傳感器原理及工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置，傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺
2024-05-01 06:58一、傳感器原理
傳感器的基本原理是通過敏感元件及轉(zhuǎn)換元件把特定的被測信號，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種“可用信號”并輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量，并能按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。
傳感器一般由敏感元件及轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分，而轉(zhuǎn)換元件則是指能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。
二、工程應(yīng)用
傳感器的工程應(yīng)用十分廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)方面：
環(huán)境監(jiān)測：傳感器可以測量環(huán)境中的溫度、濕度、光照、氣壓等參數(shù)，用于氣象預(yù)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等。
醫(yī)療健康：傳感器在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如心率監(jiān)測、血壓監(jiān)測、呼吸監(jiān)測等，可以幫助醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)了解患者的生理狀態(tài)，為診斷和治療提供依據(jù)。
工業(yè)生產(chǎn)：傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色，如測量設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。
交通運(yùn)輸：傳感器在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛，如測量車輛的速度、位置、加速度等參數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)智能交通管理、提高交通安全性和運(yùn)輸效率。
智能家居：傳感器在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越普及，如通過溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。
此外，傳感器還可以應(yīng)用于航空航天、軍事、科研等領(lǐng)域，為各種復(fù)雜系統(tǒng)的監(jiān)測和控制提供重要支持。
傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺是一種用于測試和研究不同種類傳感器特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺提供多種傳感器，以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)０�、�?shù)據(jù)采集卡和處理軟件，以便用戶能夠?qū)鞲衅鞯男阅苓M(jìn)行深入的分析和理解。
傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺具備以下特點(diǎn)：
多種傳感器：實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)提供各種類型的傳感器，如變面積式電容傳感器、光電傳感器等，以滿足不同實(shí)驗(yàn)需求。
數(shù)據(jù)采集和處理：實(shí)驗(yàn)臺配備數(shù)據(jù)采集卡和處理軟件，可以實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，便于用戶觀察和研究傳感器的響應(yīng)特性。
實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹簩?shí)驗(yàn)臺提供實(shí)驗(yàn)?zāi)０�，幫助用戶快速搭建�?shí)驗(yàn)電路，簡化實(shí)驗(yàn)過程。
直流穩(wěn)壓電源：傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺提供多擋位的直流穩(wěn)壓電源，以支持不同工作電壓的傳感器。
外形尺寸和電源要求：實(shí)驗(yàn)臺的尺寸一般為140cm×80cm×118cm，需要單相三線220V±10% 50Hz的電源供應(yīng)。
安全保護(hù)：實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)具備短路保護(hù)等功能，確保用戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的安全。
工業(yè)檢測傳感器：實(shí)驗(yàn)臺可能會(huì)包含工業(yè)檢測傳感器，這些傳感器已經(jīng)從原理型轉(zhuǎn)向定量型，適合于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的檢測應(yīng)用。
光電特性實(shí)驗(yàn)：某些傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺，如現(xiàn)代光電特性綜合實(shí)驗(yàn)臺（DB-GD01），還可以進(jìn)行光通訊、信息控制、光電檢測等方面的實(shí)驗(yàn)，以及光的傳輸和光電傳感器的應(yīng)用等。
總之，傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)臺是一個(gè)多功能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，適用于高等院校、中專、職業(yè)技術(shù)學(xué)院等教育機(jī)構(gòu)，以及科研單位和企業(yè)研發(fā)中心，用于教學(xué)、研究和產(chǎn)品開發(fā)。
DB-GD01 現(xiàn)代光電特性綜合實(shí)驗(yàn)臺
產(chǎn)品簡介：
現(xiàn)代光電特性綜合實(shí)驗(yàn)臺是集光、機(jī)、電于一體的多功能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)覆蓋內(nèi)容廣，可進(jìn)行光通訊、信息控制、光電檢測中所用的信號源、光電探測器等各類器件原理、特性、性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，還可進(jìn)行光的傳輸，光電傳感器的應(yīng)用，光強(qiáng)分析，莫爾條紋計(jì)數(shù)等一系列光電實(shí)驗(yàn)。
現(xiàn)代光電特性綜合實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)先進(jìn)：采用全自動(dòng)單色儀來實(shí)現(xiàn)光電器件光譜特性的連續(xù)測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接在電腦上用圖形顯示；用CCD攝像法實(shí)現(xiàn)莫爾條紋的自動(dòng)計(jì)數(shù)測微；用CCD攝像法將單縫衍射圖像采集處理后可實(shí)現(xiàn)衍射光強(qiáng)的二維和三維分布顯示。系統(tǒng)采用模塊組合的方式，不同的專業(yè)可以有不同的菜單。系統(tǒng)提供了較為開放的電路和光路，為學(xué)生更好的理解與掌握原理、正確使用光電器件奠定了基礎(chǔ)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)合理地選擇傳感器，掌握檢測的原理和方法。適用于光電信息專業(yè)、電子信息專業(yè)、計(jì)量測試專業(yè)等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
DB-GD01現(xiàn)代光電特性綜合實(shí)驗(yàn)臺主要有主機(jī)箱、單色儀與光源、實(shí)驗(yàn)?zāi)０�、�?shí)驗(yàn)桌四大部分組成
一、主機(jī)箱：供電電源AC220V，50Hz。額定功率200W。
1、各種直流穩(wěn)壓電源和恒流源。
-12V～12V連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。
0～5V連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。
±12V、±5V直流穩(wěn)壓電源。
0～20mA連續(xù)可調(diào)恒流源
2、氣壓源：4～20KPa
氣壓4～20KPa可調(diào)（通過調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋鈕、氣壓輸出大小可調(diào)）。
3、顯示表：
電流表：DC20μA～200mA(量程四檔切換)
電壓表：DC200mV～20V（量程三檔切換），DC20V～2000V（量程三檔切換）。
光功率計(jì)：顯示表的顯示值×轉(zhuǎn)換系數(shù)mw，量程:1.80×轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為: mw
光照度計(jì)：1999Lx
頻率/轉(zhuǎn)速表：f：0-9999Hz、 n：0～9999r/min
氣壓表：T（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）～T+999KPa
溫控儀：PID位式調(diào)節(jié)儀：0～150oC
4、數(shù)據(jù)采集通訊接口：
標(biāo)準(zhǔn)RS232接口、USB接口
二、實(shí)驗(yàn)?zāi)K：
㈠、光電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
1、在基礎(chǔ)試驗(yàn)部分，重點(diǎn)分析光敏器件和光電傳感器的特性和應(yīng)用場合。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)學(xué)會(huì)合理地選擇傳感器，掌握檢測的原理和方法。
2、該基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分除了包括常用的光電探測器（光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻、光電池等）實(shí)驗(yàn)外，還包括熱釋電紅外傳感器實(shí)驗(yàn)及光電指紋傳感器實(shí)驗(yàn)。
熱釋電原理：
當(dāng)已極化的熱電晶體薄片受到輻射熱時(shí)候，薄片溫度升高，極化強(qiáng)度 下降，表面電荷減少，相當(dāng)于”釋放”一部分電荷，故名熱釋電。釋放的電荷通過一系列的放大，轉(zhuǎn)化成輸出電壓。如果繼續(xù)照射，晶體薄片的溫度升高到Tc(居里溫度)值時(shí)，自發(fā)極化突然消失。不再釋放電荷，輸出信號為零,見下圖
因此，熱釋電探測器只能探測交流的斬波式的輻射（紅外光輻射要有變化量）。當(dāng)面積為A的熱釋電晶體受到調(diào)制加熱，而使其溫度T發(fā)生微小變化時(shí)，就有熱釋電電流。 ，A為面積，P為熱電體材料熱釋電系數(shù)， 是溫度的變化率。
特點(diǎn)：當(dāng)入射輻射為恒定輻射時(shí)，熱釋電探測器不響應(yīng)，只能脈沖輻射工作。
㈡、單逢衍射光強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)
我們知道，光沿直線傳播，當(dāng)在光的前進(jìn)方向上有一狹縫，且狹縫的寬度可以與光的波長比擬時(shí)，光在通過狹縫時(shí)發(fā)生衍射，產(chǎn)生明暗相間的衍射條紋。其中零級衍射條紋最亮，占衍射總能量的80%以上，其他各級越來越弱。本實(shí)驗(yàn)采用波長為633nm的半導(dǎo)體激光器，光波通過一個(gè)寬度可調(diào)的狹縫后發(fā)生衍射，衍射條紋打在一個(gè)方形毛玻璃上，在毛玻璃后用一個(gè)CCD攝像機(jī)，將衍射圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上分析光強(qiáng)分布。
㈢、莫爾條紋計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)
光柵莫爾條紋原理：
如果把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，并且使光柵刻痕相對保持一個(gè)較小的夾角θ時(shí)，透過光柵組可以看到一組明暗相間的條紋，即為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度B為：
B=d/sinθ
其中d為光柵距。
光柵刻痕重合部分形成條紋暗帶，非重合部分光線透過則形成條紋亮帶。光柵莫爾條紋的兩個(gè)主要特征是：
判向作用：當(dāng)指示光柵相對于固定不動(dòng)的主光柵左右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動(dòng)，由此可以確定光柵移動(dòng)的方向。
位移放大作用：當(dāng)指示光柵沿著與光柵刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)光柵距Δd時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B，當(dāng)兩個(gè)等距光柵之間的夾角θ較小時(shí)，指示光柵移動(dòng)一個(gè)光柵距Δd，莫爾條紋就移動(dòng)K·Δd的距離。K=B/D≈1/θ。B=D/2sinθ/2≈d/θ，這樣就可以把肉眼看不見的柵距位移變成清晰可見的條紋位移，實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。
本實(shí)驗(yàn)采用CCD攝像法，與計(jì)算機(jī)軟件光強(qiáng)分析系統(tǒng)V1.0配套使用，可以準(zhǔn)確地記錄莫爾條紋的位移數(shù)目，從而計(jì)算出光柵的位移。
㈣、全自動(dòng)單色儀連續(xù)光譜特性實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)單色儀光學(xué)系統(tǒng)采用C-T水平對稱式光路，焦距150mm，儀器采用電子細(xì)分技術(shù)，使掃描時(shí)最小步距角達(dá)到0.01nm,光柵臺備有1200L/mm光柵，可方便快捷的實(shí)現(xiàn)寬波段掃描。儀器備有單色儀狹縫和CCD接口，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。光學(xué)系統(tǒng)原理圖如下：
圖中M1為平面鏡，M2、M3為球面鏡，G1為光柵，S1、S2分別為入縫和出縫。儀器還具有A/D轉(zhuǎn)換功能，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供上位機(jī)采集。
1、單色儀主要技術(shù)指標(biāo)：
焦 距：150mm
相對孔徑：f/4
掃描范圍：0-900nm
光譜范圍：200nm-1500nm
分 辨 率：0.4nm/mm（435.8nm處，縫寬10μm）
線 色 散：5.4nm/mm
準(zhǔn) 確 度：0.25nm
重 復(fù) 性：0.1nm
最小步距：0.01nm
焦面尺寸：寬25mm ×高10mm
狹 縫：寬度10μm-3mm連續(xù)可調(diào)
光 柵 臺：光柵轉(zhuǎn)臺標(biāo)準(zhǔn)配置1200L/mm
儀器尺寸：長200mm×寬190mm×高160mm
重 量：5Kg
2、單色儀配套軟件
光電特性分析系統(tǒng)是一個(gè)基于Windows98系統(tǒng)以上的可執(zhí)行程序。該軟件采用RS232串口與單色儀通訊，功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定�？芍苯涌刂茊紊珒x出射光波長，具有各種信號的采集和轉(zhuǎn)換，繪制各種特性的曲線等功能。
三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
1、單色儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
2、光電基礎(chǔ)知識實(shí)驗(yàn)
3、光開關(guān)實(shí)驗(yàn)（透射式）
4、紅外反射式光電開關(guān)（光耦）
5、熱釋電紅外傳感器實(shí)驗(yàn)
6、光源及光調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)
7、光電轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)
8、LED伏安（V/I）特性實(shí)驗(yàn)
9、LED電光轉(zhuǎn)換（P/I）特性實(shí)驗(yàn)
10、LED光強(qiáng)空間分布及半值角測量實(shí)驗(yàn)
11、LED連續(xù)光譜特性實(shí)驗(yàn)
12、LD伏安（V/I）特性實(shí)驗(yàn)
13、LD電光轉(zhuǎn)換（P/I）特性實(shí)驗(yàn)
14、LD光強(qiáng)空間分布及半值角測量實(shí)驗(yàn)
15、LD連續(xù)光譜特性實(shí)驗(yàn)
16、光電探測器暗電流測試實(shí)驗(yàn)
17、光電倍增管暗電流測試實(shí)驗(yàn)
18、光電倍增管陰極伏安特性測試實(shí)驗(yàn)
19、光電倍增管陽極伏安特性及放大倍數(shù)測試實(shí)驗(yàn)
20、APD雪崩光電二極管反向電壓測試實(shí)驗(yàn)
21、APD雪崩光電二極管暗電流測試實(shí)驗(yàn)
22、APD雪崩光電二極管倍增特性測試實(shí)驗(yàn)
23、光柵莫爾條紋計(jì)數(shù)測微實(shí)驗(yàn)
24、設(shè)計(jì)型綜合測量實(shí)驗(yàn)