传感器单阳元教案.doc
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1、教案课程名称:近代物理实验1任课单位:理学院研究所信息物理教研室授课对象:全校本科生 (选修)主讲教员:尹红伟(讲师)授课时间:2010年秋季学期国防科技大学理学院2010年7月教案首页课程名称(近代物理实验) 传感器特性部分总计: 9 学时课程类别基础选修课学分(3)讲课: 1 学时实验: 8 学时上机:学时任课教师尹红伟职称讲师授课对象专业班级: 类学员共3 个班教材和基本参考资料谢行怒,等. 大学物理实验,高等教育出版社,2001教学目的任务(1)了解:本单元安排的几个传感器实验的原理,以及它们在各领域的应用。(2)掌握:传感器的“感”和“传”的物理内涵;利用某种物理效应将非电量转换为电
2、学量进行实现自动测量的基本思想。(3)熟练掌握:实验原理、实验方法、仪器使用、实验现象的观察和解释、实验数据处理与结果分析。内容课时分配章内容学时数霍尔传感器直流激励特性15分钟电阻应变片传感器特性研究15分钟光电传感器参数测量30分钟教研室意见教研室主任签名年月日注:课程类别:公共基础课、专业基础课、专业必修课、专业选修课、集中实践环节、实验课、公共选修课。近代物理实验第四部分传感器特性实验概述传感器(Transducer或Sensor)有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器,是一种能感知和检测某一形态的信息(包括物理量、化学量、生物学量等),并按一定规律将其转换成另一形态的信息(一般为
3、电信号)的器件和装置。传感器是获取信息的工具,它涉及整个科学技术日常生活的各个领域,是现代信息技术的重要支柱技术之一。一切科学研究和生产过程所获得的信息,都只有通过它才能转换为容易传输与处理的信号。可以说,没有传感器技术就没有现代科学技术。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,其组成的细节有较大差异。但总的来说,传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。应该指出的是,并不是所有
4、的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。鉴于传感器在现代科学技术中的重要地位,那么,新世纪的大学生有必要对这一领域有所了解。但传感器的原理各异,种类很多,由于课时和实验条件的限制,我们只安排三个传感器实验。实验4.1 霍尔传感器直流激励特性霍尔传感器由霍尔元件组成,是基于霍尔效应原理成的磁电传感器件。1879年24岁的研究生霍尔(Edwin Herbert Hall)发现在磁场中的金属载流导体上出现横向电势差的现象,现在称之为霍尔效应。在霍尔效应发现约100年后,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应,它不仅可作为一种新型电阻
5、标准,还可以改进一些基本产量的精确测定,是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一,克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步,他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。图1霍尔效应原理图霍尔传感器结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHz)耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等到的污染或腐蚀。广泛应用要很多域。4.1.1 霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力的作用而引起的偏转。如图1所
6、示,磁场B位于Z的正向,与之垂直的半导体薄片上沿正向通以电流(称为控制电流或工作电流),假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿着与电流相反的负向运动。由于洛伦兹力的作用,电子即向图中虚线箭头所指的位于Y轴负方向的B侧偏转,并使B侧形成电子积累,而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力的作用。随着电荷积累的增加,增大,当两力大小相等时,则电子的积累达到了动态平衡。这时在A、B两端横面之间建立的电场称为霍尔电场,相应的电势称为霍尔电势。通过简单分析,可得到霍尔电势的表达式为:其中,为电子浓度(单位体积中电子数),为霍尔元件的厚度。若霍尔元件采用P
7、型半导体材料,则可以推导出:式中为单位体积中的空穴数。从式、中可以看出,在霍尔元件的特性、形状确定时,通过测量霍尔电势,就可以得到磁场的大小。4.1.2霍尔传感器直流激励特性实验仪器介绍霍尔传感器直流激励特性实验和下面将要讲的电阻应变式传感器特性实验均在YL-998型传感器系统实验仪上完成。这套仪器可做的传感器实验很多,我们只选了两种有代表性的来做,有兴趣、有能力的同学,可查阅说明书进行其它传感器实验。YL-998型传感器系统实验仪总体照片如图2所示。图2YL-98型传感器系统实验仪图2(1) 图2(2) 图2(3)图2中,标识的部分是与本单元实验密切相关的部分,而与本实验(霍尔传感器直流激励
8、特性)密切相关的部分介绍如下:实验仪总电源开关。副电源开关,板面有源器件的电源开关,如差动放大器。可调直流稳压电源。霍尔片及环形磁铁。测微器,旋动测微器,可带动霍尔片在环形磁铁中间移动。霍尔片在面板上的接线孔,接线说明如图2(1)所示。、差动放大器,如图2(2)所示。滑线变阻器电路及电阻,如图2(3)所示。可调量程数字电压表。4.1.3霍尔传感器直流激励特性实验内容由于本实验中实际的霍尔电势较小,不便测量,所以是把霍尔电势通过差动放大器放大后,再用电压表测量。为简单起见,我们就以此经过放大的电压记作霍尔电势。本实验内容为:测量霍尔片在环形磁铁不同位置x(通过测微器读出)处的霍尔电势UH,做出x
9、UH曲线,采用合适的数据处理方法,计算环形磁铁中心点的位置x0。要求:从测微器0mm位置开始,每隔0.5mm测一组数据,测到14mm。可能会遇到的实际问题:对于理想的霍尔片,在环形磁铁的中心位置其输出的霍尔电势应为零,但实际实验中,在中心点处的输出可能不为零,请利用合适的方法,使得差动放大器输出的霍尔电势基本充满差动放大器的有效量程(10V)。4.1.4霍尔传感器直流激励特性实验注意事项霍尔片直流电压不可超过2V,也不要和霍尔电势的两个接线端接反。4.1.5需查阅或准备的其它知识差动放大器基本知识,请参阅模拟电子基础教材。附:霍尔传感器直流激励特性测试电路实验4.2电阻应变式传感器特性电阻应变
10、片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件,电阻应变片有多方面的优点,在国民经济的各个部门都得到广泛的应用。4.2.1 电阻应变式传感器的基本原理以金属电阻丝为例,电阻率为长度为L横截面积为A的电阻丝的阻值R为:如果在外力作用下,使电阻丝的长度或横截面积发生变化,则其阻值也随之发生改变。图3为一种电阻应变片的结构简图,工作原理为:弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在表面的电阻应变片也随同被拉伸或挤压而产生变形,导致它的阻值发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),就完成了将外力变换为电信号的过程。1敏感栅;2引线;
11、 3粘结剂;4盖层; 5基底。图3应变片结构示意图检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。由于应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,为了显示和记录,通常将应变片组成电桥电路(因为惠斯登电桥具有很多优点,如可以抑制温度变化的影响,可以抑制侧向力干扰等),使得由非电量引起的应变片电阻变化转化为电压或电流的变化,图4为电桥电路图。 (a) 电桥电路 (b)单臂电桥 (c) 半桥电路 (d)全桥电路图4电桥电路根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大
12、,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。4.2.2 电阻应变式传感器的实验仪器介绍本实验也在YL-998型传感器系统实验仪上完成。与本实验相关的部分为图1中的、。其中,为应变片放置的位置;为测微器,通过旋转可控制弹性梁的形变;为电阻应变片在板上的接线孔,其放大图如图5(1)所示,我们利用图中左边四个电阻应变片做本实验,箭头相同的电阻应变片在弹性梁形变时其电阻变化趋势相同,而箭头相反的则变化趋势相反。在图5(2)中需指出一点,电阻R1和R2是连在一起的。 图5(1) 图5(2)4.2.3 电阻应变式传感器的实验内容本实验
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