傳感器系列實驗的設計

代如成，張憲峰，邱正明，王中平，張增明，孫臘珍

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

傳感器系列實驗的設計

代如成，張憲峰，邱正明，王中平，張增明，孫臘珍

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

從實驗內容和實驗儀器兩方面對SET-998型綜合傳感器實驗儀進行改革. 設計了應變片電子秤、熱敏溫度計、氣敏傳感器、熱釋電傳感器和氣壓傳感器實驗. 在實驗內容方面，學生通過系列實驗除了能掌握傳感器的基本原理、驗證物理效應外，還能了解傳感器功能的應用演示實驗；在實驗儀器方面，將集成化的儀器設備轉化為開放式的實驗平臺，便于學生直接觀察實驗現象和掌握實驗原理. 將傳感器理論教學和實踐應用相結合，更讓學生直觀深刻地了解傳感器的原理、功能與特性，也加強了學生創新和實踐能力的培養. 通過對傳感器實驗的有益改革，使其更有效地為實驗教學服務.

傳感器；電阻應變片；熱敏溫度計；氣敏傳感器；熱釋電傳感器；氣壓傳感器

傳感器技術是當今世界迅猛發展起來的高新技術，也是現代科學技術發展的重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱，目前，廣泛應用于國防科技、工農業生產及日常生活領域[1-2]. 傳感器實驗是高等學校理工科專業必開的物理實驗課，我校使用的傳感器實驗裝置是SET-998型傳感器系統實驗儀，它所提供的實驗項目大多為驗證性實驗. 從實驗內容看，雖然實驗注重對傳感器的轉換原理、工作原理以及傳感器特性等方面的研究，卻未涉及到傳感器在工程技術方面的應用，不滿足設計性、綜合性的要求. 從實驗儀器看，常用的傳感器實驗臺雖然數據精確，方便操作，但集成式的構件不方便學生觀察，不利于學生對實驗原理的理解. 鑒于上述缺點，針對傳感器實驗教學內容和實驗儀器2個方面進行了改革：在實驗內容方面，除了傳感器的工作原理驗證外，又增加了傳感器的應用設計；在實驗儀器方面，摒棄傳統的集成式傳感器實驗儀，開發出分立式的傳感器實驗設備，整套儀器是開放的實驗平臺，儀器的構造及實驗原理清晰，學生可以自己設計和組裝實驗設備，驗證實驗原理和探索傳感器應用. 本實驗的改進旨在提高學生對傳感器原理及特性的理解，培養高素質技能型人才.

1 應變片電子秤

應變片是最常用的測力傳感元件，應變片牢固地粘貼在測試體表面，當測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨之變形，其電阻也隨之發生相應的變化(如圖1所示)，通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示[3-4].

(a)應變片結構示意圖

(b)雙彎曲懸梁應變測力結構圖1 應變片

(a)單臂電橋

(b)半橋差動電路

(c)全橋差動電路圖2 3種直流電橋電路示意圖

電橋電路是常用的測量電路，根據電橋供電電壓源的不同，可分為直流電橋和交流電橋2種. 本實驗采用直流電橋，優點是易于獲得高穩定性的直流電源，且易調節電橋平衡. 圖2是直流電橋電路的示意圖. 圖2(a)是單臂電橋，R1為電阻應變片，其他3個橋臂接固定電阻R2，R3和R4. 當R1未受力，電橋達到初始平衡時，有R1R2=R3R4，輸出電壓Uo=0. 為了使問題簡化，若使可變電阻R1的初始值與3個固定電阻相等，皆為R，當應變片承受應變產生電阻ΔR的變化時，電橋處于不平衡狀態，此時輸出電壓近似為Uo=14ΔRRU. 上述的計算進行了近似處理，實際的輸出電壓并非理想化的線性關系，存在非線性誤差. 為了消除非線性誤差及提高靈敏度，行之有效的方法是采用差動電橋，包括半橋差動電路和全橋差動電路. 圖2(b)為半橋差動電路，若R3和R4仍接固定電阻，而R1和R2分別接應變片，而且2個應變阻值變化方向相反，即一增一減，其輸出電壓Uo=12ΔRRU. 類似地，差動全橋[圖2(c)]的輸出電壓為Uo=ΔRRU. 可見單臂、半橋和全橋電路的測量靈敏度之比為1∶2∶4.

分別標定出3種電橋的靈敏度(如圖3所示). 在一定質量加載范圍內，3種電橋滿足良好線性輸出電壓信號，而單臂、半橋和全橋橋路的靈敏度S分別為0.001 96 mV/g,0.004 03 mV/g和0.009 56 mV/g(S單∶S半∶S全≈1∶2∶4). 標定得應變片電子秤可以稱量待測物質量.

圖3 3種直流電橋的靈敏度

本實驗旨在讓學生了解電阻應變片的應變效應，了解雙彎曲橫梁上的應變片受力情況，理解直流電橋的工作原理和直流電橋的應用. 比較單臂電橋、半橋、全橋的不同特性，學習電路的標定方法和分析非線性誤差，測量待測物質量.

2 熱敏溫度計

Cu50是銅熱電阻，在一定溫度范圍內，其阻值會隨著溫度的變化而線性改變(Cu50表示在0 ℃時阻值為50 Ω，類推Pt100). 銅熱電阻的線性較好、價格低、電阻率低，因而體積較大，熱響應較慢，常用于-50～150 ℃范圍的溫度測量[5]，其分度表見表1.

表1 Cu50熱電阻分度表

溫控儀是調控一體化智能溫度控制儀表，它采用了全數字化集成設計，具有溫度曲線可編程或定點恒溫控制、PID調節、開關量輸出、報警、實時數據查詢、與計算機通訊等功能[6]. 當溫度源的溫度發生變化時，溫度源中的熱電阻Cu50的阻值發生變化，將電阻變化量作為溫度的反饋信號輸給PID智能溫度調節器，經調節器的電阻-電壓轉換后與溫度設定值比較，再進行數字PID運算輸出可控硅觸發信號(加熱)和繼電器觸發信號(冷卻)，使溫度源的溫度趨近溫度設定值，溫度控制系統如圖4所示.

圖4 智能溫控系統示意圖

記憶合金是一種原子規則排列的馬氏體相變合金，這種合金在外力作用下會產生變形，當把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復原來的形狀. 由于它具有百萬次以上的恢復功能，因此叫做“記憶合金”. 記憶合金具有無磁性、耐磨耐蝕、無毒性等優點，應用十分廣泛.

利用自建智能溫控系統研究了記憶合金彈簧的溫度形變效應，在22～45 ℃溫度內，記憶合金彈簧由伸展狀態收縮至記憶狀態的溫度-形變曲線如圖5所示. 由圖5可見，記憶合金的開始相變為31 ℃，完全相變為36 ℃；彈簧的形變顯著，收縮近6 cm.

本實驗旨在讓學生了解溫差電偶的特性、PID智能溫控儀的工作原理. 標定測溫系統，了解P,I,D,T參量對控溫的作用，利用該測溫系統研究記憶合金的形變特性和相變溫區.

圖5 記憶合金彈簧的溫度形變曲線

3 氣敏傳感器

半導體氣敏材料吸附氣體能力很強，元件被加熱到穩定狀態，當氣體接觸到半導體表面而被吸附，被吸附的分子在表面物性自由擴散(物理吸附)，失去運動能量. 一部分分子被蒸發掉，另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處(化學吸附). 如果元件的功函數小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子將從元件奪取電子而變成負離子吸附. 具有負離子吸附傾向的氣體有O2和NOx，稱為氧化型氣體或者電子接收型氣體. 如果元件的功函數大于吸附分子的離解能，吸附分子將向元件釋放電子，而成為正離子吸附. 具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和酒類等，稱為還原型氣體或者電子供給型氣體.

當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上時，這將使載流子減少，電阻增大. 當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，載流子增多，電阻下降. 這種半導體氣敏傳感器與氣體接觸時，其阻值發生變化時間(稱響應時間)少于1 min(圖6). N型材料有SnO2,ZnO,TiO2,W2O3等，P型材料有MoO2,CrO3等. 空氣中的氧成分大體恒定，因而氧的吸附量也是恒定的，氣敏元件的阻值大致保持不變. 如果被測氣體流入這種氣氛中，元件表面將產生吸附作用，元件的阻值將隨氣體質量分數而變化，從質量分數與阻值的變化關系即可得知氣體質量分數[7]. 實驗中MQ-3酒精傳感器是典型的N型半導體SnO2氣敏元件，其阻值RC與空氣中被測氣體的質量分數C成對數關系：

lgRC=-mlgC+n,

其中n與氣體檢測靈敏度有關，除了隨材料和氣體種類不同而變化外，也隨測量溫度和添加劑的不同而發生大變化；m為氣體的分離度，隨氣體質量分數變化而變化，對于可燃性氣體，1/3≤m≤1/2.

圖6 N型半導體元件電阻與吸附氣體的關系

半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應時間長、恢復時間短、使用壽命長、成本低等特點，廣泛應用于防災報警、大氣污染監測，醫療上用于O2及CO2氣體測量；生活中則可用于空調機、烹調裝置、酒精質量分數探測等方面.

在環境溫度為25 ℃，相對濕度為65%的條件下，用傳感器測量了不同質量分數酒精的輸出電壓[如圖7所示]. 由圖7可見，隨著酒精質量分數增加，傳感器的輸出電壓在不斷增大；在較低質量分數時，傳感器輸出電壓迅速增大；在較高質量分數時，傳感器輸出電壓緩慢增加. 當傳感器接收到酒精，轉換電路直接將氣體質量分數信號轉換成電平信號輸出，再利用該電平信號觸發智能開關動作，進而可實時監測和控制報警器或指示燈工作(見圖8).

圖7 氣敏傳感器輸出電壓與酒精質量分數的關系

圖8 氣敏感應控制報警系統

本實驗旨在讓學生了解氣敏傳感器的工作原理和特性，掌握氣體質量分數與氣敏傳感器輸出電壓的關系，掌握傳感器感應控制報警或燈控系統的工作原理.

4 熱釋電傳感器

當熱釋電晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，被稱為熱釋電效應. 通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來. 當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖9是熱釋電效應形成的原理.

圖9 熱釋電效應形成原理圖

熱釋電紅外傳感器通過目標與背景的溫差來探測目標，其工作原理是熱釋電效應. 在熱釋電晶體的上、下表面設置電極，并且在上表面覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升ΔT，其晶體內部的原子排列將產生變化，引起自發極化電荷，在上下電極之間產生電壓ΔU. 熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會被空氣中的離子所結合而消失，即當環境溫度穩定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出. 在自然界中，任何高于絕對溫度(-273 ℃)的物體都將產生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長不一樣，因此紅外波長與溫度的高低有關. 人體體溫一般在37 ℃，會發出特定波長約10 μm的紅外線，當人進入檢測區，因為人體溫度與環境溫度有差別，人體輻射約10 μm的紅外線通過菲涅耳透鏡濾光片增強后聚集到紅外感應源(熱釋電元件)上，紅外感應源在接收到人體紅外輻射時就會失去電荷平衡，轉換電路將熱信號轉換成電平信號輸出. 如果人進入檢測區后不動，則環境溫度沒有變化，傳感器不再輸出電平信號[8-9]. 熱釋電傳感器具有反應速度快、靈敏度高、準確度高、測量范圍廣、使用方便等特點，廣泛應用于安防、自動開關(人體感應燈)、非接觸測溫等民用行業和工業領域.

基于熱釋電傳感器設計了數顯自動計數器，圖10是熱釋電計數器統計的客流人次與實際人次比較. 在客流量不是很大情況下，熱釋電計數器統計的客流人次與實際人次一致，該計數器可以用于監測一些場所的客流情況.

圖10 熱釋電計數器統計的客流人次與實際人次

本實驗旨在讓學生了解熱釋電傳感器的工作原理和特性，學習熱釋電計數器和紅外感應自動控制報警和燈控系統的工作原理.

5 氣壓傳感器

壓力傳感器是將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼內，引出電極引線[如圖11(a)所示]. 它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力. 硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔. 單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，2條受拉應力的電阻條與另2條受壓應力的電阻條構成全橋，可得到正比于力變化的電信號輸出[如圖11(b)所示].

(a)結構示意圖 (b)全橋轉換測量電路圖11 氣壓傳感器

壓阻器件一般采用恒流源供電，來減少溫度影響[10]. 假設2個支路的電阻相等，電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比：

Uo=IΔR，

但與溫度無關，因此測量不受溫度的影響. 當傳感器受到壓力作用，轉換電路直接將力信號轉換成電平信號輸出.

圖12是氣壓傳感器在加壓和減壓下的電橋靈敏度圖像. 由圖12可以看到，在一定壓力范圍內，電橋滿足良好線性輸出電壓信號； 在加壓和減壓情況下，電橋靈敏度分別為46.19 V/MPa,46.16 V/MPa.

(a)加壓

(b)降壓圖12 氣壓傳感器的電橋靈敏度

本實驗旨在讓學生了解氣壓傳感器的工作原理和特性，學習壓力傳感器的定標方法，設計數顯人體血壓計和脈搏計測量系統.

6 結束語

開發設計了傳感器系列實驗，滿足傳感器課程實驗教學的要求，儀器設備成本低，實驗過程清晰，實驗現象明顯，時間周期適當. 經過2014年和2015年實驗課程證實，計傳感器系列實驗教學效果較好.

[1] 宋文緒，楊帆. 傳感器與檢測技術[M]. 北京：高等教育出版社，2004:85.

[2] 周繼明，江世明. 傳感器技術與應用[M]. 長沙：中南大學出版社，2005:340.

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[4] 王來志，王小平. 基于電阻應變片式傳感器的電子秤設計[J]. 物聯網技術，2014(2)：58-60.

[5] 張志堅，楊雷. 基于Cu50的精確溫度測量系統[J]. 計算機測量與控制，2014，22(5)：1355-1357.

[6] 顧慧萍，黃文駿. 模糊PID控制在溫控儀中的應用[J]. 自動化技術與應用，2005，24(8)：28-30.

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[10] 郭濤，熊繼軍，張文棟. 壓阻式壓力傳感器的溫度特性研究[J]. 測試技術學報，2004，18(增)：229-231.

[責任編輯：尹冬梅]

Design of instruments for sensor experiment

DAI Ru-cheng, ZHANG Xian-feng, QIU Zheng-ming, WANG Zhong-ping, ZHANG Zeng-ming, SUN La-zhen

(School of Physical Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026， China)

Due to the shortcomings of the SET-998 integrated sensor-test apparatus, new sensor-test experiments were designed, which included electric balance, thermometer, gas sensors, infrared sensor and pressure sensor, etc. In terms of testing content, students could master the basic principles and physical effects of sensors, and could also learn sensor applications. In terms of experimental equipment, an open-platform of sensor-test apparatus could make students observe phenomena and grasp principle easily. Combining basic principle and practical application of sensors, the project could inspire students more intuitively to understand the principle, function and characteristics of sensors, also strengthen the cultivation of student’s creativity. The improvements in sensor experiment could provide more effective services to physics experiment teaching.

sensor; strain gauges; thermometer； gas sensor; infrared sensor； pressure sensor

2016-06-25

國家自然科學基金青年項目資助(No.11304300)；校級教學研究項目資助(No. WW5160000161)；省級重點教學研究項目資助(No.2015jyxm003)；省級一般教學研究項目資助(No.2014jyxm009)

代如成(1983-)，男，安徽六安人，中國科學技術大學物理學院物理實驗教學中心講師，博士，從事凝聚態物理、高壓物理方面科研和物理實驗教學工作.

TP212

A

1005-4642(2017)01-0023-06

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文