1、- 1 - 班级： 座号： 姓名 ： 成绩： _ 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
2、制温度实验 图 45-2 - 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
3、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） （
4、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
5、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） - 3 - 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） （
6、 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
7、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
8、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
9、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。 - 4 - 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
10、 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
11、“ 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- 5 - 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
12、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： - 6 - 距离 (mm) 显示 (mm) 教师签名： （ 2）数据处理与分析
