微电流检测传感器论文

《传感器原理及应用》实验一 金属箔式应变片----单臂、半臂、全桥性能实验实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工作原理和性能。基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:ΔR/R=Kε式中:ΔR/R为:ΔR/R电阻丝电阻相对变化, K为应变灵敏系数, ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化, 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部件受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uο1=Ek�0�2/4。在半桥性能实验中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uο2=Ek�0�2/2。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ek�0�2。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V、±4V直流电源、万用表。实验方法和要求：根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。独力完成实验电路连线。找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出Vo=F(m)的关系曲线。分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度S=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·s×100%式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·s满量程输出平均值，此处为200g。实验二 压阻式压力传感器的压力测量实验实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。基本原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下，根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。实验设备：压力源、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±4V、±15V。实验方法和要求：根据电子电路知识完成电路连接，主控箱内的气源部分、压缩泵、储气箱、流量计在主控箱内部已接好。将标准压力表放置传感器支架上，三通连接管中硬管一端插入主控板上的气源快速插座中（注意管子拉出时请用双指按住气源插座边缘往内压，则硬管可轻松拉出）。其余两根软导管分别与标准表和压力传感器接通。将传感器引线插头插入实验模板的插座中。先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。合上主控箱上的气源开关，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠浮子在向上浮起悬于玻璃管中。逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度，观察数显表显示电压的正、负，若为负值则对调传感器气咀接法。仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使压力显示在4—14KP之间，每上升1KP分别读取压力表读数，记下相应的数显表值。计算本系统的灵敏度和非线性误差。思考题：如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对其进行标定，如何标定？实验三 压电式传感器测震动实验实验目的：了解压电式传感器的测量震动的原理和方法。基本原理：压电式传感器由惯性量块和受压的压电片等组成。（仔细观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的震动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。实验设备：震动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板、双线示波器。实验方法和要求：压电传感器已装在震动台面上。将低频震荡器信号接入到台面三源板震动源的激励插孔。将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感情实验模板电路输出端Vo1接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出Vo与示波器相连。合上主控箱电源开关，调节低频震荡器的频率和幅度旋钮使震动台震动，记录示波器波形。改变低频震荡器的频率，记录输出波形变化。用示波器的两个通道同时记录低通滤波器输入端和输出端波形。求出压电传感器的振动方程。实验四 差动变压器的性能实验实验目的：差动变压器的工作原理和特性。基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段和三段式，本实验是三段式结构。当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。实验设备：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源（音频震荡器）、直流电源、万用表。实验方法和要求：将差动变压器装在差动变压器实验模板上。将传感器引线插头插入实验模板的插座中，接好外围电路，音频震荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频震荡器的频率，输出频率为4—5KHZ（可用主控箱的频率表输入Fin来检测）。调节输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V（可用示波器检测）旋转测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔从示波器上读出输出电压Vp-p值，至少记录一个周期的数据。在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。在实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。画出输出电压峰值Vop-p—位移X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。实验五 位移传感器特性实验-霍尔式、电涡流式、电容式（一）霍尔式传感器位移特性实验实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势Uн=KнIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。实验设备：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流电源、测微头、数显单元。实验方法和要求：将霍尔传感器安装于实验模板的支架上。再将传感器引线插头接入实验模板的插座中，完成实验电路的连线。开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置并使数显表指示为零。测微头向轴向方向推进，每转动记下一个输出电压读数，直到读数近似不变。作出V—X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？（二） 电涡流传感器位移实验实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。实验设备：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。实验方法和要求：将电涡流传感器安装在实验模板的支架上。观察传感器结构，这是一个平绕扁线圈。将电涡流传感器输出线接入实验模板标有L的两端插孔中，作为震荡器的一个元件。在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。用连接导线从主控台接入±15V直流电源接到模板上标有+15V的插孔中。使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔读一个数，直到输出电压几乎不变为止。画出V—X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或拟合直线法）。思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关?2、电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器。（三） 电容式传感器的位移实验实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。基本原理：利用平板电容C=εA/d和其它结构的关系式，通过相应的结构和测量电路可以选择 ε、 A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变），测微小位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。实验设备：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压电源。实验方法和要求：将电容传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接，Rw调节到中间位置。接入±15V电源，旋转测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔记下位移X与输出电压值。计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf

室内空气质量检测与传感器的应用 [摘要]室内空气品质对人的影响至关重要,利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法,本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用,分析了当前气体传感器的优点和不足,以及气体传感器的发展趋势和前景。 [关键词]空气质量 气体传感器 室内环境污染 一、空气对于人的重要性 人们每时每刻都离不开氧,并通过吸入空气而获得氧。一个成年人每天需要吸入空气达6500升以获得足够的氧气,因此,被污染了的空气对人体健康有直接的影响。人的一生中有90%以上时间在室内度过,可见,室内空气品质对人的影响更是至关重要。 二、室内环境污染背景 当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后,又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现,在室内空气中存在500多种挥发性有机物,其中致癌物质就有 20多种,致病病毒 200多种。危害较大的主要有:氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实,室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注的问题。据统计,全球近一半的人处于室内空气污染中,室内环境污染已经引起的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。 三、关于开展室内空气质量服务的几点设想 1.着手调查国内家庭和办公室内空气质量的基本情况。 2.了解并着手引进室内空气质量检测设备。 3.进行规模较大的宣传活动,首先应由气象主管部门与环保主管部门联合建立室内空气质量问题的管理机制。 4.对国际环保部门有关室内空气质量的法规、技术标准、室内污染测定方法及对测定仪器等问题进行专门的调查和研究。 四、空气检测仪的强力武器——传感器 检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要工具。下面将介绍六种在空气质量检测方面发挥重要作用的传感器。 1.金属氧化物半导体式传感器。金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用,改变半导体的电导率,通过电流变化的比较,激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大,输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器,因其反应十分灵敏,故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。 2.催化燃烧式传感器。催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一,具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理,感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧,是温度使感应电阻的阻值发生变化,打破电桥平衡,使之输出稳定的电流信号,再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。 3.定电位电解式传感器。定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术,在此方面国外技术领先,因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构:在一个塑料制成的筒状池体内,安装工作电极、对电极和参比电极,在电极之间充满电解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接,在电极之间施加了一定的电位,使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应,在对电极发生还原或氧化反应,电极的平衡电位发生变化,变化值与气体浓度成正比。 4.迦伐尼电池式氧气传感器。迦伐尼电池式氧气传感器的结构:在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透气膜,在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、黄金、银等)阴电极,在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极(用铅、镉等离子化倾向大的金属)。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应,使阳极金属离子化,释放出电子,电流的大小与氧气的多少成正比,由于整个反应中阳极金属有消耗,所以传感器需要定期更换。目前国内技术已日趋成熟,完全可以国产化此类传感器 5.红外式传感器。红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理,具有抗中毒性好,反应灵敏,对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂,成本高。 光离子化气体传感器。PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成,在离子室有正负电极,形成电场,待测气体在紫外灯的照射下,离子化,生成正负离子,在电极间形成电流,经放大输出信号。PID具有灵敏度高,无中毒问题,安全可靠等优点。 五、气体检测仪器仪表产业发展现状深度分析 近年来,随着中国经济的高速发展,仪器仪表产业也得到了快速发展,自2004年产销首次突破千亿元大关,行业发展进入了快车道,2006年行业总产值突破两千亿元;2007年仪器仪表行业总产值达3078亿元,增长率高达;据仪器仪表行业协会统计,08年上半年仪器仪表行业总产值实现 亿元,同比增长,其中分析仪器、环境监测仪器仪表增长率高达32%。 科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件,市场和政府政策的推动、人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力,这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。 从技术发展的角度看,根据使用传感器原理的不同,常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域,新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。 六、对未来空气质量检测的展望 随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视,对各种有毒、有害气体的探测,对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。 参考文献: [1]陈艾.敏感材料与传感器[M].北京:高等教育出版社. [2]高晓蓉.传感器技术[M].成都:西安交通大学出版社. [3]彭军.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社. [4]王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社. [5]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京:电子工业出版社.