传感器实验指导书

传感器实验指导书-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1

传

感

器

实

验

指

导

书

实验一电位器传感器的负载特性的测试

一、实验目的：

1、了解电桥的工作原理及零点的补偿；

2、了解电位器传感器的负载特性；

3、利用电桥设计电位器传感器负载特性的测试电路,并验证其功能。

二、实验仪器与元件：

1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；

2、电阻若干（1k, 100K）；电位器(10k)传感器（多圈线绕）；

3、运算放大器LM358；

4、电子工具一批（面包板、斜口钳、一字螺丝刀、导线）。

三、基本原理：

电位器的转换原理

电位器的电压转换原理如图所示，设电阻体长度为L，触点滑动位移量

为x，两端输入电压为U i，则滑动端输出电压为

电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。当电位器的负载系数发生变化时，其负载特性曲线也发生相应变化。

电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。

四、实验步骤：

1、在面包板上设计负载电路。

3、改进电路的负载电阻RL，用以测量的电位器的负载特性。

4、分别选用1k电阻和100k电阻，测试电位器的负载特性，要求每个负载至少有5个测试点，并计入所设计的表格1，如下表。

五、实验报告

1、 画出电路图，并说明设计原理。

2、 列出数据测试表并画出负载特性曲线。电源电压5V ，测试表格1. 曲线图：画图说明，x 坐标是滑动电阻器不带负载时电压；y 坐标是对应1000欧姆（负载两端电压）或100k 欧姆（负载两端电压），100欧和100K 欧两电阻可以得到两条曲线。

O

1

2

3

4

5

UK

UR1UR2

3、说明本次设计的电路的不足之处，提出改进思路，并总结本次实验中遇到

困难及解决方法。

实验二声音传感器应用实验-声控LED旋律灯

一、实验目的：

1、了解声音传感器的工作原理及应用；

2、掌握声音传感器与三极管的组合电路调试。

二、实验仪器与元件：

1、直流稳压电源、数字万用表、电烙铁等；

2、电子元件有：

声音传感器（带脚咪头）1个；弯座1个；线1个；5MM白发蓝LED 5个；9014三极管 2个1M电阻 1个；10K电阻 1个；电阻 1个；1UF电解电容 1个；47UF电解电容 1个；万能电路板一块。

三、基本原理：

声控LED旋律灯工作电压。其功能为：本电路制作成功后5只LED会随着音乐或是其它声音的节奏闪动起来，可放置于音响附近，让灯光为音乐伴舞！电路原理图如图1所示。

图1 声控LED旋律灯

当发出声音时，声音波传入声音传感器，声音传感器把声音波转换成电压波动。这个电压波动可以通过电容C2，传到Q1三极管的基极。然后这个电压波变Q1和Q2两级放大之后，输出较大的电压波。最后这个电压波使得5只LED闪动起来。

四、实验步骤：

1、领取元件，然后检查各个元件是否有损坏。

2、按照图1，焊接各个元件。

3、检查元件是否有虚焊，短路等现象，无误后上电调试运行。

4、发出声音，是否有LED亮，是否出现LED按照声音的节奏显示和熄灭。若现象不正确，请出现调试。

5、当传感器是否感应有声音时，测量Q2的基极电压分别是多少

五、实验报告内容

1、简述声音传感器的工作原理。

2、调试运行“声控LED旋律灯”过程中，是否遇到虚焊、短路、连线错误

等现象如何解决的

3、电路板调试正常后，有声音的时候，LED有什么现象没有声音的时候，

LED灯有什么现象

4、有声音或没有声音时，测量Q2的基极电压分别是多少

5、对本次实验进行小结，提出改进的建议。

实验三热敏电阻测温实验

一、实验目的：

1、进一步了解热敏电阻温度传感器的分类和特性；

2、了解热敏电阻的测温方法；

3、掌握测温电路的原理。

二、实验仪器与元件：

1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；

2、传感器实验箱(测温模块、数字电压表模块)；

3、水容器、冷水、60℃以上热水、搅棒，把热水和冷水混合配成不同温度的水，进行测量。

三、基本原理：

热敏电阻匹配阻值约10k欧姆。热敏电阻测温方法有2种。方法一公式法。NTC负温度系数热敏电阻 NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。公式如下：

?

R：周围温度T (K) 时的电阻值（K：绝对温度）

R0：周围温度T0 (K) 时的电阻值，R0=10 000?Ω

B：热敏电阻的B常数，B=3950

T：现在测量的温度，单位K

T0：环境温度，通常t0为298K（绝对温度）（即：25度）

方法二：查表法型号：MF55-103F-3950F，温度与电阻值表格如下：

其他表格自己在网上查找

由NTC热敏电阻MF55-103F-3950F为温度传感器的测温电路如图1所示。

图1 热敏电阻测温电路

图1中，VCC点接电源电压5V，R电阻的阻值为8kΩ左右，C电容为10uf，其中电阻R与热敏电阻串联，中间的连接点为输出的电压Uout。当被测温度升高

时该点电位降低，输出电压降低，以指示较高的温度值；反之当被测温度降低时，输出电压升高，以指示较低的温度值。

四、实验步骤：

1、准备好盛水容器、冷水、60℃以上热水、水银温度计、搅棒；把热水和冷水混合配成不同温度的水，进行测量。

2、把传感器和水银温度计放入盛水容器中，接通电路电源。

3、水杯中加入热水和冷水，配成不同温度的水进行实验。直接将热敏电阻放入水中，用万用表直接测量热敏电阻的电阻值，将测量数据写入表1。

表电阻值随温度变化数据

4、将电阻R与传感器串联后，接入电源，进行测量输出电压。

5、水杯中加入热水和冷水，配成不同温度的水进行实验。电压表的电压值与温度之间有数学关系；温度不同时，输出电压值不同。用热敏电阻测量不同的温度的水，进行测量，将输出电压，填入表格2中。

表2 输出电压随温度变化的数据

6、作出V-t曲线，指出线性范围，并求出灵敏度。

五、实验报告内容

1、整理实验数据，将表1和表2记录在实验报告中。

2、当温度升高时，热敏电阻的阻值如何变化热敏电阻的热电特性是PTC还是NTC呢

3、根据表2的实验数据，以温度为x轴，输出电压为y轴，画出相应的趋

势曲线，同时计算出温度与电压之间数学关系。

4、分析趋势曲线可以得出的温度与输出电压U之间的变化关系是什么如果

使用的是PTC型热敏电阻，那么温度与输出电压之间的变化关系是什么

实验四红外传感器应用实验

一、实验目的：

1、了解红外收发二极管的工作原理及应用；

2、掌握红外对管与放大器的组合电路调试。

二、实验仪器与元件：

1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；

2、传感器实验箱(红外模块、超声波模块、数字电压表模块)；

三、基本原理：

实验电路如图所示。

D

D

D

图

红外发射管在接到正12V电压时会发出峰值波长为940nm的红外光，W1为限流电阻，调节W1改变红外发射管的电流，电流越大，红外发射管的发射距离越远。而红外接收管则反接在+12V电压上，在没有接受到峰值波长为940nm的红外光是反映二级管的反相截止特性，A点电压相当于电源电压（12V）,当红外发射管（完全）接受到红外光时，红外接收管呈反向光电流增大，A点电压变小。(由于接收到的红外光的程度不同，红外接收管的导通程度也会不同，A点电压会有相应的误差。若红外接收管正向连接，则其表现为随遮挡而变化的电阻)。本实验电路为红外反射式电路，在一定

范围能若有物体挡住红外光，红外光反射回红外接受管，接受到信号后才生电平的变化。（注：黑色物体会把红外光吸收，无法反射）

U1A为LM358的一个运放，这里的作用是作射随器，射随电路的特点是输出电压不变，电流放大一般用于输入，输出，缓冲级用于阻抗匹配。

U1B为LM358的另一个运放，这里的作用是做一个比较器，比较同相输入端与反相输入端的电压（即B点于C点）。当B点电压大于C点电压时，输出高电平（+12V）。当B点电压小于C点电压时，输出低电平（-

12V）。电路中用一个指示灯来观察输出的电平。W2作用是反相端电压调整，适当调整C点电压，使其与B点电压比较,才能达到输出端的电平变换。

四、实验步骤：

1、测量A,B点电压。直接用万用表测量A(J4)点电压及B(J3)点电压，记录数值在表中，然后用物体放在红外管前（15mm内）测出A点电压及B点电压，记录数据。

表实验数据记录表

2、调节基准电压C。（1）状态一，C点电压大于B点电压：比较B点电压，调节POT2，测量C(J2)点电压，调节C点电压大于B点电压，用手遮挡红外管，观察指示灯亮灭情况并记录。（2）状态二，C点电压小于B点电压：调节C点电压小于B点电压（根据实验原理适当调节），用手遮挡红外管，观察指示灯亮灭情况，填入表中。

表实验数据记录表

1、

表示红外接收管接收到反射的红外光。反复调节，观察红外发射的距离变化情况（记录最大和最小距离）。用黑色物体来遮挡，观察指示灯是否变化。

五、实验报告内容

1、简述整个电路的工作原理。

2、整理实验数据，记录表和表，分析实测数据变化规律。

3、总结本次实验过程中遇到的问题及解决方法。提出对红外实验模块的改

进意见。

4、观察红外发射的距离变化情况（记录最大或最小距离）。

实验五电子称的原理与测试

一、实验目的：

1、了解电子秤的工作原理；

2、了解悬臂梁应变传感器的特点和使用；

3、通过对电子秤的测试,分析传感器的基本特性。

二、实验仪器与元件：

1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；

2、传感器实验箱(电子秤模块、数字电压表模块)；

3、托盘、砝码6个5g、10 g、20 g、20 g、50 g、100。

三、实验原理：

在全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的两只接入邻边，如图所示。当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出为

U o=KE（2-1）

式中，E为电桥电源电压。式（2-1）表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

图

电子称模块利用的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数，使电路输出电压值为重量的对应值，将电压量纲（V）改为重量量纲（g），即制成一台比较原始的电子称。

四、实验步骤：

1、悬臂梁应变式称重传感器已安装在电子秤实验模块上，可参考图。电子秤电路如图所示。

图

2、将差动放大器调零。检查实验箱一切正常后，打开主控台电源，按下相应电子秤模块开关。保持托盘上无任何重物，输出端U o2接数显电压表（选择2V 挡），调节电位器R w4，使电压表显示为0V。R w4的位置确定后不能改动。

3、在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节R w3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示左右，读取数显表数值。保持R w3不变，依次增加砝码（至少3只），读取相应的数显表值，记下实验结果，填入表中，关闭电源。

表实验数据记录表

重量/g

电压/V

五、实验报告内容

1、简述实验原理。

2、整理实验数据记录表，在坐标轴上画出各个数据点，然后用直线拟合，

得出重量与电压的数学关系。根据拟合曲线，计算灵敏度L=U/W、非线性误差?f3。。

3、写出拆卸掉的电子称产品的系统框图，简单分析其工作原理，产品的结

构特点等。

4、总结本次实验过程中遇到的问题及解决方法。提出对电子秤实验模块的

改进意见。

实验六超声波位移测量实验

一.实验目的

1.学习LabVIEW软件的使用。

2.认识超声波传感器的工作原理。

3.学习使用超声波传感器进行位移测量的方法。

二.实验原理

1.超声波传感器测量原理：

超声波测距传感器包括有发射超声波和接收超声波的两部分装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

超声波发射探头向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物会立即返回来，超声波接收探头收到反射波立即停止计时。设超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2。需要说明的是，超声波传感器发射的波束比较窄（<10°），反射后仍然很窄，如果被测物体被旋转放置，有可能反射波束会偏离出接收探头的位置，导致探头接收不到反射波信号，无法进行测距。实验所使用超声波传感器的发射波频率是

40KHz，它由单片机控制发射探头发射一组超声波脉冲后，输出电平由低电平转为高电平；等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由高电平转为低电平。所以在实验的过程中，可以观察到随着反射板到探头的距离变化，传感器输出波形的“脉冲”宽度也会对应的发生变化，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。

另外，空气中的声音传播速度不是一个固定的值，在不同的温度下这个数据会有一些变化。通常我们说的340m/s是一个近似数据，传播速度的修正公式为S=×(1＋t/273）^，t为空气温度。作为常温下的测试，可以认为声速为346 m/s（按25℃计算）。

超声波传感器距离测量原理示意图

2.红外传感器测量原理：

红外传感器是基于三角测量原理设计的。如下图左图所示，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束反射回来，反射的红外光线被CCD检测器接收以后，得到一个偏移值L。利用三角关系，以知发射角度α，偏移距L，中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。

三角测量原理红外传感器电压与检测距离间关系

当距离D足够小的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围。这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测的物体越远，CCD的分辨率要求就越高。

输出电压与检测距离之间的关系如上图右图所示。从图中可以看出，传感器与被探测物体之间的距离小于10cm的时候，输出电压急剧下降，这就要求测量时传感器与被探测物体之间距离应尽可能大于10cm。

此外，红外传感器的输出是非线性的。如果采用线性拟合的方法进行数据标定，误差很大。这里可以采用多项式拟合的方法。假设有一个高阶的多项式函数

y=a n x n+a(n-1)x(n-1)+…+ax+a0

其中y代表距离，x代表红外传感器输出电压。如果该函数能够逼近实际的待拟合的数据，那么就采用该多项式作为传感器的输出函数。实际上，对于红外传感器来说，采用多项式函数拟合与采用线性最小二乘法拟合相比较，前者的误差大大减小。

三.实验仪器和设备

1.计算机１台

https://www.wendangku.net/doc/d518722093.html,bVIEW软件 1套

3.超声波红外位移测量实验模块 1个

4.多通道数据采集模块 1套

5.多路电源模块 1套

四.实验步骤

1.关闭多路电源模块的开关，关闭多通道数据采集模块的开关，以免带电插入传感

器信号线和直流电源线。将多路电源模块电源线接入交流电源220V。

2.将超声波位移测量对象的电源线（φ16五芯航插）连接至多路电源接口；将多

通道数据采集模块电源线（φ16五芯航插）连接至多路电源接口。

3.将超声波传感器的信号输出线连接至数据采集模块的第1通道上。

4.开启总电源，开启多路电源模块开关，开启数据采集模块开关，开关开启后禁止

带电插拔电源线和信号线。

5.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”，运行LabVIEW

程序“超声波传感器—位移测量实验.vi”。

6.移动滑块来改变挡板到超声波之间的距离，观察采集到的数据信号波形。结合超

声波传感器的原理，解释波形变化的原因和规律。

7.读懂LabVIEW程序，如何采集超声波信号，如何并进行信号处理。

8.比较实验测得值与模块表面刻度尺读数之间偏差，多次移动滑块测量该偏差是否

恒定。

9.如果偏差恒定，尝试在软件中对超声波测量的距离进行补偿，使测量更准。

超声波传感器—-位移测量实验LabVIEW程序界面

10.单击“STOP”按钮停止程序运行。首先关闭多通道数据采集模块开关，关闭多路

输出电源模块开关，然后再拔超声波传感器的信号输出线，连接上红外传感器的信号输出线，打开多路输出电源模块电源开关、打开多通道数据采集模块开关11.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”，打开文件“红

外位移测量模块”。程序界面下图所示。

五.实验报告要求

1.简述超声波传感器和红外传感器的原理；

2.依据超声波传感器的实验记录作数据分析；

六.注意事项

超声波传感器的有效测量距离是2cm~300cm。实际距离若过小或过大可能导致测量误差增大，在测量过程中请保持在此距离以内。

避免信号线带电插拔，造成仪器或设备受损。

实验七数字温度传感器18B20测量实验

一、实验目的：

1、进一步了温度测量方法；

2、了解18B20传感器的结构和原理；

3、掌握数字温度传感器的软件驱动方法。

二、实验仪器与元件：

1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表；

2、传感器实验箱(测温模块、数字电压表模块)；

3、水容器、冷水、60℃以上热水、搅棒，把热水和冷水混合配成不同温度的水，进行测量。

4、电脑

三、基本原理：

DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20

的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码

（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。