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传感器原理及应用模板

来源：爱玩科技网




传感器原理及应用（一）

工程物理系工物22 方侨光 022041

【试验一】热电传感器——热电偶

一、试验目标
观察了解热电偶结构,熟悉热电偶工作特征,学会查阅热电偶分度表。

二、试验原理
热电偶是热电式传感器种一个,它可将温度改变转化成电势改变,其工作原理是建 立在热电效应基础上。立即两种不一样材料导体组成一个闭合回路,假如两个结电温 度不一样,则回路中将产生一定电流（电势）,其大小和材料性质和结点温度相关。 所以只要保持冷端温度T0不变,当加热结点时,热电偶输出电势E会随温度T改变,经 过测量此电势即可知道两端温差,从而实现温度测量。

电势E和温度T之间关系是利用分度表形式来表示,在制分度表时,通常采取热电偶冷端温度T0=0℃条件下测得,所以在使用热电偶时,只有满足T0=0℃条件,才能直接

使用分度表。在实际工况环境中,因为冷端温度不是0℃而是某一温度Tn,所以在使用

分度表前要对所测电动势进行修正。

E(T,T0) = E(T, Tn) + E(Tn,T0)
即:实际电动势=仪表指示值 + 温度修正值
式中E为热电偶电动势,T为热电偶热端温度,T0为热电偶参考端温度为0℃,Tn为热电偶参考端所处温度。

三、试验结果
Tn=21.0℃查表得到修正值:E(Tn,T0)=0.832mV加热前,电压表读数:0.008V
加热后,电压表读数:-0.171V
于是得到:E(T, Tn)=179/200mV=0.5mV
从而得到实际电动势:E(T, T0)=1.727mV



查表可得:T=42.7℃

【试验二】热敏电阻测温度

一、试验目标

观察了解热敏电阻结构,熟悉热敏电阻工作特征,学会使用热敏电阻测温。

二、试验原理

本试验中所用热敏电阻为负温度系数。电阻值相对改变量, 可用下式表示为:

其定义为热敏电阻在其本身温度改变1℃时,

??

1

dR T

??

B


R T

dT


T

2

式中B 为热敏电阻常数。本试验所用热敏电阻B=3200。

负温度系数热敏电阻其特征能够表示为:




B

1


?

1

)

R T

?

R e T 0

T



T

0



式中RT、 RT0 分别为温度T 和T0 时电阻值。

所以当温度改变时热敏电阻阻值改变将造成运放组成压/阻变换电路输出电压改变,

其关系可表示为:

U

0

?

U

T

R T 0


R T

式中UT、 UT0 分别为温度T 和T0 时压/阻变换电路输出电压值。

则依据上面两式:

1

?

1

ln

U

T

?

1

T


B


U

T 0


T 0

三、试验结果





T 0

?

21.0?C

U

T 0

?

4.09 V

U

T

?

1.99 V

?

0.00318

1

?

1

ln

U

T

?

1

?

1

ln

1.99

?

1

T

B

U

T 0

T 0

3200

4.09

294.0



T

?

314.8

K

?

41.8?C

???

B

??

3200

??0.0323

T

2

314.8

2



【试验三】PN结温度传感器

一、试验目标

熟悉PN结温度传感器工作特征,学会使用PN结温度传感器测温。

二、试验原理

依据半导体器件原理流经晶体二极管正向电流ID和这个PN结正向压降VD有以下关系:




qV D



I

D

?

I e s

KT

?

1)

式中,Is为反向饱和电流,VD为PN结正向压降,q为电子电荷量,K为玻耳兹曼常数,T为绝对温度。则:

V

?

kT

ln

I

D

D


q


I

S

所以,当保持ID不变时,PN结正向压降和温度T成正比。

本试验所使用是AD590电流型PN结集成温度传感器,其输出电流正比于绝对温度。0℃温度时输出电流为273.2μA,温度每改变1℃,输出电流改变1μA。AD590输出电流经过1KΩ电阻变为电压信号,其单位为1mV/℃,所以0℃时1K电阻上已经有273.2mV电压输出。

三、试验结果

T0=294K T=320K=47℃

【试验四】箔式应变片性能及三种桥路测试比较

一、试验目标



1．观察了解箔式应变片结构及粘贴方法。

2．测试应变梁变形应变输出。

3．比较各桥路间输出关系。

4．了解温度改变对应变测试系统影响,学会在测试电路中进行温度赔偿。

二、试验原理
1．箔式应变片工作原理
箔式应变片工作原理是建立在电阻应变效应基础上,所谓电阻应变效应是指电阻 值随变形（伸长或缩短）而发生改变一个物理现象。图所表示,设有一根长为l、截

面积为S、电阻率为ρ金属丝, 其电阻为:

R

?

?

l

s

当在轴向受到拉力作用时, 长度增加了

?l

, 截面积降低了

?S

, 那么电阻将增加

?R

,

则电阻相对改变可按下式求得:

?R

?

?l

?

?S

?

??

。对于箔式应变片

??

?

0

, 电阻

R

l

S

?

?



改变关键由应变产生。则:

?R

?

?l

?

?S

?

?( 1

?

2?)

?

K?

R


l

S

式中:

?l

是材料轴向线应变, 用应变ε表示为:

?

?

?l

。

?S

是材料截面积改变,

l

l

S

用材料泊松比

?=-

?D

?l

及

?表示为:

?S

?

2??

D

l

S

由此能够看出,金属材料电阻相对改变和其线应变ε正比,百分比系数称为灵敏度,这就是金属材料应变电阻效应。

2．电阻应变片测量电路

从箔式应变片工作原理可知, 应变片测量应变是经过

R1

R2

测量应变电阻相对改变来得到。

我们通常使用电桥电路作

△

为应变片测量电路, 它能够把电阻相对改变

?R

R

转化成电

R

R4

U

压相对改变

?U

U

。图所表示, 设电桥输入电压为U,输出

3

电压为△U , 则:

U

?U

?

U

????

R 1

R 1

R 2

?

R 3

R 3

R 4

????

?

U

?

R 1

R 4

?
??

R 2

R 3

?

电桥电路简图


?

?

R 1

?

R 2

R 3

?

R 4

设各桥臂初始电阻为

R 1

?

R

2

?

R

3

?

R

4

?

R

, 所以电桥初始处于平衡状态, 当四个

桥臂电阻分别变为

R 1

?

?R 1

、

R

2

?

?R

2

、

R

3

?

?R

3

、

R

4

?

?R

4

时, 则上式可得:





?U

?

U

?

R

??R 1

?2 R?

??

R

?

?R

4

??R

2??2 R

?

?R 2??R??R 3?

?R 3??R 4?

???R 1?R 4??R

R??R 3??R 4?






?R 1

?

?R

?

2

?R 3

?

U

R

??R 1

?
?2

?R

2

?

?R 3

?

?R 4

2??2

通常情况下,

?Ri

?i



R

?

?R 1

?

?R



?

1 ,

2 , 3 ,

4

?

很小, 既R〉〉

?R

i, 则上式可改变为:

?U

?

U

??

?

?R 1

?

?R

2

?

?R 3

?

?R

4

?
?

?





4

R

R

R


R


这么电阻改变率（或应变）和输出电压之间就近似为线性关系,这就是利用桥式

电路测量电阻应变工作原理。

3．箔式应变片温度效应及应变电路温度赔偿

F

R1

R2

F

温度改变引发应变片阻值发生改变原因是应变片电

阻丝温度系数及电阻丝和测试梁膨胀系数不一样, 由此

温度赔偿方法

引发测试系统输出电压改变。

因为温度改变引入了测量误差,所以实用测试电路中必需进行温度赔偿。用赔偿片法是应变电桥温度赔偿方法中一个,立即赔偿片和工作片成90°贴在测试梁上,图（2）所表示, R1为工作片,R2为赔偿片,R1=R2。桥路如原来是平衡,当温度改变引发两应变片电阻改变△R1和△R2符号相同,数量相等,依据（2-1）式△U≈0,无电压输出,电桥仍满足平衡条件,达成了温度赔偿目标。测试梁受力时,R2不产生形变,仅有R1作为工作片。

三、试验步骤和结果

测试电路:

+4V

R3

R1

_

V

WD

R4

R2

+

-4V
1．单桥

桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-8

-13

-22

-29

-36

-44

-52

-60

-67

-72

下行电压mV

6

15

22

29

37

44

50

58

63

72

采取直线拟合方法,求出其斜率即为灵敏度S。



S-=14.8mV/mm S+=14.3mV/mm
S=14.6mV/mm

桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-8

-13

-22

-28

-35

-44

-52

-60

-67

-76

下行电压mV

6

15

22

32

38

46

54

62

72

81

S-=15.3mV/mm S+=16.3mV/mm
S=15.8mV/mm



结论:单箔片不管方向怎样,不管接在哪个位置,其效果是近似。

2．双桥

桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-15

-32

-46

-63

-78

-94

-109

-124

-140

-156

下行电压mV

16

28

44

58

75

8

106

124

138

153

S-=31.1mV/mm S+=31.0mV/mm

S=31.0mV/mm（图见下页）

桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-6

-6

-4

-5

-6

-8

-9

-8

-9

-8

下行电压mV

4

3

4

2

6

5

5

6

8

4

基础无改变

桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-3

-1

-3

-5

-4

-5

-6

-6

-6

-7

下行电压mV

-1

-1

-2

0

-1

-3

-3

-1

-3

-1

基础无改变



桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-13

-23

-35

-48

-62

-74

-90

-102

-114

-130

下行电压mV

14

25

36

48

59

75

86

102

118

130

S-=26.2mV/mm S+=26.1mV/mm

S=26.2mV/mm



结论:依据ΔU公式,我们不仿说R1和R4是正位,R2和R3是负位。假如同向箔片接在相同位上（全部是正位,或全部是反位）,其效果是增强,也即更灵敏;接在不一样位上（一正一反）,则相互减弱,根本无法使用。假如反向箔片接在相同位上,则相互减弱;接不一样位则相互增强。增强效果约为单箔片2倍。

3．全桥

桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-29

-58

-90

-114

-144

-174

-209

-239

-270

-302

下行电压mV

28

55

88

116

143

174

206

235

268

296

S-=60.6mV/mm S+=59.9mV/mm
S=60.2mV/mm



桥路状态


位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压mV

-3

-6

-5

-6

-6

-5

-9

-9

-10

-12

下行电压mV

-3

0

3

12

8

14

16

16

15

18

基础无改变

结论:假如使得同向箔片全部接在相同位上,而反向箔片全部接在不一样位上,则效果

相互增强,最为灵敏,大约为单桥4倍,半桥2倍。反之,则相互减弱,无法使用。实

际上,也只有这两种真正不一样接法。综合三种桥路结果,当桥路不因相互减弱而不

可用时候,全桥最为灵敏,半桥次之,单桥最不灵敏。（图见下页）

4．温度漂移（温度用PN结温度传感器测得）

没接赔偿片情况是:

T0=294K T=320K ΔV=-167mV 于是得到ΔV/ΔT=-6.42mV/K

加了赔偿片情况是:

T0=297K T=320K ΔV=-31mV 于是得到ΔV/ΔT=-1.3mV/K



【试验五】半导体应变计
一、试验目标
了解半导体应变计灵敏度和温度效应
二、试验原理
半导体应变计关键是依据硅半导体材料压阻效应制成,当半导体晶体受到作用力 时,晶体除产生应变外,电阻率也会发生改变,这就是半导体压阻效应。因为半导体△ ρ/ρ远大于形变,和金属应变片相比,半导体应变计灵敏系数很高,不过在稳定性及

反复性方面全部不如金属箔式片。

三、试验结果
1．单桥
试验电路:



+2V

WD

R1

?

V

R2

+

-2V
半导体应变计测试线路

位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压V

-0.22

-0.49

-0.76

-1.03

-1.30

-1.60

-1.

-2.19

-2.49

-2.76

下行电压V

0.28

0.52

0.75

1.02

1.28

1.58

1.79

2.02

2.27

2.50

S-=0.568V/mm S+=0.499V/mm
S=0.534V/mm

温度漂移:
T0=295K T=321K ΔV=14.01V 于是得到:ΔV/ΔT=0.539V/K2．双桥
试验电路:

WD

R3

R1

?

V

R4

R2

+

-2V



位移mm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

上行电压V

-0.56

-1.13

-1.75

-2.34

-2.94

-3.57

-4.15

-4.76

-5.37

-5.99

下行电压V

0.47

1.05

1.55

2.19

2.90

3.46

4.11

4.66

5.23

5.95

S-=1.208V/mm S+=1.218V/mm

S=1.213V/mm

温度漂移:

T0=296K T=320K ΔV=-2.46V 于是得到:ΔV/ΔT=0.102V/K
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