传感器实验

传感器实验（共12篇）

传感器实验 篇1

随着信息技术的不断发展, 世界正面临着一场技术革命。目前, 传感器技术是当代科学技术发展的一个重要标志, 它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展, 那么传感器就是人类五官的延伸。经过科学家的不懈努力, 现在已经有成千上万种传感器进入我们的生活, 了解和使用它们就成为一件刻不容缓的事。作为一所综合性大学, 大学物理实验这门课程需面向理科、工科、农科、医科不同学科不同专业的学生开设。因为专业不同要求不同, 接受能力也有差异, 所以在开设实验时需要考虑与学生所学专业相结合, 注重实验效果。同时考虑到许多传感器实验必须有一定的数字电路和模拟电路的知识, 对学生有较高要求, 所以可以分层次开设传感器基础实验和传感器综合实验。基础实验主要是运用简单电路, 介绍传感器的知识, 综合实验即针对一种传感器做特性分析以及设计新的实验内容, 涉及到的电路也相对复杂一些。

一、传感器基础实验-扩散硅压阻式压力传感器实验

扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件, 当它受到压力作用时, 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上, 使膜片产生与介质压力成正比的微位移, 传感器的电阻值发生变化, 而后加差动放大器检测这一变化, 并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。实验电路如图1:在实验过程中不断改变加在传感器上的压力, 每隔一个压力差, 记下万用表的示数。实验数据见表一。

根据所得的结果计算系统灵敏度S=ΔU/ΔP=0.006V/kpa, 从图2中可以看出压力和电压变化符合线性关系, 也就证明了压电传感器电阻变化与压力大小之间的线性关系。根据这一性质还可以将实验拓展。图1中的压阻式传感器用气敏电阻 (MQ3) 传感器代替, 来研究气敏电阻 (MQ3) 传感器的特性, 如果再用湿敏电阻 (RH) 传感器替代图1中的压阻传感器, 对湿敏电阻 (RH) 传感器的特性展开研究。通过传感器的基础实验, 学生对传感器的特性和差动放大电路有了一定的了解, 从而为后期的综合实验打下很好的基础。

二、传感器综合实验———霍尔传感器实验

霍尔传感器是一种磁电式传感器, 我们可以利用霍尔效应实现对物理量的检测。按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性, 后者是检测受检对象上人为设置的磁场, 用这个磁场来作被检测的信息的载体, 通过它, 将许多非电、非磁的物理量, 转变成电量来进行检测和控制。

1. 霍尔效应。

把矩形的金属或半导体薄片放在磁感应强度为B的磁场中, 薄片平面垂直于磁场方向。在横向方向通以电流I, 那么就会在纵向方向的两端面间出现电位差, 这种现象称为霍尔效应, 两端的电位差称为霍尔电压, 正负取决于载流子的类型。这一金属或半导体薄片称为霍尔元件。

2. 霍尔传感器应用———电子秤。

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器, 由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通过恒定电流, 霍尔元件在梯度磁场中上下移动时, 输出的霍尔电势U的大小取决于其在磁场中的位移量X, 所以测到霍尔电势的大小就可以获得霍尔元件的静位移量, 霍尔传感器内部原理图如图3所示:

所以, 当霍尔传感器通过恒定电流, 将重物放在振动台中央时, 使得霍尔传感器在梯度磁场中上下移动, 输出电势取决于其在磁场中的位置。霍尔电势经过电路放大后与被测物的重量成线性关系。实验电路如图4所示:在称重平台上放上砝码, 随着质量的改变电压也会相应变化, 数据见表二

由实验结果分析可以得到:电子秤所载物体的质量与万用表显示的电压线性相关, 当物体的重量在逐步增加时, 电压随着物体重量的增加而逐步增大。通过此实验还可以展开对霍尔传感器直流激励特性研究, 如果再加入相敏检波器、低通滤波器、移相器就能完成交流激励霍尔片特性研究和霍尔片在振动测量中的应用等综合设计性实验。

参考文献

[1]赵玉刚, 邱东.传感器基础[M].北京:中国林业出版社, 2006.8.

[2]吴建平.传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 2009.1.

传感器实验 篇2

程： 传感器应用

班

级： 12物联网 姓

名：

学

号：

指导老师：

酒精传感器实验报告

一、实验名称：酒精传感器

二、实验目的：

１、能够读懂电子产品原理图，了解气敏传感器以及各电子元件的作用。２、能够具备电子产品的焊接技能以及故障分析、判断能力。

三、功能描述：

本设计介绍了一种酒精浓度检测仪的设计方法，主要利用MQ3还原性气体传感器作为酒精气体传感器，通过分压电阻转换为成比例的电压，再利用线性显示驱动LM3914驱动不同颜色的发光二极管和蜂鸣器提示检测得到的酒精浓度大小。根据自动检测系统的组成结构，该酒精浓度检测仪包含酒精气体传感器，信号处理电路和执行指示机构等部分。对于酒精气体传感器，只要是一般性的还原性气体传感器都能够使用。具体的信号传递与结构如下图所示。

四、硬件电路设计：

电路的前端部分MQ3传感器和分压电路按照常规设计即可，执行驱动声光指示的电路需要驱动多个发光管以及一个蜂鸣器，即需要将分压电路得出的电压转换成LED线段显示同时在某点驱动蜂鸣器发声。因此本设计拟采用LED通用电平显示驱动芯片LM3914作为执行机构。

１、MQ-3气敏电阻传感器

本设计采用的是表面电阻控制型气敏传感器MQ-3，该气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，最常用的如SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动，电阻较大。当N型半导体的表面在高温下遇到离解能力较小（易失去电子）的还原性气体时，气体分子中的电子将向气敏电阻表面转移，使气敏电阻中的自由电子浓度增加，电阻率降低，电阻减小。其应用于家庭、工厂、商业场所的气体泄漏监测装置，防火/安全探测系统。气体泄漏报警器，气体检漏仪。特点：高灵敏度、快速响应恢复、优异的稳定性、长寿命、驱动电路简单、电信号输出强。如下图所示。

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２、LED通用电平显示驱动芯片LM3914 通用电平显示驱动芯片LM3914片内有10个电压比较器，10个1K欧姆精密电阻串联组成的分压器分别向各电压比较器提供比较基准；直线驱动10个发光二极管（LED）组成的10段“线”或“点”式条图显示器；对被测量的变化反映迅速真实；无阻尼现象；抗干扰能力强。

利用10个发光二极管作为输入端电平变化的显示，输入端电平信号可以是通过各类传感器和变换电路而探测的各种物理量，如电压、电流、温度、湿度、亮度、响度、音频、距离、磁场强度、重量等等。用它做成的电平显示器，既醒目、直观，又方便、实用，并且能反映瞬间变化的信号，用途十分广泛。例如，在电路设计制作中，它既可以通过探头和处理电路实现温度控制和显示，用于烘箱、冰箱、空调、热塑封机等设备上，也可以通过分压变换电路实现电压高低的直观显示，用于仪器、仪表、音响及办公设备上。

核心电路采用了塑封双列直插的18脚LED点条显示驱动集成电路LM3914，电路构成及管脚功能如下图所示。LM3914内部含有10个相同的电压比较器，它们的输出端可以分别直接驱动外接的10只发光二极管(VDl—VDl0)作条状显示，也可以实现点状显示。它们的反相输入端并联在一起，并通过一个缓冲器接到输入端5脚。而10个同相输入端分别接到由10个精密电阻串联而成的多级分压器上。而这个分压器的两端在内部没有与其它电路或公共端相连，而是直接由6、4脚引出，通常将之称为悬浮式，这样使得应用电路的设计更加灵活和方便。

以一个分辨率为0.125V的10级线性电压表为例说明其工作原理。这个电压表的最大量程为1.25V，将9、11脚相连，设定为点状显示，这样比较省电。分压器就用内部基准电压源，6、7脚相连，4、8脚相连并接地，则分压器每个1k电阻上的压降为0.125V，因此最下面的一个比较器1同相输入端的电位为0.125V，比较器2同相输入端电位为0.25V，依此类推，最上面的一个比较器10基准电压设定为1.25V。当5脚输入电压小于0.125V时，10个LED都不发光，3

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当输入电压大于0.125V但小于0.25V时，比较器1反相输入端电位高于同相输入端，则比较器1输出低电位，使VD1发光；当输入电压大于0.25V但小于0.375V时，则VD2发光；依此类推，当输入1.25V电压时，VDl0发光。以上是用10个LED作0-1.25V十级显示，每级0.125V；若将6脚外接10V标准电压源，4脚接地。可以作0-10V十级显示的电压表，若将6脚接10V，4脚接5V电压，少比3脚电源电压VCC低2V。

３、电路及工作原理分析

本设计采用5V电源供电，前端是MQ-3型酒精气体浓度传感器，利用电阻分压电路将酒精浓度由电阻量转化为电压量，在通过驱动芯片LM3914按照电压大小驱动输出相应的发光管，当到达一定阈值时蜂鸣器被触发，发出报警声。调试时通过电位器RP调节测量的灵敏度。具体的电路原理如下图所示。

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4、PCB制版

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五、功能调试：

1、检查电源回路

在通电之前，用数字万用表的二极管通断档测量电源正负接入点之间的电阻，应该成高阻态。如果出现短路现象，应立即排查，防止通电烧元件的事故。同时，目测IC的正负电源是否接反。当一切正常后方可通电调试。

2、电压直接调节

本设计主要是通过电阻分压电路测量酒精气体浓度变化的，而LM3914也是根据输入电压的大小决定点亮LED的数量的，因此可以先调试传感器之后的电路时是否正常。使用稳压电源的一组5V使系统通电后，将可调稳压电源的另一组输出调至0.2V左右，其电源正通过一个1K的电阻接入图中的A点，其电源负与系统电源负短接。再调节电源从0.2V-5V，观察输出LED和蜂鸣器的变化。正确的变化应该是，LED1-LED9挨个被点亮，在LED5和LED6被点亮之间蜂鸣器将发出声音，并一直持续。

如果没有一个LED被点亮，可能是LM3914的周边电路没有配合好，或者是电路某点有开路；如果是最终有几个红色LED未被点亮，可能是电位器RP的阻值偏小，调大一些再试；蜂鸣器未发出声响，可能原因是后面的发生电路开路，或者三极管烧坏。

3、酒精液体校准

按照传感器的使用要求，先通电将传感器预热。然后使用乙醇液体作为酒精气体的散发源，先使用50%的乙醇水溶液，再根据具体情况调节乙醇含量，最终得到200ppm的酒精调试系统。

4、电位器调节灵敏度

调试完成，根据具体的需要调节电位器RP，控制系统测试的灵敏度，要注意传感器的电阻参数

传感器实验 篇3

关键词：集成施密特触发器；输出电平；焊接；工作电压

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)8(S)-0056-3

人教社版《物理》选修3－2第六章“传感器”是“新课标”教材中新增内容，它体现了《课程标准》对科学、技术与社会的密切联系^［1］。本章教学强调通过实验，让学生体验传感器在现代技术中的应用。由于是新增内容，学校实验室缺少有关的实验器材，教师也缺乏经验，难以开展实验教学。我发现用容易买到、在日常生活中常用的声光控延时开关，经简单改装可以完成本章的许多实验。现将几个精彩的例子奉献给同行。

1 声光控延时开关电路分析

市面上销售的声光控延时开关灯座，虽然牌子众多外形不尽相同，但其内部电路都相同。其内部电路如图1，原理是：交流220V电压经灯泡ZD后，由D1～D4组成的整流桥整流，电阻R1、R10分压，电容C1滤波后，在其两端产生12V左右的直流电压，给控制电路供电。

光线较亮时，光敏电阻（CdS）的阻值较低（在路测约1.2kΩ），使集成施密特触发器IC（TC4081BP）的1脚呈低电平；又由于R6、R8电阻分压后，为三极管BG1（9014）的b极提供了正偏电压，BG1一直处于饱和导通状态，其c极（IC的2脚）为低电平，使IC的3脚输出高电平，4脚输出低电平，二极管D5反偏截止，使IC的10脚输出高电平，IC的11脚输出低电平，可控硅WCR因没有触发信号而截止，灯泡不亮。

在晚上光线较暗时，光敏电阻的阻值变大使集成块IC的1脚呈高电平；但由于话筒MIC没有声音输入，三极管BG1极处于导通状态，其c极仍为低电平，所以IC-1、IC-3仍输出高电平，IC-2、IC-4仍输出低电平，灯泡ZD不亮。当有声音或脚步声时，话筒MIC将声音信号转变成电信号，通过电容C2耦合到三极管BG1的b极，使BG1瞬间截止，IC的2脚为瞬间高电平，又因IC的1脚为低电平，在IC的4脚输出高电平时，经二极管D5向电容C3充电。同时IC的11脚输出高电平，经电阻R2和R3分压后，产生一个2V左右的触发信号，使可控硅WCR导通，灯泡ZD发光。此时若外部没有声音信号输入，三极管BG1导通，IC的3脚输出高电平、IC的4脚输出低电平，二极管D5反向截止，电容C3通过电阻R9开始放电，由于电阻R9的阻值较大，放电电流很小，电容C3上所充电压要间隔一定时间才能放完。这样就使IC-3、IC-4保持原输出电平，等电容C3放电结束后，IC的8、9脚为低电平，经IC-3非门反相后促使IC-4也输出低电平，从而使可控硅WCR在电源电压过零时截止，切断灯泡ZD的电源回路，达到了灯泡发光延时自动关断的目的。

集成施密特触发器的型号很多，除了74LS14、74LS00外还有HFC40839E、TC4081BP等，他们的封装形式引脚排列完全相同。

2 应用实例

（1）光控开关演示实验，教材71页。做法是：

方法一：用电烙铁和12号注射器针头，将GB1的集电极悬空，然后用导线将集成电路的2脚接地（与7脚相连），改动后的电路如图2，这样声控电路就不工作了，集成施密特触发器的2脚恒为低电平，光敏电阻得到光照时1脚为低电平，11脚输出低电平灯不亮。用手遮住光敏电阻时1脚为高电平，11脚输出高电平可控硅导通灯泡点亮。

改动后的电路如图2，虚线表示改动的线路。

方法二：考虑安全性，断开交流电路，改用学生电源供电。具体做法是：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，将12V学生电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）在IC的3脚与BG1的集电极间反向接入12V的发光二极管（3）其它做法同方法一。

改动后的电路如图3，虚线表示新增加的元件，图4是改动后的等效电路。方法一的好处是：电路改动少，可以用原电路的可控硅控制灯泡，与实际应用相符。缺点是：电路板上有220V的交流电压。方法二的优点是与教材上原理一致，但改动稍多些。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）用针头与烙铁将IC的3脚、BG1的集电极、光敏电阻一端悬空（3）在IC的1与7之间，2与7之间分别串联一开关，IC的3脚与7脚之间串入一电压表。使用时将开关断开是高电平、闭合时低电平。

改动后的电路如图5，图6是其等效电路。

（3）用示波器观察话筒的工作，教材62页。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚（2）用针头与烙铁将IC的2脚悬空，（3）准备一只10μF电解电容器，将BG1的集电极用导线与电容器的正极相连、负极与示波器的Y输入相连，发射极与示波器的地相连。

改动后的电路如图7，图8是改动后的等效电路图，这样可以利用三极管的放大作用使示波器上的波形更清晰。

（4）演示三极管的放大作用，教材74页。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）悬空BG1的基极，串入灵敏电流表，悬空IC的3脚，悬空R7的任意脚串入电流表。（3）悬空R8任意脚换接一100KΩ的可调电阻。

图9是改动后的等效电路图，改造后的电路可以免去教材上提供的实验电路需要两组电源的麻烦（见物理选修3－272页图6.5－5），看似麻烦其实容易。

以上四个实例只是针对教材对声光控延时开关电路的开发利用，声光控延时开关电路中的施密特触发器有四个非门，还可以开发出许多实验电路，如“简单的逻辑电路”的“与”“或”“非”门，就可以用施密特触发器组合而成，又如通过增加热敏电阻、电磁继电器、光电耦合器等元件，可完成本章大多数实验教学。上述的四个实例的制作过程，用文字表述看上去有些繁琐，其实只是悬空几个元件的引脚，焊上几个元件或导线，只要会使用烙铁就能顺利操作，并不麻烦。市面上销售的声光控延时开关灯座价格便宜，笔者从小摊贩那里购得的灯座只要4元钱，因此实验成本低廉易于实现。

参考文献

［1］人民教育出版社《普通高中标准实验教科书 物理教师教学用书》，2006-6：65页

传感器实验 篇4

物理是一门实验科学, 学习物理离不开实验, 通过实验的教学与学习, 帮助学生理解物理概念和规律的建立, 培养学生各方面的能力。课堂演示实验不同于其它任何实验, 它是教师进行表演操作的实验, 给学生以生动鲜明而又深刻的印象, 在此基础上, 经分析、综合、抽象、概括等思维的加工过程, 是学生获得知识的一种最有效的直观教学方法之一, 是中学物理中不可缺少的实验。但是有些传统演示实验的效果因条件的限制, 直观性受影响, 只是个别学生能看到, 或参与实验活动, 这样会大大降低演示实验的作用。利用传感器与它的结合, 可以改变直观性, 使所有学生能清楚看到实验现象, 有利于教学。

2 对传感器的简单介绍

传感器将物理量信号转化成电信号, 再把电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。利用计算机进行分析处理, 通过计算机显示器直接显示以数学方式展现的图表和图象, 物理现象和规律通过数学的图象和图表呈现。是传统实验方法的发展和数据处理的科学化, 呈现的是真实的实验, 数据处理上更严谨, 规范。

3 传统演示实验与传感器整合的典型课例分析

3.1 在电磁感应中选取案例是《楞次定律》的课后习题教学

《楞次定律》是电磁学的重点和难点。应用楞次定律解题学生觉得困难, 为了使学生对电次感应现象不在觉得抽象, 采用传统实验与传感器接合, 突破这难点。该题和图同时是选修3-2第31页的第2题, 题目是若条形磁铁下无闭合线圈, 磁铁会振动较长的时间才停下来, 若条形磁铁下有闭合线圈, 磁铁振动会较快的停下来, 要求解释此现象。

在《楞次定律》一节中的一个理解楞次定律电流方向的判定和能量转化的实验出现。我们用实验加以解决, 将图1按照图2组装, 可以得出图3的图象。从图中清楚的显示出随时间的延长, 线圈中感应电流在衰减, 并对感应电流的方向有了明确的认识。图4还可以进一步应用到这一章的“涡流”一节, 使学生对“电磁阻尼”的理解困难迎刃而解。

本实验在课堂中引起了学生的极大兴趣, 气氛好, 学生觉得好奇。学生并从实验开始就认真盯着大屏幕逐渐显示出的图象, 当磁铁停止振动后都很认真的读着数据, 积极讨论图象的物理意义, 对楞次定律有了更进一步的理解。电流传感器在本节课的应用可以捕捉到瞬间感应电流的大小和方向。

3.2 在热学中选取课例是《功和内能》

图4展示的是用热传感器反映气体内能变化的实验。实验的主要器材是一根被改制的自行车内胎, 即用紧箍和一段玻璃管与车胎组成密闭容器, 将温度传感器伸入到玻璃管中, 以便学生能够观察到传感器。通过计数机的采集到的数据, 在屏幕上制成对应的图像, 可以非常明显反应出做功与改变物体的内能的关系。当用热的毛巾包住玻璃管部分, 由于热量的传递, 管内温度升高通过气体传给传感器, 图线反映了这一过程, 而过程短, 反映迅速。拿去后的降温过程。车胎放气过程即对外界做功显出的温度变化, 放气过程结束, 温度向室温恢复。当用打气筒给车胎打气, 明显反映了对气体做功引起物体内能增大, 温度升高。这样不易感知的温度变化通过图线带给学生直接的感受。

4 对传统演示实验与传感器的整合的思考

4.1 教师更新观念, 充分运用传感器在传统物理实验中辅助作用

实验是物理学的基础, 每一个物理概念和规律都是建立在相应的实验基础上。传统的物理实验教学中由于仪器的落后以及实验条件的限制, 很多物理实验只能做定性分析, 教师让学生观察实验现象, 启发学生对现象进行推理、分析最后得出正确的结论。虽然推理是物理研究的重要方法之一, 有利于培养学生的分析推理能力, 但教学中大量使用不仅会让老师的动手能力下降, 学生更看不到真实的实验, 难以真正理解物理的学习实质。而利用传感器演示实验使学生一目了然, 印象深刻。

4.2 精心设计实验, 提高教师的实验能力和分析能力, 使实验教学真正有效

传感器只是一个传递信号的仪器, 图像也只是一个图片, 但教师要设计实验、引领学生认识图象, 挖掘图象的含义, 这就为教师发挥自己的能力提供了广阔的平台。用热传感器反映气体内能变化的实验仪器, 最初是传感器公司提供给我们的。但当授课教师通过《内能的改变热量》一节展示出来的时候, 教师们的惊奇和赞叹表露无疑。课后上交的评课记录上老师们都很深刻的写下了对数字化实验的认识, 许多教师更写出了愿意多参加并参与到这样的活动中来提高自己实验和分析能力的愿望。

4.3 努力创新教学方法, 使实验教学更有效

对物理概念的建立, 物理规律的形成过程需要学生感性认识为基础, 引入传感器会收到事半功倍的作用。同时引入传感器可以开发课本资源, 可以改进原来做不出的实验。传感器的引入更强化了用数学分析物理问题的意识, 让物理实验具有更高的真实性。而应用传感器, 使学生学习到另一种感知事物的方式, 那就是真实的数据同样会令人有身临其境的体验。

总之演示实验的直观性在于不能被语言和绘图所代替, 其真实感可通过学生的各种感觉器直接感知, 从各种不同的角度获得生动的感性认识, 这就要求演示实验有较大的可见度, 让全班同学看得清楚、印象深刻。但由于有些演示实验对实验条件有一定的要求, 有些演示实验自身有缺陷, 导致个别演示实验成功率不高, 现象不明显。那么教师在上课之前, 多动脑筋充分利用传感器的优点为传统演示实验带来好的效果。

摘要：高中物理演示实验在教学中地位与作用是非常重要, 但传统的演示实验在教学中也因自身缺点, 不能发挥应有的作用。在国家新一轮课程教材改革的背景下, 数字化实验室进入课堂, 以传感器和计算机为基础, 结合传统的实验仪器, 将实验数据采集之后用计算机进行分析处理, 通过数据图表和图象展示现象、揭示规律, 使课堂实验教学有了新的效果。

关键词：传统演示实验,传感器,整和,教学效果

参考文献

[1]张宪魁, 等.物理学方法论[M].浙江教育出版社, 2007.

[2]阎金铎.中学物理教学概论[M].高等教育出版社.

[3]傅道春.新课程中教师行为的变化[M].首都师范大学出版社, 2002, 3.

传感器实验总结（写写帮推荐） 篇5

本学期，担任《传感器及检测技术》课程的理论和实践教学内容。本课程的实践教学主要是教学实验，在全体同学的大力配合下，比较圆满的完成了实践教学任务，达到了实验的预期目的。现将此课程的实践教学工作总结如下：

1、实验计划的制定

为更好的完成实践教学环节，使学生能够真正的在实践环节学到更多的东西，在学期初我就认真研究教材内容和教学大纲要求，针对教学内容和学生特点制定了详细的实验安排，并与实验室老师进行了认真的沟通，充分做好教学实践前的各项准备工作。

2、注重理论和实践的结合

每讲授一段内容，就组织同学们做一次实验，让学生把课堂上获得的理论知识及时的得到验证和应用，从而加深对所学内容的理解。同时鼓励同学们利用课余时间多到实验室做一些创造性的实验，提高他们的知识迁移能力和思维能力。

3、实验过程的安排

（1）每次实验前，提前下达实验任务，让学生做好实验前的各种准备工作。由班长做好分组工作，每组指定一名组长，实行组长负责制，负责本组的组织和协调工作。

（2）进实验室时，讲清实验室纪律，不得随意摆弄实验用品，要严格遵守实验章程，在老师的指导下进行各种实验。

（3）实验过程中，认真抓好学生的纪律，不得无故迟到、早退，杜绝做与实验无关的事情。实验过程中教师要不断巡视及时发现学生们遇到的各种问题，并给与指导或启发。尽量多鼓励、少批评，培养学生的自信心，提高学生学习的积极性。

（4）实验完毕，及时清查实验物品，并督促学生摆放好实验物品，做到物归原位。另外，每组展示实验成果，并派代表做出总结，谈谈实验中遇到的各种问题，并说明做出了怎样的处理，有哪些收获。小组成员之间先进行互评，然后由教师作出补充，并适当给与鼓励。同时督促同学课下认真完成实验报告。

4、反思改进

在每次实验完毕后，我都把实验中发现的问题进行归纳整理，进行反思，同时向有经验的教师请教，争取在下次实践课中加以改进。

传感器实验 篇6

摘要：为了帮助学生加深电阻式传感器的原理、布片情况、测量电路及其误差处理方法的理解，设计了电阻应变片传感器的远程虚拟实验。该实验包括弹性元件模块、电桥及其调零模块、电阻应变片布片模块、非线性误差计算模块和温度误差计算及补偿模块。该虚拟实验界面生动，操作简便，真实还原了电阻式传感器传统实验的操作过程，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。

关键词：电阻应变片传感器;虚拟实验;远程测控;网络化

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0119-02

“传感器技术”是一门实践性非常强的课程，每种传感器的教学都配套相应的实验，但是目前学生主要根据实验指导书进行验证性实验，实验操作训练不足，创新能力难以提升。针对传统实验教学中存在的教学方法单一，理论学习和实验动手操作相互分离，学生缺乏学习主动性和创造性等问题，[1，2]提出了虚拟实验的解决方案。

本文设计了电阻应变式传感器的虚拟实验，采用LabVIEW语言，将电阻式传感器实验进行虚拟化、网络化，构建一个使用方便的实验平台，帮助学生加深理解电阻应变式传感器的原理、弹性元件结构、布片情况、测量电路及其误差处理等内容。

电阻式传感器是利用应变计在受外力的影响下产生机械形变从而导致的阻值变化，即应变效应。该效应的产生导致了电桥输出变化。电阻式传感器实验的主要目是观察电桥输出变化与载荷之间的关系，由于电桥的接桥方式不同，其输出特性亦不相同，通过对单臂、半桥、全桥电路工作的传感器电路分别进行压力测试，观察出不同电桥输出特性的关系。本虚拟实验主要包括虚拟弹性元件型式设计、虚拟电桥设计、虚拟电源和虚拟放大电路设计、虚拟电桥调零电路的设计;除此之外该实验还包括计算不同接桥方式的相对非线性误差、计算不同接桥方式的相对温度误差，设计虚拟温度误差补偿电路;要求界面友好，并能远程操作该虚拟实验。

一、虚拟模型

1.弹性元件的虚拟模型

根据导体材料的应变电阻效应，电阻的相对变化与应变之间的关系为：

（1）

其中K和ε分别为灵敏系数和应变。

为了获得电桥输出与载荷的关系，需要构建弹性元件的数学模型。电阻式传感器的弹性元件结构有圆筒式、柱环式、悬梁式和轮辐式四种基本类型，各种不同的结构型式的弹性元件应变ε与载荷F的关系如下所示。

（1）柱筒式弹性元件

（2）

其中E为弹性模量，A为横截面积。

（2）柱环式弹性元件

（3）

其中R0為内环半径，b为柱环宽度，h为柱环厚度，E为弹性模量。

（3）悬梁式弹性元件

（4）

其中l为有效长度，b为悬梁宽度，h为悬梁厚度，E为弹性模量。

（4）轮辐式弹性元件

（5）

其中b为轮辐条厚度，h为轮辐条宽度，G为剪切模量。

将四种弹性元件类型设计在一个子VI中，通过操作“弹性元件类型”下拉列表进行选择。

2.虚拟电桥模型

电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥;两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）;四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时，其输出电压为：

（6）

不同的接桥方式对应的电桥输出特性亦不同。当单臂工作时，输出电压为：

（7）

当双臂接入，即半桥工作时，输出电压为：

（8）

当四臂接入，即全桥工作时，输出电压为

（9）

将公式（9）展开，略去二阶项，

当时，式（9）即可表示为线性输出：

（10）

其中为桥臂比。

3.电阻属性和接桥方式设计

前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。

（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1” 设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。

电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2” 设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。

R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。

通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。

（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。

不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。

单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大;如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。

半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。

半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。

全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力;“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。

4.温度误差计算及补偿

在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为：

（11）

式中，αt为敏感栅材料的电阻温度系数，K为应变计的灵敏系数，βs、βt分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。

将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。

单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。

5.非线性误差计算及补偿

公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出，

为线性输出，为非线性输出，则非线性误差为：

（11）

对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。

二、虚拟操作面板的设计

用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。

三、远程虚拟实验的演示步骤

电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络发布工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。

电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：

第一步，打开服务器网页。

第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。

第三步，选择弹性元件类型。

第四步，设置接桥和布片方式。

第五步，打开电源开关。

第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。

第七步，点击“施力F”按钮。

第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。

第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。

第十一步，关闭电源开关。

四、结束语

电阻应变片传感器远程虚拟实验设计充分利用了LabVIEW虚拟仪器开发环境的优势及特性，实现了较为完善的仿真真实仪器的实验操作过程，人机操作界面友好。结合DataSocket及Web发布等工具实现了虚拟实验的远程测控，大大提升了该虚拟实验的实用性。在做传统电阻式应变片传感器实验之前，学生可以随时随地进行该传感器的虚拟实验，不仅能使学生加深对传感器理论知识的理解，而且能帮助学生在做传统实验时减少接线错误，理解传统实验的输出特性。该虚拟实验是传统实验的有益补充。

参考文献：

[1]杨后川，葛文军，秦宇飞.电阻应变片传感器网络虚拟实验系统开发[D].信阳：空军第一航天学院，2008.

[2]王永明，王興亮，任啸天，等.一种基于LabVIEW的远程实验系统结构[D].西安：空军工程大学，2005.

[3]刘锦霞，胡仁喜，康士廷，等.LabVIEW2012中文版虚拟仪器从入门到精通[M].第三版.北京：机械工业出版社，2012.

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[6]贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术[M].第三版.南京：东南大学出版社，2007.

[7]李凤保，李凌，王晓东.基于虚拟仪器的网络化测控系统[J].仪器仪表学报，2004，（z3）：295-297.

[8]陈笑秋，徐小华.基DataScoket 技术的网络化测控系统[J].仪器仪表用户，2008，（2）：63.

力传感器综合实验平台的构建 篇7

1 实验原理

在力学中用作称量或者做微小应变力测量的器件和材料有很多,金属应变式电阻应变片是常用的测量材料之一,其原理是应用金属的电阻应变效应。假设有一段截面积为S,长度为L的电阻丝,在未受压力时,其原始电阻为R,当电阻丝受外力应变时,其长度变为ΔL,面积相应减小ΔS,电阻率则因晶格发生变化而改变,如果其变化量为ΔR,则由大量实验可以证明:,其中k称为电阻的灵敏系数。

由金属箔应变片做成的应变片力传感器正是基于这样的原理做成的,它由基底、敏感栅、覆盖层和引线等组成。本实验采用由这种金属箔应变片做成的双孔压力传感器,如图1中a所示,这种传感器的上梁表面和下梁表面对称地贴有4片金属箔式应变片。当我们在传感器的承重圆盘上增加砝码时,粘贴在上表面的两片应变片将受到拉伸,粘贴在下表面的两个应变片将受到挤压,它们的电阻值将发生变化,通过测量电路就可以将电阻的应变量转换成电压信号输出在仪表上显示。图1中b~d为几种常用的电路检测方法,其中WD和R1组成调零电路,以减小电路产生的误差,提高检测精度。

以上3种电路其输出电压为:

其对应的输出灵敏度为:

2 实验方法

在大学物理实验教学中主要采用上述3种电路的连接方式,一般的一体化实验仪器也带有如图1所示电路的实验模块,这3种连接方法也是常用的实验依据。本文提出的方法是在不改变其电路基本接法的情况下,提出如图2所示的由桥臂输出检测模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机组成微弱信号检测实验平台,另一方面将桥臂电路中的电位器和电阻分别由精密可调电位器和精密电阻代替,这样改进的好处是在实验中引入了现代电子测量技术,减小了检测元件带来的额外误差,提高了实验精度。

信号调理则由自行设计的双通道精密可调高增益直流放大器,该增益放大器的放大倍数可高达1 000倍,共模抑制信噪比可达104,其单通道电路如图3所示。应变片桥臂检测电路输出的微小变化量经该放大器放大后,由计算机实时采集数据采集模块的输出电压,并可通过采集软件进行数据处理。

该实验平台的组成如图4所示,精密力传感器模块由力传感器和桥臂检测电路组成;应变片传感器模块由应变片力传感器和桥臂检测电路组成;信号调理器1,2则由具有低通滤波功能的高增益直流放大器模块组成;数据采集模块则采用PASCO500接口,该接口有3个模拟电压采集通道,同时又具有与计算机通信的功能,在计算机中可方便应用软件进行数据采集,通过在软件中设置采集物理量之间的关系(即x-y坐标)即可实时测量。由于接口通道中采集到的是电压,因此,需要将精密力传感器输出的采集电压转换为对应的被测压力(克),所以,必须应用软件中提供的公式计算器进行关系换算,这也是我们选择PASCO接口实现本实验的原因之一。实验中,用两个采集通道来完成,A通道作为精密力传感器对相应的不同测量物体压力进行同步转换,B通道则用来测量不同被测物体对应的应变片电压输出。为了实现A通道的功能,只需使用PASCO系统提供的“实验计算机”软件模块进行公式换算即可完成。

3 实验结果

本实验采用350Ω的应变片,供电电压为±2伏,采用3种不同的电路接法,并按图4所示方框图连接,然后,按图5所示的软件模块鼠标点击“INPUT”软件按键选择A通道输入即可显示@A.电压,由计算机键盘输入“*C”;在界面显示的“计算名称”“简称”和“单位”等空白处相应输入“质量”“m”和“克”,按回车键,即可完成将测量的电压转换为质量的设置。其中“*C”为修正系数,由不同电路连接方式相应输出的电压值与质量的比例关系确定,经过修正后,可提高测量精度。图6为按该实验平台采集到的3种电路连接方式测量应变片力传感器随外加压力(小铜块)变化输出的关系曲线。这3种曲线是经过线性拟合得到的,只要按简单的选点就可以得出电压(V)-力(F)的变化斜率。经软件数据计算工具,可求得它们的灵敏度分别为:

S1=0.00275V/g(单臂),S2=0.00540V/g(双臂),S3=0.0107V/g(四臂)

由此可得出它们的灵敏度比例为1:2:4,其中四臂的灵敏度最高,这个结果同上述的理论公式4~6是一致的,表明该实验方法是可行的。如果测量的结果与公式有偏差,可以在“实验计算机”中输入调整修正系数,直到测量结果与公式符合为止,通常只要进行两三次修正,即可得到正确结果。

4 结束语

以上的实验综合体现了集电桥、力传感器、数据采集、计算机通信等模块于一体的实验思路,既灵活又统一。笔者提出的实验方法构建的实验平台不仅可以让学生学习了解各独立模块的功能,还可以让学生了解如何应用现代电子测量的新技术、新手段进行实验。该方法充分体现了模块化自主实验的思想,突破了一体化仪器实验的不足,丰富了物理实验的思路和过程,帮助学生建立模块化组合的实验思想,提高了学生对物理实验的兴趣,培养了学生的自主实验技能,达到了物理实验所应有的目的,为物理实验提供了另一种思路,我们用此方法进行了多个传统物理实验的改进工作,并应用到物理实验教学中,取得了良好的效果。

摘要：在现有一体化力传感器实验仪的基础上,应用模块化设计思想提出并构建一种综合性较强的具有现代电子测量特点的力传感器实验平台。该平台具有3种不同桥臂电路输出的力传感器检测功能,并可应用计算机实时测量应变片随外测压力变化的曲线,同时可根据初测结果调整修正系数和使用软件数值处理方法进行数据拟合。

关键词：模块化设计,力传感器实验平台,计算机实时测量,软件数值处理

参考文献

[1]李索文,姜文彬.“模块化”设计在综合性电子线路与系统设计实验课程中的探索与实践[J].电气电子教学学报,2004,26(1):73-74.

[2]康鲁杰,杨继红.电阻应变片的选用[J].衡器,2004,33(6):9-10.

[3]陈金太.大学物理实验[M].福建:厦门大学出版社,2008,240-244.

[4]黄宏纬.应用计算机测定PN结正向压降的温度特性[J].物理实验,2006,26(10):18-19,23.

传感器在力学实验中的应用 篇8

传感器的种类很多, 不同的实验用到的传感器一般也会不一样, 有的实验可以用到的传感器可能不止一个。我们队实验的改进也会有多种方式。关于简单的力的作用, 我们能有直观的体验和感应的, 但是对于超重和失重的现象, 有时候显得就比较难以理解了, 我们就先以这个问题, 看一下传感器所能带来的便捷。

所谓重力, 我们最直观的感受就是自身受到的力的作用的时候, 运动状态的一种改变。当人处于超重状态的时候, 就是人感觉重力大于平时的时候。那么失重也就是此时的重力要小于平时我们所感受到的状态。完全失重就是我们感觉不到任何力的作用, 或者说是我们感受不到支撑。

在日常生活中, 电梯的升降是最常见的超重与失重的现象。当电梯上升时, 由于需要向上的加速度, 此时人受到的电梯的支持力就会大于人本身的重力, 人就处于超重的状态;而当电梯下降时, 正好相反, 需要向下的加速度, 此时人受到的支持力会小于自身所受的重力, 便处于失重的状态。具体的原理, 如图1和图2所示。

用力传感器和一组砝码简单的模拟电梯的升降, 通过观察实验结果, 便可以更好地说明这一现象。利用力传感器模拟结果得到如图3和图4。

从实验的严谨性来说, 上述两个图表的模拟数据不是很正规, 但是大概可以看出电梯在上升、下降过程中所产生的现象。用传感器的模拟及软件数据的处理让我们更好地认识和理解这一现象。

另外, 传感器的应用可以使动、定滑轮组的规律更好的展示给我们, 图5可以展示传感器分析滑轮组系统中各滑轮间绳子受力的情况:

例如, 图5中的滑轮组要求出各绳子 (编号1、2、3、4、5) 间的受力关系, 我们可以在各绳段间按放入一个力传感器, 分别区别计入为“力1、2、3、4、5”传感器。当然, 安放入的传感器以及滑轮要求质量比较小, 最好是相对于重物G是可以忽略不计的。

然后, 可以利用电脑辅助软件对该滑轮组上的力传感器进行读数, 得到各传感器的显示数值。这样就可以简明的展示出各绳子间的受力情况关系。

除了这些, 我们还可以用力的传感器和距离传感器配合使用, 对胡克定律进行探究。像一些简单的物理现象, 如物体间的相互作用力的一些性质, 两个力大小相等, 并且同时出现, 同时消失。

总结

使用传感器能完成中学物理中几乎所有的实验。传感器能提高实验测量的精度和速度, 使实验现象更加形象, 是常规实验仪器所不能做到的, 也是深层次的一种信息技术与传统实验的整合。在教学中, 不仅增强了学生的学习兴趣和对科学的喜爱, 还能使学生比较牢靠的掌握所要学习的知识, 并进一步认识到现代科学实验的技术和手段。

摘要：传感器技术、计算机技术和通讯技术是当前信息技术的三大支柱。其中传感器的快速发展, 使得传感器的获得和应用更加方便简洁。人们普通的生活中都已经很广泛的在接触传感器的使用。作为基础科学学科, 物理的教学更应该深入介绍传感器的原理和使用, 并进一步把传感器应用在教学和学期中。可以让教学更加直观, 让实验更加精准, 以起到更理想的效果, 让学生能学以致用, 同时开阔学生的学习和实践的思路。使用力传感器研究超重和失重的现象, 并且对物理中其他力的现象的描述, 设计实验进行模拟观察, 增进学生对力的一些性质的理解。

关键词：传感器,力学实验,应用

参考文献

[1]强锡富.传感器[M].机械工业出版社, 1996:2-5.

[2]王日俊, 刘峰, 凌国宇, 周金龙.浅谈传感器的发展[J].甘肃科技纵横, 2007 (36) , 3:30-31.

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[7]于彤.传感器的应用[M].人民邮电出版社, 2010, 3:15-16.

传感器实验室开放管理与实施分析 篇9

一、传感器实验室开放管理

1.实验室开放人员管理。在传感器实验室开放过程中, 实验室开放人员管理主要体现在三个方面。一是实验室面向对象方面的管理。开放实验室可以弥补传感器课程教学存在的缺陷, 帮助学生更好地理解、掌握所学的知识, 培养学生学习该科目的兴趣, 解决自己在学习中遇到的问题, 在学好传感器课程的同时, 培养多方面的能力。二是实验室工作人员管理。管理人员必须具备基本的职业素质, 能够意识到实验室开放管理的重要性, 能够认真做好本职工作, 学习实验室管理方面的理论知识, 提升自己的管理技能, 不断规范自身操作。三是实验室教学人员管理。在教学过程中, 实验室教学人员转变已有的观念, 意识到传感器课程教学的重要性, 掌握丰富的传感器教学知识, 具备专业化的操作技能。

2.实验室开放设备管理。总的来说, 主要是对计算机设备、传感器综合实验台进行全方位的管理。在开放管理过程中, 需要定期对学生使用的U盘统一进行杀毒, 这样防止在使用U盘的时候, 计算机系统设备被破坏。每天要按时打扫实验室, 要具有良好的通风效果, 可以有效防止计算机硬件设备故障频繁发生, 缩短设备使用寿命, 增加设备维修成本。在完成相关操作之后, 要及时关闭计算机。实验室管理人员需要向学生说明错误操作的危害性, 使他们熟悉操作流程, 规范操作。

3.实验室开放时间管理。在实验室开放管理过程中, 要以传感器课程为基点, 适当延长实践教学的时间, 比如, 晚上、周末, 有利于学生合理安排课余时间, 解决学习中遇到的问题, 更好地学习学科知识, 掌握必要的理论知识, 更好地应用到实践中。在此基础上, 需要开展一些相关的团队活动, 让学生也参与到实验室开放管理中, 在充分利用开放时间的基础上, 还可以培养学生的管理能力。

二、传感器实验室开放管理措施

1.优化管理制度。需要从学校实验室实际情况出发, 合理制定管理制度, 使其具有一定的实践性、可操作性, 更好地指导实践教学。需要制定可行的责任制, 明确不同工作岗位职责, 防止权与责模糊化, 管理人员能够明白自身职责, 做好本职工作。由于实验室开放管理具有其特殊性, 具体分析存在的问题, 有效解决存在的问题。需要建立完善的监督管理制度, 及时发现实验室在开放过程中出现的各种问题, 加以解决, 使实验设备能够处于正常的运行中。

2.强化实验课程管理。在传感器课程教学中, 院校要根据课程自身的特点、性质, 选择适宜的教材, 合理安排课时, 需要增加学生选课的自由度, 能够选择一些感兴趣、适合自身能力的课程。教师可以根据理论课程安排情况, 在课余时间给学生安排一些实验课, 相同的实验课不要多次重复安排。学校需要充分利用国内、外先进的技术, 优化实验室多媒体授课体系, 把相关的多媒体实验教学软件巧妙地融入相关的电子资源网中。在该网站中, 学生可以查找需要的各种资料信息, 解决学习中遇到的问题。可以在实验室中构建网上实验信息交流平台, 便于师生之间的交流、沟通, 有效解决遇到的实验问题。

3.强化教学实验室建设。在教学实验室建设过程中, 需要邀请一些专业课教师参与其中, 可以更好地巩固学生的专业知识与技能。在此过程中, 可以通过合作共建, 把学校已有的科研成果巧妙地应用到教学中, 转化为传感器课程教学实验资源, 优化已有的实验教学体系。还需要构建可行的实验室开放运行机制, 多鼓励学生进行自主探究学习, 充分利用课余时间, 创新实验项目, 进行相关的实验研究。

4.优化教师、学生激励机制。学校要充分考虑相关因素, 比如, 实验的难易程度, 并合理计算各方面需要的实验费用。通过各种途径获取实验经费, 投入到实验教学中。在实验开放管理过程中, 需要采取多样化措施, 来激励学生参与其中, 比如, 以勤工俭学的形式, 让学生参与到实验室管理、实验辅导班等, 有效解决实验指导方面的问题。

总而言之, 在传感器课程教学中, 实验室开放管理有利于学生把所学的理论知识灵活应用到实践中, 加深对所学知识的理解, 提高动手操作能力, 提高学习效率。它有利于改善传感器课程教学现状, 营造良好的课堂范围, 注重理论与实践的结合, 提高课堂教学效率与质量。

关键词：传感器实验室,开放管理,实施,分析

参考文献

传感器实验 篇10

关键词：计算机科学与技术,传感器,传感器网络,实验平台

0 引言

物联网是目前计算机网络领域研究的热门课题,被称为继计算机、互联网与移动通信网之后世界信息产业的第三次浪潮,是新一代信息技术中的重要的组成部分。由于物联网对社会经济发展的重要意义,我国于2009年制定了“感知中国”的战略[1]。在这一大背景下,我国有多所高校申报和准备试办物联网专业,这反映了高校对科学技术前沿的高度敏感和重视。很多高校已经开设了物联网相关的课程,着手构建自己的无线传感器网络实验平台[2][3]。

目前,各高校无线传感器网络实验平台构建尚处在探索阶段。如何构建功能、技术完备的实验平台,有效地实现无线传感器网络技术的实验研讨,推动物联网技术在全国迅速发展,成为无线传感器网络实验平台构建的关键[4][5]。无线传感器网络实验平台的建设应有独立的特点。首先是先进性,要求采用先进的设备和教学实践活动。其次是综合性和统一性,平台建设的复杂性和准确性要求进行分阶段建设。最重要的是灵活性和可扩展性,根据未来物联网的发展和变化,实验平台需要有扩充升级的特性,以保持学科的先进性。

1 实验平台的总体设计

按照上述物联网实验平台的需求特点,本文设计并实现了一个开放的无线传感器网络实验平台。本实验平台的目的是,用最简单的环境,搭建一个完整的无线传感器网络,让学生在简洁的环境中有重点的学习实践传感器网络和传感器系统的相关知识。传统的传感器网络分为三个层次,感知层、通信层和应用层,如下图所示。感知层负责数据的采集与感知,传感器通过串口与采集控制模块相连并发送感知信息。通信层的主要功能是组织无线传感器网络,传输数据。通信层与感知层采用串口连接,传感器采集的数据可以通过通信层的组网与中间节点的转发到达上层接口。应用层主要是通过串口接收通信层上报的数据,然后根据用户的需求,对上报的数据进行业务逻辑的处理,完成对传感器网络的控制。

参照无线传感器网络功能层次的划分,和由浅入深、由易入难的原则,本实验平台分为三个模块进行设计,WSN采集与控制实验、WSN网络通信实验和WSN应用层软件实验。第一个模块的主要功能是感知数据,对应了传感器网络中的感知层,让学生了解无线传感器基础知识,为以后的实验打下基础;第二个模块是对应数据传输的通信层,旨在让学生了解无线传感器网络的组网方式和通信协议等相关知识;第三个模块则是应用层,让学生初步了解MVC框架,熟悉应用软件设计的一般流程。模块划分结构图如下所示:

2 实验平台环境搭建

2.1 实验平台的硬件节点开发

无线传感器网络是由大量无处不在、具有通信与简单计算能力的微小传感器节点,以多跳无线通信方式构成的具有自组织性和自适应性的网络系统,它能智能地感知与采集周围环境的状态与变化信息,并能够根据既定的需求自主完成指定的功能[6]。

本实验中无线传感器网络节点硬件主要包括如下几个种类:

(1)采集节点

采集节点主要包括各类传感器、电源、led指示灯、射频模块和采集板。采集节点主要功能是感知采集周围环境数据并将其发送出去[7]。在实验中,主要是利用简单传感器进行数据采集,然后根据采集到的数据结果控制led指示灯。采集节点各个组成部分如图2所示。其中,射频模块是实现射频收发、存储控制程序、执行控制程序的多功能模块;采集板,是实验平台中用于采集节点数据的设备。

(2)控制节点

控制节点包括电源模块、开关模块、LED灯展示模块及射频模块,是WSN网络的一种终端设备。电源模块提供MiniUSB接口,需要5V外接电源,内部实现5V到3.3V的转换;开关模块包括两个手动开关,分别控制两个LED灯;LED灯展示模块包括红、绿两个LED灯,监听手动开关及射频模块的on/off命令;射频模块为上面的射频模块。(如图3)

(3)协调者

协调者负责传感器网络中数据的汇聚,并将其发送给高层应用。协调者包括射频模块、串口模块。射频模块以CC2430为核心芯片,同时配置了2.4G天线、编程接口等;串口模块以CP2102为核心芯片,通过USB接口与PC机进行通信,还可对射频模块进行在线编程[8]。

2.2 实验平台的软件环境搭建

实验平台中,主要设计四种软件环境:开发环境、观测软件、数据库和zigbee协议栈。

(1)开发环境

实验平台用到的开发环境主要有连个,IAR FOR AVR和Microsoft Visual Studio。前者支持软件仿真,主要用在硬件程序的编写和编译,后者主要是应用在应用层windows平台代码编写。

(2)观测软件

本实验平台中主要用到两种观测软件,一种是accessport,另一种是PacketSniffer。前者主要用于在PC上查看传感器节点上报的数据并下发命令,后者是用于掌握网络配置,理解网络传输协议。

(3)数据库

本实验应用层使用了Mysql软件作为数据库,将数据保存在不同的表中,完成对感知数据的管理和保存。

(4)zigbee协议栈

本实验的通信部分,包括终端节点与路由节点、路由节点与协调者、终端节点与协调者之间的通信,主要使用的zigbee协议栈。

3 实验平台的具体设计

3.1 WSN采集与控制实验

WSN采集与控制实验设计为基础的传感器实验,目的是让学生掌握多种传感器基本原理和使用方法,熟悉各类节点的控制方式、结构功能和工作模式,为以后的实验打下基础。为达到上述目标,本实验模块做了如下设计,要求学生按需要编写采集模块的程序,通过串口发送到控制模块,然后由控制模块改变信号灯的状态,来观测数据的变化,从而学习了解传感器的工作原理和机制。具体的实验流程设计如图5所示。

首先是对模块进行初始化,也就是对GPIO、TWI、ADC和USART四个模块进行配置。通过对这些模块的配置,可以让学生了解学习端口引脚、数模转换、串行总线和收发器等单片机模块相关知识,为以后的学习打下基础。如下表所示为GPIO的配置。

注:本表为GPIO端口配置表。

初始化结束后,设置时间周期,开始循环等待数据采集。当一个时间周期结束时,传感器节点开始对数据进行采集,并将结果进行发送。在接收到终端节点发送的数据后,程序中进行读取温度或者电压的信息,进行相应的逻辑判断,控制信号灯的闪烁。

最后将信号灯复位,开始等待下一个时间周期的结束。通过此部分代码的编写,可以让学生学会相关开发工具的使用,了解基本的控制流程,并解析数据包。

下面为本模块示例代码。

3.2 WSN网络通信实验

本模块实验的主要目的是让学生了解无线传感器网络的组网过程和组网方式,熟悉无线传感器网络数据传输过程和数据格式以及各个种类节点的功能作用。本部分的实验中,感知层和通信层程序都是给定的,要求学生使用accessport和packed sniffer软件抓取通信包,然后对得到的数据进行分析,在熟悉数据传输格式的基础上,了解组网过程和各个节点的功能作用。

在提供给学生使用的通信模块中,使用了zigbee协议栈,其中,应用层是按如下流程进行设计的,如下图所示。首先,对通信模块进行初始化,设置采集周期等,然后开始监听串口数据。当发生底板中断时,也就是底板有数据上报,则进入底板信息处理程序,将信息处理后进行上报发送,然后继续等待串口数据。当发生射频中断时,首先判断是否是请求转发,如果是,则将其处理转发,如果不是,则将底板采集程序触发,继续等待接收串口数据。

针对各个节点进行数据发送的需求,还设计了应用层的上行和下行的消息格式。具体格式如下表所示。上行数据包中,包头包尾的长度分别为2B,内容依次为短地址、MAC地址、节电功能、错误标识和数据段。其中,MAC地址长度为8B,数据段为变长。在下行数据包中,包头包尾长度分别为2B,与短地址和数据段的长度相同。

注:本表为实验箱中使用的上行数据包格式。

注:本表为实验箱中使用的下行数据包格式。

3.3 WSN应用层软件实验

本模块实验的主要目的,是让学生了解应用层软件的基本设计方法和设计流程,熟悉MVC框架的基本架构。因此,本模块给定了感知层和通信层相关的模块代码,需要学生完成应用层框架的填充。在应用层,本实验给定了基本的程序框架,也就是MVC框架,已经完成了其中模型层的编写,要求学生对控制层和视图层按要求进行编写。

其中,模型层提供了一些对数据的操作方法,控制器和视图层对于模型来讲是透明的,模型只关注与数据的管理。本实验中,模型层指的是数据库的操作模块。数据库模块主要设计了三个表,节点表、数据表和错误表。

节点表主要记录了节点的MAC地址和对应的网络地址,也就是短地址。节点表的数据字段如下图所示。其中,ieee_addr字段为节点标识,保存的是节点的MAC地址,short_addr字段保存的是协调者在网络中给其分配的地址,也就是短地址。表中数据为实验中的无线传感器节点的MAC地址和短地址。

数据表主要记录了节点采集上报的温湿光数据以及采集时间。下图为数据表的字段。在数据表中,ieeeaddress字段为上报节点的标识,也就是节点的MAC地址,voltage字段记录节点采集的电压数据,temperature字段记录节点周围环境的温度,humidity为节点周围环境的湿度,light字段为节点周围的光照值,Time字段为节点上报数据的时间。其中,湿度采集字段为错误字段。(如图8)

错误表专门记录了产生错误节点的错误信息,还有错误信息上报的时间。下图为错误表的字段。ieeeaddress为产生错误的节点MAC地址,voltage_fault字段、temperature_fault字段、humidity_fault字段和light_fault字段表示产生错误的信息类型,依次为电压、温度、湿度和光照错误。最后一个Time字段表示错误信息的上报时间。(如图9)

除了Model层之外的控制层和视图层,需要学生自行进行编写。视图层要求学生完成用户接口的定义和数据的展示,达到数据界面清晰,接口完善的程度。控制层要求学生完成主要的业务逻辑编写,起到模型层与视图层之间的桥梁作用。由此可以达到对应用层知识的学习和实践。

4 结论

本文完成了一个无线传感器网络实验平台的设计与实现,将实验平台按照功能划分为三个模块,给出了每个模块的设计和实现方案。学生可以通过这三个模块的实验,可以对无线传感器相关知识进行学习实践,如传感器相关工作原理、zigbee协议通信机制、MVC框架基础知识和相关开发工具的使用等等。[9][10]

另外,本实验平台还有一定的开放性和扩展性。实验平台的节点等硬件可以作为一个完整的无线传感器系统的基础节点,结合相关器件可以完成智能家居等应用试验的研究和探索。将多个试验箱结合使用可以进行多个基础传感网络的组建,从而进行多网络分布式等相关实验。因此,本实验平台在扩展性和开放性上,有一定的优势。

参考文献

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[9]卫菊红.物联网技术发展及应用研究进展[J].工业控制计算机,2011,24(12):50-54.

传感器实验 篇11

关键词： 聚偏氟乙烯； 谐振传感器； 压电效应； 逆压电效应

中图分类号： TP 212.9文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.003

引言

密度测量在现代化工测量中占有很重要的地位。常用的液体密度测量方法主要有：浮计法、容量法、比重瓶测量法等。其中，浮计法测量快速，但精度低；容量法精度较高，但耗时太长；比重瓶法玻璃瓶子易碎[1]。 常用的气体密度测量方法主要有：震桶式测量法，此法工艺复杂，不易推广[2，3]。针对上述测量方法的缺点，现利用压电式机械谐振传感器，来实现液体或气体密度的快捷及高精度测量。

压电传感器由于具有体积小，结构简单，固有频率高等优点，其应用领域越来越广泛。压电传感器常用材料主要有：石英晶体、压电陶瓷和聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）等。其中，石英晶体压电系数较小，大多用于标准传感器或者温度要求较高的传感器；压电陶瓷虽然压电系数比石英晶体高很多，且应用广泛，但具有热释电效应，会对力学测量造成很大干扰，在力学测量中受到限制；PVDF是一种高分子压电材料，具有灵敏度高、柔软、耐冲击和机械强度高等优点，目前在压电传感器领域中得到越来越广泛的应用[4，5]。因此，采用PVDF压电式谐振传感器，来对气体或液体密度进行测量。

1谐振传感器气体或液体密度测量基本原理

谐振式传感器测量原理是通过谐振子的振动特性来实现的。谐振子振动过程中，可以等效为一个单自由度的系统，以系统固有频率振动，系统的固有振动频率只和系统的等效质量和等效弹性系数有关。

谐振传感器气体或液体密度测量的原理是通过系统中的弹性敏感元件与气体或液体相接触后，由于改变了系统等效质量，其谐振频率必然发生一定的偏移，而利用此频率偏移量即可计算出相应气体或液体的密度。

2气体或液体密度测量系统

PVDF压电式谐振传感器的结构原理如图1所示，传感器是把两片已经金属化的PVDF薄膜粘贴在薄玻璃片的两个大面上，靠近玻璃粘帖侧的PVDF薄膜引线作为输入、输出的负极，远离玻璃粘帖侧的两面分别作为输入与输出的正极。

气体或液体密度测量系统的组成框图，如图2所示。密度测量系统由函数发生器提供正弦输入电信号，电信号通过输入端输入到图1中玻璃片上面的PVDF薄膜上，激发谐振传感器产生振动，根据逆压电效应，图1中玻璃片下面的PVDF薄膜上，将产生同一频率的正弦电信号，输出端将这一正弦信号输出到示波器上显示出来。

测量气体时，让传感器振动片全部暴露在空气中，将函数发生器连接到传感器输入端，传感器输出端接示波器，设置示波器，显示输入信号输出信号波形。并调用示波器内部函数，显示输出信号幅度以及输出信号与输入信号相位差，每改变一次频率，记录下输出信号幅度以及相位差，制成图表，就可得到某段频率范围内的振动全谱，从而测得被测气体密度。

测量液体时，务必使振动片全部浸入到液体当中，然后按照上述测量气体的方法步骤测出谐振传感器在液体中的振动全谱，即可得到被测液体密度。在液体测量中，谐振片不同的摆放角度和位置，会影响到谐振频率的偏移量和测试精度。实验中，谐振片是竖直悬挂着插入液体中的。

3实验结果及分析

对于气体密度的测量，在标准大气压，常温条件下，利用PVDF压电式谐振传感器对空气密度进行测量的结果如图3所示。从图3中可看到两条曲线，平滑曲线代表传感器输出信号幅度，带点曲线表示输出信号与输入信号的相位差。从图3可看出在空气中谐振传感器的谐振频率为1 212 Hz。根据式（1）可计算出振动片的理论值。利用玻璃的标准参数E=0.55×1011 N/m2，玻璃密度ρ=2.5 g/cm3，振动片的尺寸：L=46 mm，h=0.1 mm。将单位换算成标准单位后代入式（1）中计算，得出谐振频率f=1 231 Hz。对比理论值和实测值，其误差为19 Hz。图3中图右面的另一个谐振频率，由于该谐振状态不仅包含弯曲振动一种模式，还包含了如扭曲振动等的其它模式，因此，不作为密度测量的研究对象。

由于实验条件所限，无法得到几种不同密度的气体，根据式（3）来模拟不同密度的气体。PV=NRT（3）式（3）中，P为气体压强，V为气体密度，N为气体分子的摩尔量，R为常数，T为温度。当体积V和温度T一定时，气体的压强P和摩尔量N成正比，而气体压强P正比于气体密度ρ，因此，若测得谐振频率与气体压强之间关系，即可确定谐振频率与气体密度之间的关系。

将谐振传感器密封在一个容积固定的容器内，通过抽取空气的方式来改变内部压强，并根据式（3）把气体压强与谐振频率关系转换成气体密度与谐振频率关系如图4所示。图4中横轴为根据气体公式计算后的气体密度，纵轴为对应的谐振传感器谐振频率，从图4可以看出，传感器谐振频率随着气体密度增加近似成线性降低。这是由于随着气体密度的增加，施加在谐振片上的作用力变大了，从而使得谐振频率降低了。

4结论

实验结果说明，利用PVDF制成的压电式谐振传感器既可以用来测量气体的密度又可以测量液体的密度。在气体测量中，由于气体密度是根据气体公式计算出来的，因此前提条件是气体的摩尔质量保持不变，也就是说，如果利用压强与谐频率的关系来计算密度与谐振频率的关系，要保证是同一种气体或者气体的摩尔质量保持不变。另外，在气体或者液体中，该传感器的两片薄膜是导电的，因此不能在含有带电离子的气体或者液体中进行测量，如果可以把薄膜很好地保护起来，做到尽量不影响薄膜的压电特性，那么该传感器就可以用来测量含有带电离子的气体或者液体密度了。此传感器克服了石英晶体的低压电系数和压电陶瓷的热释电效应的影响，很好地完成谐振式传感器的测量。由于PVDF具有易于加工，价格便宜等优点，相信PVDF在传感器的应用中将会越来越广泛。

参考文献：

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传感器在电磁学实验中的应用 篇12

我们知道通电导线周围有磁场的存在。磁场的强度与电流大大小有关, 磁场的方向与电流的方向有关。对于通电线圈, 磁场的大小还会跟线圈的匝数有关。我们就通过亥姆霍兹线圈来探究这一事实。

亥姆霍兹线圈是实验室中常用的、在小范围内产生均匀磁场的实验装置。它由一对相同半径的同轴载流圆线圈组成。当它们之间的距离等于圆线圈的半径时, 在两线圈圆心Q1、Q2的连线沿轴线的一段区域, 将两个圆线圈的磁场迭加后, 近似地可得到均匀的磁场。如图2所示。

在两线圈圆心Q1、Q2的连线中点, 根据毕奥-萨伐尔定律算得亥姆霍兹线圈中单个圆线圈在圆心处产生的磁场为, 两线圈的磁场迭加后在圆心连线的中点处:

当我们只对一个线圈通上电流的时候, 移动传感器的位置, 我们会发现整个过程中磁场的强度有一个最大值, 这一点就在线圈的中心。当我们匀速改变传感器位置的时候会发现如图3所示规律。

当我们让两个线圈都通上电流的时候, 移动传感器的位置, 我们会发现整个过程中磁场的强度有两个个最大值, 或者我们可能会发现本来怎么也不会出现的负值也出现了, 并且当两个电流大小相等的时候, 两线圈中间的位置的磁感应强度的大小是零, 并且曲线有一个最大值, 还有一个最小值, 最小值出现的地方就是另一个线圈的中心。如图4所示。出现这种情况的时候是两个线圈电流方向相反的时候。

当两个线圈的电流方向相同的时候就是两个最大值, 或者两个最小值中间还会有另外一个极点。如下图所示。这两个最大值就是当传感器位于两个线圈各自的中间的时候出现的情况。如图5所示。

我们还可以改变电流的大小来观察磁感应强度会伴随产生的相应变化。如图6所示。

总结

使用传感器能完成中学物理中几乎所有的实验。传感器能提高实验测量的精度和速度, 使实验现象更加形象, 是常规实验仪器所不能做到的, 也是深层次的一种信息技术与传统实验的整合。在教学中, 不仅增强了学生的学习兴趣和对科学的喜爱, 还能使学生比较牢靠的掌握所要学习的知识, 并进一步认识到现代科学实验的技术和手段。S

摘要：传感器技术、计算机技术和通讯技术是当前信息技术的三大支柱。其中传感器的快速发展, 使得传感器的获得和应用更加方便简洁。人们普通的生活中都已经很广泛的在接触传感器的使用。作为基础科学学科, 物理的教学更应该深入介绍传感器的原理和使用, 并进一步把传感器应用在教学和学期中。可以让教学更加直观, 让实验更加精准, 以起到更理想的效果, 让学生能学以致用, 同时开阔学生的学习和实践的思路。使用力传感器研究超重和失重的现象, 并且对物理中其他力的现象的描述, 设计实验进行模拟观察, 增进学生对力的一些性质的理解。

关键词：传感器,电磁学实验,应用

参考文献

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