传感器课程设计指导书

传感器课程设计指导书
北京科技大学自动化学院
仪器科学与技术系
2014年3月
传感器课程设计指导书
一、课程设计简介
课程名称：传感器课程设计
课程编号：05030D
开课院系：自动化学院仪器科学与技术系
课程类别：必修
适用专业：测控技术与仪器
先修课程：自动检测技术，模拟电子技术等
起止时间：第七学期2周—4周
地点：信息楼906
二、课程设计目的
传感器课程设计通过学生自行设计的传感器，同时自行搭建传感器的测量电路，通过实际测量传感器输出信号与被测物理量的关系，深刻理解传感器的原理和作用。

通过本课程设计，使学生巩固和加强传感器方面的相关理论知识，获得设计方法的基本训练，提高其综合运用知识的能力和实践能力。

三、课程设计器材
1、电感支架，电感骨架
2、烧杯
3、502胶水
4、金属箔式应变片，标称电阻值为120Ω，4只
5、砝码
6、交流、直流电源
7、运放
8、漆包线9、万用表10、pt100 11、热敏电阻12、150Ω电阻1只，47Ω电阻1只
13、电位器1.5K 1只14、导线若干
15、面包板1块16、水银温度计17、电阻，电容
18、烙铁，焊锡
四、课程设计题目和内容
1、应变传感器应变测量
目的：学会识别一般的电阻应变式传感器，认识电阻应变片及弹性敏感元件，
了解电阻应变式传感器的基本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。

通过本设计熟悉电阻应变片的结构和种类，掌握应变片测量力的工作原理，掌握直流电桥的工作原理和有关特性，熟悉电阻应变式传感器测量电路的工作调零和调节灵敏度的方法。

内容：
（1）传感器制作
将4片应变片根据所学知识粘贴在悬臂梁受力处，使其输出信号最大；
（2）测量电路设计
设计四臂测量电桥电路（1-1）和仪器放大器电路（1-2）。

正确地连接传感器到所设计的电路中；电路调零后，根据不同的砝码值测量电路输出信号并进行记录，画出砝码质量与电路输出信号的关系曲线，与所学知识进行对比，如果产生误差，需要进行误差分析。

（3）计算所设计的应变传感器装置的灵敏度和非线性误差。

2、热电阻，热敏电阻温度测量
目的：通过不同水温，搭建电阻温度传感器的测量电路，通过水银温度计和测量电路的输出电信号的比较，得出热电阻传感器温度与输出信号的关系曲线，与所学的理论知识对比，不同之处需要加以分析。

设计内容及要求：
由温度计测出的温度值取整数，例31℃，由万用表测出的铂电阻电阻值小数点后保留两位数字，例125.44Ω；
铂热电阻：
测量数据温度范围为85℃~25℃（温度最大、最小值不一定准确，靠近该值即可。

），温度间隔：3℃左右，每组20个数据；
（1）设计将测量电阻值转换为测量电压或电流值的电路（电路2-1），列出电路输出信号（电压或电流）和铂电阻值的函数关系式（公式2.1），记录电路2-1输出信号值与对应的温度的值；
（2）由于电路2-1输出信号较小，设计信号放大电路（电路2-2），列出经过放大环节后输出信号与铂电阻电阻值的关系表达式（公式2.2），记录电路2-2的输出信号值和对应的温度值。

数据记录及处理内容： 数据1：表1
比较表1中（t 0- t 1）的值，分析产生误差的原因和改进措施。

数据2： 表
2
电路2.1原理图：
公式2.1： ； 数据3： 表3
电路2-2原理图：
电路2-2的增益：；
公式2.2：
（传感器，电路2-1和电路2-2三部分连在一起的输入输出关系式）
；
绘制3个曲线：
1）热电阻阻值与温度t0关系曲线：（A）
2）电路2-1输出与温度t0关系曲线：（B）
3）电路2-2输出与温度t0关系曲线：（C）
对上面三个曲线进行分析，评价；
对整个数据处理结果的评价及分析：
热敏电阻：
（1）测量温度为0=25℃时，热敏电阻的阻值0，然后测量不同温度下，热敏电阻的阻值，根据热敏电阻材料系数B的经验公式计算B的值，共测量12组数据，最后B的值取平均值，数据温度范围要求与铂电阻相同，温度测量间隔为5℃；
测量计算两种温度范围的材料系数，即25℃~50℃和25℃~85℃（25∕50和25∕85），得到该种热敏电阻值随温度变化的关系式，并分析热敏电阻材料系数B与温度范围相关的原因；
（2）测量热敏电阻的热电特性曲线
温度计测量温度，同时万用表测量热敏电阻的阻值，测量范围及温度间隔与铂电阻要求相同；绘制热敏电阻阻值和温度的特性曲线并加以说明。

设计将测量电阻值转换为测量电压的电路（电路2-3），列出电路输出信号和热敏电阻值的函数关系式；测量电路输出信号，测量对应的温度值，绘制电路2-3输出信号值与温度的特性曲线并与该热敏电阻热电特性曲线进行比较，对比较的结果加以说明。

数据记录及处理内容：
数据1：表1
热敏电阻材料系数B 与其温度，阻值的关系式： B= （2.3） 0=25℃时，热敏电阻的阻值 0: 绘制热敏电阻阻值与温度t 的关系曲线：（曲线D ）
数据2：表2 不同温度范围的材料系数的确定
0=25℃时，热敏电阻的阻值 0: 分析热敏电阻材料系数B 与温度范围相关的原因。

数据3： 表3
热敏电阻测量电路2-3原理图：
电路2-3的输入输出关系式：；（2.3）
绘制电路2-3输出信号值与温度的关系曲线（曲线E）
比较曲线D和E，对比较的结果加以说明。

3、电感传感器测量位移设计
目的：通过自行制作电感传感器，自行搭建电感传感器的测量电路，加深对电感传感器工作原理的理解，通过位移的测量，熟悉电感传感器的应用。

内容：对给定的龙骨架和给定的漆包线进行电感传感器的绕制，一个原边，两个副边，初级线圈在龙骨中间，覆盖5层，次级线圈在龙骨两边，次级线圈尽量相等，绕制完成后用万用表检测有无短路，没有短路的情况下，将其装入实验台架内；
（1）激励电源参数对传感器零点残余电压的影响
参考激励电源参数范围：幅度3~8V，频率：4~10KHz，也可以不参考此范围。

分别测量激励电源幅度不变，改变其频率时，零点残余电压的变化情况和激励电源频率不变，幅度改变时，零点残余电压的变化情况；
（2）传感器位移的测量
不连接任何测量电路，测量传感器衔铁不同的位移∆与传感器相应的输出电压值-，绘出传感器位移与输出信号的关系曲线；
（3）设计相敏检测电路
相敏检测电路（3-1）搭建完成后，利用示波器找到该传感器的零点，测量
零点残余电压值并记录；然后分别从上下两个方向进行实验，记录千分尺移动的位移和测量电路输出的电信号，在数据处理中得出电感传感器测量的位移和电路输出电信号的关系曲线，如果存在误差，需要进行误差分析。

差动变压器各参数对传感器的影响：
次级线圈匝数越多，传感器灵敏度越高，但传感器的零点残余电压也增加；
初级线圈激励电源幅度越大，传感器灵敏度越高，但激励电源幅度太大，引起线圈发热，使输出信号漂移；
初级线圈激励电源频率过高和过低都会使传感器灵敏度降低；
数据记录与处理：
数据1
表1：传感器激励电源幅度不变，频率改变对零点残余电压和传感器性能的影响：
数据分析：
数据2
表2：传感器激励电源频率不变，幅度变化对零点残余电压和传感器性能的影响
数据分析：
激励电源对零点残余电压影响研究结果：
最佳的激励电源幅度= ；
最佳的激励电源频率=；
零点残余电压值：；
数据3
表3：传感器测量位移数据记录：
以零点残余电压值所在的位置记为位移为0的位置，分别向上、下以间隔为2mm 测量10个数据，记录位移值和传感器输出值。

传感器输出信号与位移特征曲线：
数据4 表4：
将传感器接入电路中，测量辨向电路输出信号与相应位移的数据，记入表4中：
电路3-1原理图：
辨向电路输出信号与位移特征曲线：
对特征曲线的说明：
激励电源频率= ；幅度= ，
零点残余电压值=
五、课程设计时间安排
课程设计共3周，具体安排如下：
第2周至第4周，每周周2和周4下午：
熟悉分配到的课程设计内容，查阅相应的测量电路，搭建传感器课程设计装置，进行数据测量，进行数据处理；
六、课程设计管理
1、人员管理：
（1）每组约3人，分为18个组；
（2）每组的同学可通过协商，进行任务分工，但每个人必须完成课程设计的一部分功能，并在设计报告中体现出来。

（3）每组固定使用实验室的某些设备，同时负有保管职责。

2、设备管理：
（1）实验前，将实验设备整理干净；
（2）每次改变硬件设置，要整理好实验设备，并关闭电源；
（3）将硬件连接好后，开电源并开始操作；
（4）实验结束，关闭电源并将实验设备整理好；
（5）如实验中由于操作不当引起实验设备损坏，将追究责任。

七、课程设计报告撰写
1，报告内容完整，包括目录、简述、正文、结论、参考文献以及数据原始记录纸等部分。

2，原理阐述正确、层次分明、文笔流畅，专业术语使用规范，数据准确。

3，要求打印稿，要求字符规范（小四号）、图纸清晰、整洁，内容完整。

4，课程设计报告格式见附录一。

八、课程设计成绩考核评定
1，课程设计的最终成绩是对学生在设计期间的态度、表现、水平、投入、答辩，以及设计报告的全面考核与衡量，成绩为百分制。

2，平时成绩（出勤及平时表现）占20分，点名+平时表现；调试成绩30分（按照完成任务的比例评分）；报告成绩30分；面试回答问题20分。

九、主要参考资料
1，金喜平，郭雨梅等.智能仪器设计[M].沈阳，辽宁科学技术出版社，1993.
2，蔡明文，冯先成.单片机课程设计[M].武汉，华中大学出版社，2007.
3，楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京，北京航空航天大学出版社，2007.
附录一传感器课程设计报告格式
传感器课程设计报告
姓名：
学号：
专业：
班级：
北京科技大学自动化学院
2014年3月
目录
传感器课程设计报告
一、课程设计内容简述
设计要求
设计分工
二、传感器设计和传感器测量电路电路原理图及说明
要求：
列出设计的电路原理图，电路输入输出函数关系式，电路的增益，电路使用的电源参数；
电感传感器制作要求记录：初级线圈和次级线圈的匝数；初级线圈和次级线圈的漆包线的直径；
应变传感器制作要求记录：每片应变片的初始电阻值，应变片粘贴位置照片；
三、测量原始数据及数据处理分析
四、调试过程遇到的问题及解决方法
五、参考文献
六、教师评语及成绩
1，评语：
2，成绩：
教师签名：日期：。