浙江大学生物传感器实验报告

实验报告生物传感器与测试技术课程名称生物传感器与测试技术姓名徐梦浙学号3120100203专业生物系统工程指导老师王建平/叶尊忠一热电偶传感器实验一、实验目的：了解热电偶测量温度的原理和调理电路，熟悉调理电路工作方式。

二、实验内容：本实验主要学习以下几方面的内容1. 了解热电偶特性曲线；2．观察采集到的热信号的实时变化情况。

3. 熟悉热电偶类传感器调理电路。

三、实验仪器、设备和材料：所需仪器四、myDAQ、myboard、nextsense01热电偶实验模块、万用表注意事项五、在插拔实验模块时，尽量做到垂直插拔，避免因为插拔不当而引起的接插件插针弯曲，影响模块使用。

六、禁止弯折实验模块表面插针，防止焊锡脱落而影响使用。

七、更换模块或插槽前应关闭平台电源。

八、开始实验前，认真检查热电偶的连接，避免连接错误而导致的输出电压超量程，否则会损坏数据采集卡。

九、本实验仪采用的电偶为K型热电偶和J型热电偶。

十、实验原理：热电偶是一种半导体感温元件，它是利用半导体的电阻值随温度变化而显著变化的特性实现测温。

热电偶传感器的工作原理热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图50-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。

图50-1（a）图50-1（b）两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。

当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势E T，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图50-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。

实验表明，当E T较小时，热电势E T与温度差（T-T0）成正比十一、实验步骤：十二、关闭平台电源（myboard），插上热电偶实验模块。

开启平台电源，此时可以看到模块左上角电源指示灯亮。

十三、打开nextpad,运行热电偶实验应用程序十四、查看传感器介绍，了解热电偶的原理及温差与热电势之间的关系。

十五、在特性曲线页面。

选择不同型号的热电偶观察各型号热电偶的V-T，在测温曲线的下方，手动模拟产生热电势的值，观察测温曲线。

十六、在实验内容页面中了解实验的内容、操作方式和过程十七、在仿真页面任意改变运算放大器的输出电压值和运算放大倍数，记录E（T,T0）和冷端温度仿真的输出值E（T0），将数据填写到热电偶温度手动测量表中，查表计算热电偶的电势所对应的温度值。

十八、在测量页面十九、选择实际接入的电阻二十、在nextsense01中，用杜邦线将R2 R4链接到运算放大器上。

二十一、调零。

将A、B端用杜邦线短接，调节模块右侧下方的电位器，对放大器的输出Vout进行调零。

二十二、测量。

选择K型或者J型热电偶其中一个，连接到A、B两端，在自动测量页面，点击页面上的开始按钮进行数据的采集和记录，将热电偶放置到热水中记录温度的变化（温度变化范围至少30度）。

二十三、在nextpad页面中，点击页面右上的数据保存按钮，选择保存的表格，进行数据的保存。

二十四、数据及结论（绘制数据点散图，建立回归方程，分析灵敏度和线性误差）冷场温度热电偶输出电势（uV）测量点温度温度差20.64 3543.21 87.59 66.9520.65 3500.6 86.81 66.1620.65 3731.66 91.08 70.4320.65 3730.34 91.06 70.4120.64 3797.56 92.3 71.6620.64 3815.1 92.62 71.9820.65 3561.15 87.93 67.2820.65 3491.3 86.63 65.9820.65 3509.37 86.97 66.3220.64 3463.48 86.11 65.4720.65 3472.74 86.29 65.6420.65 3514.91 87.07 66.4220.66 3535.65 87.46 66.820.66 3585.15 88.38 67.7220.65 3601.62 88.68 68.0320.66 3544.6 87.63 66.9720.65 3443.76 85.76 65.1120.66 3421.89 85.36 64.720.64 3410.39 85.13 64.4920.66 3461.66 86.1 65.44结论：实验表明，当E T较小时，热电势E T与温度差（T-T0）成正比，被测传感器的比例系数为54.020。

根据半导体的电阻值随温度变化而显著且有规律变化的这一特性，可以实现测温功能。

二热敏电阻传感器实验二十五、实验目的：了解热敏电阻测量温度的原理和调理电路，熟悉调理电路工作方式。

二十六、实验内容：本实验主要学习以下几方面的内容1. 了解热敏电阻特性曲线；2．观察采集到的热信号的实时变化情况。

3. 熟悉电阻类传感器调理电路。

二十七、实验仪器、设备和材料：所需仪器二十八、myDAQ、myboard、nextsense02热敏电阻实验模块、万用表注意事项二十九、在插拔实验模块时，尽量做到垂直插拔，避免因为插拔不当而引起的接插件插针弯曲，影响模块使用。

三十、禁止弯折实验模块表面插针，防止焊锡脱落而影响使用。

三十一、更换模块或插槽前应关闭平台电源。

三十二、开始实验前，认真检查电阻连接，避免连接错误而导致的输出电压超量程，否则会损坏数据采集卡。

三十三、本实验仪采用的热敏电阻为NTC热敏电阻，负温度系数。

三十四、实验原理：热敏电阻是一种半导体感温元件，它是利用半导体的电阻值随温度变化而显著变化的特性实现测温。

按照温度特性热敏电阻可以分为三大类：随温度上升电阻值减小的负温度系数(NTC)热敏电阻；随温度上升电阻值增加的正温度系数(PTC)热敏电阻以及临界温度系数(CTR)热敏电阻。

其中NTC和PTC较为常用。

在一定的温度范围内，PTC和NTC热敏电阻的电阻-温度特性可分别用以下实验公式表示：R T=R T0eB(T-T0) (1)R T=R T0e{B(1/T-1/T0)} (2)其中，R T为绝对温度为T(K)时的电阻值、RT0为绝对温度为T0 (K)时的电阻值。

B为材料常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的范围内，B是常数。

以上公式中的温度值均为绝对温度。

本实验采用NTC热敏电阻，R0=10KΩ，T0=25°，B=3750。

根据公式(2)可以获得相对温度T(℃)的表达式，计算时T0应用绝对温度值298.15K代入：T=1/((1/T0)+(1/B)*ln(R/R0))-273.15 (3)半导体热敏电阻有很高的温度系数，灵敏度高，适用于在0-150°之间测量。

三十五、实验步骤：注意：带*号的步骤为选做部分。

三十六、关闭平台电源，插上热敏电阻实验模块。

开启平台电源，此时可以看到模块左上角电源指示灯亮。

三十七、打开nextpad,运行热敏电阻实验应用程序三十八、查看传感器介绍，了解热敏电阻的原理、分类以及温度计算公式。

三十九、在特性曲线页面。

移动R-T曲线上方的初始电阻值R0和材料常数B的滑块，观察参数对特性曲线的影响。

移动R-T曲线中的黄色游标，观察右侧波形图中R、T各自的变化趋势。

四十、在仿真与测量页面四十一、任意修改恒流源法和分压法仿真电路中的Vcc和Vt，查看温度曲线，熟悉恒流源法以及分压法的测试方法。

四十二、用万用表测量测量备选电阻值，将实际阻值填入图位置。

四十三、连接备选电阻和热敏电阻，完成恒流源法或分压法电路，参考下图接线方式，备选电阻根据实验要求自行选择。

四十四、用万用表分别测量恒流源和分压电路的Vcc的精确值，填入软件中相应位置。

四十五、在自动测量页面，测量恒流源电路的实际值。

四十六、在自动测量页面，测量分压电路的实际值。

四十七、数据及结论（绘制数据点散图，建立回归方程，分析灵敏度和线性误差）选择恒流源和分压法电路，固定Ri=9.99KΩ，手握住传感器，测量温度及电压变化。

用恒流源法和分压法数据绘制R-T曲线（恒流法采用电脑采集数据）结论：根据实验结果可知，热敏电阻半导体的电阻值随温度升高而显著减小，且这一变化为线性变化。

并且，半导体热敏电阻有很高的温度系数，灵敏度较高。

三RTD热电阻传感器实验四十八、实验目的：了解热电阻测量温度的原理，熟悉调理电路工作方式。

四十九、实验内容：本实验主要学习以下几方面的内容1. 了解RTD热电阻特性曲线；2．观察采集到的热信号的实时变化情况。

3. 熟悉电阻类传感器调理电路。

五十、实验仪器、设备和材料：所需仪器五十一、myDAQ、myboard、nextsense03RTD热电阻实验模块、万用表注意事项五十二、在插拔实验模块时，尽量做到垂直插拔，避免因为插拔不当而引起的接插件插针弯曲，影响模块使用。

五十三、禁止弯折实验模块表面插针，防止焊锡脱落而影响使用。

五十四、更换模块或插槽前应关闭平台电源。

五十五、开始实验前，认真检查电阻连接，避免连接错误而导致的输出电压超量程，否则会损坏数据采集卡。

五十六、实验原理：利用感温材料，将测量温度转化为测量电阻的测温系统，主要有半导体热电阻式和金属热电阻式两大类。

前者简称热电阻，后者简称RTD (Resistance Temperature Detector) 。

金属铂的物理、化学性能稳定，是目前制造热电阻的最佳材料。

铂丝的电阻值与温度间的关系可以近似表示如下：在-190~0℃范围内为Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]在0~630.755℃范围内为Rt=R0(1+At+Bt2)式中Rt，R0分别是温度为t℃和t0℃时的电阻式；A，B，C是常数。

本实验采用PT100以及PT1000作为测试对象。

它们的阻值跟温度的变化成正比，当外界温度为0℃时，它的阻值分别为100Ω、1000Ω。

对于本实验中的热电阻，A，B，C分别为3.92847×10-3/ ℃，-6×10-7/ ℃，-4.22×10-12/ ℃。

铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛用于温度基准。

长时间稳定的重现性使它成为目前测温重现性最好的温度计。

五十七、实验步骤：注意：带*号的步骤为选做部分。

五十八、关闭平台电源（nextboard或者myboard或者ELVISboard），插上RTD热电阻实验模块。

开启平台电源，此时可以看到模块左上角电源指示灯亮。

五十九、打开nextpad,运行RTD热电阻实验应用程序六十、查看传感器介绍，了解热电阻的原理以及温度计算公式。

六十一、在特性曲线页面。

移动A、B值的滑块，观察系数对特性曲线的影响。