THQC-2型 实验指导书

THQC-2型 传感器系统综合实验仪

目 录

目 录 ............................................................................................................................. 1

实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 ................................................... 2 实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验 .......................................................... 4

实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验 .......................................................... 6 实验四 实验五 实验六 实验七

移相实验 ................................................................................................. 8 相敏检波实验 .......................................................................................... 9 交流全桥性能测试实验 ...........................................................................12 扩散硅压阻式压力传感器压力实验 .........................................................14

实验八 差动电感性能实验 ..................................................................................16 实验九 电容式传感器位移特性实验 ....................................................................18 实验十 电容传感器动态特性实验 .......................................................................20 实验十一 霍尔传感器位移特性实验......................................................................21 实验十二 磁电式传感器振动实验 .........................................................................22 实验十三 压电式传感器振动实验 .........................................................................23 实验十四 电涡流传感器位移特性实验 ..................................................................25 实验十五 电涡流传感器振动实验 .........................................................................27 实验十六 光纤传感器位移特性实验 .......................................................................28 实验十七 光电转速传感器转速测量实验...............................................................30 实验十八 铂热电阻温度特性实验 .........................................................................31 实验十九 K型热电偶温度特性实验......................................................................32 实验二十 正温度系数热敏电阻（PTC）温度特性实验 ..........................................34 实验二十一 负温度系数热敏电阻（NTC）温度特性实验 ........................................35 实验二十二 PN结温度特性实验.............................................................................36 实验二十三 气敏（酒精）传感器实验 ....................................................................37 实验二十四 湿敏传感器实验 ..................................................................................38

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实验一 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、实验仪器

双杆式悬臂梁应变传感器、电压温度频率表、直流稳压电源（±4V）、差动放大器、电压放大器、万用表（自备） 三、实验原理

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为

?RR?k?? （1-1）

式中

?RR为电阻丝电阻相对变化；

k为应变系数；

???ll为电阻丝长度相对变化。

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。如图1-1所示，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。

图1-1 双杆式悬臂梁称重传感器结构图

通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。如图1-2信号调理电路所示，R5=R6=R7=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

U0?E4??R/R1?R1??2R （1-2）

E为电桥电源电压；

12??RR?100%式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=?。

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图1-2 单臂电桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．悬臂梁上的各应变片已分别接到面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．按图1-2接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连，“电压放大器”输出端接电压温度频率表（选择U），开启直流电源开关。将“差动放大器”的增益调节电位器与“电压放大器”的增益调节电位器调至中间位置（顺时针旋转到底后逆时针旋转5圈），调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。关闭“直流电源”开关。（两个增益调节电位器的位置确定后不能改动）

3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器R1接入“电桥”与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。“电桥”输出接到“差动放大器”的输入端，“电压放大器”的输出接电压温度频率表。预热两分钟。(直流稳压电源的GND1要与放大器共地)

4．将千分尺向下移动，使悬臂梁处于平直状态，调节Rw1使电压温度频率表显示为零（选择U）。

5．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表1-1。

表1-1 位移(mm) 电压(mV) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。 2.根据实验内容试设计一种电子秤。 六、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

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实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的

比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。 二、实验仪器

同实验一 三、实验原理

不同受力方向的两只应变片（R1、R2）接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变系数也相同时，半桥的输出电压为 U0?式中

?RRE?k??2?E2??RR （2-1）

为电阻丝电阻相对变化；

k为应变系数；

???ll为电阻丝长度相对变化； 为电桥电源电压。

E式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

图2-1 半桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。

2．按图2-1接好“差动放大器”和“电压放大器”电路。“差动放大器”的调零，参考实验一步骤2。

3．按图2-1接好所有连线，将受力相反的两只应变片R1、R2接入电桥的邻边。 4．参考实验一步骤4。

5．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表2-1。

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表2-1 位移(mm) 电压(mV) 验设备。 五、实验报告

1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。 2.根据实验内容试设计一种电子秤。 六、思考题

半桥测量时非线性误差的原因是什么？ 七、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实

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实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

了解全桥测量电路的优点。 二、实验仪器

同实验一 三、实验原理

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，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

Uo=E?式中E为电桥电源电压。

?RR?RR （3-1）

为电阻丝电阻相对变化；

式3-1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3-1 全桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，R1、R2、R3、R4均为应变片，可参考图1-1。 2．按图3-1先接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，“差动放大器”的调零参照实验一步骤2。

3．按图3-1接好所有连线，将应变片接入电桥，参考实验一步骤4。

4．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表3-1。

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表3-1 位移(mm) 电压(mV) 0.5 1.0 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。 2．根据实验内容试设计一种电子秤。

3．比较单臂、半桥、全桥三者的特性曲线，分析他们之间的差别。 六、思考题

全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥？ 七、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

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实验四 移相实验

一、实验目的

了解移相电路的原理和应用。 二、实验仪器

移相器、信号源、示波器（自备） 三、实验原理

由运算放大器构成的移相器原理图如下图所示：

图4-1 移相器原理图

通过调节Rw，改变RC充放电时间常数，从而改变信号的相位。 四、实验步骤

1．将“信号源”的U S100幅值调节为6V，频率调节电位器逆时针旋到底，将U S100 与“移相器”输入端相连接。

2．打开“直流电源”开关，“移相器”的输入端与输出端分别接示波器的两个通道，调整示波器，观察两路波形。

3．调节“移相器”的相位调节电位器，观察两路波形的相位差。 4．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

根据实验现象，对照移相器原理图分析其工作原理。 六、注意事项

实验过程中正弦信号通过移相器后波形局部有失真，这并非仪器故障。

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实验五 相敏检波实验

一、实验目的

了解相敏检波电路的原理和应用。 二、实验仪器

移相器、相敏检波器、低通滤波器、信号源、示波器（自备）、电压温度频率表 三、实验原理

开关相敏检波器原理图如图5-1所示，示意图如图5-2所示：

图5-1 检波器原理图

图5-2 检波器示意图

图5-1中Ui为输入信号端，AC为交流参考电压输入端，Uo为检波信号输出端，DC为直流参考电压输入端。

当AC、DC端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。

输入端信号与AC参考输入端信号频率相同，相位不同时，检波输出的波形也不相同。当两者相位相同时，输出为正半周的全波信号，反之，输出为负半周的全波信号。 四、实验步骤

1． 打开“直流电源”开关，将“信号源”U S1 0输出调节为1kHz，Vp-p＝8V的正弦信号（用示波器检测），然后接到“相敏检波器”输入端Ui。

2． 将直流稳压电源的波段开关打到“±4V”处，然后将“U+”“GND1”接“相敏检波器”的“DC”“GND”。

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0

、处于开或关的状态，从

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3． 示波器两通道分别接“相敏检波器”输入端Ui、输出端Uo，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。

4． 改变DC端参考电压的极性（将直流稳压电源处的“U-”接到相敏检波器的“DC”端），观察输入、输出波形的相位和幅值关系。

5． 由以上可以得出结论：当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。

6． 去掉DC端连线，将信号源U S1 0接到“移相器”输入端Ui，“移相器”的输出端接到“相敏检波器”的AC端，同时将信号源U S1 0 输出接到“相敏检波器”的输入端Ui。

7． 用示波器两通道观察

、

的波形。可以看出，“相敏检波器”中整形电路的作用是将

输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。

8． 将“相敏检波器”的输出端与“低通滤波器”的输入端连接，如图5-4（图5-3为低通滤波器的原理图），“低通滤波器”输出端接电压温度频率表（选择U）。

9． 示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端。 10． 调节移相器“相位调节”电位器，使电压表显示最大。

11． 调节信号源U S1 00幅度调节电位器，测出“相敏检波器”的输入Vp-p值与输出直流电压UO的关系，将实验数据填入下表。

12． 将“相敏检波器”的输入信号Ui从U S1 00转接到U S1 1800。得出“相敏检波器”的输入信号Vp-p值与输出直流电压UO1的关系，并填入下表。 表5-1 输入Vp-p(V) 输出UO（V） 输出UO1（V） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0

13． 实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

图5-3 低通滤波器原理图 图5-4低通滤波器示意图

五、实验报告

根据实验所得的数据，作出相敏检波器输入—输出曲线（Vp-p—Vo、Vo1），对照移相器、

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相敏检波器原理图分析其工作原理。

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实验六 交流全桥性能测试实验

一、实验目的

了解交流全桥电路的原理。 二、实验仪器

应变传感器、移相器、相敏检波器、低通滤波器，差动放大器，电压放大器，信号源，示波器（自备），电压温度频率表 三、实验原理

图6-1是交流全桥的一般形式。设各桥臂的阻抗为Z1~Z4，当电桥平衡时，Z1 Z3= Z2 Z4，电桥输出为零。若桥臂阻抗相对变化为△Z1/ Z1、△Z2/ Z2、△Z3/ Z3、△Z4/ Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。

交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。

图6-1 交流全桥接线图

四、实验步骤

1．轻按住悬臂梁，向上调节千分尺，使千分尺远离悬臂梁。

2．打开“直流电源”，调节信号源使U S1 00输出1kHz，Vp-p＝8V正弦信号。

3．将“差动放大器”的输出接到“电压放大器”的输入，“电压放大器”输出接电压温度频率表（选择U）。调节“差动放大器”和“电压放大器”的增益调节电位器调到最大（顺时针旋到底）。将“差动放大器”输入短接，调节调零电位器，使电压温度频率表显示为零。

4．取下“差动放大器”输入端的短接线。按图6-1接好所有连线，将应变传感器接入电桥，GND3与放大器共地。将U S1 00接到移相器的输入端，移相器输出端接相敏检波器的AC端。电压放大器的输出接相敏检波器的输入端，相敏检波器输出端接滤波器的输入端，滤波器的输出端接电压温度频率表（选择U）。

5．用手轻压悬臂梁到最低，调节“相位调节”电位器使“相敏检波器”输出端波形成为首尾相接的全波整流波形，然后放手，调节千分尺与悬臂梁相接触，并使悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中Rw1和Rw2电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。

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6．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入下表： 表6-1 位移(mm) 电压(mV) 0.5 1.0 1.5 2. 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。 2．根据实验内容试设计一种电子秤。 六、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

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实验七 扩散硅压阻式压力传感器压力实验

一、实验目的

了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器

压力传感器、气室、气压表、差动放大器、电压放大器、电压温度频率表 三、实验原理

在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，可以制备各种压力传感器。摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器，如图7-1所示，在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

扩散硅压力传感器的工作原理如图7-1，在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时（本实验采用改变气室内的压强的方法改变剪切力的大小），在垂直于电流方向将会产生电场变化

E????i，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo。

UO?d?E?d????i （7-1） 式中d为元件两端距离。

实验接线图如图7-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1

图7-1 扩散硅压力传感器原理图

图7-2 扩散硅压力传感器接线图

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四、实验内容与步骤

1．按图7-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接电压温度频率表（选择U，20V档），打开直流电源开关。（将“2~20V直流稳压电源”输出调为5V）

2．调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到中间位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。

3．取下短路导线，并按图7-2连接“压力传感器”。

4．气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。增大输入压力到0.005MPa，每隔0.005Mpa记下“电压放大器”输出的电压值U。直到压强达到0.1Mpa；填入下表。 表7-1 P(kP) U（V） P(kP) U（V） 5 55 10 60 15 65 20 70 25 75 30 80 35 85 40 90 45 95 50 100 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

1.根据实验所得数据，计算压力传感器输入—输出（P—U）曲线，并计算其线性度。 2.根据实验内容，试设计电子气压计。

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实验八 差动电感性能实验

一、实验目的

了解差动电感的工作原理和特性。 二、实验仪器

差动电感、测微头、差动放大器、信号源、示波器（自备） 三、实验原理

差动电感由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体。移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级线圈的感应电动势增加，另一只次级线圈的感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出，则输出的变化反映了被测物体的移动量。 四、实验内容与步骤

1．差动电感已经根据图8-1安装在传感器固定架上。

图8-1 差动变压器安装图

图8-2 差动电感接线图

2．将“信号源 ”“Us1 0°”输出接至L1，打开“直流电源”开关，调节Us1的频率和幅度（用示波器监测），使输出信号频率为（4-5）kHz，幅度为Vp-p=2V，按图8-2接线。

3．将“差动放大器”的增益调到最大（增益调节电位器顺时针旋到底）。

4．用示波器观测“差动放大器”的输出，旋动实验台中右侧的千分尺，用示波器观测到的

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波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以上下位移，假设向上移动为正位移，向下移动为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表8-1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意上、下位移时，初、次级波形的相位关系。 表8-1 X(mm) Vp-p(V) -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

1.实验过程中注意差动电感输出的最小值即为差动电感的零点残余电压大小。根据表8－1画出Vp-p－X曲线。

2.分析一下该测试电路的误差来源。 六、注意事项

实验过程中加在差动电感原边的音频信号幅值不能过大，以免烧毁差动电感传感器。

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实验九 电容式传感器位移特性实验

一、实验目的

了解电容传感器的结构及特点。 二、实验仪器

电容传感器、电容变换器、测微头、电压温度频率表 三、实验原理

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理：

C??Sd??0??r?Sd （9-1）

0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，由

式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε

此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图9-1，两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。

图9-1电容传感器内部结构示意图

四、实验内容与步骤

1．电容传感器已经按图9-2安装在实验台。

图9-2 电容传感器安装示意图

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图9-3 电容传感器接线图

2．将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连，“电容变换器”的输出接到电压温度频率表（选择U）。（注：此处应选用三根相同长度的实验导线，而且越短越好。）

3．打开“直流电源”开关。调节“电容变换器”的增益调节电位器到中间位置，调节螺旋测微器使得电压温度频率表显示为0。（增益调节电位器确定后不能改动）

4．调节螺旋测微器推进电容传感器的中间极板（内极板）上下移动，每隔0.2mm将位移值与电压温度频率表的读数填入表9-1。 表9-1 X(mm) U (V) 五、实验报告

1.根据表9-1的数据作做出电压—位移曲线。

2.试分析电容传感器转接电容变换器的导线为什么要长度一致。

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 19 天煌科技 天煌教仪

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实验十 电容传感器动态特性实验

一、实验目的

了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。 二、实验仪器

电容传感器、电容变换器、低通滤波器、信号源、示波器（自备）、电压温度频率表、振动源

三、实验原理

与电容传感器位移特性实验原理相同。 四、实验内容与步骤

1．将悬臂架上的千分尺升高使其远离托盘，将底面板电容传感器对应接入电容变换器中（注：选用三根相同长度的实验导线）。将“电容变换器”的输出端接“低通滤波器”的输入端，“低通滤波器”输出端接示波器。电容变换器的“增益调节”电位器调到最大位置（顺时针旋到底）。

图10-1 电容传感器动态实验接线图

2．打开实验台电源，将信号源Us2接到“振动源1”。信号源Us2输出信号频率调节为“10-15Hz”之间，振动幅度调到最大。

3．用电压温度频率表（选择“F”）监测Us2的频率。

4．调节信号源改变输出频率，用示波器测出“低通滤波器”输出波形的峰-峰值。填入下表。 表10-1 振动频率(Hz) Vp-p(mV) 五、实验报告

1.作电容传感器F-Vp-p曲线，找出振动源的固有频率。 2.分析一下该测试电路的误差来源。

10 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 20 天煌科技 天煌教仪

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实验十一 霍尔传感器位移特性实验

一、实验目的

了解霍尔传感器的原理与应用。 二、实验仪器

霍尔传感器、测微头、电桥、差动放大器、电压温度频率表、直流稳压电源（±4V） 三、实验原理

根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为霍尔系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。 四、实验内容与步骤

1．将悬臂架上测微头向下移动，使测微头接触托盘。按图11-1接线（将直流稳压电源的GND1与仪表电路共地），输出Uo接电压温度频率表。

2．将“差动放大器”的增益调节电位器调节至中间位置。

3．开启“直流电源”开关，电压温度频率表选择“V”档，手动调节测微头的位置，先使霍尔片处于磁钢的中间位置（数显表大致为0），再调节Rw1使数显表显示为零。

4．分别向上、下不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表11-1。 表11-1。 X（mm） U(mV) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

图11-1 霍尔传感器位移接线图

五、实验报告

根据实验所得数据，作出U－X曲线。

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实验十二 磁电式传感器振动实验

一、实验目的

了解磁电式传感器的原理及应用。 二、实验仪器

振动源1、磁电式传感器、信号源、示波器（自备）、电压温度频率表、低通滤波器 三、实验原理

磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定理，线圈两端的感应电动势正 比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即e??d?dt??Nd?dt 其中N是线圈匝数，Φ为线圈所

包围的磁通量（本实验中当永磁磁钢接近传感器时，磁通量增加，反之，减小）。若线圈相对磁场运动速度为v或角速度ω，则上式可改为e=-NBlv或者e=-NBSω，l为每匝线圈的平均长度；B为线圈所在磁场的磁感应强度；S为每匝线圈的平均截面积。 四、实验内容与步骤

1．实验台上已按图12-1安装好磁电感应式传感器，磁钢已经固定在支架上。将千分尺向上移动，使其远离托盘。

2．如图12-2接线，将“信号源”Us2与“振动源1 ”相连，磁电传感器接低通滤波器输入端。用电压温度频率表（选择“F”）检测Us2的频率。

3．打开实验台电源，调节“信号源”改变输出频率，用示波器测出低通滤波器输出波形的峰-峰值。填入下表。 表12-1 振动频率(Hz) Vp-p(mV) 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

图12-1 磁电传感器安装示意图 图12-2磁电传感器接线图

五、实验报告

1.作出磁电传感器F-Vp-p曲线，找出振动源的固有频率。

2.利用磁电传感器在实验中表现出来的特性，试设计一种惯性传感器。

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实验十三 压电式传感器振动实验

一、实验目的

了解压电式传感器测量振动的原理和方法。 二、实验仪器

振动源2、信号源、压电传感器、低通滤波器、电荷放大器、示波器（自备） 三、实验原理

压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（实验用的压电式加速度计结构如图13-1）工作时传感器与试件振动的频率相同，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。

图13-1 压电传感器结构图

四、实验内容与步骤

1．将“振动源2”的千分尺向上移动到25mm刻度处。

2．按下图13-2接线，将面板上的“压电传感器”接口接到“电荷放大器”的输入端，将“电荷放大器”输出端接到“低通滤波器”输入端，将“低通滤波器”输出端接示波器，观察输出波形。

3．将“信号源”的“Us2”接到面板的“振动源2”，打开“直流电源”开关，调节幅度电位器到中间位置，调节频率电位器使振动梁起振。

4．电压温度频率表选择“F”，检测Us2的频率。

图13-2 压电传感器振动实验接线图

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5. 改变低频信号源输出信号的频率，用示波器观察，并记录振动源不同振动频率下压电传感器输出波形的峰—峰值VP-P。并由此得出振动系统的共振频率。

表13-1 振动频率(Hz) Vp-p(mV) 五、实验报告

1.作出压电传感器F-Vp-p曲线，找出振动源2的固有频率。

2.利用压电传感器在实验中表现出来的特性，试设计一种加速度传感器。 六、注意事项

当频率较小时，振动幅度较小，输出波形毛剌较为严重（毛剌为机械振动产生），实验频率可从14Hz左右开始，实验现像较为明显。

14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 24 天煌科技 天煌教仪

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实验十四 电涡流传感器位移特性实验

一、实验目的

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、实验仪器

电涡流传感器、不锈钢反射面、涡流变换器、测微头、电压温度频率表 三、实验原理

通过高频电流的线圈产生磁场（高频电流产生电路可参照图14-1），当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，从而使线圈两端电压发生变化。涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

图14-1 涡流变换器原理图

四、实验内容与步骤

1．按图14-2安装电涡流传感器。

图14-2 电涡流传感器安装示意图

2．将千分尺下移，使其与托盘接触，电涡流传感器移至不锈钢反射面上方与其平贴，并将锁紧螺母锁紧。

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图14-3 电涡流传感器接线图

3．按图14-3，将面板上电涡流传感器连接到“涡流变换器”上标有“流变换器输出端接电压温度频率表（选择U）。

”的两端，涡

4．打开实验台“直流电源”开关，记下电压表读数，调节千分尺使其向下移动，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表14-1。 表14-1 X（mm） UO(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 五、实验报告

根据表14-1数据，画出U－X曲线。

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实验十五 电涡流传感器振动实验

一、实验目的

了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。 二、实验仪器

电涡流传感器、不锈钢反射面、振动源、信号源、涡流变换器、示波器（自备）、低通滤波器

三、实验原理

根据电涡流传感器的动态特性和位移特性，选择合适的工作点即可测量振幅。 四、实验内容与步骤

1．上移千分尺，使其远离托盘，并根据图15-1安装电涡流传感器，注意传感器端面与不锈钢片反射面之间的安装距离，将升降支架升至最高位置。

2．将“涡流”传感器连接到“涡流变换器”上标有“置，打开“直流电源”开关。

3．调节Us2调频电位器，使振动源有微小振动。再慢慢调节频率使振动源振动幅度最大，同时慢慢下移升降架，使振动平台振动最大时不碰到涡流传感器底部。电压/频率显示表选择“F”，检测Us2的频率。

4．“涡流变换器”输出端接“低通滤波器”的输入端，从示波器观察“低通滤波器”的输出波形，记录不同振动频率下“低通滤波器”输出波形的峰峰值。

”的两端。“涡流变换器”输

出端接示波器。将信号源的“US2”接到“振动源1”输入端， US2幅度调节电位器调到最大位

图15-1电涡流传感器安装示意图

表15-1 振动频率(Hz) Vp-p(mV) 五、实验报告

10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 根据实验所得数据，作振动频率和输出峰值曲线，得出系统的共振频率。 六、注意事项

当频率较小时，振动幅度较小，输出波形毛剌较为严重，实验频率可从10Hz左右开始，实验现象较为明显。

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实验十六 光纤传感器位移特性实验

一、实验目的

了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。 二、实验仪器

Y型光纤传感器、测微头、反射面、差动放大器、电压放大器、电压温度频率表 三、实验原理

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图16-1所示，光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

图16-1 反射式光纤位移传感器原理 图16-2 光纤位移传感器安装示意图

四、实验内容与步骤

1．将千分尺下移，使其与托盘相接触，光纤传感器的安装如图16-2所示，光纤分叉两端插入“光纤插座”中。探头对准不锈钢反射面。按图16-3接线。

2．调节光纤传感器的高度，使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定光纤传感器。 3．将“差动变压器”与“电压放大器”的增益调节电位器调到中间位置。打开直流电源开关。

4．将“电压放大器”输出端接到电压温度频率表（选择U），仔细调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。

5．旋动测微头，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值， 填入下表。

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表16-1 X（mm） Uo(V)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

图16-3 光纤位移传感器接线图

五、实验报告

1.根据所得的实验数据，做出位移—电压曲线，确定光纤位移传感器大致的线性范围。 2.试总结在光纤传感器对位移的测量应用中被测物体的约束条件有哪些？ 六、注意事项

1.实验时，请保持反射面的清洁。

2.切勿将光纤折成锐角，保护光纤不受损伤。

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实验十七 光电转速传感器转速测量实验

一、实验目的

了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。 二、实验仪器

转动源、反射式光电传感器、直流稳压电源（2~20V）、电压温度频率表、示波器（自备） 三、实验原理

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是反射型的，传感器端有发光管和接收管，发光管发出的光被转盘上的圆孔透过，并转换成电信号。由于转盘上有1个透射孔，转动时将获得与转速有关的脉冲，用示波器观察频率即可得到转速值。 四、实验内容与步骤

1．如图17-1所示，光电传感器已经安装在转动源上，将直流稳压电源“U+”“U-”调至±4V并对应接至“转动源”的“+”“-”端。将“光电”传感器接至电压温度频率表（选择F）输入。

2．打开“直流电源”开关，调节直流稳压电源，用不同的电压驱动转动源，待转速稳定后记录相应的转速，填入下表。

图17-1 光电测转速安装示意图

表17-1 驱动电压V(V) 频率 (Hz) 五、实验报告

1. 根据所得实验数据，绘制转速—驱动电压曲线。

2. 试设计一种方案，使用对射式光电开关检测转盘的转速。

±4V ±6V ±8V ±10V 30 天煌科技 天煌教仪

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实验十八 铂热电阻温度特性实验

一、实验目的

了解铂热电阻的特性与应用。 二、实验仪器

PT100、水银温度计、万用表（自备）、直流稳压电源（2~20V） 三、实验原理

热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值通过测量电路转换电信号，即可得到被测温度。 四、实验内容与步骤

1．打开“直流电源”开关，调节“2~20V直流稳压电源”电位器，使“直流稳压电源”输出为5V。

2．用万用表接至PT100两端，选择“欧姆”“200”档。 3．将“2~20V直流稳压电源”接至“加热器”。

4．将水银温度计放至加热器表面（加热器已固定在平行梁的下悬臂梁背面），加热源温度慢慢上升。此时可用水银温度计测量加热源表面温度，同时观察PT100输出阻值的变化。 五、实验报告

1. 观察PT100的阻值随温度变化而变化的规律。

2. 请根据PT100在实验中表现出来的特性设计一款温度计，画出电路原理图及各项参数。 六、注意事项

实验过程中温度计示数大于72℃时，应马上拆掉加热电源。

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实验十九 K型热电偶温度特性实验

一、实验目的

了解K型热电偶的特性与应用。 二、实验仪器

加热器、K型热电偶、差动放大器，电压放大器、电压温度频率表、直流稳压电源（2~20V） 三、实验原理

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19-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。

图19-1（a） 图19-1（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ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图19-1（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ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即

ET=SAB（T-T0） （19-1）

SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。

热电偶的基本定律： （1）均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。

（2）中间导体定律

用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。

（3）中间温度定律

如图19-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度

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为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为

EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） （19-2）

式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T1=100℃，T2=40℃，T3=0℃，则

EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） （19-3）

图19-2 中间定律示意图

热电偶的分度号

热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0℃的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。 四、实验内容与步骤

1． 按图19-3先接好“差动放大器”和“电压放大器”，将“电压放大器”的输出接至毫伏表（选择100mV）。PT100接电压温度频率表（选择T）两端。

2． 打开“直流电源”开关，短接“差动放大器”的输入端，增益调节电位器都处于中间位置，调节调零电位器，使毫伏表显示为零。

3． 拿掉短路线，按图19-3接好所有连线。

图19-3 热电偶测温接线图

4． 调节“2~20V直流稳压电源”为5V，将“2~20V直流稳压电源”输出接入“加热器”电源输入端，加热源温度慢慢上升。

5． 观察毫伏表电压示数随温度的变化情况。 五、实验报告

在热电偶测温原理中，其冷端要置于冰水混合物中以保持零摄氏度状态，给具体应用带来很大不便。试设计一种方案实现热电偶的冷端补偿。 六、注意事项

实验过程中温度计示数大于72℃时，应马上拆掉加热电源。

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实验二十 正温度系数热敏电阻（PTC）温度特性实验

一、实验目的

1．了解正温度系数热敏电阻基本原理； 2．学习正温度系数热敏电阻特性与应用。 二、实验仪器

加热器、直流稳压电源（2~20V）、PTC、万用表（自备） 三、实验原理

热敏电阻工作原理同金属热电阻一样，也是利用电阻随温度变化的特性测量温度。所不同的是热敏电阻用半导体材料作为感温元件。热敏电阻的优点是：灵敏度高、体积小、响应快、功耗低、价格低廉，但缺点是：电阻值随温度呈非线性变化、元件的稳定性及互换性差。

正温度系数的热敏电阻PTC通常是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体，其电阻随温度增加而增加。开关型的PTC在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的曲段，即电阻值突然迅速升高。PTC适用的温度范围为-50～150℃，主要用于过热保护及作温度开关。PTC电阻与温度的关系可近似表示为：

RT?RT0expB?T?T0?

（20-1）

0式中， RT——绝对温度为T时热敏电阻的阻值； RT——绝对温度为T0时热敏电阻的阻值；

B——正温度系数热敏电阻的热敏指数。

四、实验内容与步骤

1． 万用表选择“欧姆”“200”档接于PTC两端，监测PTC电阻值的变化。PT100接电压

温度频率表（选择T）两端。

2． 打开“直流电源”开关，调节“2~20V直流稳压电源”为5V，将“2~20V直流稳压电源”输出接入“加热器”电源输入端，加热源温度慢慢上升。

3． 观察PTC电阻值随温度的变化情况。 五、实验报告

如果你手上有这样一个（PTC）热敏电阻，想用它制作一个温度报警电路，你认为该怎样来实现？ 六、注意事项

实验过程中温度计示数大于72℃时，应马上拆掉加热电源。

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实验二十一 负温度系数热敏电阻（NTC）温度特性实验

一、实验目的

1．了解负温度系数热敏电阻基本原理； 2．学习负温度系数热敏电阻特性与应用。 二、实验仪器

加热器、直流稳压电源（2~20V）、NTC、万用表（自备） 三、实验原理

负温度系数热敏电阻NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，其电阻随温度升高而降低，具有负的温度系数，特别适合-100～300℃之间的温度测量。通常将NTC称为热敏电阻。负温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性，可表示为：

?11?? RT?RT0expB???TT0???

式中，RT——绝对温度为T时热敏电阻的阻值；

RT0——绝对温度为T0时热敏电阻的阻值；

B——负温度系数热敏电阻的热敏指数。

四、实验内容与步骤

1． 万用表选择“欧姆”“2k”档接于NTC两端，监测NTC电阻值的变化。PT100接电压温

度频率表（选择T）两端。

2． 打开“直流电源”开关，调节“2~20V直流稳压电源”为5V，将“2~20V直流稳压电源”输出接入“加热器”电源输入端，加热源温度慢慢上升。

3． 观察NTC电阻值随温度的变化情况。 五、实验报告

1. PTC、NTC的温度特性都是非线性变化的，你认为在实际应用中应如何利用这些特性？

2. PTC、NTC温度特性参照曲线如图21-1显示。

图21-1 热敏电阻温度特性曲线

六、注意事项

实验过程中温度计示数大于72℃时，应马上拆掉加热电源。

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实验二十二 PN结温度特性实验

一、实验目的

了解PN结的温度特性。 二、实验仪器

加热器、直流稳压电源（2~20V）、PN结温度传感器、万用表（自备） 三、实验原理

PN结温度传感器采用半导体硅材料，当温度发生变化时，PN结的导通率也会随之发生变化，根据此种特性可将PN结用于制作温度传感器。 四、实验步骤

1．万用表（选择“二极管”档）的红黑表笔对应接到PN结的“+”“-”两端，监测PN结电阻值的变化。PT100接电压温度频率表（选择T）两端。

2．打开“直流电源”开关，调节“2~20V直流稳压电源”为5V，将“2~20V直流稳压电源”输出接入“加热器”电源输入端，加热源温度慢慢上升。

3．观察PN结电阻值随温度的变化情况。 五、实验报告

如果现在要从K型热电偶、PTC、NTC、PT100 和PN结中挑出一种作为测温电路的探测元件，你会选择哪一种？请说明你的理由。 六、注意事项

实验过程中温度计示数大于72℃时，应马上拆掉加热电源。

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实验二十三 气敏（酒精）传感器实验

一、实验目的

了解气敏传感器的原理及应用。 二、实验仪器

直流稳压电源（2~20V）、气敏传感器、酒精（自备）、棉球（自备）、电桥、电压温度频率表

三、实验原理

本实验所采用的SnO2（氧化锡）半导体气敏传感器属电阻型气敏元件；它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。如果使传感器的温度保持在400℃的高温，在清洁的空气中，氧化锡的表面吸附氧，由于氧具有电子亲和力，自由电子被俘获，在粒界间形成势垒，其结果使得传感器的电阻值增加了；当有酒精气体进入传感器时，酒精气体与处于吸附状态的氧发生反应，使得吸附的氧减少，其结果造成势垒高度的降低，电子的移动变得容易，传感器的电阻值减小。 四、实验内容与步骤

1．将气敏传感器按图23-1接线，两绿色接线端接5V电压加热（将2~20V可调直流稳压电源输出调为5V），红色接线端接+15V电压、黑色接线端接Rw2左端，Rw2两端接电压温度频率表（选择U）。

2．打开实验台“直流电源”开关，预热3分钟。

3．用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压温度频率表读数变化。

图23-1 酒精传感器接线图

五、实验报告

1.酒精检测报警，常用于交通警察检查有否酒后开车，若要这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素？

2.根据你的理解，利用该传感器设计一种简单的酒精浓度报警电路。 六、注意事项

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实验过程中温度计示数大于42℃时，应马上拆掉加热电源。

实验二十四 湿敏传感器实验

一、实验目的

了解湿敏传感器的原理及应用。 二、实验仪器

湿敏传感器、示波器（自备）、棉球（自备）、水（自备）、电桥、信号源 三、实验原理

湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。实验使用中多用相对湿度概念。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。高分子电阻式湿敏元件是利用元件的电阻值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物，做成薄膜，来感觉空气湿度的变化。 四、实验内容与步骤

1．湿敏传感器内部元件如图24-1所示，应用电路如图24-2所示，将“信号源”Us1 输出信号调节为f=1kHz，Vp-p=2V接入湿敏传感器Rx与电位器RW1两端，GND2接RW2右端用示波器观察RW1两端的波形峰峰值。

2．将湿棉球靠近湿敏传感器或用嘴对湿敏传感器轻吹一口气，观察此时示波器上显示的波形峰峰值的变化。

图24-1 湿敏传感器内部结构 图24-2 湿敏传感器接线图

五、实验报告

根据湿敏传感器在实验中表现出的特性，试设计出其在生活中的一种具体应用方案。

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