1、传感器技术及应用课程实践教学大纲Sensor Techniques and Application课程编号：0806030050102课程类别：（独立开设实验课程）学时：12 学分：2.0适用对象：电卓班先修课程：高等数学 、 电路 、 大学物理一、课程的性质与任务传感器技术及应用课程适用于电子信息工程专业本科（四年学制）学生的专业平台选修课。本课程的教学任务是使学生初步掌握传感器的基础理论、共同规律、物理效应及构成方法；了解与各种传感器对应的测量转换电路；了解与计算机技术联系密切的新型传感器的有关知识，以适应学生向学科深度和广度发展的需要。二、教学的目的与要求该课程是一门实践性很强的课程，实
2、验课程是本课程的重要教学环节，其目的是通过实验加深理解和验证学过的基础知识和应用技术，巩固各种传感器的原理和测量电路，提高学生对传感器的应用能力，培养实际操作的动手能力。三、考核方式及办法：考查实验成绩由三部分组成：实验预习和表现（20 分） 、实验报告（20 分） 、实验考试（实际操作和理论问答）（60 分） 。1、实验预习和表现： 学生课前必须预习，教师应通过课堂提问等方式检查预习效果。在实验过程中，教师可依据学生使用仪器的能力、观察和分析实验现象的能力、主动排除故障的能力、实验结果和数据的正确性以及学生的课堂纪律、实验态度、保持实验室卫生等方面的表现进行综合考核，学生实验的原始数据须由教
3、师签字认可。( 根据预习和平时表现情况教师给出相应成绩，分为不同的档次 )2、实验报告：学生实验后应按时完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。(根据实验报告情况教师给出相应成绩，分为不同的档次 )3、实验考试：通过考试了解和掌握学生对基本理论和基本操作掌握的程度和实际操作水平，建立操作技术与口试、笔试相结合的考试方法，教师出实验考试题目，让学生独立连接电路，自拟实验步骤，在规定的时间内完成报告，且回答有关理论问题。如是设计性实验题目要独立写出报告。( 根据学生在规定的时间完成实验情况教师给出相应成绩，分为不同的档次)4、实验课最终
4、成绩分为五个档次即优秀、良好、中等、及格和不及格。四、实验项目名称与学时分配：传感器技术及应用实验安排一览表序号 实验项目名称学时分配必开或选开实验类型分组人数1金属箔式应变片单臂、双臂及全桥性能实验2 必开 验证 22 电容式传感器位移性能实验 2 必开 验证 23 热电阻测温性能实验 2 必开 验证 24 压电式传感器测振动实验 2 必开 验证 25霍尔转速传感器测电机转速实验2 必开 验证 26光电转速传感器的转速测量实验2 必开 验证 2五、实验项目的具体类容：实验一 金属箔式应变片单臂、双臂及全桥性能实验1 本次实验的目的和要求了解金属箔式应变片的应变效应，三种电桥工作原理和性能。比
5、较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并得出相应的结论。2 实践内容或原理基本原理：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：RRK式中 RR 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数,= l/l 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、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。例如：单臂电桥输出电压为 Uo1= EK/4。3 需用的仪器、试剂或材料等应变式传感器实验模板、应变式传感器电子秤、砝码、电压表、15V电源、4V电源、连
6、接线。4 实践步骤或环节操作步骤（1）单臂实验接线见图1-1。将应变式传感器的其中一个电阻应变片R 1 （即模板左上方的R 1）接入电桥作为一个桥臂，它与R 5、R 6、R 7接成直流电桥（R 5、R 6、R 7、已在模块板上标明） 。（2）接入电桥调零电位器Rw1、Rw2（主要调节Rw1） 。（3）接入电桥电源4V（从主控台引入） 。（4）检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节Rw1，使电压表分别在20V、2V档显示均为零。调零后，测量时设置在2V档不变。（5） 在电子称上加一砝码(20g)，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，
7、关闭电源。 双臂、全桥步骤类似。图1-1 图1-2图1-3表11 单臂电桥输出数据记录表 UO2EK 4重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200电压(mv)表12 双臂电桥输出数据记录表 UO2EK 2表13 全桥输出数据记录表 U 03KE 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200电压(mv)5 教学方式老师先演示讲解实验全过程，学生再动手进行实验，做好实验数据的记录、分析和处理，完成实验报告的撰写工作，并回答思考题。6 考核要求要求实验前预习，实验中认真记录实验数据，实验后认真完成实验报告。按照学生
8、实际操作能力及对实验结果分析能力考核。对缺实验成绩者，本课程不予通过。7 实践教学报告要求重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200电压(mv)按照南华大学实验报告纸标准格式书写。学生实验后应按时完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。实验二 电容式传感器位移性能实验1 本次实验的目的和要求 了解电容式传感器的基本工作原理。2 实践内容或原理利用平板电容CAd和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度
9、（变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ln(Rr)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生X位移时，电容量的变化量为 C=C1C2=Xln(Rr)，式中 、ln(Rr)为常数，说明 C与位移X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。图 2-1 传感器安装示意图3 需用的仪器、试剂或材料等电容传感器、电容传感器实验模板、螺旋测微器、显示单元、15V电源4 实践步骤或环节（1） 图2-1为安装示意图，将电容传感
10、器安装于电容传感器实验模板上；（2） 3号线为动极板的引线，1号线和2号线分别是二个静极板的引线；（3） 接线如图3-2所示。将电容传感器1号和2号线分别插入电容传感器实验模板C x1、C x2左插孔中，3号线插入C x1和C x2的公共插孔；图 2-2 容式传感器性能实验接线图（4）将实验模板的输出端V o1与主控制台上“显示选择”的“Vin”插孔相接， “显示选择”置“2V”档。实验模块“地”接主控台的“ 地”；（5）将电位器Rw旋钮逆时针旋转到底，再顺时针旋转3圈（以旋钮上的刻度线为准） ；（6）接入+15V、-15V电源及地。安装之前首先转动螺旋测微器使其初始值为0mm，再安装于固定插
11、孔中，使测微杆和电容传感器杆相吸；（7）抽动测微器使其左端面（大圆柱端面）伸出固定架端面大致6mm，拧紧测微器固定螺钉。逆时针旋动测微器，每间隔0.5mm（转一圈）为一个测量点，分别从“电压表”表头上读各点输出的电压值，测量范围0-22mm.记录位移 X与输出电压 V值，填入表3-1中,不计0mm，共44组测试点。表2-1 电容传感器位移与输出电压记录表X(mm) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 21.5 22.0V(mv)5 教学方式老师先讲解演示实验全过程，学生再动手进行实验，做好实验数据的记录、分析和处理，完成实验报告的撰写工作，并回答思考题。6 考核要求
12、要求实验前预习，实验中认真记录实验数据，实验后认真完成实验报告。按照学生实际操作能力及对实验结果分析能力考核。对缺实验成绩者，本课程不予通过。7. 实践教学报告要求按照南华大学实验报告纸标准格式书写。学生实验后应按时完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。实验三 热电阻测温性能实验1 本次实验的目的和要求 了解热电阻和热电偶测量温度的特性与应用。2 实践内容或原理热电阻测温原理：利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用的热电阻有铂电阻和铜电阻。铂
13、电阻在0630.74以内测温时，电阻 Rt 与温度 t 的关系为：Rt=Ro (1+At+Bt2)，其中，Ro 是温度为 0时的电阻。本实验 Ro100。A3.9684102，B5.8471072，铂电阻采用三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。热电偶测温原理：两种不同的导体或半导体组成闭合回路，当两接点分别置于两不同温度时，在回路中就会产生热电势，形成回路电流。这种现象就是热电效应。热电偶就是基于热电效应工作的。温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。3 需用的仪器、试剂或材料等（1） CSY-2000 控制台上的：mV 表、温度控
14、制仪、直流稳压源+2V，+5V；（2）实验桌上的：温度源、热电偶（K 型或 E 型） 、Pt100 热电阻、万用表、温度传感器实验模板、连接导线。4 实践步骤或环节(1)设置温度控制仪的各项参数并测量环境温度：用万用表欧姆档测出 Pt100 热电阻三根线，并将它的三个端点与主控台上的 Pt100 三个端点相连（一一对应） 。打开主控台上的电源开关、温度开关，温度控制仪开始工作。根据附录一的说明，按下表设定温度控制仪的某些参数值，其余参数按附录一设置。参数设置完成后，PV 显示的温度即为环境温度，记录到表 31。参数名称 SP AL-1 P I D AT Pb数值 0 90 50 120 10
15、OFF 0注意：测量环境温度时，热电阻不要插入温度源。（2）连接电路：关闭主控台上的温度开关、电源开关，开始连接电路。将温度源上的 Pt100 三个端点与主控台上的 Pt100 三个端点相连（一一对应） ，作为标准温度读数。将温度源上的风扇电源 24V 与主控台上风扇源的 24V 相连。将主控台稳压电源“5V”与 mV 表的“5V”相连， “”与“”相连（注意极性不要接错）。将热电偶（K 型或 E 型）两端导线连接到主控台上的 mV 表输入端。用万用表欧姆档测出 Pt100 三根线，其中短接的二根线都接到温度传感器实验模板的 b 端，另一根接到 a 端（参见下图，Rt 两端的 a、b） ，并在
16、端点 a与地之间加直流源 2V 这样 Rt 与 R3、R1、Rw1、R4 组成平衡电桥。图 31 铂电阻测温特性实验（3）调整零点：打开主控台上的电源开关，若mV 表不为零，则存在初始偏差，记录此时的数值到表 4-1。用万用表测量上图中的U，调 RW1 使电桥平衡即U0mV。注意：此时，热电偶和热电阻都不要插入温度源。（4）热电偶和热电阻的测温性能测定：把热电偶和热电阻同时插入到温度源测点上，打开主控台上的温度电源开关。手动操作温度控制仪，使温度源温度稳定到 40，记录 mV 表读数和万用表读出的U。温度每增加 5记录一次。（5）测量完成后，关上主控台上的温度开关、电源开关，拔下连接导线。如果
17、此时温度源温度大于 40，则将温度源上的风扇电源 24V 连接到主控台上的 24V 稳压电源上，让风扇运转。表31 数据记录表温度 40 45 50 55 60 65 70 75 80电压(mv或V)5 教学方式老师先讲解演示实验全过程，学生再动手进行实验，做好实验数据的记录、分析和处理，完成实验报告的撰写工作，并回答思考题。6 考核要求要求实验前预习，实验中认真记录实验数据，实验后认真完成实验报告。按照学生实际操作能力及对实验结果分析能力考核。对缺实验成绩者，本课程不予通过。7 实践教学报告要求按照南华大学实验报告纸标准格式书写。学生实验后应按时完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处
18、理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。实验四 压电式传感器测振动实验1 本次实验的目的和要求了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 2 实践内容或原理压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。 （观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。3 需用的仪器、试剂或材料等主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、振动源、双踪示波器。4 实践步骤或环节（1）按图 18 所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合)，振动源的低频输入接主机箱中的低
19、频振荡器，其它连线按图示意接线。图 18 压电传感器振动实验安装、接线示意图（2）合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出的波形。（3）用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。（4）改变振动源的振荡频率(调节主机箱低频振荡器的频率)，观察输出波形变化。实验完毕，关闭电源。5 教学方式老师先讲解演示实验全过程，学生再动手进行实验，做好实验数据的记录、分析和处理，完成实验报告的撰写工作，并回答思考题。6 考核要求要求实验前预习，实验中认真记录实验数据，实验后认真完成实验报告。按照学生实
20、际操作能力及对实验结果分析能力考核。对缺实验成绩者，本课程不予通过。7 实践教学报告要求按照南华大学实验报告纸标准格式书写。学生实验后应按时完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。实验五 霍尔转速传感器测电机转速实验1.本次实验的目的和要求了解霍尔转速传感器的应用。 2.实践内容或原理利用霍尔效应表达式：UHKHIB，当被测圆盘上装上 N 只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。3.需用的仪器、试剂或材料等主机箱、霍尔转速传感器、转动源
21、。4.实践步骤或环节（1）根据图 16 将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为 23 。（2）首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源 224 旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(显示选择打到 20 档)监测大约为.25V；然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图 16 所示分别接到主机箱的相应电源和频率转速表(转速档)的 Fin 上。（3）合上主机箱电源开关，在小于 12 范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。（4）从
22、 2 开始记录每增加相应电机转速的数据 (待电机转速比较稳定后读取数据)；画出电机的(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。5.思考题：1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？6.教学方式老师先讲解演示实验全过程，学生再动手进行实验，做好实验数据的记录、分析和处理，完成实验报告的撰写工作，并回答思考题。7.考核要求要求实验前预习，实验中认真记录实验数据，实验后认真完成实验报告。按照学生实际操作能力及对实验结果分析能力考核。对缺实验成绩者，本课程不予通过。8.实践教学报告要求按照南华大学实验报告纸标准格式书写。学生实验后应按时
23、完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。实验六 光电转速传感器的转速测量实验1.实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。2.基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的 6 个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。3.需用器件与单元：主机箱、转动源 、光电转速传感器光电断续器(已装在转动源上)。4.实验步骤：（1）将主机箱中的转速调节 2
24、24V 旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表；再按图 25 所示接线，将主机箱中频率转速表的切换开关切换到转速处。（2）检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于 12 范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。（3）从 2 开始记录每增加相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据)；画出电机的(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。根据表 24 数据画出实验曲线，计算测量范围 1mm 时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。5.思考题：已进行的实验中用了两种传感器测量转速，试分析比较它们的区别。6.教学方式老师先讲解演示实验全过程，学生再动手进行实验，做好实验数据的记录、分析和处理，完成实验报告的撰写工作，并回答思考题。7.考核要求要求实验前预习，实验中认真记录实验数据，实验后认真完成实验报告。按照学生实际操作能力及对实验结果分析能力考核。对缺实验成绩者，本课程不予通过。8.实践教学报告要求按照南华大学实验报告纸标准格式书写。学生实验后应按时完成实验报告。要求：内容充实、图表齐全、数据处理正确（误差处理） 、书面整洁、结构合理、回答思考题等。
