传感器与检测技术实验教学大纲

河北省高等教育自学考试课程考试大纲课程名称:《传感器与检测技术实验》课程代码:第一部分课程性质与学习目的一、课程性质与特点《传感器与检测技术实验》是高等教育自学考试电子信息工程专业所开设的专业基础课之一，它是一门理论性和实践性要求都较强的课程，主要研究传感器的基本工作原理和应用。《传感器与检测技术实验》是《传感器与检测技术》课程的有效补充，通过参加必要的动手实践，把基本理论、基本概念与实际应用相结合。使学生受到基本实验技能的训练，获得传感器与检测技术的完整概念，在实践中，真正掌握基本知识。

二、课程设置的目的和要求传感器与测试技术实验教学是课程教学的重要环节。通过学习本门课程，使学生理解传感器的基础知识和各种传统传感器的基本原理，初步掌握传感器系统设计原理，对传感器的发展和现状有初步了解，了解现代新型传感器的类型和工作方式、原理。使学生初步掌握传感器系统的应用、开发的综合技术。

本课程的教学侧重于对传统传感器的工作原理、特性的理解，对传感器的技术参数要会求取。对于常用传感器的测量电路要会计算；掌握传感器误差及误差补偿的相关技术。初步了解近代传感器技术及其工作原理。实验教学内容的安排主要以设计型实验为主。测量位移量实验是金属箔式应变片的双臂电桥性能实验；测量转速实验是霍尔传感器测量自行车速度实验；测量温度实验是热电偶及分度表应用实验。三、与本专业其它课程的关系传感器与测试技术的先修课程是电路、模拟电路和数字电路。同时为后续过程控制、电力电子技术、EDA技术等专业基础实践课程打下基础。第二部分课程内容与考核要求实验1金属箔式应变片测位移实验一、学习的目的和要求掌握电阻应变式传感器的基本工作原理和测量电路。掌握金属箔应变片、电桥测量电路的工作原理和工作情况。掌握应用金属箔应变片测量位移量的方法。二、考核知识点与考核要求本实验的主要知识点是电阻式传感器的工作原理及电桥测量电路；重点是电桥测量电路工作原理；难点是电桥测量电路的三种形式——单臂电桥、双臂电桥和全桥。三、考核内容1.画出直流电桥测量电路的电路图，列出平衡电桥的条件。2.简述单臂电桥单臂电桥、双臂电桥和全桥的工作原理及区别。3.设计一个基于金属箔式应变片的加速度传感器，要求采用双臂电桥测量电路，简述其工作原理。实验2霍尔传感器测转速实验一、学习的目的和要求掌握霍尔传感器的基本工作原理、结构特点及测量电路。掌握霍尔传感器的误差分析及补偿方法。掌握应用霍尔传感器测量位移和转速的方法。二、考核知识点与考核要求本章节的主要知识点是霍尔传感器的基本工作原理——霍尔效应和霍尔传感器的误差产生原因及补偿方法；难点是霍尔传感器测量位移和转速。三、考核内容1.霍尔传感器是基于霍尔效应，什么是霍尔效应，并作图说明。2.画出霍尔元件基本电路。。3.霍尔电势，其中为霍尔元件灵敏度，为霍尔元件的激励电流，为作用在霍尔元件上的磁感应强度。根据该公式列举霍尔元件作为传感器的几种应用。4.设计一个基于霍尔元件的测量车轮转速的传感器，简述工作原理。实验3热电偶及分度表的应用实验一、学习的目的和要求掌握常用温度传感器的种类，掌握热电偶的基本工作原理和基本定律，掌握热电偶冷端补偿方法及分度表的使用。二、考核知识点与考核要求本章节的主要知识点是热电偶的基本工作原理，热电偶的基本定律和分度表的使用；重点是掌握热电偶的冷端补偿方法；难点是分度表的使用。三、考核内容1.简述热电偶的基本工作原理——热电效应，并画出示意图。2.简述热电偶冷端补偿电桥法的工作原理，并画出电路图。3.T型铜-康铜热电偶冷端室温℃，热电偶产生的热电势，根据分度表计算热端温度。T型热电偶的分度表如图所示。铜-康铜热电偶分度表（冷端温度为0℃）工作端温度0123456789de/dt（vu）00.00000.0390.0780.1160.1550.1940.2340.2730.3120.35238.6100.3910.4310.4710.5100.5500.5900.6300.6710.7110.75139.5200.7920.8320.8730.9140.9540.9951.0361.0771.1181.15940.4301.2011.2421.2841.3251.3671.4081.4501.4921.5341.57641.3401.6181.6611.7031.7451.7881.8301.8731.9161.9582.00142.4502.0442.0872.1302.1742.2172.2602.3042.3472.3912.43543.0602.4782.5222.5662.6102.6542.6982.7432.7872.8312.87649.8703.9202.9653.0103.0543.0993.1443.1893.2343.2793.32544.5803.3703.4153.4913.5063.5523.5973.6433.6893.7353.78145.3903.8273.8733.9193.9654.0124.0584.1054.1514.1984.24446.01004.2914.3384.3854.4324.4794.5294.5734.6214.6684.71546.8第三部分有关说明与实施要求一、指定教材张建民．传感器与检测技术．北京：机械工业出版社，2012.4二、自学考试方法指导1.认真阅读与钻研大纲与教材。应考者应根据本大纲规定的考核目标，认真学习教材，全面系统地掌握教材所阐述的基本原理、基本方法和基本技能。2.本课程的学习，都是在自主完成，所以必须保证必要的学习时间。自学者应根据课程的特点和自身实际情况，合理安排学习时间。三、考核标准以上考核内容均属考生必做的实验，要求每个实验均需提交相关电路及结果，回答每个实验的思考题。由主考学校审查合格后才能取得本课程的成绩。考核采用百分制，６０分合格。附：实验报告模板实验一金属箔式应变片测位移实验姓名准考证号一、实验目的：观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。测试应变梁形变的应变输出。比较各种桥路的性能（灵敏度）。二、实验原理：应变片是最常用的测力传感元件，当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常见的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4•E•ΣR，电桥灵敏度，于是对应于单臂、半桥、全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。三、实验所需部件：直流稳压电源（档）、电桥、差动放大器、金属箔式应变片、测微头、电压表。四、实验接线图：五、实验步骤：1、调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“+，-”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。2、按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路，单臂桥路中R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V；半桥桥路中R1和R2为箔式应变片，R3、R4仍为固定电阻；全桥桥路中R1、R2、R3、R4全部使用箔式应变片。在接半桥、全桥桥路时应特别注意其应变片的受力方向，一定要接成差动形式。3、调节测微头，使悬臂梁处于基本水平状态。4、确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。5、调整电桥电位器WD，使测试系统输出为零。6、旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。根据表中所测数据计算灵敏度S，S=△V／△X，并在一个坐标图上做出V-X关系曲线。比较三种桥路的灵敏度，并作出定性的结论。位移mm0.50.10.150.20.250.30.350.40.450.5电压V（单臂）0.040.080.120.150.20.230.270.320.380.4电压（全桥）0.180.320.470.620.80.941.101.271.441.62位移mm-0.5-0.1-0.15-0.2-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.5电压（单臂）-0.03-0.09-0.12-0.14-0.21-0.22-0.26-0.33-0.37-0.41电压（全桥）-0.14-0.32-0.47-0.65-0.82-0.99-1.10-1.27-1.44-1.62六、注意事项：稳压电源不要对地短路。直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。由于进行位移测量时测微头要从零―→正的最大值，又回复到零，再从零+→负的最大值，因此容易造成零点偏移，计算灵敏度时可将正ΔX的灵敏度分开计算，再求平均值。七、简答题：1.画出直流电桥测量电路的电路图，列出平衡电桥的条件。答：电桥电路的主要特点就是当四个桥臂电阻的阻值满足一定关系时，会使接在对角线a、b间的电阻R中没有电流通过。这种情况称平衡状态。要达到平衡条件：必须满足a、b两点电位相同。Uda=UdbUac=UbcR1Ia=R3IbR2Ia=R4IbR1R4=R2R3直流电桥的平衡条件是：对臂电阻的乘积相等。2.简述单臂电桥单臂电桥、双臂电桥和全桥的工作原理及区别。电桥电路是最常见的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4•E•ΣR，电桥灵敏度，于是对应于单臂、半桥、全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。3.设计一个基于金属箔式应变片的加速度传感器，要求采用双臂电桥测量电路，简述其工作原理。按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路，单臂桥路中R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V；半桥桥路中R1和R2为箔式应变片，R3、R4仍为固定电阻；全桥桥路中R1、R2、R3、R4全部使用箔式应变片。在接半桥、全桥桥路时应特别注意其应变片的受力方向，一定要接成差动形式。实验三热电偶原理及分度表的应用姓名准考证号实验目的：了解热电偶的原理和分度表的应用。所需单元和部件：—15V不可调直流稳压电源、差动放大器、加热器、V/F表、热电偶、水银温度计、主、副电源、数字万用电表。有关旋钮的初始位置：直流稳压电源置于4v档，V/F表置于2V档,差动放大器增益最大（此时电压放大倍数为100）。实验原理与公式：热电偶的基本工作原理是热电效应，两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶。即热端和冷端的温度不同时，通过测量此电动势即可知道两端温差。如固定某一温度（一般固定冷端为室温），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶。在导体两端便形成接触电势,其大小由下面公式给出:式中:NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度,是温度的函数。热电偶回路中产生的总热电势为ＥAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)—EAB(T0)—EA(T,T0)在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为EAB(T,T0)=EAB(T)—EAB(T0)对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)=c为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即EAB(T,T0)=EAB(T)—C=f(T)实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的，分度表是在参考端温度为0℃时,实验步骤：（1）了解热电偶原理。（2）了解热电偶在实验仪上的位置及符号，实验仪所配的热电偶是由铜—康铜组成的简易热电偶。实验仪有两个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面的中间两根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，两个热电偶串联在一起产生热电势为两者的总和。（4）按上图接线，开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F/V表显示为零，记录下温度计的读数（该读数即为实验室的温度）。（5）将—15v直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F/V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F/V表显示的读数E。（6）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)t—热电偶的热端（工作端或测温端）温度。tn—热电偶的冷端（自由端）温度，也就是室温。t0—001.热端温度为t，冷端温度为室温时热电势：（100为差动放大器的放大倍数，2为两个热电偶串联）。2.热端温度为室温，冷端温度为00C，铜—康铜的热电势：Eab（tn，t0）：查以下所附的热电偶自由端的热电势和温度的关系即铜3.计算：热端温度为t，冷端温度为00C时的热电势Eab（t，t本实验中，先根据温度计读出的室温，从分度表中表出EAB(tn,to),再加上电压表读出的工作端热电势EAB(t,tn)，求出EAB(t,to)，而后从分度表中查出工作端的温度。表2铜—康铜热电表(自由端温度为0℃)单位：工作端温度0123456789热电势（7）实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器—15v电源，其它旋钮置原始位置。（8）将数据填入表3。表3测量值E（mv）换算值Eab(t,tn)（mv）室温tn（0C查表值Eab(tn,to)（mv）计算值Eab(t,to)（mv）查表所得温度t（0C560.7467281.1141.86746