K型热电偶、霍尔、湿敏、超声波测距传感器的应用(实验指导书).doc

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课程实验: 实验项目：
实验预习报告（上课前完成）
一、实验目的
了解K型热电偶的特性与应用;
了解霍尔传感器的原理与应用;
了解湿敏传感器的原理及应用范围；
学习超声波测距的方法。
二、所用实验仪器设备、耗材及数量
智能调节仪、PT100、K型热电偶、温度源、温度传感器实验模块、
霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表、
湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球（自备）
超声波传感器实验模块、超声波发射接受器、反射板、直流稳压电源
三、实验内容和简单原理（包括实验电路图及原理说明）
实验1：智能调节仪控制温度实验

图45-2
1．在控制台上的“智能调节仪”单元中“输入”选择“Pt100”，并按图45-2接线。
2．将“+24V输出”经智能调节仪“继电器输出”，接加热器风扇电源，打开调节仪电源。
3．按住3秒以下，进入智能调节仪A菜单，仪表靠上的窗口显示“”，靠下窗口显示待设置的设定值。当LOCK等于0或1时使能，设置温度的设定值，按“”可改变小数点位置，按或键可修改靠下窗口的设定值。否则提示“”表示已加锁。再按3秒以下，回到初始状态。
热电偶传感器的工作原理
热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图50-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。

图50-1（a） 图50-1（b）
两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。
当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图50-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即
ET=SAB（T-T0） （1）
SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。
热电偶的基本定律：
（1）均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。
（2）中间导体定律
用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。
（3）中间温度定律
如图49-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为
EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） （2）
式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T1=100℃，T2=40℃，T3=0℃，则
EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） （3）

图50-2
热电偶的分度号
热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0℃的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。
实验2：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为灵敏度系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。
实验3：湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位窨体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。实验使用中多用相对湿度概念。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物，例如，乙酸－丁酸纤维素和乙酸－丙酸比纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力，感湿薄膜覆在金箔电极（下电极）上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜（上电极），这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。
实验4：超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围104～1012Hz，超声波在介质中可产生三种形式的振荡：横波、纵波和表面波，其中横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。超声波测距中采用纵波，使用超声波的频率为40kHz，其在空气中的传播速度近似340m/s。
当超声波传播到两种不同介质的分界面上时，一部分声波被反射，另一部分透射过界面。但若超声波垂直入射界面或者一很小的角度入射时，入射波完全被反射，几乎没有透射过界面的折射波。这里采用脉冲反射法测量距离，因为脉冲反射不涉及共振机理，与被测物体的表面光洁度关系不密切。被测D=CT/2，其中C为声波在空气中的传播速度，T为超声波发射到返回的时间间隔。为了方便处理，发射的超声波被调制成40KHz左右，具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统框图如下图所示，由图可见，系统由超声波发送、接收、MCU和显示四个部分组成。

图1 超声波测距原理框图
四、操作方法与实验步骤（详细说明实验的操作过程及注意事项）
实验一：
1．重复实验Pt100温度控制实验，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入K型热电偶温度传感器。
2．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。
3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。
4．拿掉短路线，按图50-3接线，并将K型热电偶的两根引线，热端（红色）接a，冷端（绿色）接b；记下模块输出Uo2的电压值。
5．改变温度源的温度每隔 图50-3
50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表。
实验二：
1．将霍尔传感器安装到霍尔传感器模块上，传感器引线接到霍尔传感器模块9芯航空插座。按图24-1接线。
2．开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“10mm”处，手动调节测微头的位置，先使霍尔片大概在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw1使数显表显示为零。
3．分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表

图24-1 霍尔传感器直流激励接线图
实验三：
1．湿敏传感器实验装置如图58-1所示，红色接线端接+5V电源，黑色接线端接地，蓝色接线端和黑色接线端分别接频率/转速表输入端。频率/转速表选择频率档。记下此时频率/转速表的读数。
2．将湿棉球放入湿敏腔内。并插上湿敏传感器探头，观察频率/转速表的变化。
3．取出湿纱布，待数显表示值下降回复到原示值时，在干湿腔内被放入部分干燥剂，同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上，观察数显表头读数变化。

图58-1
实验四：
1．将超声波发射接收器引出线接至超声波传感器实验模块，并将+15V直流稳压电源接到超声波传感器实验模块；
2．打开实验台电源，将反射板正对超声波发射接收器，并逐渐远离超声波发射接收器。用直板尺测量超声波发射接收器到反射板的距离，从60mm至200mm每隔5mm记录一次超声波传感器实验模块显示的距离值，填入下表
实验报告部分
五、实验数据记录及处理（实验前画好表格或坐标图形）
（实验结束时交予老师签名）
（1） 原始数据记录
实验1：
T（℃）

Uo2（V）

实验2：
X（mm）

U(mV)

实验3：1．输出频率f与相对湿度RH值对应如下，参考下表，计算以上三中状态下空气相对湿度。
RH（%）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Fre（Hz）
7351
7224
7100
6976
6853
6728
6600
6468
6330
6186
6033
实验4：
距离(mm)

显示(mm)

教师签名：
（2）数据处理与分析

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