迅速增大;在较高质 量分数时.传感器输出电眶缓慢增加. 传感器 接收到酒精,转换电路商接将气体质量分数信号 转换成电平信号输出,_fIf利用该电平信号触发智 能开关动作,进而可实时监测和控制报警器或指 示灯工作(见图8). % 闱7 气敏传感器输…电』 酒精质节分数的关系 图8气敏感应控制报警系统 本实验旨在让学生了解气敏传感器的工作原 理和特性,掌握气体质量分数与气敏传感器输… 电』K的关系。掌握传感器感应控制报警或灯控系 统的 作原理. 4热释电传感器 Ij热释电晶体受热时.在晶体两端将会产 数避相等『f『i符号相反的电荷,这种由于热变化产 生的电极化现象,被称为热释电效应.通常.品体 自发极化所产牛的束缚电荷被来自空气 fI附着 晶体表面的自由电子所中和,其自发极化电 能表现出来.当温度变化时,晶体结构【f】的正负 电倚重心相对移位.自发极化发生变化.品体表而 就会产生电荷耗尽,电荷耗尽的状况 比于极化 程度,图9足热释电效应形成的原理. 9 热释电效应形成原理 热释电红外传感器通过目标与背景的温差来 探测目标,其工作原理是热释电效应.在热释电 晶体的上、下表面设置电极,并且在j-表面覆以黑 色膜.若有红外线问歇地照射,其表面温度I 升 AT.其晶体内部的原子排列将产生变化.引起白 发极化电倚.在I 下电极之间产生电压△【,.热释 电效』、 所产生的电荷△Q会被空气中的离子所结 第1期 代如成,等:传感器系列实验的设计 27 合而消失,即当环境温度稳定不变时,AT一0,传 感器无输出.在自然界中,任何高于绝对温度 (一273。C)的物体都将产生红外光谱,不同温度 的物体,其释放的红外能量的波长不一样,因此红 外波长与温度的高低有关.人体体温一般在 37℃,会发出特定波长约10 Fm的红外线,当人 进入检测区,因为人体温度与环境温度有差别,人 体辐射约10 m的红外线通过菲涅耳透镜滤光 片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上,红 外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷 平衡,转换电路将热信号转换成电平信号输出. 如果人进入检测区后不动,则环境温度没有变化, 传感器不再输出电平信号_8 ].热释电传感器具 有反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、 使用方便等特点,广泛应用于安防、自动开关(人 体感应灯)、非接触测温等民用行业和工业领域. 基于热释电传感器设计了数显自动计数器, 图10是热释电计数器统计的客流人次与实际人 次比较.在客流量不是很大情况下,热释电计数 器统计的客流人次与实际人次一致,该计数器可 以用于监测一些场所的客流情况. 30 < \ 咖 16 饰 6 ●44 10 2O 3O 40 50 6O t/min 图1O 热释电计数器统计的客流人次与实际人次 本实验旨在让学生了解热释电传感器的工作 原理和特性,学习热释电计数器和红外感应自动 控制报警和灯控系统的工作原理. 5气压传感器 压力传感器是将电阻条集成在单晶硅膜片 上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装 于外壳内,引出电极引线[如图11(a)所示].它不 同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受 外力,而是直接通过硅膜片感受被测压力.硅膜 片的一面是与被测压力连通的高压腔,另一面是 与大气连通的低压腔.单晶硅材料在受到力的作 ∞ rL●rL.● r●r ●■. ∞ ●rL .. ●r●rL.■●rL● .rLrL● ●rL●L●}●rLrL●.● LrL ●LL加 :。 O ) 用后,电阻率发生变化,2条受拉应力的电阻条与 另2条受压应力的电阻条构成全桥,可得到正比 于力变化的电信号输出[如图11(b)所示]. 录际 记实 = 扭 O 叭 次次 ¨一 (a)结构示意图 (b)全桥转换测量电路 图11气压传感器 压阻器件一般采用恒流源供电,来减少温度 影响_1。。.假设2个支路的电阻相等,电桥的输出 电压与电阻变化成正比,与恒流源电流成正比: U。一IzXR, 但与温度无关,因此测量不受温度的影响.当传 感器受到压力作用,转换电路直接将力信号转换 成电平信号输出. 图1 2是气压传感器在加压和减压下的电桥 (b)降压 图12气压传感器的电桥灵敏度 28 物理实验 南大学出版社,2005:340. 第37卷 灵敏度图像.由图12可以看到,在一定压力范围 内,电桥满足良好线性输出电压信号;在加压和 减压情况下,电桥灵敏度分别为46.19 V/MPa, 46.16 V/MPa. [3]李巧真,李刚,韩钦泽.电阻应变片的实验与应用 [J].实验室研究与探索,2011,30(4):134—137. [4]王来志,王小平.基于电阻应变片式传感器的电子 秤设计[J].物联网技术,2014(2):58—6o. 本实验旨在让学生了解气压传感器的工作原 理和特性,学习压力传感器的定标方法,设计数显 人体血压计和脉搏计测量系统. [5] 张志坚,杨雷.基于Cu50的精确温度测量系统[J]. 计算机测量与控制,2014,22(5):1355—1357. [6] 顾慧萍,黄文骏.模糊PID控制在温控仪中的应用 [J].自动化技术与应用,2005,24(8):28—30. [7]李芳菊,石建华.电化学酒精传感器在警用酒精探 6 结束语 开发设计了传感器系列实验,满足传感器课 程实验教学的要求,仪器设备成本低,实验过程清 晰,实验现象明显,时间周期适当.经过2014年 测器中的应用设计[J].计算机与数字工程,2011, 39(7):171-174. [8]毕丽君,孙红雨,肖燕霞.基于热释电传感器的人体 和2015年实验课程证实,计传感器系列实验教学 效果较好. 移动检测系统的设计[J].仪器仪表与分析监测, 2007,30(2):26—27. 1-9]刘良福,罗艳梅,黄隆胜.基于热释电传感器的自动 开关设计[J].电子工程师,2005,31(11):75 77. 1-10]郭涛,熊继军,张文栋.压阻式压力传感器的温度 参考文献 [1] 宋文绪,杨帆.传感器与检测技术[M].北京:高等 教育出版社,2004:85. [2] 周继明,江世明.传感器技术与应用EM].长沙:中 特性研究[J].测试技术学报,2004,18(增):229— 23】. Design of instruments for sensor experiment DAI Ru—cheng,ZHANG Xian—feng,QIU Zheng—ruing, WANG Zhong—ping,ZHANG Zeng—ming,SUN La—zhen (School of Physical Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China) Abstract:Due to the shortcomings of the SET一998 integrated sensor—test apparatus,new sensor— test experiments were designed,which included electric balance,thermometer,gas sensors,infrared sensor and pressure sensor,etc.In terms of testing content,students could master the basic princi— pies and physical effects of sensors,and could also learn sensor applications.In terms of experimental equipment,an open—platform of sensor—test apparatus could make students observe phenomena and grasp principle easily.Combining basic principle and practical application of sensors,the proj ect could inspire students more intuitively to understand the principle,function and characteristics of sensors, also strengthen the cultivation of student’S creativity.The improvements in sensor experiment could provide more effective services to physics experiment teaching. Key words:sensor;strain gauges;thermometer;gas sensor;infrared sensor;pressure sensor [责任编辑:尹冬梅] 

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