传感器系列实验的设计

代如成，张宪峰，邱正明，王中平，张增明，孙腊珍

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

传感器系列实验的设计

代如成，张宪峰，邱正明，王中平，张增明，孙腊珍

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

从实验内容和实验仪器两方面对SET-998型综合传感器实验仪进行改革. 设计了应变片电子秤、热敏温度计、气敏传感器、热释电传感器和气压传感器实验. 在实验内容方面，学生通过系列实验除了能掌握传感器的基本原理、验证物理效应外，还能了解传感器功能的应用演示实验；在实验仪器方面，将集成化的仪器设备转化为开放式的实验平台，便于学生直接观察实验现象和掌握实验原理. 将传感器理论教学和实践应用相结合，更让学生直观深刻地了解传感器的原理、功能与特性，也加强了学生创新和实践能力的培养. 通过对传感器实验的有益改革，使其更有效地为实验教学服务.

传感器；电阻应变片；热敏温度计；气敏传感器；热释电传感器；气压传感器

传感器技术是当今世界迅猛发展起来的高新技术，也是现代科学技术发展的重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱，目前，广泛应用于国防科技、工农业生产及日常生活领域[1-2]. 传感器实验是高等学校理工科专业必开的物理实验课，我校使用的传感器实验装置是SET-998型传感器系统实验仪，它所提供的实验项目大多为验证性实验. 从实验内容看，虽然实验注重对传感器的转换原理、工作原理以及传感器特性等方面的研究，却未涉及到传感器在工程技术方面的应用，不满足设计性、综合性的要求. 从实验仪器看，常用的传感器实验台虽然数据精确，方便操作，但集成式的构件不方便学生观察，不利于学生对实验原理的理解. 鉴于上述缺点，针对传感器实验教学内容和实验仪器2个方面进行了改革：在实验内容方面，除了传感器的工作原理验证外，又增加了传感器的应用设计；在实验仪器方面，摒弃传统的集成式传感器实验仪，开发出分立式的传感器实验设备，整套仪器是开放的实验平台，仪器的构造及实验原理清晰，学生可以自己设计和组装实验设备，验证实验原理和探索传感器应用. 本实验的改进旨在提高学生对传感器原理及特性的理解，培养高素质技能型人才.

1 应变片电子秤

应变片是最常用的测力传感元件，应变片牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随之变形，其电阻也随之发生相应的变化(如图1所示)，通过测量电路，转换成电信号输出显示[3-4].

(a)应变片结构示意图

(b)双弯曲悬梁应变测力结构图1 应变片

(a)单臂电桥

(b)半桥差动电路

(c)全桥差动电路图2 3种直流电桥电路示意图

电桥电路是常用的测量电路，根据电桥供电电压源的不同，可分为直流电桥和交流电桥2种. 本实验采用直流电桥，优点是易于获得高稳定性的直流电源，且易调节电桥平衡. 图2是直流电桥电路的示意图. 图2(a)是单臂电桥，R1为电阻应变片，其他3个桥臂接固定电阻R2，R3和R4. 当R1未受力，电桥达到初始平衡时，有R1R2=R3R4，输出电压Uo=0. 为了使问题简化，若使可变电阻R1的初始值与3个固定电阻相等，皆为R，当应变片承受应变产生电阻ΔR的变化时，电桥处于不平衡状态，此时输出电压近似为Uo=14ΔRRU. 上述的计算进行了近似处理，实际的输出电压并非理想化的线性关系，存在非线性误差. 为了消除非线性误差及提高灵敏度，行之有效的方法是采用差动电桥，包括半桥差动电路和全桥差动电路. 图2(b)为半桥差动电路，若R3和R4仍接固定电阻，而R1和R2分别接应变片，而且2个应变阻值变化方向相反，即一增一减，其输出电压Uo=12ΔRRU. 类似地，差动全桥[图2(c)]的输出电压为Uo=ΔRRU. 可见单臂、半桥和全桥电路的测量灵敏度之比为1∶2∶4.

分别标定出3种电桥的灵敏度(如图3所示). 在一定质量加载范围内，3种电桥满足良好线性输出电压信号，而单臂、半桥和全桥桥路的灵敏度S分别为0.001 96 mV/g,0.004 03 mV/g和0.009 56 mV/g(S单∶S半∶S全≈1∶2∶4). 标定得应变片电子秤可以称量待测物质量.

图3 3种直流电桥的灵敏度

本实验旨在让学生了解电阻应变片的应变效应，了解双弯曲横梁上的应变片受力情况，理解直流电桥的工作原理和直流电桥的应用. 比较单臂电桥、半桥、全桥的不同特性，学习电路的标定方法和分析非线性误差，测量待测物质量.

2 热敏温度计

Cu50是铜热电阻，在一定温度范围内，其阻值会随着温度的变化而线性改变(Cu50表示在0 ℃时阻值为50 Ω，类推Pt100). 铜热电阻的线性较好、价格低、电阻率低，因而体积较大，热响应较慢，常用于-50～150 ℃范围的温度测量[5]，其分度表见表1.

表1 Cu50热电阻分度表

温控仪是调控一体化智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有温度曲线可编程或定点恒温控制、PID调节、开关量输出、报警、实时数据查询、与计算机通讯等功能[6]. 当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Cu50的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较，再进行数字PID运算输出可控硅触发信号(加热)和继电器触发信号(冷却)，使温度源的温度趋近温度设定值，温度控制系统如图4所示.

图4 智能温控系统示意图

记忆合金是一种原子规则排列的马氏体相变合金，这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状. 由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做“记忆合金”. 记忆合金具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性等优点，应用十分广泛.

利用自建智能温控系统研究了记忆合金弹簧的温度形变效应，在22～45 ℃温度内，记忆合金弹簧由伸展状态收缩至记忆状态的温度-形变曲线如图5所示. 由图5可见，记忆合金的开始相变为31 ℃，完全相变为36 ℃；弹簧的形变显著，收缩近6 cm.

本实验旨在让学生了解温差电偶的特性、PID智能温控仪的工作原理. 标定测温系统，了解P,I,D,T参量对控温的作用，利用该测温系统研究记忆合金的形变特性和相变温区.

图5 记忆合金弹簧的温度形变曲线

3 气敏传感器

半导体气敏材料吸附气体能力很强，元件被加热到稳定状态，当气体接触到半导体表面而被吸附，被吸附的分子在表面物性自由扩散(物理吸附)，失去运动能量. 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附). 如果元件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从元件夺取电子而变成负离子吸附. 具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx，称为氧化型气体或者电子接收型气体. 如果元件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向元件释放电子，而成为正离子吸附. 具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或者电子供给型气体.

当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，这将使载流子减少，电阻增大. 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，载流子增多，电阻下降. 这种半导体气敏传感器与气体接触时，其阻值发生变化时间(称响应时间)少于1 min(图6). N型材料有SnO2,ZnO,TiO2,W2O3等，P型材料有MoO2,CrO3等. 空气中的氧成分大体恒定，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变. 如果被测气体流入这种气氛中，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体质量分数而变化，从质量分数与阻值的变化关系即可得知气体质量分数[7]. 实验中MQ-3酒精传感器是典型的N型半导体SnO2气敏元件，其阻值RC与空气中被测气体的质量分数C成对数关系：

lgRC=-mlgC+n,

其中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料和气体种类不同而变化外，也随测量温度和添加剂的不同而发生大变化；m为气体的分离度，随气体质量分数变化而变化，对于可燃性气体，1/3≤m≤1/2.

图6 N型半导体元件电阻与吸附气体的关系

半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长、成本低等特点，广泛应用于防灾报警、大气污染监测，医疗上用于O2及CO2气体测量；生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精质量分数探测等方面.

在环境温度为25 ℃，相对湿度为65%的条件下，用传感器测量了不同质量分数酒精的输出电压[如图7所示]. 由图7可见，随着酒精质量分数增加，传感器的输出电压在不断增大；在较低质量分数时，传感器输出电压迅速增大；在较高质量分数时，传感器输出电压缓慢增加. 当传感器接收到酒精，转换电路直接将气体质量分数信号转换成电平信号输出，再利用该电平信号触发智能开关动作，进而可实时监测和控制报警器或指示灯工作(见图8).

图7 气敏传感器输出电压与酒精质量分数的关系

图8 气敏感应控制报警系统

本实验旨在让学生了解气敏传感器的工作原理和特性，掌握气体质量分数与气敏传感器输出电压的关系，掌握传感器感应控制报警或灯控系统的工作原理.

4 热释电传感器

当热释电晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应. 通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来. 当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图9是热释电效应形成的原理.

图9 热释电效应形成原理图

热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是热释电效应. 在热释电晶体的上、下表面设置电极，并且在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升ΔT，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压ΔU. 热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出. 在自然界中，任何高于绝对温度(-273 ℃)的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长不一样，因此红外波长与温度的高低有关. 人体体温一般在37 ℃，会发出特定波长约10 μm的红外线，当人进入检测区，因为人体温度与环境温度有差别，人体辐射约10 μm的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，转换电路将热信号转换成电平信号输出. 如果人进入检测区后不动，则环境温度没有变化，传感器不再输出电平信号[8-9]. 热释电传感器具有反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便等特点，广泛应用于安防、自动开关(人体感应灯)、非接触测温等民用行业和工业领域.

基于热释电传感器设计了数显自动计数器，图10是热释电计数器统计的客流人次与实际人次比较. 在客流量不是很大情况下，热释电计数器统计的客流人次与实际人次一致，该计数器可以用于监测一些场所的客流情况.

图10 热释电计数器统计的客流人次与实际人次

本实验旨在让学生了解热释电传感器的工作原理和特性，学习热释电计数器和红外感应自动控制报警和灯控系统的工作原理.

5 气压传感器

压力传感器是将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳内，引出电极引线[如图11(a)所示]. 它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力. 硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔. 单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，2条受拉应力的电阻条与另2条受压应力的电阻条构成全桥，可得到正比于力变化的电信号输出[如图11(b)所示].

(a)结构示意图 (b)全桥转换测量电路图11 气压传感器

压阻器件一般采用恒流源供电，来减少温度影响[10]. 假设2个支路的电阻相等，电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比：

Uo=IΔR，

但与温度无关，因此测量不受温度的影响. 当传感器受到压力作用，转换电路直接将力信号转换成电平信号输出.

图12是气压传感器在加压和减压下的电桥灵敏度图像. 由图12可以看到，在一定压力范围内，电桥满足良好线性输出电压信号； 在加压和减压情况下，电桥灵敏度分别为46.19 V/MPa,46.16 V/MPa.

(a)加压

(b)降压图12 气压传感器的电桥灵敏度

本实验旨在让学生了解气压传感器的工作原理和特性，学习压力传感器的定标方法，设计数显人体血压计和脉搏计测量系统.

6 结束语

开发设计了传感器系列实验，满足传感器课程实验教学的要求，仪器设备成本低，实验过程清晰，实验现象明显，时间周期适当. 经过2014年和2015年实验课程证实，计传感器系列实验教学效果较好.

[1] 宋文绪，杨帆. 传感器与检测技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004:85.

[2] 周继明，江世明. 传感器技术与应用[M]. 长沙：中南大学出版社，2005:340.

[3] 李巧真，李刚，韩钦泽. 电阻应变片的实验与应用[J]. 实验室研究与探索，2011，30(4)：134-137.

[4] 王来志，王小平. 基于电阻应变片式传感器的电子秤设计[J]. 物联网技术，2014(2)：58-60.

[5] 张志坚，杨雷. 基于Cu50的精确温度测量系统[J]. 计算机测量与控制，2014，22(5)：1355-1357.

[6] 顾慧萍，黄文骏. 模糊PID控制在温控仪中的应用[J]. 自动化技术与应用，2005，24(8)：28-30.

[7] 李芳菊，石建华. 电化学酒精传感器在警用酒精探测器中的应用设计[J]. 计算机与数字工程，2011，39(7)：171-174.

[8] 毕丽君，孙红雨，肖燕霞. 基于热释电传感器的人体移动检测系统的设计[J]. 仪器仪表与分析监测，2007，30(2)：26-27.

[9] 刘良福，罗艳梅，黄隆胜. 基于热释电传感器的自动开关设计[J]. 电子工程师，2005，31(11)：75-77.

[10] 郭涛，熊继军，张文栋. 压阻式压力传感器的温度特性研究[J]. 测试技术学报，2004，18(增)：229-231.

[责任编辑：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

国家自然科学基金青年项目资助(No.11304300)；校级教学研究项目资助(No. WW5160000161)；省级重点教学研究项目资助(No.2015jyxm003)；省级一般教学研究项目资助(No.2014jyxm009)

代如成(1983-)，男，安徽六安人，中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心讲师，博士，从事凝聚态物理、高压物理方面科研和物理实验教学工作.

TP212

A

1005-4642(2017)01-0023-06

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文