传感器的应用实验报告_基础物理实验

实验33 传感器原理及应用

【实验目的】

1．了解传感器的工作原理。

2．掌握声音、电压等传感器的使用方法。

3．用基于传感器的计算机数据采集系统研究电热丝的加热效率。

【实验仪器】

PASCO公司750传感器接口1台，温度传感器1只，电流传感器1只，电压传感器1只，声音传感器1只，功率放大器1台，电阻1只(1kΩ)，电容1只（非电解电容，参数不限），二极管1只（非稳压二极管，参数不限），导线若干。

【安全注意事项】

1．插拔传感器的时候需沿轴向平稳插拔，禁止上下或左右摇动插头，否则易损坏750接口。

2．严禁将电流传感器(Current sensor)两端口直接接到750接口或功率放大器的信号输出端，使用时必须串联300Ω以上的电阻。由于电流传感器的内阻很小，直接接信号输出端则电流很大，极易损坏。

3．测量二极管特性时必须串联电阻，因为二极管的正向导通电压小于1V，不串联电阻则电流很大，容易烧毁，也易损坏电流传感器。

【原理概述】

传感器有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器，是指那些对被测的某一物理量、化学量或生物量的信息具有感受与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。为了与现代电子技术结合在一起，通常都转换为电信号，特别是电压信号，从而将各种理化量的测量简化为统一的电压测量，易于进一步利用计算机实现各种理化量的自动测量、处理和自动控制。现在，传感技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一，与信息技术、计算机技术并称为支撑整个现代信息产业的三大支柱。有关传感器的研究也得到深入而广泛的关注，在中国期刊全文数据库中可检索到超过2万篇题目中包含“传感器”三字的论文。因此，了解并掌握一些有关传感器的基杠工作原理及特性的知识是非常重要的。

1．传感器基本结构及分类

传感器一般是利用物理、化

学和生物等学科的某些效应或机

理按照一定的工艺和结构研制出

来的，因此不同传感器的组成细

节有较大差异。但一般都由敏感

元件、转换元件和其它辅助部件

三部分组成，基本结构如图1所示。按被测量的性质可分为物理量传感器、化学量传感器、和生物量传感器等，本实验只介绍有关物理量的传感器。若将物理量传感器进一步细分，还可分为力学传感器（如压力、转动、位置、速度、加速度、声音等），热学传感器（如温度、温差等），电传感器（如微电流、弱电压等），磁传感器（如霍尔传感器，磁通等），光传感器（如光功率、光谱等）。可以说，随着传感器技术的发展，现在几乎每种被测物理量都有若干种传感器与之对应。按信号转换的机理来分，还可分为应变式、电容式、电感式、压电式、光导纤维式传感器等。按输出信号的种类又可分为模拟式和数字式传感器等。可见，传感器的种类是十分庞杂的，为了描述的方便，我们还可以引入其它的分类方法，这里不再详述。下面就以美国PASCO公司生产的系列传感器为例介绍传感器的简单应用。

2．750接口及系列传感器

美国PASCO公司生产的综合物理组合实验仪是基于750数据接口和传感器的综合物理实验系统，可完成近60个基础物理实验项目。其基本组成如图2所示，包括计算机、数据接口、传感器、被测系统四大部分。其中计算机上已安装了名为Data Studio的控制软件，该软件具有采集数据，控制实验设备，数据处理和结果输出等功能。750接口外形如图3所示，后面板有9V电源插孔、电源开关、USB接口；前面板有四个数字接口、三个模拟接口、两个函数信号输出端口（其中一端口为接地端）。传感器连接至750接口前面板的数字或模拟接口中，通过接口实现与计算机的通信。各种传感器作为被测实验系统的一部分，用于测量实验过程中的各种物理量。每个实验都至少使用一种传感器。本实验提供了十种传感器，包括电压、电流、电荷、声音、气压、拉力、光强、位移、转动等，在使用前请认真阅读实验室提供的说明书，按说明书的要求进行操作。

3．基于750接口的计算机数据采集系统的使用方法

（1）将750接口背面的开关拨至off，插上电源。用USB线将接口背面的插口与计算机相连，将开关拨至on的位置，这时750接口前面板上绿色的电源指示灯点亮。

（2）双击计算机桌面上的Data Studio图标，进入控制软件。计算机自动检测到750接口，提示设备已准备好，可以进行实验了。主控程序界面如图4所示。

（3）将要使用的传感器接入750接口的模拟或数字端口。在传感器列表中选择相应的传感器图标，单击鼠标左键并将图标拖放至相应的端口。这时，传感器的图标就显示在端口的附近，并通过一黑线与端口相连。

（4）双击传感器的图标，弹出传感器参数设置窗口，按实验具体要求更改参数后点击“确定”。则数据采集系统设置完毕。每种传感器的参数都不尽相同，设置前需查阅说明书。

（5）将传感器连接至被测实验系统中，点击按钮就可开始记录数据了。并将数据通过图表的形式在屏幕上实时显示出来。

4．电子元器件的伏安特性

电阻、电容、二极管等元器件是构成电子线路的一些基本单位。在元件两端加上电压，测量流过元件的电流随电压的变化关系，就称为元件的伏安特性。若所加电压为直流电压，则测量的是直流特性；相应地，如果电压为交流电压，则测出的相位、分压幅度等参数随频率的变化关系则称为交流特性。认识并掌握上述元器件的交直流特性将为进一步深入学习电子线路打下一定的基础。

【实验内容】

1．用大约1.5小时的时间，掌握PASCO公司的Data Studio软件和基于750接口的计算机数据采集系统的使用方法。

2．分别将声音、电流、电压、温度等四种传感器和功率放大器等接入750接口，根据说明书掌握其使用方法，并在屏幕上分别显示出传感器采集到的信号曲线。

3．采用电流和电压两种传感器，测量电阻、电容、二极管的直流伏安特性。测量电路

如图5。画出三种元件的直流伏安特性曲线，并计算电阻的阻值，二极管的正向导通电压和

反向击穿电压，并与标称值比较。其中反向击穿电压在上述测量系统中不一定测得出来，试说明原因。

（一）第一周实验内容

1. 熟悉SW 750接口或SW500接口的使用方法，用电压传感器测量实验室内的电磁干扰（下面以SW750接口为例介绍实验步骤）：

（1）打开计算机，接通SW750接口的电源。

（2）打开DataStudio 控制软件，点击“实验－更改接口”，选择750接口。

（3）将电压传感器插入A、B 或C 任一个模拟通道（Analog Channel）。

（4）在DataStudio 软件界面中双击电压传感器图标或将其拖放到对应通道中，此时在SW750 接口通道下应该出现传感器的图标，表示传感器可以使用了。

（5）点击“启动”开始采集数据，点击“停止”可结束数据采集。

（6）在显示子窗口中分别点击“表格”、“示波器”、“数字表”、“图表”、“仪表”、“直方图”等选项，观察在不同模式下被采集数据的显示效果。

（7）用“示波器”模式观察电磁干扰信号，观察用两手分别接触电压传感器两端前后信号的异同，并记录观察到的现象。

（8）停止采集数据，单击电压传感器图标，按“Del”键删除传感器，再将传感器从SW750 接口中拔出，就可结束传感器的使用。其他传感器的使用方法与此类似。

2．学习和掌握功率放大器的使用方法（使用SW500接口的该内容不做）功率放大器实际上是一台程控信号发生器，可以输出正弦波、三角波、方波等信号。依说明书操作。

3．观察传感器采集参数对测量结果的影响

（1）用功率放大器输出f =10Hz、Vp=2V 的三角波。（使用SW500接口的采用函数信号发生器提供）

（2）用电压传感器观察被测信号。改变电压传感器的实验参数，“采样率”分别取1Hz、10Hz、100Hz、1kHz，“灵敏度”分别取“低1×”、“中10×”等，观察参数改变前后信号波形的变化情况，并记录现象。

4．用声音传感器观测音叉、说话声、桌面震动等声音信号的波形，并观察和分析这些信号的频谱

（1）用声音传感器，在“图表”模式下观察音叉振动的信号。

（2）使用傅立叶变换“FFT”模式观察并分析音叉振动信号的频谱，记录音叉的固有振动频率。

（3）采用相同方法，观察并分析“用手敲击桌面”、“实验者说话”两种声音信号及其频谱。记录振动频率最低的频率以及振动幅度最大的频率。

（二）第二周实验内容

1．测量电阻、二极管的直流伏安特性

采用电流传感器、电压传感器、功率放大器等设备。自行设计和搭建电子元器件直流伏安特性测量电路。测量电阻、二极管的直流伏安特性，并画出电路图。（注意：测量二极管时需串联限流电阻。）

2．测量RC串联电路的幅频特性

RC串联，保持功率放大器输出正弦电压Vpp= 4V不变，测量并记录不同频率下电阻（高通滤波器）或电容（低通滤波器）两端电压的Vpp值。作出Vpp随频率的变化关系曲线，就得到该电路的幅频特性。

【实验数据整理与分析】

数据保存路径：E:/陈海域10329051 陈嘉平10330025

1.用电压传感器测量电磁干扰。

分别测量电压传感器在开路、右手接触正极、右手接触负极、双手联通正负极、

。

图1 电压传感器测量端短路图2 电压传感器测量端开路

图3 右手握电压传感器测量端正极图4 右手握电压传感器负极

图5 双手分别握电压传感器正负极

由操作原理及实验结果可以看得出，图像显示下的电压传感器其实就是相当于一个示波器。

图1所显示的电压传感器在短路时所得到的测量图像表明传感器内部有十分微小可以忽略的噪声。

图2开路的图像则表明空间中的电磁干扰较强，且造成的信号不整齐，可能与实验室内还有多台仪器以及其他电子设备在工作有关。

图3和图4单手接触传感器一个测量端，所得图像表明正负极测量差异很小。比起图2，图3与图4更接近正弦波。可以理解为人体与大地构成一个大电容，对空间的电磁干扰有整流作用。

图5测量的双手双手分别握电压传感器正负极，图像整体位于X轴上方，表明人体对地电势并不严格为0。波形趋势为正弦波，但不规整，这主要是来自人体体内的电磁干扰。

2.观察传感器测量参数的改变对测量结果的影响

用功率放大器产生f=10Hz、V p=2V的三角波。用电压传感器测量所得到的信号，然后分别改变采样率（1Hz、10Hz、100Hz、1000Hz）和灵敏度（低1×、中10×），用图像模式观测，截取所得图像，如下：

低1×中10×

1Hz

10Hz

100Hz

1KHz

不同采样率与灵敏度对测量结果的影响

1. 由所得图像比较可知，当采样频率太小，例如像本实验中小于等于样品信号频

率的，是无法得到样品信号的图像的。

2. 当灵敏度为低、采样频率大于样品信号频率时，所得图像将越来越接近真是样

品信号图像。例如本实验中100Hz 和1KHz ，可以测量出完整三角波波形。且采

样频率越高，所得数据点越密，图像越精确。

3. 灵敏度为中时，当频率达到一定时，虽然出现了完整波形，但电压在1V 时不再

升高，信号图样被截断，故测得波形为如图不完整三角波形（已失真）。

4. 由信号与系统的分析知道，当采样频率大于或等于10倍样品频率时，得到的波

形失真已经很少，实验与这个结论很好的吻合了。

5. 实验中可以观察到，即使是显示完整三角波，但信号峰值并为完全达到2V ，这

与传感器等的内部的电阻有关。

3. 使用声音传感器测量不同的声音

接上声音传感器，分别测量标准音叉、人说话声、拍桌子噪声等的声音。分别用时

轴图像和快速傅里叶变换（频谱图）来描述声音。得到如下的图：

长音叉（低音）波形图

长音叉（低音）FFT （频谱图）

测量频率f=739Hz

中音叉（中音）波形图 中音叉（中音）FFT （频谱图）

测量频率f=124Hz

短音叉（高音）波形图

短音叉（高音）FFT

（频谱图）

测量频率f=1012Hz

人声说话频谱图，最高点位于f=534Hz

人声说话频谱图，最低点位于f=540Hz

敲桌子频谱图，最高点位于f=554Hz

敲桌子频谱图，最低点位于f=211Hz