传感器与测试技术

技能实习

学院：工学部

班级：

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指导老师：

实训时间：

目录

技能实习内容及要求…………………………………………………………………3

测量原理………………………………………………………………………………

测试系统组成………………………………………………………………………….

硬件的选用·…………………………………………………………………………..

硬件电路设计…………………………………………………………………………..

软件设计………………………………………………………………………………

程序设计……………………………………………………………………………….

运行界面截图·………………………………………………………………………….

小结·…………………………………………………………………………………

一、 技能实习内容及要求

（一）.实验内容：

基于环形输送带模块，设计一个测量系统，能对通过某工位的元件按照材料（金属或非金属）进行计数：并测量输送线的转速，转速只能处于一个速度范围之内，若超出，则报警，并输出一个数字停止信号。另外，软件能对转速大小进行控制。

（二）.实验要求：

1.

试系统）

2.

3. 设计测量电路（转速测量电路及制作） 测试软件设计 提出设计方案（提出测量原理，选用传感器，构建测

利用Labview或其他开发程序（VB VC等），设计测量软件进行数据采集和分析。

4.

5.

二、 总体方案设计

环形输送带转速测量和计数系统，基于环形输送带模块，对工位元件计数，用光电传感器测量工位元件的总个数，用电涡流传感器测试金属元件个数，用霍尔传感器测量环形输送带频率调试 撰写综合实验报告

f,通过频率f得出环形输送带转速，从而实现环形输送带转速测量和计数

1．测量原理:

1） 霍尔传感器侧转速原理

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于他的霍尔效应显著而得到了应用和发展.霍尔传感器的磁敏元件对磁场敏感，能将磁学物理量转换成电信号。霍尔效应的产生是由于运动电荷在磁场中受到洛伦兹力作用的结果。霍尔元件一般由半导体材料组成。将霍尔元件放大器温度补偿电路及稳压电源集成于一个芯片上所构成的线性霍尔传感器。霍尔传感器。霍尔传感器测速原理：电流的测量采用磁平衡式霍尔电流传感器传感器可测量从直流到

100kHz的交流量在自动测控系统中,常需要测量和显示有关电参量。目前大多数测量系统仍采用变压器式电压、电流互感器,由于互感器的非理想性,使得变比和相位测量都存在较大的误差,常需要采用硬件或软件的方法补偿,从而增加了系统的复杂性。采用霍尔检测技术,可以克服互感器这些缺点,能测量从直流到上百千赫兹的各种形状的交流信号,并且达到原副边不失真传递。因此霍尔传感器已广泛应用于微机测控系统及智能仪表中,是替代互感器的新一代产品。在此提出了利用霍尔传感器对电参量特别是对高电压、大电流的参数的测量。霍尔传感器测速原理：霍尔

器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：f=qVB式中：f—洛仑磁力，ｑ—载流子电荷，Ｖ—载流子运动速度，Ｂ—磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差HU称为霍尔电压。它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将永久磁钢固定在环形输送带的转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，由n=60f/z，z为固定在环形输送带的转盘的边沿永久磁钢。在此环形输送带上为z=12。测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

2） 电涡流式传感器测金属元件个数

电涡流式传感器是将金属导体置于变化的磁场中，到体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中涡流一样，故称之为电涡流。电涡流传感器的变换电路由阻抗分压式调频电路和条幅电路。电涡流式传感器不仅结构简单使用方便灵敏度高不受油污介质影响而且还用于动态非接触测量。

一块金属放置在一个扁平线圈附近，相互并不接触。当线圈中通过以高频正弦交变电流时，线圈周围的空间就产生交变磁场，此交变磁场在邻近金属导体中产生电涡流。而此电涡流也

产

生交变磁场阻碍外磁场的变化。由于磁场的反作用，使线圈中电流和相位都发生变化。也即引起线圈的等效阻抗发生变化，线圈的电感量也发生变化，因此可用线圈阻抗的变化来反映金属导体的电涡流效应。

在涡流检测中，当有交流电通过放置式线圈时，会产生一个交变磁场，线圈接近金属试块时，由于交变磁场的作用会在金属试块上感生出涡流，此涡流也产生一个与原来磁场相反的交变磁场，两个交变磁场相互叠加，便决定了探头线圈的阻抗。当金属板电导率，形状，有无缺陷或提离间隙等外界条件发生变化时，涡流及涡流产生的反磁场也将发生变化，从而线圈的阻抗也随之发生变化。通过探头线圈阻抗变化便可分辨金属元件于非金属元件。

3） 光电传感器测元件总个数

光电式传感器是将光能转换为电能，其物理基础是光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应。光电传感器是一种小型电子设备，可以检测出其接收到光强的变化。光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。

发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束

不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光电开关光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转

换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+β)Icbo，比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时，激发大量的电子——空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=(1+

β)Ib，可见光电传感器光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

2. 测试系统组成

1）敏感元件

霍尔传感器测量环形输送带频率，通过n=60f/z得出转速 光电感器测量环形输送带上总个数，

利用电涡流传感器测量金属元件的个数，

2）数据采集

研华数据采集卡USB4704收集AI信号和DI信号，

3）数据处理及显示

利用labview软件进行数据采集分析和调试。

三、 硬件的选用

1. 元器件选用

环形输送带，若干金属和非金属元件，研华USB4704数据采集卡，霍尔传感器，光电传感器。电涡流式传感器，若干导线，PC电脑

环形输送带，是欧鹏有限公司生产用于实验，环形输送带上共方12个方形金属和非金属元件供测量使用。

研华USB4704数据采集卡，USB-4702/4704是低成本的USB数据采集模块。您不再需要打开机箱安装DAQ模块。只要插上模块，然后得到的数据。它的简单而有效的。可靠和足够坚固的工业应用，但足够便宜，家庭项目，USB-4702/4704是最完美的方式添加到任何USB功能的计算机测量与控制能力。从USB

端口获得所有所需的电力，因此不断要求没有外部电源连接。USB-4702/4704的特点，他们是最具成本效益的实验室或生产线的测试和测量工具的有效选择SB - 4704 - AE 通道 8 SE / 4变化分辨率 12位采样率 48 kS / s的单极性输入（V） - 模拟输出分辨率 12位数字I / O 数字量输入通道 8 数字输出通道 8 定时器/计数器分辨率 32位。

在本次实训中测环形输送带的转速和元件个数中用到了AI0，DI2，DI4,接地口。

用AI接口进行采集霍尔传感器传输的模拟信号，在经过labview处理得到一系列的方波，在经过程序处理后输出环形输送带的转速。

DI2，与DI4口分别是采集电涡流传感器，光电传感器传输数据。DI2，DI4口接收的是数字信号，由labview处理得到金属元件和元件总个数。

2. 硬件电路设计（设计图纸，实物连接图照片）

四、软件设计

1．软件设计流程图

这次实训是利用labview设计测量软件

软件平台是借助虚拟仪器软件问(LabVIEW)在计算机上搭建的虚拟测试系统。LabVIEW是实验室虚拟仪器工作平台

(1aboratory virtual instrument engi．neeriNgworkbench)的简称，是美国国家仪器公司(Na．tional Instruments)推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境．LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了

工

程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。是目前国际上唯一的编泽型图形化编程语言。其编写的程序称为虚拟仪器程序(简称VI)，主要包括前面板(即人机界面)和框图程序两部分。前面板用于模拟真实仪器的面板作，可设置输入数值、观察输出值及实现图表、波形、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码．用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW采用层次化结构．用户可以把创建的VI程序当作子程序调用。以创建更复杂的程序。用它编写方框图程序时，只需从对应的模块中选用相应的图标．然后再以线条相互连接。即可实现数据的传输。该测试仪就是借助

LabVIEW．仿照真实仪器面板设计前面板．并通过LabVIEW中的DAQ助手及有关功能模块，编写框图程序。测试仪主要功能为脉搏信号的采集及数据存储和对采集存储的信号进行回放分析。根据此要求，在hbVIEW前面板窗口中，选取有关控件及波形显示器件．并借助LabVIEW的工具模版，设计、架构测试仪前面板；在对应的框图程序窗LI．通过DAQ助手进行有关采集参数的设置．通过Write LabVIEW Measurement模块实现对信号的保存．它将信号波形以数据点的形式存放于文件中．文件的扩展名为lvm。整个采集、显示过程由循环结构控制．选择Append to file就可以将每个循环采集到的数据连成为长达40 s的完整过程记录。同放部分是通过Read from sDreadsheet file模块读取文件路径框中给出的存放数据文件来实现波形的回放．以采样频率128 Hz、采样长

度40 s为设定值。借助有关运算模块．进行脉率的测算。从而在测试仪前面板上实现脉搏波形的采集、数据存储、波形回放、频谱分析、脉率显示、异常情况警示等功能。

2．程序设计

采集程序，信号处理。。。总程序框图，运行界面截图

这是实验中测得的数据，此时环形传感器转速为7.6r/min，由于此时传感器速度大于7r/min，所以这时报警灯亮，如果转速小于7r/min，则报警灯不亮。此时可以看出元件共有12个，金属元件有7个，在下面是由霍尔传感器测得的方波，在这次将采样频率调到4000，采样点数调到4000.

五、小结

本次的实训虽然只有短暂的一周，但我从中获益颇多。首先，我明白了我们不仅要学好理论知识，更要学会将理论运用于实际中。光学好理论知识并不行，理论与实践中存在中很大差距，所以要想运用于实际中，要深刻理解书本知识，还要活学活用，懂得联想与创新。在这次实训中让我对于传感器的应用有了更深的感触。其次，我还懂得了团队合作的重要性，一个人的思维是有限的，只有大家齐心协力，共同创作，互相弥补，才能达到最高的效率。我们小组的题目是：环形传送带转速测量和计数系统。基于环形输送带模块，设计一个测量系统，能对通过某工位的元件按照材料（金属或非金属）进行计数：并测量输送线的转速，转速只能处于一个速度范围之内，若超出，则报警，并输出一个数字停止信号。另外，软件能对转速大小进行控制。在实训中我们小组遇到了许多困难，比如对于霍尔传感器与光电传感器，电涡流传感器是模拟信号还是数字信号问题，然后就是labview的程序设计，对于我们来说labview程序编程合适要求的程序是一个大难题，我们不懂的地方就去询问老师和同学，结合题目的要求一点一点地编写和修改，组长承担了主要的编写任务，在付出了诸多的努力和汗水之后，最终编写了出了正确的程序。经过这次实训明白了自己的实践能力还十分的不足，缺乏锻炼，所以在日后的学习过程中，我应该努力的将理论与实际联合起来，着重锻炼自己的动手能力，使自己面对以后的工作时有一定的底气与信心。

 

第二篇：传感器应用技能实训 11习题答案

技能训练十一 气敏传感器

二、思考题

1．填空题

（1）气敏传感器是一种对 气体的种类和浓度 敏感的传感器。

（2）气敏传感器将 被测气体的种类或浓度等变化转换成电阻值的变化，最终以电压或电流 形式输出。

（3）气敏传感器接触气体时，由于在其表面 吸附 ，致使其电阻值发生明显变化。

（4）气敏传感器内的 加热丝 使气敏传感器工作在高温状态，加速 被测气体的吸附 和氧化 还原反应 ，以提高 灵敏度 和 响应速度 ；同时通过加热还可以使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。

（5）气敏电阻元件的基本测量电路中有两个电源，一个是 工作电源 ，用来 为气敏传感器提供工作电压 ，一个是 加热电源 ，用来 加热电热丝 。

（6）气敏电阻接触被测气体时，产生的吸附使 半导体材料中电子的密度

发生变化，使半导体中的 电子密度减小 变化，使气敏传感器的 电阻 变化，从而感知被测气体。

（7）气敏传感器的电阻值与 温度 和 湿度 有关，因此需要进行 温度补偿 ，以消除它们的影响。

2．选择题

（1）气敏传感器使用（ b ）材料。

a．金属 b．半导体 c．绝缘体

（2）判断气体具体浓度大小的传感器是（ b ）。

a．电容传感器 b．气敏传感器 c．超声波传感器

（3）加快气体反应速度最关键的部件是（ b ）。

a．敏感元件 b．加热丝 c．催化剂

（4）提高气敏传感器选择性最关键的是（ c ）。

a．敏感元件 b．加热丝 c．催化剂

（5）针对不同的检测气体，掺入不同的（ a ）可提高气敏传感器的选择性和灵敏度。

a．催化剂 b．加热丝

（6）气敏传感器广泛应用于（ a ）。

a．防灾报警 b．温度测量 c．液位测量

（7）大气污染监测采用了（ c ）传感器。

a．热敏 b．光敏 c．气敏

3．问答题

（1）什么是气敏传感器？简述其用途。

答：气敏传感器是一种利用被测气体与气敏元件发生的化学反应或物理效应等机理，把被测气体的种类或浓度的变化转化成气敏元件输出电压或电流的变化。半导体电阻式气敏传感器则是利用气体吸附在半导体上而使半导体的电阻值随着可燃气体浓度的变化而变化的特性来实现对气体的种类和浓度的判断。

（2）为什么气敏传感器使用的时候需要加热？

答：在常温下，传感器的电导率变化不大，达不到检测目的，因此在器件中配上加热丝，使气敏传感器工作在高温状态（200~450℃），加速被测气体的吸附和氧化还原反应，以提高

灵敏度和响应速度；同时，通过加热还可以烧去附着在壳面上的油雾和尘埃（起清洁作用）。

（3）为什么要对气敏传感器要进行温度补偿？

答：气敏传感器在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，气敏传感器的电阻值较大；温度和湿度较高时，气敏传感器的电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。