新型传感器技术.pdf

新型传感器技术新型传感器技术 实验指导书实验指导书 电类专业适用电类专业适用 宋亚男宋亚男 欧汉烈欧汉烈 李学聪李学聪 编编 自动化学院电气测控工程系自动化学院电气测控工程系 2006 年年 6 月月 目目 录录 实验一 位移传感器实验---------------------------------------------------------------------2 实验二 气敏湿敏传感器实验------------------------------------------4 实验三 光栅传感器 ─ 衍射演示及测距实验----------------------------6 实验四 电荷耦合图像传感器 ─ CCD 摄像法测径实验--------------------7 实验五 CCD 摄像法的应用 ─莫尔条纹记数-----------------------------8 实验六 超声波距离测量实验------------------------------------------9 1 温馨提示温馨提示 实验前必须认真预习实验指导书实验前必须认真预习实验指导书, 确认接线无误后仪器才 上电 确认接线无误后仪器才 上电, 实验时发现有异常状况要镇定实验时发现有异常状况要镇定, 立即切断电源立即切断电源,查明原因 后再进行实验 查明原因 后再进行实验 爱护设备爱护设备, 你我有责你我有责 实验一实验一 位移传感器实验位移传感器实验 一一 光纤位移传感器的测量光纤位移传感器的测量 光纤传感技术是适随着光纤通信和集成光学技术而发展起来的新型传感技术。光纤传感技术是适随着光纤通信和集成光学技术而发展起来的新型传感技术。 一. 实验原理实验原理 本光纤传感器为反射式, 光纤采用 Y 型结构,两束多模光纤合并于一端组成光纤探头,一 束作为接收, 另一端作为光源发射, 近红外二极管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物, 由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器转换为电信号, 反射光的强弱与反射 物与光纤探头的距离成一定的比例关系, 通过对光强的检测就可得知位置量的变化。 二二. 实验器材实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 2 光纤转换器 1 个 3. 光纤光电传感器实验模块 1 块 4. 示波器 1 台. 5. 螺旋测微仪 1 把 6. 反射镜片 1 片 三三. 实验方法实验方法 图 1. 反射式光纤位移传感器原理及接线 1. 连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口, 光纤探头探头装上探头支架,探头垂 2 直对准反射片中央镀铬圆铁片, 螺旋测微仪装上支架, 以带动反射镜片位移。光电变换器 V0UT端接入主机电压表的“数据采集入” 。 2. 开启主机电源, 调节“光纤变换增益”为 3V 左右, 避免过强的背景光照射; 旋动测微仪 使探头及紧贴反射镜片如两表面不平行可稍许扳动光纤探头使两平面吻合, 此时V0UT输出 ≈0, 然后旋动测微仪,使反射镜片离开探头, 每隔 0.5mm 记录一数值于下表。 Xmm 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 V 3. 要观察光纤传感器输出特性时, 把示波器的探头接在光纤位移传感器的变换器 V0UT端, 位移距离如再加大, 就能观察到特性曲线的前坡与后坡。 四四. 实验报告实验报告 1. 绘出实验接线图,并简述光纤传感器测量位移的工作原理。 2. 根据实验数据作出 V-X 曲线,分析线性较好的范围。 二二 PSD 光电位置传感器实验光电位置传感器实验 一一. 实验原理 实验原理 PSDposition sensitive detector 是一种新型的横向光电效应器件。当入射光点照在光 敏面上时,由于光生载流子的流动产生光生电流 I, 经运算后即可知光点的位置。 图 2. PSD 器件工作原理及实验接线 二二. 实验器材实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 2. PSD 光电位置传感器实验模块 1 块 3. 示波器 1 台 4. 数字电压表 在主机上 三三. 实验步骤实验步骤 1. 在实验模块 精密位移千分尺安装测微仪, 连接主机与模块的电源线及传感器探头。 2. 开启主机电源, 调节激光器光点,使激光束射到被测物体后其漫反射光经透镜聚焦入射 PSD 光敏面可旋转激光器的光点位置,以提高 PSD 器件的光电流输出 。 3. 调节位移装置,使光斑位于 PSD 光敏面中点通过观察窗口确认,调节模块增益旋钮,用 示波器观察波形不应有自激,此时模块电路输出为零。 4. 旋动测微仪,分别向前或向后位移被测体,每次位移 0.5mm,把数据记录于下表。 X mm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 V0 mv 3 5. 用遮档物盖住观察窗口,使 PSD 器件不受背景光影响,再进行位移测量,比较结果是否有 变化。 特别提示特别提示 实验时要注意背景光的影响及变化,会使多次实验结果不同; 严禁用激光 光束照射人的眼睛,否则会造成视力不可恢复的伤害 实验时要注意背景光的影响及变化,会使多次实验结果不同; 严禁用激光 光束照射人的眼睛,否则会造成视力不可恢复的伤害 四. 实验报告四. 实验报告; 1. 简述 PSD 光电传感器测量位移的实验原理; 2. 根据实验数据,作出 V-X 曲线,分析工作线性。 实验二 气敏湿敏传感器实验 实验二 气敏湿敏传感器实验 一 湿敏电容传感器实验一 湿敏电容传感器实验 一 实验原理 一 实验原理 湿敏电容是以金属微孔蒸发膜为电极组成的高分子薄膜式电容。 当水分子通过两端电极 被薄膜很快地吸附或释放时,其介电系数也发生相应的变化,通过标定,测得电容值的变化就 能得知相对湿度的变化。 二. 实验器材 二. 实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 2. 气敏湿敏传感器实验模块 附湿敏电容 1 块 3. 实验模块公共电路 1 块 4. 音频信号源 在主机上 1 台 5. 数字电压表 在主机上 1 只 6. 湿度计 1 支 三. 实验步骤 三. 实验步骤 图 3 湿敏电容传感器实验模块示意图 1. 连接主机与实验模块电源及传感器探头, 把湿敏电容接在“传感器入”端, 变换器输出 端 V0UT与主机电压表相接。 2. 开启主机电源,调 “湿敏零位调节” 电位器.记录湿敏电容受朝前的输出电压,与实验室的 湿度计比较。 3.用棉球沾水并甩去多余氺分后,轻轻抹在湿敏电容外罩表面或用嘴对传感器吹气,为使水 气饱和可来回多抹几遍,记录 V0 端输出到达最大值后又回到初始状态时输出电压的时间吸 湿和脱湿时间 。 4.按下图连接传感器与实验电路,重复传感器测试过程。音频信号源从 180端输出接 A 4 点,设 f1KHZ VP-P ≤2V 图 4 湿敏电容、湿敏电阻实验接线图 特别提示特别提示 传感器切勿浸入水中,也不要将氺直接触及元件的感湿部分 传感器切勿浸入水中,也不要将氺直接触及元件的感湿部分 二 湿敏电阻传感器实验二 湿敏电阻传感器实验 一. 实验原理一. 实验原理 高分子湿敏电阻主要是使用高分子固体电解质材料作为感湿膜, 由于膜中的可动离子 产生导电性,随着湿度的增加,电离作用增强, 可动离子的浓度增大,电极间电阻减小, 反之, 电极间的电阻增大, 通过测量湿敏电阻值的变化, 就可得到相应的湿度值。 二. 实验器材 二. 实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 2. 气敏湿敏传感器实验模块 附湿敏电阻 1 块 3. 实验模块公共电路 1 块 4. 音频信号源 在主机上 1 台 5. 数字电压表 在主机上 1 只 6. 示波器 1 台 三. 实验步骤 三. 实验步骤 1. 连接主机与实验模块的电源和传感器接口, 变换器输出端 V0UT与主机电压表相接。 2.开启主机电源,按图 4 接线。. 3. 调节电桥 WD 电位器及移相器,使电压表指示为零,差动放大器增益可根据系统输出的大 小来调节。 4. 用嘴轻轻对湿敏电阻吹气,观察示波器波形及低通滤波器输出的变化。 5. 近距离对传感器呵气,观察系统输出最大时示波器的波形及恢复过程,由此判断传感器的 吸湿和脱湿时间。 特别提示 给传感器表面不能直接接触氺分, 不能用硬物碰擦, 以免损伤感湿膜 特别提示 给传感器表面不能直接接触氺分, 不能用硬物碰擦, 以免损伤感湿膜 三 气敏传感器演示实验 三 气敏传感器演示实验 一. 实验原理一. 实验原理 气敏传感器的核心器件是半导体气敏元件,不同的气敏元件对不同的气体敏感度不同, 当传感器暴露于便其敏感的气体之中时, 电导率会发生变化,当加上激励电压且负载条件确 5 定时,负载电压就会发生相应的变化, 由此可测得被测气体浓度的变化。 二 实验器材 二 实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 2. 气敏湿敏传感器实验模块 附湿敏电阻 1 块 3. 实验模块公共电路 1 块 4. .数字电压表 在主机上 1 只 5. 示波器 1 台 6. 酒精 1 瓶 三. 实验步骤 三. 实验步骤 图 5 气敏传感器敏感气体曲线及实验接线 1. 连接主机与实验模块的电源及传感器接口, 观察气敏传感器探头,探头 6 个管脚中是加 热极, 另 4 个接敏感元件, 探头的红线接加热电源, 黄线为信号输出端,工作是加热电极应 通电 2∽3 分钟,待温度稳定后传感器才能进入正常工作。模块的输出端 V0 接电压表或示波 器, 并用电桥调节到一设定值必要时电桥 WD 电位器的另一端可接稳压电源的2V 档或-2V 档 2. 开启主机电源,待数分钟稳定后记录初始输出电源值。 打开酒精瓶盖, 瓶口漫漫地接近传感器, 观察电压表或示波器输出电压上升情况, 当将 气敏传感器最靠近瓶口时电压上升至最高点, 超过警告设定电压,电路告警红灯亮。 3.移开酒精瓶,传感器输出特性曲线立即下降,这说明传感器的灵敏度是非常高的。 特别提示 酒精遇火即燃, 注意远离热源,实验时气敏探头不可浸入酒精中 特别提示 酒精遇火即燃, 注意远离热源,实验时气敏探头不可浸入酒精中 实验三. 光栅传感器 ─ 衍射演示及测距实验 实验三. 光栅传感器 ─ 衍射演示及测距实验 一. 实验原理一. 实验原理 激光照射光栅的衍射特性可用公式 Dλ/SinΘλ√L 表示, 根据这一公式可进行光栅距的测定,公式至投 射屏距离的测试,下图为光栅衍射示意图。 SS / 22 6 图 6. 光栅衍射示意图 二.二. 实验器材 实验器材 固体激光器 光栅 投射屏 直尺 三. 实验步骤三. 实验步骤 1. 观察光栅, 衍射光栅上每片有两组栅线相差 90的光栅,调整激光器位置,与其中的一 组光栅中心对准。 2. 打开主机电源, 接通激光器,经一束激光照射后的光栅在前方投射屏上出现一行衍射光 斑,正中为中央光斑,从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级 衍射光斑,观察与 分析光斑的大小及光强变化规律 3. 根据光栅衍射公式,用直尺量得一级光斑与中央光斑的距离 S, 光栅至投射屏的距离 L, 就可得知光栅距 d 。反之如果已知实验所用的光栅的光栅距, 则量得 S 后就可求得距离 L。 注意事项注意事项 激光照射光栅时注意光路勿受阻档,实验仪上所配的衍射光栅为 50 线/ mm 。 实验四. 电荷耦合图像传感器 ─ CCD 摄像法测径实验 实验四. 电荷耦合图像传感器 ─ CCD 摄像法测径实验 一. 实验原理一. 实验原理 电荷耦合器件CCD的重要应用是作为社摄像器件, 它将二维光学图像信号通过驱动电 路转变成一维的视频信号输出。当光学镜头将被摄物体成像在 CCD 的光敏面上,每一个光敏 单元MOS 电容的电子势阱就会收集根据光照强度而产生的光生电子,每个势阱中收集的电 子数与光照强度成正比。在 CCD 电路时钟脉冲的作用下,势阱中的电荷信号会依次向相邻的 单元转移,从而有序地完成载流子的运输 ─ 输出,成为视频信号。 用图像采集卡将模拟的视频信号转换成数字信号, 在计算机上实时显示, 用实验软件 对图像进行计算处理, 就可获得被测物体的轮廓信息。 二. 实验器材二. 实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 1. CCD 摄像机 1 台 2. CCD 图像传感器实验模块 1 块 3. 被测目标圆形测标 1 个 4. 图像采集卡 1 个 5. 实验软件 6. 视频线 7 三. 实验步骤三. 实验步骤 1. 根据图像采集卡光盘安装说明书在计算机中安装好图像卡驱动程序与实验软件。 2. 在被测物前安装好摄像镜头, 连接主机 12V 直流稳压电源, 视频线连接图像卡与摄像 头。 3. 检查无误后开启主机电源, 进入测量程序, 启动图像采集后,屏幕窗口 即显示被测物的 图像, 适当调节 CCD 的镜头与前后位置与光圈, 使目标图像最为清晰。 4. 尺寸标定 先取一标准直径目标D010mm 根据测试程序测定其屏幕图像的直径 D1单 位用象素表示, 则测量常数 KD1/D0 。 5. 保持 CCD 镜头与测标座距离不变, 更换另一未知直径的圆形目标, 利用测试程序测得 其在屏幕上的直径,除以系数 K, 即得该目标的直径。 注意事项注意事项 CCD 摄像机电源禁止乱接,以免造成损坏 CCD 摄像机电源禁止乱接,以免造成损坏 四. 实验报告四. 实验报告 1. 说明 CCD 摄像法测径的实验原理; 2.请思考如何利用此方法测试方形物体的尺寸 实验五. CCD 摄像法的应用 ─莫尔条纹记数 实验五. CCD 摄像法的应用 ─莫尔条纹记数 一. 实验原理 一. 实验原理 传统的光栅位移传感器由光栅组、光源、光电器件组成, 用光电器件记录莫尔条纹移动 数目, 对信号进行判向、内插细分,得出检测结果。 二. 实验器材 二. 实验器材 1. CSY2001B 型传感器系统综合实验台下称主机 1 台 2. CCD 图像传感器实验模块 1 块 3. CCD 摄像头 1 个 4. 光栅组 位移平台 实验软件 三. 实验步骤三. 实验步骤 1. 安装好光栅组,调节位移平台, 使两片光栅完全平行重合尽可能紧贴. 调节主光栅角 度, 选择合适的条纹宽度, 莫尔条纹要清晰可见 黑白分明 。 2. 在光栅组前安装好 CCD 摄像头, 接通直径电源与图像卡, 启动 “CCD 莫尔条纹记数 “实 验软件, 进入程序,按 “活动图像” 键,屏幕上即出现条纹图像, 调节 CCD 光圈及镜头与光栅 距离, 使条纹图像尽量清晰。 3. 按冻结图像键,用鼠标在屏幕上确定莫尔条纹间隔,然后开始记数。 4. 缓慢地转动螺旋测微仪, 在屏幕上定一标记, 读取条纹移动数, 并将目测数螺旋测微仪 位移量与软件自动记数结果对照, 测出定量的结论。 5. 根据实验三 光栅传感器─ 衍射演示记测距实验 测得的光栅组的光栅距,求出指示光 栅位移平台的位移量。 8 实验六 超声波距离测量实验 实验六 超声波距离测量实验 一. 测量原理 一. 测量原理 利用压电晶体的电致伸缩效应,在电极施加频率高于 20KHZ 的交流电压, 压电晶体就 会产生机械振动, 从而发射器发出超声波,接收器接收超声脉冲, 从发射端到接收端声波的 波峰与波峰之间的距离称为一个波长, 波长与声波的频率成反比, 与声波的传播速度成正 比,可用下式求出 f C λ 式中 C─ 声波传播速度 f ─ 声波的频率 超声波在空气中以纵波的方式传播, 气体中的纵波声速可用下式求出 二. 实验器材 二. 实验器材 超声波测距实验仪 1 台 三. 实验操作三. 实验操作 1. 打开测距仪的电源开关, 电源指示灯亮; 超声发射指示灯有规律地闪烁,表示发射部件 正间歇性地发射出超声脉冲; 2. 移动接收头在道轨上的位置, 记录测距仪的显示数值和发射头与接收头之间的实际距 离。 3. 按下“时间/距离 转换开关”, 则测距仪显示由距离转换为时间, 可根据超声波在空气 中的传播速度与仪器显示的发射- 接收时间,计算出两探头之间的距离, 并与仪器直接显示 的距离比较。 注意注意 仪器上的显示微调可以调节距离显示值。仪器的最小测距范围应≧5 厘米。 4. 把实验数据记录于下表 单位CM 测距仪显示 测量距离 9