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实验一温度传感器实验

一、实验目的

掌握温度传感器的特性、工作原理及其应用。

二、实验原理

实验电路图如图1-2所示，R2用作加热电阻，R3为负温度系数热敏电阻NTC，用来检测加热温度的变化，R3、R4、R5、R6组成全桥电路，当J1的1-2端、J2的1-2端断开时，则桥路后面的精密仪器放大器的输入电压为0，此时可以通过调节电位器RW对放大电路进行调0；当J1的1-2端、J2的1-2端接通时，则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大，从而在Uo的输出端得到随加热温度变化而变化的电压信号。

本实验中的温度传感器采用了热敏电阻，热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC （Negative Temperature coefficient Thermistor）和正温度系数热敏电阻PTC（Positive Temperature Coefficient Thermistor），临界温度系数热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）三种，本实验用的是负温度系数热敏电阻NTC，NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于之间的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为：，式中，R0是在25时或其他参考

温度时的电阻，是热力学温度（K），B称为材料的特征

温度，其值与温度有关，主要用于温度测量。

NTC和PTC的特征曲线如图1-1所示：

图1-1

图1-2

三、实验设备

万用表、温度传感器调理模块。

四、实验内容与步骤

1．将“温度传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上；

2. 在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）；

3、进行调理电路的调零：先将“温度传感器调理模块”的拨动开关拨向下方（此时模块上的灯暗）；用短路帽短接此模块上J1、J2下方的两个插脚，再调节电位器RW，用万用表测量的两端，使输出电压为零；再把短路帽切换到J1、J2上方的两个插脚。

4、调零完成之后，再把拨动开关拨向上方（模块上的灯亮），此时电阻R2处于加热状态，用万用表测量的两端，在加热过程中，观测并记录输出电压的变化情况。

五、思考题

归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。

六、实验报告要求

1、整理实验数据，分析热敏电阻NTC的阻值随温度变化的情况；

2、画出热敏电阻NTC的温度特征曲线。

实验二金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、实验原理

应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1 型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图2-2 应变式传感器安装示意图

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。

金属的电阻表达式为：

（1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

（2）

式中的为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1×）。若径向应

变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为，因为=2（），则（2）式可以写成：

（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，受两个因素影响，一个是（1+），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则，对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系

（4）

式中σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压U= EKε/4，式中E为电桥供电电压，K为应变灵敏系数。

应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。

图2-1应变式传感器信号调理实验电路图

三、实验设备

THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。

四、实验内容与步骤

1．将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）

2．检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）

3．按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图2-3所示。