傳感器原理及工程應(yīng)用實驗裝置，傳感器特性綜合實驗臺
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)護人員實時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)備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)，用于實現(xiàn)自動化控制、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。
交通運輸：傳感器在交通運輸領(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)，用于實現(xiàn)智能交通管理、提高交通安全性和運輸效率。
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、光照傳感器等實現(xiàn)家居環(huán)境的自動調(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。
傳感器特性綜合實驗臺是一種用于測試和研究不同種類傳感器特性的實驗設(shè)備。傳感器特性綜合實驗臺提供多種傳感器，以及相應(yīng)的實驗?zāi)０濉?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行深入的分析和理解。
傳感器特性綜合實驗臺具備以下特點：
多種傳感器：實驗臺應(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，以滿足不同實驗需求。
數(shù)據(jù)采集和處理：實驗臺配備數(shù)據(jù)采集卡和處理軟件，可以實時采集傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析和處理，便于用戶觀察和研究傳感器的響應(yīng)特性。
實驗?zāi)０澹簩嶒炁_提供實驗?zāi)０澹瑤椭脩艨焖俅罱▽嶒炿娐�，簡化實驗過程。
直流穩(wěn)壓電源：傳感器特性綜合實驗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：實驗臺的尺寸一般為140cm×80cm×118cm，需要單相三線220V±10% 50Hz的電源供應(yīng)。
安全保護：實驗臺應(yīng)具備短路保護等功能，確保用戶在進行實驗操作時的安全。
工業(yè)檢測傳感器：實驗臺可能會包含工業(yè)檢測傳感器，這些傳感器已經(jīng)從原理型轉(zhuǎn)向定量型，適合于實際生產(chǎn)環(huán)境中的檢測應(yīng)用。
光電特性實驗：某些傳感器特性綜合實驗臺，如現(xiàn)代光電特性綜合實驗臺（DB-GD01），還可以進行光通訊、信息控制、光電檢測等方面的實驗，以及光的傳輸和光電傳感器的應(yīng)用等。
總之，傳感器特性綜合實驗臺是一個多功能的實驗設(shè)備，適用于高等院校、中專、職業(yè)技術(shù)學院等教育機構(gòu)，以及科研單位和企業(yè)研發(fā)中心，用于教學、研究和產(chǎn)品開發(fā)。
DB-GD01 現(xiàn)代光電特性綜合實驗臺
產(chǎn)品簡介：
現(xiàn)代光電特性綜合實驗臺是集光、機、電于一體的多功能實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)覆蓋內(nèi)容廣，可進行光通訊、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)的實驗，還可進行光的傳輸，光電傳感器的應(yīng)用，光強分析，莫爾條紋計數(shù)等一系列光電實驗。
現(xiàn)代光電特性綜合實驗臺實驗系統(tǒng)先進：采用全自動單色儀來實現(xiàn)光電器件光譜特性的連續(xù)測量，實驗結(jié)果直接在電腦上用圖形顯示；用CCD攝像法實現(xiàn)莫爾條紋的自動計數(shù)測微；用CCD攝像法將單縫衍射圖像采集處理后可實現(xiàn)衍射光強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)，讓學生通過實驗學會合理地選擇傳感器，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)、計量測試專業(yè)等相關(guān)專業(yè)的教學實驗。
DB-GD01現(xiàn)代光電特性綜合實驗臺主要有主機箱、單色儀與光源、實驗?zāi)０�、實驗桌四大部分組成
一、主機箱：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、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：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：1999Lx
頻率/轉(zhuǎn)速表：f：0-9999Hz、 n：0～9999r/min
氣壓表：T（1標準大氣壓）～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：
標準RS232接口、USB接口
二、實驗?zāi)K：
㈠、光電基礎(chǔ)實驗
1、在基礎(chǔ)試驗部分，重點分析光敏器件和光電傳感器的特性和應(yīng)用場合。學生通過實驗應(yīng)學會合理地選擇傳感器，掌握檢測的原理和方法。
2、該基礎(chǔ)實驗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）實驗外，還包括熱釋電紅外傳感器實驗及光電指紋傳感器實驗。
熱釋電原理：
當已極化的熱電晶體薄片受到輻射熱時候，薄片溫度升高，極化強度 下降，表面電荷減少，相當于”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，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，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：當入射輻射為恒定輻射時，熱釋電探測器不響應(yīng)，只能脈沖輻射工作。
㈡、單逢衍射光強分布實驗
我們知道，光沿直線傳播，當在光的前進方向上有一狹縫，且狹縫的寬度可以與光的波長比擬時，光在通過狹縫時發(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。本實驗采用波長為633nm的半導體激光器，光波通過一個寬度可調(diào)的狹縫后發(fā)生衍射，衍射條紋打在一個方形毛玻璃上，在毛玻璃后用一個CCD攝像機，將衍射圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計算機，在計算機上分析光強分布。
㈢、莫爾條紋計數(shù)實驗
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較小的夾角θ時，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主要特征是：
判向作用：當指示光柵相對于固定不動的主光柵左右移動時，莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動，由此可以確定光柵移動的方向。
位移放大作用：當指示光柵沿著與光柵刻線垂直方向移動一個光柵距Δd時，莫爾條紋移動一個條紋間距B，當兩個等距光柵之間的夾角θ較小時，指示光柵移動一個光柵距Δd，莫爾條紋就移動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，實現(xiàn)高靈敏的位移測量。
本實驗采用CCD攝像法，與計算機軟件光強分析系統(tǒng)V1.0配套使用，可以準確地記錄莫爾條紋的位移數(shù)目，從而計算出光柵的位移。
㈣、全自動單色儀連續(xù)光譜特性實驗
本實驗單色儀光學系統(tǒng)采用C-T水平對稱式光路，焦距150mm，儀器采用電子細分技術(shù)，使掃描時最小步距角達到0.01nm,光柵臺備有1200L/mm光柵，可方便快捷的實現(xiàn)寬波段掃描。儀器備有單色儀狹縫和CCD接口，可以實現(xiàn)一機多用。光學系統(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)字信號供上位機采集。
1、單色儀主要技術(shù)指標：
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 確 度：0.25nm
重 復 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)臺標準配置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，功能強大，運行穩(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、實驗內(nèi)容：
1、單色儀標定實驗
2、光電基礎(chǔ)知識實驗
3、光開關(guān)實驗（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驗
6、光源及光調(diào)制解調(diào)實驗
7、光電轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗
8、LED伏安（V/I）特性實驗
9、LED電光轉(zhuǎn)換（P/I）特性實驗
10、LED光強空間分布及半值角測量實驗
11、LED連續(xù)光譜特性實驗
12、LD伏安（V/I）特性實驗
13、LD電光轉(zhuǎn)換（P/I）特性實驗
14、LD光強空間分布及半值角測量實驗
15、LD連續(xù)光譜特性實驗
16、光電探測器暗電流測試實驗
17、光電倍增管暗電流測試實驗
18、光電倍增管陰極伏安特性測試實驗
19、光電倍增管陽極伏安特性及放大倍數(shù)測試實驗
20、APD雪崩光電二極管反向電壓測試實驗
21、APD雪崩光電二極管暗電流測試實驗
22、APD雪崩光電二極管倍增特性測試實驗
23、光柵莫爾條紋計數(shù)測微實驗
24、設(shè)計型綜合測量實驗