感測器與檢測技術
綜合性、設計性實驗
指導書吳燕雄等編
防災科技學院
2023年8月
綜合性、設計性實驗指導書
實驗名稱：數字溫度儀的設計與製作
實驗型別：綜合性□設計性■
所屬課程及**：感測器與檢測技術（2010028）
實驗學時：4學時
1、實驗目的
1. 通過自學了解整合溫度感測器的引數、原理和典型應用電路。
2. 了解模擬量轉化為數碼訊號的一般過程。
3. 掌握感測器儀器的一般設計、除錯方法。
2、預習與參考
1、整合溫度感測器
本設計基於常用的整合溫度感測器ad592作為溫度採集感測器。ad592是美國ad公司推出的一款高效能的整合溫度感測器,比ad590的誤差小而且成本低,能線性地將溫度轉換為電流訊號輸出。電流輸出型溫度感測器的主要特點是輸出阻抗高,輸出電流不受傳輸線路電壓降和電壓雜訊的影響,且對電源電壓的脈動和漂移具有很強的抑制能力,因此,ad592是一款溫度檢測的理想器件。
實驗內容中要求學生根據感測器工作原理，搭建感測器測溫電路。
2．訊號調整電路
設計合適的差動放大電路使電壓輸出在合適的測量範圍，並且和攝氏溫度成線性比例關係。整合溫度感測器ad592，每增加1k溫度，它會增加1μa輸出電流，通過分壓電阻的精細調節，使溫度每變化轉化為電壓變化。因為ad592輸出電流是以絕對溫度零度（-273°c）為基準需要調整其輸出電壓，經過公升壓顯示我們常用的攝氏度。
由於一般電源**教多器件之後，電源是帶雜波的，因此建議是用齊納二極體進行穩壓。
3．數字顯示部分
要求對測溫結果進行數字顯示，精度為0.1°c，範圍為-10°c至70°c。對顯示部分的實現方案沒有固定要求。
學生可以選用基於採集儀和drvi快速可重組虛擬儀器軟體平台在計算機上進行設計和模擬顯示；也可以選用整合a/d轉換、led驅動晶元，把輸出結果顯示到led等電子裝置上；還可以利用萬用表裝置當做數字顯示表頭，還可以採用低成本的電表顯示頭等。這部分充分鼓勵學生利用網路等手段，合理規劃預算，選購合適的器件。
4. 成本核算
調研方案的採購**及方式，核算工業生產成本。使學生認識到如晶元普及度、封裝、精度、耐腐性、工藝等特性均對生產成本產生影響。工業產品的設計是產品效能和成本控制的綜合體。
3、設計指標
設計一款數字溫度儀，
測量範圍為-10°c至70°c，
測量精度≤±4°c，
數字顯示，顯示位數三位半，顯示精度±0.1°c。
製作成本≤150元，規模工業生產成本≤20元。
4、實驗要求（設計要求）
1.完成方案設計，繪製系統框圖。電器部分繪製電路原理圖。
2.進行系統搭建和電路除錯。
3.用自製數字溫度儀進行測溫實驗。驗證評估溫度儀的效能引數，
4.通過網上調研和詢價，核算製作成本和工業生產成本。
5、實驗（設計）儀器裝置和材料清單
開放式感測器綜合與創新實驗平台一套 ；整合溫度感測器ad592； 運算放大器晶元若干；齊納二極體若干； 跳線若干； 萬用表乙個； 溫度計乙個，a/d轉換整合led驅動晶元一片（可選）;三位半led數碼管乙個（可選）；採集儀乙個（可選）；drvi快速可重組虛擬儀器軟體平台一套（可選）；計算機一台（可選）等。
6、除錯及結果測試
1. 自學整合溫度感測器ad592資料（datasheet）；
2. 進行方案設計和成本核算；
3. 設計電器部分的電路原理圖，根據原理圖搭建電路；
4. 核對無誤，接通電源，調節電阻，使ad592每增大1k溫度的輸出電流轉化為整數電壓；調節差動放大電路的基準電壓，把輸出轉化為攝氏度；調節增益，使輸出電壓適當放大；
5. 搭建數字顯示表頭，把輸出電壓接入並顯示；
6. 用自製溫度儀進行測溫驗證，評估測溫精度等。
7、考核形式
實驗成績總分以100分計，其中實驗設計（方案制訂）佔20%，實驗準備佔10％，實驗操作佔20%，實驗結果（資料或圖表、程式等）佔30%，實驗報告佔10%、考勤及其它佔10％。
8、實驗報告要求
1. 簡述實驗目的和原理；
2. 總體方案設計，並從功能實現和控制成本方面做分析；
3. 電器部分繪製電器原理圖；
4. 通過測溫實驗，評估自製溫度儀的效能引數；
5. 總結設計、除錯及驗證過程中的發現或體會。
9、思考題
還可以為你的溫度儀增加哪些功能，使之更適用於什麼型別的應用？
綜合性、設計性實驗指導書
實驗名稱：電子稱實驗
實驗型別：綜合性■設計性□
所屬課程及**：感測器與檢測技術（2010028）
實驗學時：4學時
一、實驗目的
4. 了解金屬箔式應變片感測器的原理。
5. 熟練掌握直流電橋的原理和特性。
6. 掌握儀表放大電路和反相比例放大電路的原理和應用，並掌握其除錯方法和技巧。
7. 掌握基於虛擬儀器的訊號採集、處理流程。
二、實驗內容
1、金屬箔片式應變片
電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關係式為：
1)(1)式中為電阻絲電阻相對變化，為應變靈敏係數， =為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝製成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位受力狀態變化。
圖 1 應變片安裝示意圖
2．電橋
電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態。直流電橋電路如圖 2，電橋電路的主要指標是橋路靈敏度、非線性和負載特性。通過比較單臂電橋、半橋和全橋電路的效能，選取合適的電橋電路。
圖 2 直流電橋電路
3．運算放大電路
1）儀表放大電路
儀表放大器電路的典型結構如圖 3所示。它主要由兩級差分放大器電路構成。其中，運放u6，u9為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入訊號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模訊號放大，而對共模輸入訊號只起跟隨作用，使得送到后級的差模訊號與共模訊號的幅值之比(即共模抑制比cmrr)得到提高。
儀表放大電路在使用時首先要進行調零。
圖 3 儀表放大電路原理圖
2）反相放大電路
將儀表放大電路的輸出端接到反相比例放大電路（如圖 4所示）的輸入端進行二次放大。對放大電路進行多次調零和調節增益，使輸出電壓隨砝碼重量的增加變化明顯。
圖 4 反相比例放大電路原理圖
4．虛擬儀器
輸出電壓通過採集儀接入電腦。利用drvi軟體對輸出電壓進行處理和顯示，組成電子稱，進行稱重實驗。
三、實驗儀器、裝置及器材
1. 開放式感測器綜合與創新實驗平台一套 ；
2. 橋臂一台；
3. 砝碼一盒；
4. 跳線若干；
5. 萬用表乙個；
6. 採集儀乙個；
7. drvi快速可重組虛擬儀器軟體平台一套；
8. 計算機一台。
四、實驗要求
1. 複習單臂、半橋和全橋電路的效能特性，根據需要，選擇相應電橋電路。
2. 繪製電子稱的電器原理圖，根據原理圖進行接線。
3. 逐級對放大電路進行調零和調整增益。改變托盤上砝碼重量，進行反覆除錯，使增益在合適的變化範圍。
4. 完成檢測引數的設定，完成基於虛擬儀器的訊號採集、資料處理。
5. 用搭建好的電子稱進行稱重實驗，觀察檢測結果的穩定性，分析誤差原因。
五、實驗步驟及結果測試
1. 感測器安裝如圖 1。根據單臂、半橋、全橋效能選取合適的電橋電路，將應變式感測器的應變片接線接入電路板上的電橋中。
檢查接線無誤後，接通電源。調節電位器r28（100r電位器），使 in0與 in1之間輸出的電壓為零。
2. 將儀表放大電路的輸出端接到反相比例放大電路的輸入端，用萬用表測反相比例放大電路的輸出端電壓。根據原理圖（圖 4），調節r42（10k電位器）對放大電路調零，放置100g砝碼到橋臂托盤上。
調節電位器r29和電位器r40（反相比例放大電路的增益調節電位器），改變放大電路的增益（放大倍數），多次調零和調節增益使變化量為1000mv。
3. 在托盤上放置200g砝碼，讀取反相比例放大電路輸出端電壓值，依次增加砝碼並讀取相應的電壓值。記下實驗結果填入** 1中，關閉電源。
驗證電壓能否反映重量的變化，那麼乙個簡易的電子稱就成功了！
** 1
4. 重複步驟3，調節電位器r40，改變100g砝碼對應的電壓變化量的值，比如200mv/100g，500mv/100g，2v/100g 。充分理解各個電位器在電路中作用。
5. 將反相比例放大電路輸出端接到訊號輸出其中的乙個埠上，然後用bnc接頭接到採集儀上，開啟電腦裡面的divr軟體中的指令碼，進行稱重實驗。本步驟必須配合採集儀和drvi軟體使用。
（提示：軟體使用方法參考「感測器實驗箱drvi實驗使用說明.doc」，裡面這個實驗的操作過程）
6. 關閉電源，整理實驗儀器，填寫實驗報告。
六、考核形式
實驗成績總分以100分計，其中實驗準備佔10％，實驗操作佔40％，實驗結果（資料或圖表等）佔30%，實驗報告佔10%、考勤及其它佔10％。
七、實驗報告要求
1. 簡述實驗目的和原理。
2. 根據要求，提交系統設計框圖和電器原理圖。
3. 記錄砝碼重量與對應電壓的值。進行稱重實驗，記錄資料並處理，分析誤差原因。
4. 撰寫設計及實驗的心得體會。
八、思考題
1. 你選擇的是哪種電橋電路，為什麼？把應變片接入電橋電路時要注意什麼？
2. 生活中的電子稱一般會把稱重結果顯示到led或lcd上，請設計系統並繪製框圖，代替虛擬儀器部分。
《感測器與檢測技術》串講
目錄 感測器與檢測技術 串講資料 1 第一篇分章指導 1 第一章概述 1 第二章位移檢測感測器 6 第三章速度 加速度感測器 17 第四章力 扭矩和壓力感測器 23 第五章視覺 觸覺感測器 35 第六章溫度感測器 35 第七章氣敏 濕度 水份感測器 39 第八章感測檢測系統的構成 41 第九章訊號分...
感測器與檢測技術總結
第一章概述 一 感測器的作用是 感測器是各種資訊的感知 採集 轉換 傳輸和處理的功能器件，具有不可替代的重要作用。二 感測器的定義 能夠感受規定的被測量並按照一定規律轉換成可用輸出訊號的器件或裝置。三 感測器的組成 被測量量 敏感元件 轉換元件 基本轉換電路 電量輸出 四 感測器的分類 按被測量物件...
感測器與檢測技術試題
班級 姓名學號成績 一 填空 20分 1 測量系統的靜態特性指標主要有線性度 遲滯 重複性 分辨力 穩定性 溫度穩定性 各種抗干擾穩定性等。2分 2 霍爾元件靈敏度的物理意義是表示在單位磁感應強度相單位控制電流時的霍爾電勢的大小。2分 3 光電感測器的理論基礎是光電效應。通常把光線照射到物體表面後產...