傳感器檢測技術實驗報告修改版

1、湖南交通工程學院 傳感器與檢測技術實驗報告 姓 名： 學 號： 院 系： 專 業(yè)： 實 驗 室： 同組人員： 評定成績： 審閱教師： 實驗一 金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的了解金屬箔式應變片的應變效應及單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應。金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它反映被測部位受力狀態(tài)的變化。電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。單臂電橋輸出電壓 ，其中K為應變靈敏系數(shù)，為電阻絲長度相對變化。三、實驗器材 主機箱、應變傳感器實驗模板、托盤、

2、砝碼、萬用表、導線等。四、實驗步驟1. 根據(jù)接線示意圖安裝接線。2. 放大器輸出調零。3. 電橋調零。4. 應變片單臂電橋實驗。測得數(shù)據(jù)如下，并且使用Matlab的cftool工具箱畫出實驗點的線性擬合曲線：重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）01.12.13.14.25.36.47.58.59.610.7擬合值（mv）-0.031.042.103.184.255.326.397.468.539.6010.67|mx|0.030.0600.080.050.020.010.040.0300.03由matlab擬合結果得到，其相關系數(shù)為0.9998，擬合度很

3、好，說明輸出電壓與應變計上的質量是線性關系，且實驗結果比較準確。系統(tǒng)靈敏度S=UW=0.0535V/Kg (即直線斜率)，非線性誤差= myFS=0.0810.7×100%=0.75% 五、思考題 單臂電橋工作時，作為橋臂電阻的應變片應選用：（1）正（受拉）應變片；（2）負（受壓）應變片；（3）正、負應變片均可以。答：（1）負（受壓）應變片；因為應變片受壓，所以應該選則（2）負（受壓）應變片。實驗二 金屬箔式應變片全橋性能實驗一、實驗目的了解全橋測量電路的優(yōu)點二、基本原理 全橋測量電路中，將受力方向相同的兩應變片接入電橋對邊，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值R1=R2=R3

4、=R4、其變化值時，其橋路輸出電壓。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差都得到了改善。三、實驗器材主機箱、應變傳感器實驗模板、托盤、砝碼、萬用表、導線等。四、實驗步驟1.根據(jù)接線示意圖安裝接線。2.放大器輸出調零。3.電橋調零。4.應變片全橋實驗 數(shù)據(jù)記錄如下表所示，并且使用Matlab的cftool工具箱畫出實驗點的線性擬合曲線：重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）0591318222731364045擬合值（mv）0.0454.518.9713.4417.9022.3726.8331.2935.7640.2244.69|mx|0.04

5、50.490.030.440.100.370.170.290.240.220.31由matlab擬合結果得到，其相關系數(shù)為0.9995，比上個實驗中的單臂電橋線性度差，跟理論存在誤差。系統(tǒng)靈敏度S=UW= 0.2232V/Kg (即直線斜率)，非線性誤差= myFS=0.4945×100%1.1% ，可見全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍可以看出，但非線性度卻高于單臂電橋。按照實驗結果，對于靈敏度的測量時符合理論值的，但是非線性誤差是有誤的，分析其原因可能是測量過程中的儀器調節(jié)、讀數(shù)誤差、以及儀器本身存在的問題。我們在做實驗的過程中，儀器存在一定問題，總是很難調節(jié)或者得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，不夠精

6、準。五、思考題1.測量中，當兩組對邊電阻值R相同時，即R1=R3，R2=R4，而R1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以；（2）不可以。答：（2）不可以。因為電橋平衡的條件為：R1×R3=R2×R4。2.某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如圖2-8，能否如何利用四組應變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖2-8 受拉力時應變式傳感器圓周面展開圖答：能夠利用它們組成電橋。（a）圖中 4個應變片對稱分布于測試棒上，檢測試件橫向拉力，如果已知試件泊松比則可知試件縱向應變。任意選取兩個電阻接入電橋的對邊，輸出為兩倍的橫向應變，并選取外加電阻使電橋平衡；（b）圖中

7、R3、R4應變片檢測試件縱向拉力，R1、R2檢測橫向拉力，可以選取R3、R4接入電橋對邊，輸出為兩倍的縱向應變。需要接入與應變片阻值相等的電阻組成電橋。3.金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較基本原理如圖2-9（a）、（b）、（c）。比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，根據(jù)實驗結果和理論分析，闡述原因，得出相應的結論。注意：比較實驗中，（a）、（b）、（c）放大電路的放大器增益必須相同。 （a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖2-9 應變電橋 單臂U0 U1U3(R1R1)/(R1R1R2)R4/(R3R4)E（1R1/R1）/（1R1/R1R2/R2）（R4/R3）/（1R4/R3

8、）E設R1R2R3R4，且R1/R1<<1。U0(1/4)(R1/R1)E所以電橋的電壓靈敏度：SU0/(R1/R1)kE(1/4)E 半橋U0(1/2)(R1/R1)ES(1/2)E 全橋U0(R1/R1)ESE答：由以上可以看出，在靈敏度方面全橋的靈敏度最高，半橋次之，單臂最差，非線性度，單臂的非線性度最高即線性度最差，全橋的線性度最好 線性度：單臂>單橋>全橋 理論上： 靈敏度： 單臂 ，半橋 ，全橋 。 非線性度：單臂，半橋 ，全橋 。如前所述，由于外界因素，導致我們的非線性誤差的計算存在很大偏差，但是就根據(jù)理論分析來看，全橋利用差動技術，能有效地提高靈敏度、降

9、低非線性誤差、有效地補償溫度誤差。全橋利用差動技術，能有效地提高靈敏度、降低非線性誤差、有效地補償溫度誤差。4、金屬箔式應變片的溫度影響電阻應變片的溫度影響主要有兩個方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應變柵的線膨脹系數(shù)與彈性體（或被測試件）的線膨脹系數(shù)不一致而產生附加應變。當溫度變化時，即使被測體受力狀態(tài)不變，輸出也會有變化。 按照全橋性能實驗步驟，將200g砝碼放在砝碼盤上，在數(shù)顯表上讀取數(shù)值Uo1。 將主機箱中直流穩(wěn)壓電源5V、地（）接于實驗模板的加熱器6V、地（）插孔上，數(shù)分鐘后待數(shù)顯表電壓顯示基本穩(wěn)定后，記下讀數(shù)Uot 。（Uot-U01）即為溫度變化的影響。溫度變化產生的相對誤差： 如何消除

10、金屬箔式應變片溫度影響？答：可以采用溫度自補償法或者橋路補償法。實驗三 差動變壓器的性能實驗一、實驗目的 了解差動變壓器的工作原理和特性。二、基本原理 差動變壓器由一只初級線圈和二只次級線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內外層排列不同，有兩段式和三段式，本實驗采用三段式。 當被測物體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使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電勢產生變化。將兩只次級反向串接，引出差動電勢輸出。其輸出電勢反映出被測物體的移動量。三、實驗器材主機箱、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波器、萬用表、導線等。四、實驗步驟1.按照接線圖連接線路。2.差動變壓器L1的

11、激勵電壓從主機箱中的音頻振蕩器的Lv端引入，音頻振蕩器的頻率為45KHz，本次實驗選取4561Hz，輸出峰峰值為2V。3.松開測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使變壓器次級輸出的Vp-p較小。然后擰緊螺釘，仔細調節(jié)測微頭的微分筒使變壓器的次級輸出Vp-p為最小值（零點殘余電壓，約為0.035v），定義為位移的相對零點。4.從零點開始旋動測微頭的微分筒，每隔0.2mm（微分筒轉過20格）從示波器上讀出示波器的輸出電壓Vp-p，記入表格中。一個方向結束后，退到零點反方向做相同的實驗。5.根據(jù)測得數(shù)據(jù)畫出Vop-p X曲線，做出位移為±1mm、±3mm時的靈敏度和非線性誤差。數(shù)

12、據(jù)表格如下：X(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.8V(mv)164574103138172196225257286擬合值(mv)15.3345.5375.73105.93136.13166.33196.53226.73256.93287.13|mx|0.670.531.732.931.875.670.531.730.071.13X(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8V(mv)16387198127150181210237263擬合值(mv)14.1141.8969.6797.45125.23153.01180.79208.572

13、36.35264.13|mx|1.893.891.330.551.773.010.211.430.651.13實驗曲線如下：從圖可以看出，數(shù)據(jù)基本呈線性，關于x=0對稱的，在零點時存在一個零點誤差，即零點殘余電壓，在15mv左右。位移為1mm時， 靈敏度為151V/m，非線性度= myFS=5.67286×100%=1.98%；位移為-1mm時，靈敏度為138.9V/m，非線性度= myFS=3.89263×100%=1.48%由上式得到的非線性度可知，差動式變壓器輸出的非線性較好。 五、思考題1.用差動變壓器測量，振動頻率的上限受什么影響？答：受導線的驅膚效應和鐵損等的影

14、響，若頻率過大超過某一數(shù)值時（該值視鐵心材料而定）將會導致靈敏度下降。2.試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？答：相同點：都利用了電磁感應原理。不同點：一般變壓器為閉合磁路，初、次級間的互感為常數(shù)；差動變壓器為開磁路，初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作。實驗四 電容式傳感器的位移實驗一、實驗目的了解電容式傳感器結構及其特點。二、基本原理利用電容CAd的關系式，通過相應的結構和測量電路，可以選擇、A、d三個參數(shù)中保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，就可以組成測介質的性質（變）、測位移（d變）和測距離、液位（A變）等多種電容傳感器。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積

15、差動結構的電容式位移傳感器，如圖3-6所示：由二個圓筒和一個圓柱組成。設圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=2 ln(Rr)。 圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產生 X位移時，電容量的變化量為 C=C1C2=2 2 Xln(Rr)，式中2 、ln(Rr)為常數(shù)，說明 C與位移 X成正比，配上配套測量電路就能測量位移。圖3-6 電容式位移傳感器結構三、實驗器材主機箱、電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭。四、實驗步驟圖3-7 電容傳感器位移實驗原理圖1、按圖3-8將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模板上，實驗模板的輸出o1接主機箱電壓表的in。2、將實驗模板上的Rw調

16、節(jié)到中間位置（方法：逆時針轉到底再順時傳圈）。 3、將主機箱上的電壓表量程（顯示選擇）開關打到2v檔，合上主機箱電源開關； 旋轉測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0v ，再轉動測微頭（向同一個方向）5圈，記錄此時測微頭讀數(shù)和電壓表顯示值，此點為實驗起點值；此后，反方向每轉動測微頭1圈即x=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)，共轉10圈讀取相應的電壓表讀數(shù)（單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的回差）； 將數(shù)據(jù)填入表3-7并作出x-v實驗曲線。X(mm)16.74116.24115.74115.24114.74114.24113.74113.24112.74112.241V(mv)-316-2

17、48-188-120-60-1057119178236擬合值(mv)-287-230-174-118-61-551107163220|mx|2918142156121516X(mm)11.74111.24110.74110.2419.7419.2418.7418.2417.7417.241V(mv)293350408461514565618665693740擬合值(mv)276332389445501557614670726783|mx|171819161384153337表3-7 電容傳感器位移與輸出電壓值實驗曲線4、根據(jù)表3-7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S=Ux= -11

18、2.6V/m= myFS=37783×100%=4.7%；五、思考題試設計利用的變化測谷物濕度的傳感器原理及結構？能否敘述一下在設計中應考慮 哪些因素？答：原理：測谷物的濕度時，稻谷的含水率不同，介電常數(shù)也不同，可確定谷物含水率，當電容的A與d為恒定值，C=f()中發(fā)生變化。結構：傳感器為上下兩個極板，谷物從傳感器之間穿過。  考慮因素：感應器是否與谷物接觸的充分、谷物是否均勻的從傳感器之間穿過以及直板傳感器的邊緣效應。實驗五 壓電式傳感器振動測量實驗一、實驗目的了解壓電傳感器的測量振動原理和方法。二、基本原理 壓電式傳感器由慣性質量塊和受壓的壓電片等組成。工作時

19、傳感器感受與試件相同的振動頻率，質量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應，壓電晶體上產生正比于運動速度的表面電荷。三、實驗器材主機箱、差動變壓器實驗模板、振動源、示波器。四、實驗步驟1、按照連線圖將壓電傳感器安裝在振動臺上，振動源的低頻輸入接主機箱的低頻振蕩器，其它連線按照圖示接線。2、合上主機箱電源開關，調節(jié)低頻振蕩器的頻率和幅度旋鈕使振動臺振動，觀察低通濾波器輸出波形。3、用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入和輸出波形；在振動臺正常振動時用手指敲擊振動臺，同時觀察輸出波形的變化。4、改變振動源的頻率，觀察輸出波形的變化。 低頻振蕩器的幅度旋鈕固定至最大，調節(jié)頻率，用頻率

20、表監(jiān)測，用示波器讀出峰峰值填入表格。f(Hz)571215172025V(p-p)0.1790.5721.0870.7940.6870.5860.472實驗曲線：五、思考題根據(jù)實驗結果，可以知道振動臺的自然頻率大致是多少？傳感器輸出波形的相位差大致為多少？答：根據(jù)實驗曲線可知，振動臺的自然頻率大約為11Hz。t=5ms T=106ms =5106×360°=17°實驗六 電渦流傳感器位移實驗一、實驗目的了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、基本原理通過交變電流的線圈產生交變磁場，當金屬體處于交變磁場時，根據(jù)電磁感應原理，金屬體內產生電流，該電流在金屬體內自

21、行閉合，并呈旋渦狀，故稱為渦流。渦流的大小與金屬體的電阻率、導磁率、厚度、線圈激磁電流頻率及線圈與金屬表面的距離x等參數(shù)有關。電渦流的產生必然要消耗一部分磁場能量，從而改變激磁線圈阻抗，渦流傳感器就是基于這種渦流效應制成的。電渦流工作在非接觸狀態(tài)，當線圈與金屬體表面的距離x以外的所有參數(shù)一定時可以進行位移測量。三、實驗器材主機箱、電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、測微頭、被測體（鐵圓片）。四、實驗步驟1、觀察傳感器結構，根據(jù)示意圖安裝測微頭、被測體、電渦流傳感器并接線。2、調節(jié)測微頭使被測體與傳感器端部接觸，將電壓表顯示選擇開關切換到20V檔，檢查接線無誤后開啟主機箱電源開關，記下電壓表讀數(shù)

22、，然后每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將?shù)據(jù)填入下表：X(mm)13.60513.70513.80513.90514.00514.10514.20514.30514.405V(v)00000.010.090.180.280.38X(mm)14.50514.60514.70514.80514.90515.00515.10515.20515.305V(v)0.480.580.690.790.900.991.201.301.43X(mm)15.40515.50515.60515.70515.80515.90516.00516.10516.205V(v)1.561.681.791.912

23、.052.182.392.442.57X(mm)16.30516.40516.50516.605 16.705 16.80516.90517.00517.105V(v)2.722.863.003.123.283.433.583.723.86X(mm)17.20517.30517.40517.50517.60517.70517.80517.90518.005V(v)4.014.144.324.434.594.744.895.055.15X(mm)18.10518.20518.30518.40518.50518.60518.70518.80518.905V(v)5.325.465.585.715.

24、886.06.126.276.42X(mm)19.00519.10519.20519.30519.40519.50519.60519.70519.805V(v)6.546.666.786.917.037.147.267.337.44X(mm)19.90520.00520.10520.20520.30520.40520.50520.60520.705V(v)7.597.707.797.887.968.028.188.218.25X(mm)20.80520.90521.00521.10521.205V(v)8.448.538.598.598.59使用文檔中的獨特引言吸引讀者的注意力，或者使用此空間

25、強調要點。要在此頁面上的任何位置放置此文本框，只需拖動它即可。3、畫出V-X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及正、負位移測量時的最佳工作點（即曲線線性段的中點）。試計算測量范圍為1mm與3mm時的靈敏度和非線性度（可以用端點法或其他擬合直線）。最佳工作點測量范圍1mm： 靈敏度：v=1.43v x=1mm S=vx= -143V/m 非線性度：v=0.007v yFs=1.41 所以 = myFS=0.0071.41×100%=0.49%； 測量范圍3mm： 靈敏度：v=4.15v x=3mm S=vx= -138.2V/m 非線性度：v=0.056v yFs=4.15= myFS=0.0

26、564.15×100%=1.3%； 五、思考題1、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關，如果需要測量±5mm的量程應如何設計傳感器？答：電渦流傳感器的量程就是傳感器的線性范圍，它受到線圈半徑。被測體的性質及形狀和厚度等因素影響。2、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據(jù)量程使用選用傳感器？答：所測量的位移在所選的傳感器量程范圍內。 實驗七 直流激勵時線性霍爾傳感器的位移特性實驗一、實驗目的了解霍爾式傳感器原理與應用。二、基本原理 根據(jù)霍爾效應，霍爾電勢，當霍爾元件處在梯度中運動時，它的電勢會發(fā)生變化，利用這一性質可以進行位移測量。三、實驗器材 主機箱、霍爾傳感器實驗模板、

27、霍爾傳感器、測微頭。四、實驗步驟圖5-1 霍爾傳感器（直流激勵）實驗原理圖1、按圖5-2示意圖接線（實驗模板的輸出Vo1接主機箱電壓表的Vin），將主機箱上的電壓表量程（顯示選擇）開關打到2v檔。2、檢查接線無誤后，開啟電源，調節(jié)測微頭使霍爾片處在兩磁鋼的中間位置，再調節(jié)Rw1使數(shù)顯表指示為零。3、向某個方向調節(jié)測微頭2mm位移，記錄電壓表讀數(shù)作為實驗起始點；再反方向調節(jié)測微頭，每增加0.2mm記下一個讀數(shù)（建議做4mm位移），將讀數(shù)填入表5-1。表5-1X(mm)00.20.40.60.81.01.21.4V(mV)-1617-1308-975-664-337-6309684X(mm)1.6

28、1.82.02.22.42.62.83.0V(mV)10111362175521102540292033303790X(mm)3.23.43.63.84.04.2V(mV)418046705050536056605910作出VX曲線，計算不同測量范圍時的靈敏度和非線性誤差。實驗完畢，關閉電源。靈敏度： 所以 非線性度： 所以 五、思考題本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？答：反映的是磁場的變化。實驗八 霍爾轉速傳感器測量電機轉速實驗一、實驗目的了解霍爾轉速傳感器的應用。二、基本原理利用霍爾效應表達式：UHKH·IB，當被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉一周磁場就

29、變化N次。每轉一周霍爾電勢就同頻率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路計數(shù)就可以測量被測物體的轉速。三、實驗器材主機箱、霍爾轉速傳感器、轉動源。四、實驗步驟1、根據(jù)圖5-5將霍爾轉速傳感器安裝于霍爾架上，傳感器的端面對準轉盤上的磁鋼并調節(jié)升降桿使傳感器端面與磁鋼之間的間隙大約為23mm。圖5-5 霍爾轉速傳感器實驗安裝、接線示意圖2、在接線以前，先合上主機箱電源開關，將主機箱中的轉速調節(jié)電源224v旋鈕調到最?。鏁r針方向轉到底），接入電壓表（顯示選擇打到20v檔），監(jiān)測大約為.25v；關閉主機箱電源，將霍爾轉速傳感器、轉動電源按圖5-5所示分別接到主機箱的相應電源和頻率/轉速表（轉速檔

30、）的Fin上。3、合上主機箱電源開關，在小于12v范圍內（電壓表監(jiān)測）調節(jié)主機箱的轉速調節(jié)電源（調節(jié)電壓改變電機電樞電壓），觀察電機轉動及轉速表的顯示情況。4、從2v開始記錄，每增加1v相應電機轉速的數(shù)據(jù)（待電機轉速比較穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)）。表5-3 電壓（v）23456轉速38060084010601290電壓（v）7891011轉速15201740198022002420畫出電機的Vn（電機電樞電壓與電機轉速的關系）特性曲線。實驗完畢，關閉電源。五、思考題1、利用霍爾元件測轉速，在測量上是否有限制？答：有?；魻栐荒苡脕頊y磁體的轉速。2、本實驗裝置上用了六只磁鋼，能否用一只磁鋼？答：可以，但

31、是分辨率會降低，使實驗結果不準確。實驗九 磁電式轉速傳感器測電機轉速一、實驗目的了解磁電式測量轉速的原理。二、基本原理基于電磁感應原理，N匝線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中感應電勢： 發(fā)生變化，因此當轉盤上嵌入N個磁棒時，每轉一周線圈感應電勢產生N次的變化，通過放大、整形和計數(shù)等電路即可以測量轉速。三、實驗器材主機箱、磁電式傳感器、轉動源。四、實驗步驟磁電式轉速傳感器測速實驗除了傳感器不用接電源外，其它完全與實驗十七相同。圖5-6 磁電轉速傳感器實驗安裝、接線示意圖按圖5-6接線，實驗十七中的實驗步驟做實驗。實驗完畢，關閉電源。畫出電機的Vn（電機電樞電壓與電機轉速的關系）特性曲線。實驗完畢，

32、關閉電源。表5-4 電壓（v）23456轉速39063082010601270電壓（v）7891011轉速15101710190020402270畫出電機vn特性曲線：五、思考題為什么磁電式轉速傳感器不能測很低速的轉動，能說明理由么？答：磁電式轉速傳感器是利用旋轉體改變磁路，使磁通量發(fā)生變化，從而使其線圈產生感應電壓，如果轉速很慢，旋轉體改變磁路也很慢，磁通量的變化也很慢，感應電壓就會很小，就無法正確地測定轉速。傳感器第四次實驗 實驗二十七 發(fā)光二極管（光源）的照度標定實驗一、 實驗目的了解發(fā)光二極管的工作原理；作出工作電流與光照度的對應關系及工作電壓與光照度的對應關系曲線，為以后實驗做好準備

33、。二、 基本原理半導體發(fā)光二極管筒稱 LED。它是由族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是 PN 結。因此它具有一般二極管的正向導通及反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。其發(fā)光原理如圖7-1所示，當加上正向激勵電壓或電流時，在外電場作用下，在 PN 結附近產生導帶電子和價帶空穴，電子由 N 區(qū)注入 P 區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 N 區(qū)，進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光。假設發(fā)光是在 P 區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。

34、除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、價帶中間附近）捕獲，再與空穴復合，每次釋放的能量不大，以熱能的形式輻射出來。發(fā)光的復量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN 結面數(shù)µm 以內產生。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色由制作二極管的半導體化合物決定。本實驗使用純白高亮發(fā)光二極管。 圖7-1 發(fā)光二極管的工作原理三、 實驗器材主機箱（020mA 可調恒流源、電流表、024V 可調電壓源，照度表），照度計探頭，發(fā)光二極管，光筒。四、 實驗步驟1、按圖7-2配置接線，接線注意、極性。2、檢查接線無誤后，合上主機箱電源開關

35、。3、調節(jié)主機箱中的恒流源電流大?。娏鞅砹砍?20mA 檔），即改變發(fā)光二管的工作電流大小就可改變光源的光照度值。拔去發(fā)光二極管的其中一根連線頭，則光照度為 0（如果恒流源的起始電流不為 0，要得到 0 照度只有斷開光源的一根線）。按表7-1進行標定實驗（調節(jié)恒流源），得到照度電流對應值。4、關閉主機箱電源，再按圖7-3配置接線，接線注意、極性。5、合上主機箱電源，調節(jié)主機箱中的 024V 可調電壓（電壓表量程 20V 檔）就可改變光源（發(fā)光二極管）的光照度值。按表7-1進行標定實驗（調節(jié)電壓源），得到照度電壓對應值。 6、根據(jù)表7-1畫出發(fā)光二極管的電流照度、電壓照度特性曲線。表7-1 發(fā)

36、光二極管的電流、電壓與照度的對應關系照度（Lx）2102030405060708090100電流（mA）000.130.170.220.270.320.370.420.470.51電壓（V）02.562.602.642.682.722.752.782.822.852.88照度（Lx）110120130140150160170180190200電流（mA）0.560.610.660.710.760.810.860.910.971.01電壓（V）2.912.942.9733.043.073.13.133.173.20照度（Lx）210220230240250260270280290300電流（mA

37、）1.071.121.171.221.281.331.381.431.491.54電壓（V）3.223.253.283.313.343.383.403.443.473.506、根據(jù)表7-1畫出發(fā)光二極管的電流照度、電壓照度特性曲線。 發(fā)光二極管的電流-照度圖（縱坐標電流A，橫坐標照度Lx）發(fā)光二極管的電壓-照度圖（橫坐標照度，縱坐標電壓）由圖可知，發(fā)光二極管的電壓和電流必須達到一定值后，二極管才發(fā)光。這是由于正向電壓必須達到二極管正向導通電壓，二極管才能開始工作，才能發(fā)光。實驗二十八 光敏電阻特性實驗一、實驗目的了解光敏電阻的光照特性和伏安特性。二、基本原理在光線的作用下，電子吸收光子的能量從

38、鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起電導率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光電導效應是半導體材料的一種體效應。光照愈強，器件自身的電阻愈小。基于這種效應的光電器件稱光敏電阻。光敏電阻無極性，其工作特性與入射光光強、波長和外加電壓有關。實驗原理圖如圖7-4。圖7-4 光敏電阻實驗原理圖三、實驗器材主機箱（020mv可調恒流源、電流表、024V可調電壓源、照度表），照度計探頭，發(fā)光二極管，遮光筒。四、實驗步驟1、亮電阻和暗電阻的測量（1）將光敏電阻和電流表串聯(lián)，兩端并聯(lián)電壓表（內接法），電壓表正極接一上拉電阻至VCC。光敏電阻接受一個發(fā)光二級管的光照，中間有一個遮光筒。調節(jié)發(fā)光二級光的供電電壓，查表7-1

39、，使光照度為100Lx。（2）10s左右讀取光敏電阻電流值，作為亮電流I亮。（3）緩慢調節(jié)二極管供電電壓減到0V，10s左右讀取電流值，作為暗電流I暗。（4）根據(jù)以下公式，計算亮阻和暗阻（照度100Lx）：I亮=1.67mA，U亮=10V， R亮=U/I=6kI暗=0mA，U暗=10V， R暗=U/I=2、光照特性測量光敏電阻的兩端電壓為定值時，光敏電阻的光電流隨光照強度的變化而變化，它們之間的關系是非線性的。調節(jié)不同光照度，做出光電流與光照度的曲線圖。表7-2 光照特性實驗數(shù)據(jù)光照度（Lx）0102030405060708090100光電流00.320.480.610.730.870.951

40、.041.131.211.28圖7-3光敏電阻光電流-光照度曲線由圖可知光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜做線性檢測元件，但是在自控系統(tǒng)中用作開關元件。3、伏安特性的測量光敏電阻在一定光照強度下，光電流隨外加電壓的變化而變化。測量時，光照強度為定值下，光敏電阻輸入6檔電壓，測得光敏電阻上的電流值如表7-3，在同一坐標圖中做出不同照度的三條伏安特性曲線。表7-3 光敏電阻伏安特性實驗數(shù)據(jù)光敏電阻電壓（V）0246810照度Lx10電流（mA）00.060.120.190.260.3250電流（mA00.160.320.490.680.85100電流（mA00.240.490.741.001.2

41、7圖7-4 光敏電阻伏安特性由圖可知，光敏電阻的伏安特性是呈線性的；光照越強，伏安特性曲線斜率越大，說明電阻阻值越小。五、思考為什么測光電阻亮阻和暗阻要經過10s后才讀數(shù)？這是光敏電阻的缺點，只能應用于什么狀態(tài)？答：當光照強度發(fā)生變化時,材料的電阻率也會發(fā)生改變,從而電阻阻值也發(fā)生改變。該種改變需要時間，當光線突然改變，阻值不穩(wěn)定，經過10秒后阻值基本穩(wěn)定，便可以讀數(shù)，以獲得穩(wěn)定的輸出讀數(shù)。光敏電阻只能應用于自動控制系統(tǒng)中的開關作用。實驗三十一 硅光電池實驗一、實驗目的 了解光電池的光照、光譜特性，熟悉其應用。二、基本原理光電池是根據(jù)光生伏特效應制成的，不需加偏壓就能把光能轉換成電能的P-N結的光電池器件。當光照射到光電池的P-N結上時，便在P-N結兩端產生電動勢。這種現(xiàn)象叫做“光生伏特效應”，將光能轉化為電能。該效應與材料、光的強度、波長等有關。三、實驗器材 主機箱、安裝架、光電器件實驗（一）模板、濾色片、普通光源、濾色鏡、照度計探頭、照度計模板探頭、硅光電池。四、實驗步驟光電池