传感器原理及应用模板

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

其定义为热敏电阻在其本身温度改变1℃时,

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

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

?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。

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

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

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

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

S=31.0mV/mm（图见下页）

基础无改变

基础无改变

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。