《傳感器原理及應(yīng)用》實驗指導(dǎo)書

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1、 《傳感器原理及應(yīng)用》實驗指導(dǎo)書 聞福三 郭蕓君 編著 電子技術(shù)省級實驗教學(xué)示范中心 實驗一 金屬箔式應(yīng)變片——單臂電橋性能實驗 一、 實驗?zāi)康? 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。 二、 實驗儀器 1、傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 2、萬用表 MY60 1個 三、 實驗原理 金屬

2、絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 金屬的電阻表達(dá)式為： （1） 當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長，橫截面積相應(yīng)減小，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。 用應(yīng)變片測量受力時，將應(yīng)變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形時，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，可以得到被測對象的應(yīng)變值ε，而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 （2） 式中：

3、σ——測試的應(yīng)力； E——材料彈性模量。 可以測得應(yīng)力值σ。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測量上述各量，從而做成各種應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片可分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、應(yīng)變式傳感器已裝到應(yīng)變傳感器模塊上。用萬用表測量傳感器中各應(yīng)變片R1、R2、R3、R4，R1=R2=R3=R4=350Ω。 2、將主控箱與模板電源15V相對應(yīng)連接，無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，按圖1-1順時針調(diào)節(jié)Rw2使之中間位置，再進(jìn)行放大器調(diào)零，方法為：將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱

4、面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw3，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。（注意：當(dāng)Rw2的位置一旦確定，就不能改變。） 3、應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片R1（即模板左上方的R1）接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋，（如四根粗實線），把電橋調(diào)零電位器Rw1，電源5V，此時應(yīng)將5V地與15V地短接（因為不共地）如圖1-1所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。 4、按表1-1中給出的砝碼重量值，讀取數(shù)顯表數(shù)值填入表1-1中。 圖1-1 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒灲泳€圖 表1－1單臂電

5、橋輸出電壓與所加負(fù)載重量值 重量(g) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 電壓(mv) 5、根據(jù)表1－1計算系統(tǒng)靈敏度（輸出電壓的變化量，重量變化量）和非線性誤差δf1=Δm/yFS 100％ 式中（多次測量時為平均值）為輸出值與擬合直線的最大偏差：yFS 滿量程輸出平均值,此處為200g. 五、 實驗注意事項 1、不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。 2、電橋的電壓為5V，絕不可錯接成15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。 六、 實驗報告要求 1、記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制

6、出單臂電橋時傳感器的特性曲線。 2、從理論上分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。 實驗二 金屬箔式應(yīng)變片——半橋、全橋、電子秤實驗 一、 實驗?zāi)康? 1、了解半橋及全橋測量電路的原理及優(yōu)點。 2、比較半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。 二、 實驗儀器 傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 三、 實驗原理 把不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓UO2＝EGε／2。 式中E為電橋供電電壓。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將

7、主控箱與模板電源15V相對應(yīng)連接，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，進(jìn)行放大器調(diào)零，方法為：將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw3，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。 圖2-1 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒灲泳€圖 2、根據(jù)圖2-1接線。R1、R2為實驗?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源5V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零，重復(fù)實驗一中的步驟 4、5。按表2-1中給出的砝碼重量值，讀取

8、數(shù)顯表數(shù)值填入表2-1中。計算靈敏度，非線性誤差。若實驗時顯示數(shù)值不變化說明R1與R2兩應(yīng)變片受力狀態(tài)相同。則應(yīng)更換應(yīng)變片。 表2－1半橋測量時，輸出電壓與加負(fù)載重量值 重量（g） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 電壓（mV） 3、根據(jù)圖2-2接線，將四個應(yīng)變片接入電路。接入橋路電源5V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零。 4、按表2-2中給出的砝碼重量值，讀取數(shù)顯表數(shù)值填入表2-2中，進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計算。 圖2-2 應(yīng)變式傳感器全橋?qū)嶒灲泳€圖 表2-2全橋輸

9、出電壓與加負(fù)載重量值 重量（g） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 電壓（mV） 6、將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rw2（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V或—0.200V。 7、拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器Rw1（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。 8、重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量量綱g，就可以稱重，成為一臺原始的電子秤。 9、把砝碼依次放在托盤上，填入下表2-3中。 表（2-3）電橋輸出電壓與加負(fù)載重量值 重

10、量（g） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 電壓(mv) 根據(jù)上表，計算誤差與非線性誤差。 五、 實驗注意事項 1、不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。 2、電橋的電壓為5V，絕不可錯接成15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。 六、 實驗報告要求 1、記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出單臂電橋時傳感器的特性曲線。 2、比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，并從理論上加以分析比較，得出相應(yīng)的結(jié)論。 實驗三 差動變壓器的性能測定 一、 實驗?zāi)康? 1、了解差動變壓

11、器的工作原理和特性。 2、了解三段式差動變壓器的結(jié)構(gòu)。 二、 實驗儀器 1、傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 2、示波器 MOS-620CH 1臺 三、 實驗原理 差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只次級反向串接，即同名端接在一起，就引出差動輸出，其輸出電勢則

12、反映出被測體的位移量。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將差動變壓器及測微頭安裝在差動變壓器實驗?zāi)０迳稀? 2、將傳感器引線插頭插入實驗?zāi)０宓牟遄校谀K上按圖3-1接線，音頻振蕩器信號必須從主控箱中的音頻振蕩器的端子（正相或反相）輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，使輸出頻率為4-5KHZ（可用主控箱的頻率計來監(jiān)測）。調(diào)節(jié)輸出幅度為峰—峰值Vp-p=2V（可用示波器監(jiān)測）。 3、旋動測微頭，使示波器第二通道顯示的波形峰峰值Vp-p為最小，這時可以左右位移，假設(shè)其中一個方向為正位移，另一個方向為負(fù)位移，從Vp-p最小開始旋動測微頭，每0.2mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表3-1，再從V

13、p-p最小處反向位移做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關(guān)系。 圖3-1 雙蹤示波器與差動變壓器連接示意圖 表（3－1）差動變壓器位移X值與輸出電壓數(shù)據(jù)表 V(mv) X(mm) 4、實驗過程中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓的大小，根據(jù)表3-1畫出Vop-p—X曲線，求出量程為1mm、3mm靈敏度和非線性誤差。 五、 實驗注意事項 1、在做實驗前，應(yīng)先用示波器監(jiān)測差動變壓器激勵信號的幅度，使之為Vp-p值為4V，不能太大，否則差動變壓

14、器發(fā)熱嚴(yán)重，影響其性能，甚至燒毀線圈。 2、模塊上L2、L3線圈旁邊的“*”表示兩線圈的同名端。 六、 思考題 用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？ 七、 實驗報告要求 1、根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，繪制出測微頭左移和右移時傳感器的特性曲線。 2、分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。 實驗四 電容式傳感器的位移特性實驗 一、 實驗?zāi)康? 了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。 二、 實驗儀器 傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 三、 實驗原理 利用平板電

15、容C＝εS／d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇ε、S、d中三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（ε變）測微小位移（變d）和測量液位（變S）等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對極距特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系，（但實際由于邊緣效應(yīng)的影響，會引起極板間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。）成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為：

16、 （1） 式中 ——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度； ——外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 靈敏度與有關(guān)，越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。 本實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對測量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將電容式傳感器裝于電容傳感器實驗?zāi)０迳?，將傳感器引線插頭插入實驗?zāi)０宓牟遄小? 2、將電容傳感器實驗?zāi)０宓妮敵龆薞o1與數(shù)顯單元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw調(diào)節(jié)到中間位置。 3、接入15V電源

17、，旋動測微頭改變電容傳感器動極板的位置，當(dāng)電壓變?yōu)樽钚≈禃r開始記輸出電壓值，然后向左右移動，每隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表4-1。 表4－1 電容傳感器位移與輸出電壓值 X(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 V(mv) 4、根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差。 五、 實驗注意事項 1、傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。 2、做實驗時，不要接觸傳感器，否則將會使線性變差。 圖4-1電容傳感器位移實驗接線圖 六、 思考題 1、簡

18、述什么是傳感器的邊緣效應(yīng)，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。 2、電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優(yōu)缺點？ 七、 實驗報告要求 1、整理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)所得得實驗數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線，并利用最小二乘法做出擬合直線，計算該傳感器得非線性誤差。 2、根據(jù)實驗結(jié)果，分析引起這些非線性得原因，并說明怎樣提高傳感器得線性度。 實驗五 直流激勵時霍爾傳感器位移特性實驗 一、 實驗?zāi)康? 了解霍爾式傳感器原理與應(yīng)用。 二、 實驗儀器 傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 三、 實驗原理 金屬或半導(dǎo)體薄片置

19、于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于磁場和電流的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的元件成為霍爾元件，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UH＝KHIB，當(dāng)保持霍爾元件的控制電流恒定，而使霍爾元件在一個均勻梯度的磁場中沿水平方向移動，則輸出的霍爾電動勢為，式中k—位移傳感器的靈敏度。這樣它就可以用來測量位移?；魻栯妱觿莸臉O性表示了元件的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度就越好。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將霍爾傳感器安裝在霍爾傳感器實驗?zāi)K上，將傳感器引線插頭插入實驗?zāi)０宓牟遄?，實驗板的連接線按圖5-1進(jìn)行。1、3為電源5V，2、4為輸出。 2、開啟電源

20、，調(diào)節(jié)測微頭使霍爾片大致在磁鐵中間位置，再調(diào)節(jié)Rw1使數(shù)顯表指示為零。 圖5-1 直流激勵時霍爾傳感器位移實驗接線圖 3、測微頭往軸向方向推進(jìn)，每轉(zhuǎn)動0.2mm記下一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入表5-1。 表5－1 X（mm） V(mv) 4、作出V-X曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。 五、 實驗注意事項 1、對傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。 2、不要將霍爾傳感器的激勵電壓錯接成15V，否則將可能燒毀霍爾元件。 六、 思考題 本實驗中霍爾元件位移的線性度實

21、際上反映的時什么量的變化？ 七、 實驗報告要求 1、整理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)所得得實驗數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線。 2、歸納總結(jié)霍爾元件的誤差主要有哪幾種，各自的產(chǎn)生原因是什么，應(yīng)怎樣進(jìn)行補償。 實驗六 集成溫度傳感器的特性 一、 實驗?zāi)康? 了解常用的集成溫度傳感器基本原理、性能與應(yīng)用。 二、 實驗儀器 傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 三、 實驗原理 集成溫度傳器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一芯片上，它能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于－50℃－＋150℃之間測量，溫敏晶體管是利用管子

22、的集電極電流恒定時，晶體管的基極—發(fā)射極電壓與溫度成線性關(guān)系。為克服溫敏晶體管Ub電壓生產(chǎn)時的離散性、均采用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器有電壓型和電流型二種，電流輸出型集成溫度傳感器，在一定溫度下，它相當(dāng)于一個恒流源。因此它具有不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾。具有很好的線性特性。本實驗采用的是國產(chǎn)的AD590。它只需要一種電源（＋4V－＋30V）。即可實現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻（本實驗中為R2）即可實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便且電流型比電壓型的測量精度更高。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將主控箱上總電源關(guān)閉，把主控箱中溫度檢測與控制單元中的恒流加熱

23、電源輸出與溫度模塊中的恒流輸入正負(fù)極性對應(yīng)連接起來。 2、將溫度模塊中的溫控Pt100與主控箱的Pt100輸入連接起來。 3、將溫度模塊中左上角的AD590接到a、b上（正端接a，負(fù)端接b），再將b、d連接起來。 4、將主控箱的+5V電源接入a和地之間。 5、將d和地與主控箱的電壓表輸入端相連（即測量1K電阻兩端的電壓）。 6、開啟主電源，將溫度控制器的SV窗口設(shè)定為（設(shè)置方法見附錄2），以后每隔設(shè)定一次，即Δt=，讀取數(shù)顯表值，將結(jié)果填入下表6-1。 表6－1 T（℃） V(mV) 7、根據(jù)上表

24、計算AD590的非線性誤差。 五、 實驗注意事項 1、加熱器溫度不能加熱到120℃以上，否則將可能損壞加熱器。 2、不要將AD590的+、-端接反，因為反向電壓可能擊穿AD590。 六、 思考題 大家知道在一定的電流模式下PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有較好的線性關(guān)系，因此就有溫敏二極管，你若有興趣可以利用開關(guān)二極管或其它溫敏二極管在50℃－100℃之間，作溫度特性，然后與集成溫度傳感器相同區(qū)間的溫度特性進(jìn)行比較，從線性看溫度傳感器線性優(yōu)于溫敏二極管，請闡明理由。 七、 實驗報告要求 1、簡單說明AD590的基本原理，討論電流輸出型和電壓輸出型集成溫度傳感器的優(yōu)缺點。 2、總結(jié)實

25、驗后的收獲、體會。 實驗七 熱敏電阻的特性研究實驗 一、 實驗?zāi)康? 了解熱電阻的特性與應(yīng)用。 二、 實驗儀器 1、傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 2、萬用表 MY60 1個 三、 實驗原理 熱敏電阻是一種對熱敏感的電阻元件，一般用半導(dǎo)體材料做成，可以分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC（Negative Temperature coefficient Thermistor）和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Po

26、sitive Temperature Coefficient Thermistor），臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR（Critical Temperature Resistor）三種，本實驗主要研究前兩種，半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理一般用量子躍遷觀點進(jìn)行分析。由于熱運動（譬如溫度升高），越來越多的載流子克服禁帶（或電離能）引起導(dǎo)電，這種熱躍遷使半導(dǎo)體載流子濃度和遷移發(fā)生變化，根據(jù)電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。NTC通常是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，特別適合于之間的溫度測量，它的電阻值隨著溫度的升高而減小，其經(jīng)驗公式為：，式中，R0是在25時或其他參考溫度時的電阻，T0是熱力學(xué)溫度（K）B

27、稱為材料的特征溫度，其值與溫度有關(guān)，主要用于溫度測量。PTC是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特征曲線是隨溫度升高而阻值增大，開關(guān)型的PTC在居里點附近阻值發(fā)生突變，有斜率最大的區(qū)段，即電阻值突然迅速升高。PTC適用的溫度范圍為，主要用于過熱保護(hù)及作溫度開關(guān)。 NTC和PTC的特征曲線為： NTC、PTC電阻溫度曲線圖 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將主控箱中溫度檢測與控制單元中的恒流加熱電源輸出與溫度模塊中的恒流輸入正負(fù)極性對應(yīng)連接起來。 2、將溫度控制器的SV窗口設(shè)置在，設(shè)置方法見附錄2。然后每隔設(shè)置一次。

28、 3、用萬用表測量溫度模塊上的NTC和PTC的輸出，記下每次設(shè)置溫度下的電阻值，將結(jié)果填入下表： NTC： t(℃) R t(℃) R PTC： t(℃) R T(℃) R 五、 實驗注意事項 加熱器溫度不能加熱到120℃以上，否則將可能損壞加熱器。

29、 六、 思考題 如何根據(jù)測溫范圍和精度要求選用熱電阻？ 七、 實驗報告要求 1、根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)繪制出NTC、PTC的特性曲線。 2、歸納總結(jié)NTC用作溫度測量時應(yīng)注意哪些問題，主要應(yīng)用在什么場合，有哪些優(yōu)缺點。 實驗八 光電二極管和光敏電阻的特性研究 一、 實驗?zāi)康? 了解光電二極管和光敏電阻的特性與應(yīng)用。 二、 實驗儀器 1、傳感器特性綜合實驗儀 THQC-1型 1臺 2、萬用表 MY60 1個 三、

30、 實驗原理 （1）光電二極管 光電二極管是利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，結(jié)構(gòu)與一般二極管類似。PN結(jié)安裝在管的頂部，便于接受光照。外殼上有以透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上，為了獲得盡可能大的光生電流，PN結(jié)的面積比一般二極管要大。為了光電轉(zhuǎn)換效率高，PN結(jié)的深度比一般二極管淺。光電二極管可工作在兩種狀態(tài)。大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。在這種情況下，當(dāng)無光照時，處于反偏的二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流，即暗電流。反向電流小的原因是在PN結(jié)中，P型中的電子和N型中的空穴（少數(shù)載流子）很少。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，PN結(jié)附近受

31、光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度 大大增加，在外加反偏電壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流，反向電流隨光照強度增加而增加。另一種工作狀態(tài)是在光電二極管上不加電壓，利用PN結(jié)受光照強度增加而增加。N結(jié)受光照時產(chǎn)生正向電壓的原理，將其作為微型光電池用。這種工作狀態(tài)一般用作光電檢測。光電二極管常用的材料有硅、鍺、銻化銦、砷化銦等，使用最廣泛的是硅、鍺光電二極管。光電二極管具有響應(yīng)速度快、精巧、堅固、良好的溫度穩(wěn)定性和低工作電壓的優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

32、上圖為光電流信號轉(zhuǎn)換電路，Vo=IpR，Ip為光電流，R是反饋電阻。 （2）光敏電阻： 光敏電阻是利用光的入射引起半導(dǎo)體電阻的變化來進(jìn)行工作的。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)：在無光照時，光敏電阻具有很高的阻值；在有光照時，當(dāng)光電子的能量大于材料禁帶寬度，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子—空穴對，使電阻降低，光線愈強，激發(fā)出的電子—空穴對越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電能力下降，電阻恢復(fù)原值。制作光敏電阻的材料常用硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbS）銻化銦（InSb）等。 由于光導(dǎo)效應(yīng)只限于光照表面的薄層，所以一般都把

33、半導(dǎo)體材料制成薄膜，并賦予適當(dāng)?shù)碾娮柚担姌O構(gòu)造通常做成梳形，這樣，光敏電阻與電極之間的距離短，載流子通過電極的時間少，而材料的載流子壽命又較長，于是就有很高的內(nèi)部增益G，從而獲得很高的靈敏度。光敏電阻具有靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，重量輕，機械強度高，耐沖擊，抗過載能力強，耗散功率大，以及壽命長等特點。光敏電阻的阻值R和光的強度呈現(xiàn)強烈的非線性。 四、 實驗內(nèi)容與步驟 1、將主控箱的0~20mA恒流源調(diào)節(jié)到最小。 2、把0~20mA恒流源的輸出和光電模塊上的恒流輸入連接起來，以驅(qū)動LED光源。 3.1、硅光電池實驗：將恒流源從0開始每隔2mA記錄一次，填入下列相應(yīng)的表格，光電二極管的強

34、度指示在光電模塊的右邊數(shù)顯上。 3.2、光敏電阻實驗：由于光敏電阻光較弱時變化較大，所以在0~2mA之間，每隔0.5mA記錄一次，以后每隔2mA做一次實驗，測得的數(shù)據(jù)填入下列相應(yīng)表格。光敏電阻的大小用萬用表測量光電模塊上的光敏電阻輸出端。 （1）光電二極管 I（mA） V(mv) （2）光敏電阻 I（mA） R 五、 實驗注意事項 注意要將主控箱上恒流輸出的正負(fù)端和光電模塊上的正負(fù)端對應(yīng)接好，否則，光發(fā)送端將不能發(fā)光。

35、 六、 思考題 1、當(dāng)將硅光電池作為光探測器時應(yīng)注意那些問題？ 2、討論光敏電阻主要應(yīng)用在什么場合。 七、 實驗報告要求 1、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出光敏電阻和硅光電池的特性曲線圖。 2、簡述光敏電阻和硅光電池的基本特性。 附錄1 實驗箱溫度控制簡要原理 當(dāng)總電源開關(guān)合上，并且溫度控制器的開關(guān)也閉合時，如果溫度控制器測得的溫度低于設(shè)定的溫度值，那么溫度控制器面板上ALM2燈亮（ALM2為一繼電器的常開觸點，恒流源是與這個常開觸點串聯(lián)的），內(nèi)部繼電器閉合，溫度模塊開始加熱，加熱電源為1A恒流源，當(dāng)溫度加熱到略高與設(shè)定溫度值時，ALM2燈滅，內(nèi)部繼電器斷開，溫度模塊

36、停止加熱，但由于溫度的慣性比較大，因此當(dāng)溫度模塊停止加熱后，仍有一定的向上的沖量。 附錄2 溫度控制器使用說明 1、儀表通電顯示窗先顯示PV窗輸出代碼、SV窗輸入代碼，后顯示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型顯示PV窗Jd—0—5、SV窗2003），隨后即進(jìn)入工作狀態(tài)，其中PV顯示的為測量的溫度值，SV顯示的為設(shè)定的溫度值，當(dāng)SV的值大于PV的值時ALM2燈亮，恒流源有輸出，當(dāng)PV的值大于SV的值時，ALM1燈亮，恒流源無輸出，按SET鍵0.5秒SV顯示窗閃爍，此時可改變設(shè)定值，再按SET鍵0.5秒確認(rèn)，如需要修改其他參數(shù)，必須按住SET鍵大于3秒，即進(jìn)入B菜單，可按要求逐一修改內(nèi)

37、容（見操作流程表），修改完畢再按SET鍵0.5秒若干下，退出菜單，如15秒內(nèi)無鍵按下（該窗內(nèi)新設(shè)置的數(shù)據(jù)無效）自動進(jìn)入新的工作狀態(tài)。 2、當(dāng)輸入信號大于量程上限時，儀表顯示―――，當(dāng)輸入信號小于超出量程下限10%以上時，儀表仍顯示―――，并切斷主控輸出；當(dāng)輸入信號略小于量程下限時，儀表顯示―――。 3、當(dāng)溫度控制效果不夠理想時，可以通過人工后自整定來改變PID參數(shù)。操作方法如下：①人工修正：將儀表進(jìn)入B菜單至P窗，再用溫度控制器下面的三個箭號鍵來修正P值，再按SET0.5S進(jìn)入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET鍵0.5S若干下返回正常工作狀態(tài)，即開始新的PID參數(shù)。②自整定修正

38、：先把主控設(shè)定再實際使用值后實用值的80%左右，再將儀表進(jìn)入B菜單至ATU窗后選擇（1）選號按SET鍵確認(rèn)后儀表即進(jìn)入自整定狀態(tài)，同時AT燈亮，帶自整定完成AT燈滅儀表即按新的自整定PID參數(shù)工作。用自整定修正PID值時應(yīng)該注意當(dāng)負(fù)載為多段串聯(lián)加熱方式（如擠出機械），其中某段進(jìn)入自整定過程時，應(yīng)盡量保持相鄰前后二段的溫度不變，否則會影響自整定效果。 4、PID參數(shù)的設(shè)置原則： P—比例帶設(shè)定，一般取上過沖值的2倍，當(dāng)溫度有規(guī)律波動（系統(tǒng)振蕩）應(yīng)增加比例帶，當(dāng)溫度無規(guī)律漂動時，應(yīng)減少比例帶。 I—積分時間設(shè)定，當(dāng)溫度有規(guī)律波動時，應(yīng)增加積分時間，當(dāng)溫度很長時間不能消除靜差時應(yīng)減少積分時間。

39、 D—微分時間設(shè)定，一般取積分時間的1/5—1/4，微分時間的增加有助于減少系統(tǒng)的超調(diào)。 5、PID控制與位式控制功能的切換方法：若需把儀表切換成位式控制（常規(guī)儀表出廠設(shè)置為PID控制），正常工作狀態(tài)儀表按住SET鍵3S以上進(jìn)入B菜單后，再按SET鍵0.5S若干下至P窗，把P設(shè)為0后按SET鍵若干下至T窗，把T設(shè)為1即進(jìn)入位式控制，其控溫范圍（切換差）可通過該變dp值來實現(xiàn)，位式控制時的dp值舉例：SV=時，設(shè)dp=，則實際輸出控制范圍為87.5～。若需返回至PID控制時，把P、T、dp值還原即可。PID控制適用于高精度控溫場合，系統(tǒng)配置穩(wěn)定合理可達(dá)到1個字精度；位式控制適用于控制某一段范

40、圍內(nèi)的溫度。 6、限制功能，如儀表為連續(xù)電流或電壓控制及輸出時為限幅；如儀表時斷續(xù)通斷式輸出時為限制輸出通斷時間比例關(guān)系，也就是周期（T）內(nèi)最長導(dǎo)通時間的百分比。 7、失常請檢查儀表參數(shù)是否被誤修改，傳感器部分是否失效。按鍵不起作用，請檢查LCK鍵是否被鎖定。 8、各參數(shù)與面板功能： SET：功能鍵 PV：當(dāng)前測量值 SV：主控設(shè)定值 OUT：主控輸出指示 ALM1：ALM1報警輸出指示 ALM2：ALM2報警輸出指示 AT：自整定指示 向左箭號：移位鍵 向下箭號：減鍵 向上箭號：加鍵 參數(shù) 常規(guī) 設(shè)定范圍 AH 隨機 全量程 AL 隨機 全量程 ATU 0 0自整定關(guān) 1自整定開 dp 0.1 0.1～125 P 40(位式0) 0～125 I 200 1～3600S d． 50 1～1200S T 20（位式1） 1～60S SC 0 20.0 dT 0/1 0～3 UP 100% 30～100% HC 1 1正向（加熱） 0反向（制冷） LCK 0 0 不鎖 2 全鎖 其他 鎖B菜單