传感器实验

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组件，一般用半导
体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC（NegativeTemperaturecoefficientThermistor）
和正温度系数热敏电阻PTC
（PositiveTemperatureCoefficientThermistor），临界温度系数热敏
电阻CTR（CriticalTemperatureResistor）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C0300~100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：0110TTBTeRR，式中，R0是
在25C0时或其他参考温度时的电阻，0T是热力学温度（K），B称为材料的特征温度，其
值
图1-1

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1-2
三、实验设备
万用表（自备）、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OU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OU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。
实验报告
实验名称： 传感器原理及应用
实验题目： 金属箔式应变片——单臂电桥性能
实验地点： 多学科楼三层
专业班级： 电信0901班 学号： 20090046
学生姓名： 张敏
指导教师： 常广志
2012年10月13日

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：
l
RS
（1）

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，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R。对式（1）全微分，并用相对
变化量来表示，则有：
RlSRlS

（2）

式中的ll为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1×610mmmm）。
若径向应变为rr，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为
lrrl


（）
，因为SS=2（rr），则（2）式可以写成：

0
1212RlllkRlllll（）（）
（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。0k称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k受
两个

因素影响，一个是（1+2），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

210k

，对半导体，0k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0k=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

E

（4）

式中σ——测试的应力；
E——材料弹性模量。
可以测得应力值σ。通过弹性敏感组件，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组件，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（自备）、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，合上控制台电源开关，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）。关闭控制台电源。（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。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，
使数显表显示约为零（万用表2V档测量）。
4． 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的
数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表2-1，关闭电源。
表2-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值
重量(g)
电压(v)
图2-3应变式传感器单臂电桥实验接线图
5． 根据表1-1计算系统灵敏度WUS/（U输出电压的变化量，W重量变化量）
和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的
最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。
五、实验注意事项
1． 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。
2． 电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。
六、实验报告要求
1． 记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。
从理论上分析产生非线性误差的原因。